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桥梁监管维护与健康分析 1前言 多年来，桥梁结构的安全状况一直是政府有关部门和公众特别关心的问题。目前国内外许多桥梁都存在不同程度的安全隐患。比如西方发达国家在经济腾飞时期建造的大批桥梁面临剩余寿命的评估问题，其中美国的69万座公路桥梁中有一半以上的使用年限已超过50年，三分之一以上的桥梁使用效率很低或者干脆荒废，每年用在桥梁维修上的费用超过50亿美元。在国内，由于质量控制滞后于桥梁的建设速度致使桥梁倒塌事故逐年增加。1999年1月重庆的彩虹大桥倒塌，导致41人死亡、14人受伤的悲剧。1996年12月广东韶关特大桥梁坍塌，32人死亡，59人受伤。另外近几年的铁路提速，对于那些设计最大时速仅有120公里/小时的大批铁路桥梁来说也面临严峻的考验。2002年6月，洪水冲垮了陇海铁路西安段的一座铁路桥梁，使得铁路停止运营数日，造成了重大的经济损失。造成这些事故的原因很复杂，抛开设计与施工方面的原因不谈，这些桥梁长期处于超负荷运营状态，致使许多构件的疲劳损伤加剧，是导致倒塌的重要原因。如果能在灾难来临之前进行预测，对桥梁的疲劳损伤进行监测，从而对桥梁的健康状况给出评估，那就会大大减少这些惨剧的发生。桥梁健康监测及诊断系统的研究与发展正是在此基础上应运而生的，本文结合近10年来桥梁健康监测与诊断及桥梁工程的研究与发展，较系统地阐述了桥梁健康监测系统和诊断方法，并探讨了其中存在的问题。 从桥梁结构健康诊断的目的来看，损伤探测大致可以分成四个阶段：(1)通过全局检测手段探测损伤的存在，即结构是否发生了损伤;(2)如果结构发生了损伤，进一步利用局部检测手段对结构的损伤进行定位;(3)建立损伤量化指标，对局部损伤进行量化，以便制订出合理的维护与维修方案;(4)损伤探测的最终目的，即评估结构的剩余使用寿命。 2桥梁结构无损检测方法 所谓无损检测是指以不损及其将来使用和使用可靠性的方式，对材料或构件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、化学成分、组织结构和力学变化性能的评定，并进而就材料或构件对特定应用的适用性进行评价。所有的结构在其使用期间都会遭受不同程度的累积损伤，利用无损检测的方法可以获取结构内部的健康信息，分析结构的振动特征，并与结构原始状态进行比较，以便了解结构因累积损伤而造成的改变。为了监测桥梁的安全特性，定期检查是必要的。已建桥梁的无损检测问题早在20世纪50年代就已经提出，但由于早期的检测手段比较落后，分析方法不够精确，使得桥梁的无损检测在应用上受到诸多限制。桥梁结构状态的无损检测主要有局部检测方法和整体检测方法两种。局部检测方法是通过对结构某个局部构件进行无损检测，判断是否有局部损伤发生及损伤程度如何，进而判断该损伤对结构整体工作性能的影响如何。整体检测方法是通过检测结构的整体特性来评价整个结构的实际状态。现在国内外检测桥梁结构大多是先用整体检测法确定一些可能的损伤部位，然后再结合局部检测方法对这些部位的构件进行详细的具体的损伤检测，进而对桥梁的损伤情况进行定位。 2.1局部检测方法 局部检测是通过无损检测技术对桥梁需要重点了解的部位进行详细检查，搞清细部结构的损伤情况、力学性能和构造特性的实际状态。目前使用的局部检测方法主要有表观检测法、超声波检测法、电涡流探测法、红外成像法、Y射线法、回弹法、超声脉冲法、压痕法、磁探和磁摄动技术、同位素探测等。近些年来，其他领域的一些无损检测方法也应用到了桥梁的健康检测中。如在航空领域大量使用的用来检测构件的裂纹情况的声发射方法，它主要是通过声波在构件中传播过程来检测损伤，在桥梁的损伤检测中可以用来检测桥墩有无裂纹。所有这些局部检测方法的不足之处在于：(1)仪器设备的价格昂贵，实验数据的解释需要专门的技术知识，难以进行长期检测;(2)被测点必须是可以接近的，对于那些不能接近的损伤部位，这些检测方法难以胜任;(3)需要繁琐的电缆把传感器测量装置同控制中心相连接，这无形中就增加了监测系统的费用，另外，电缆会受到各种环境因素的干扰，不利于信号的采集，而且还要对电缆进行维护。一个理想的检测方法必须满足：(1)鲁棒性、客观性和可靠性强;(2)能够识别损伤的存在;(3)能够对损伤进行定位;(4)能够确定损伤的程度。作者近期正在研制的无线发射信号应变测量传感器可以检测那些不易接近部位的损伤情况，这种无线发射信号的传感器可以对应变、裂缝及其它的连续振动量进行监测，而且价格相对便宜，可以在 桥梁结构上大量布设这种传感器进而获取更加精确的局部健康信息，为桥梁结构局部健康诊断开辟了新的研究领域，即无线监测系统。J . P . Lynch, K . H . Law等人提出的无线监测系统(图1)，利用一个中央处理器，把获取的信号进行预处理，最后通过无线的方式把信号传送到中央控制室。未来的健康监测