浅谈桥梁结构测试技术的新发展和应用

浅谈桥梁结构测试技术的新发展和应用【摘要】桥梁的安全性已越来越受人关注，重大的老桥、新桥都迫切需要能长期、随时地对桥梁安全进行监测的系统。本文结合一系列工程应用，介绍了光纤传感器、磁致弹性传感器、全站仪、GPS系统、实时安全监测系统等先进设备、系统的功能、性能及发展方向。【关键词】桥梁测试技术安全监测新发展1引言1993年，美国的575万座钢筋混凝土桥梁中，有半数以上发生了严重的钢筋锈蚀破坏，其中40的桥梁承载力不足。1998年，美国60万座钢筋混凝土桥中，被列入修复计划的费用达到2000亿美元，为当年建桥费用的4倍。我国虽无该方面的统计资料，但随着经济建设的发展，交通运输能力快速增长，桥梁超负荷运输以及气候环境等因素的作用，使桥梁安全性和耐久性遭到严峻的挑战。国内外现状表明，桥梁不仅存在量大面广的基本维护，而且迫切需要能长期、随时地预报桥梁工作状态的监测系统，来指导桥梁的安全使用和科学维护，使管理和使用纳入信息科学的轨道，同时又能为设计提供准确的第一手资料。最近十多年里，我国建成的多座大桥跨径越来越长，级别越来越高，对于这些现代化大桥再采用传统的测试方法难度将越来越大。大规模集成电路和计算机技术的发展和应用，为测试技术展示了柳暗花明般的前景，许多用于尖端科技的先进技术、设备和系统逐步渗透到桥梁测试领域，使桥梁测试技术与桥梁的建造互相提携、共同发展。2桥梁结构测试技术的发展成桥以后的结构测试，不管是对新桥进行质量鉴定还是对老桥进行维护或改造方面的承载力安全性鉴定，采用的试验方法通常是常规的静载试验、动载试验或振动试验，具体测试手段一般采用电测技术和一些常用的表具，本文将测试内容、常用的一次仪表和设备及其可达到的精度和测试范围列于表1。表1传统桥梁结构测试设备测试内容常用仪表、设备可达到的精度及测试范围应力、应变电阻应变计、振弦式应力计力传感器精度1范围2000030000挠度、变位千分表、百分表、挠度计、位移计、连通管、经纬仪、水准仪连通管配超声波液位计可达01MM频率、振型摆式拾振器伺服式拾振器、大质量压电式拾振器F1HZF05HZ裂缝裂缝尺、读数显微镜读数显微镜分辨率001MM混凝土强度回弹仪、超声波检测仪误差15索力拾振器测频率、钢丝振弦应变仪采用传统的测试方法，每一次都需要投入大量的人力和物力，需布设一定量的应变片和传感器、完成系统的配置和线路的连接、准备车辆和载重物、测试过程中还要进行交通管制等，由于电磁干扰及潮湿温差环境等因素的影响，这一系统不能长期放置，测试往往是一次性的，所测结果是瞬间的，不能长期、实时地对桥梁进行监测，故采用传统测试方法所得的数据无法完全真实地反映桥梁的工作状态。迫切需要创新和建立一种新的先进的实时安全监测系统该系统不仅需要更新改进传感器，使多路传感器持有不同的探测能力，能长期工作，而且系统应能自动记录局域数据并连续高速地传送数据，又能运用无线技术把数据传送到监测中心，通过分析程序快速计算分析，提供大桥在各种工作状态下的各项数据资料，随时显示结构的承载能力和安全储备，并对结构进行安全性和寿命评估。这一系统对传感器的要求是苛刻的，不仅因为传感器是测试系统中最为重要的一次仪表，更要求它除了满足测试必须的性能外，还要有耐久性、工作稳定性、抗电磁干扰能力强、易于维护和更换，甚至应能自检。显然，传统电测技术中采用的一次仪表对于长期、连续、实时观测存在或多或少的困难。新技术的飞速发展，给桥梁测试提供了各种新手段光纤传感器将越来越多地运用到桥梁的监测领域，并大有取代传统电阻应变片的趋势；而价格昂贵的全站仪、红外测距仪或GPS系统在挠度、变位的测量上也将越来越得到普遍应用；频率、振型、索力等也大量采用高性能加速度计或测力传感器（如荷载销和压力盒）。这些仪器的共同特点是输出信号不再是传统意义上的模拟电信号，而是光波或数字电信号，这类仪器大多依赖进口，故价格昂贵。监测系统中采用的仪表、设备及其性能见表2。表2桥梁结构监测系统中采用的测试设备测试内容采用仪表、设备可达到的精度及测试范围应力、应变光纤传感器精度1范围0000挠度、变位全站仪、红外测距仪GPS系统、QY型倾角仪GPSRTK定位精度平面为10MM，高程为20MM频率、振型伺服式拾振器、大质量压电式拾振器裂缝声发射检测仪、光纤传感器索力主缆拉力钢丝振弦应变仪、磁致弹性传感器、测力传感器磁弹仪精度13桥梁结构测试中的新型传感器、新技术及其应用对于桥梁结构，应力应变是表征构件受力水平最基本直接的物理量，是构件的强度指标。在监测系统中除了可以采用性能好的应变计外，发展趋势将采用光纤传感器、磁致弹性传感器等性能更优的仪器进行长期测试。而实际使用情况下桥梁的挠度、变位是判断其是否处于正常状态的重要标志，是结构的刚度指标。尤其对大型的柔性桥梁，动挠度、动位移采用传统的测试仪器测量是非常困难的，而全站仪、特别是GPS系统正解决了这一难题。31光纤传感器及其应用光纤传感器轻巧灵便、不导电、抗腐蚀、抗电磁干扰能力强、对被测介质影响小、具有极高的灵敏度和分辨率、便于复用、便于成网和遥测，更进一步还能进行自检以判断本身工作状态是否正常，随着技术的成熟和推广，其成本是低廉的。这些独特的性能使光纤传感器成为桥梁检测技术的有效手段。光纤传感技术是利用光纤对某些特定的物理量敏感的特性，将外界物理量转换成直接可测量信号的技术。由于光纤不仅可以作为光波的传播媒介，而且光波在光纤中传播时表征光波的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）因外界因素（如温度、压力、应变、磁场、位移等）的作用而间接或直接的发生变化，从而可将光纤用作传感元件来探测各种物理量。用于测量裂缝的光纤传感器，是将光纤传感器埋设在混凝土构件内，裂缝的扩展导致光纤传感器外部机械特性的变化，从而使光纤传感器中的光强输出发生剧烈变化，通过检测光强输出的变化就可以监测混凝土结构内应力的变化和裂缝的发生、发展，实时检测或预报大桥的结构状态。此种埋入式光纤传感器一般是将光纤置入金属套管内埋入混凝土中，在混凝土捣实以后将金属套管慢慢抽出；另一种方法是在光纤外包一条与混凝土热膨胀系数一致的金属细管，将金属细管两端与光纤粘结起来，外部荷载通过金属细管作用在光纤上；同样也可将光纤传感器先埋入小型混凝土预制构件中，然后将此预制构件放入主体结构内部。加拿大ROTEST公司研制的FABRYPEROT光纤传感器可用于检测桥梁结构的应力、应变、结构振动、结构损伤程度、裂缝的发生和发展等内部状态，并取得了较好的测试结果。这种基于白光干涉理论的光纤传感器具有很高的精度和重复性，可安装在材料的表面或埋入结构内部，进行连续监测。瑞士开发出的光纤应变/变形传感器，传感头可埋入混凝土结构内部或粘贴于外部。在与传统的电检测技术的对比测试中，光纤传感器不仅一直能令人满意地工作，而且二者的测试结果显示了较好的一致性。加拿大TAYLOR桥上采用了一些碳纤维增强塑料（CFRP）作预应力加劲材料，并布置了光纤传感器网络，整个光纤传感器网络由65个光纤传感器、现场永久性仪器和一条电话线组成，电话线连接到工程办公室对交通荷载作用下的结构进行连续监测。光纤传感器被安装在钢筋、CFRP筋上以及用CFRP加劲的桥面板和防撞墙上。安装时需进行表面处理，采用环氧树脂粘帖，与普通电阻应变片粘帖技术类似。每个光纤传感器引线被安在一根不锈钢管子内，把引线引入到梁翼板上的终端盒内，再把它连接到桥墩位置处的一个主引线盒上。这个主引线盒汇集了来自各跨所有梁的引线，并把熔接的接头连到主光缆上，该主光缆连接到结构另一端的小屋内。应变采用一台光纤应变检测仪进行记录，安装在中跨预应力筋上的光纤传感器将梁所经历的应变幅值传送到数据处理中心并记录下来。光纤传感器欲在目前大范围推广使用，还存在一些问题光纤传感器和转接仪器的选择，传感器系统的标定、指标和实施等标准以及标准化技术的缺乏，现场安装、测量和后期维护、更换等，但毕竟研究应用的努力已展示了其广阔的前景。我国也于上世纪90年代开始进行这方面的研究，清华大学、同济大学、重庆大学、哈尔滨工业大学等院校已对光纤传感器应用于桥梁检测进行了理论研究，并在实验室中做了样机试验，取得了较好的效果。32磁致弹性传感器及其应用O型磁致弹性传感器主要由两个圆筒形线圈构成，一个主线圈，另一个次线圈，钢缆穿过主线圈但不能接触，通过磁导率测量方法，可以获得钢缆磁导率和应力、温度之间的关系。磁致弹性传感器利用磁通量的变化与钢缆应力改变有关这一特性而研制成功。钢缆中的磁通量大小由主线圈感应，次线圈测量，同时需用温度传感器进行温度补偿。江阴长江大桥主缆索股的拉力监测即采用磁致弹性传感器，将传感器同DYNAMAGCB5控制仪相连，通过对放电脉冲激励进行数字处理，再由RS232传输到相邻的外站。各控制仪与一个参考传感器相连接，作为仪器的检查和对磁质在某一长时间内变化的校正。外站在获得传感器的数据后，再传给工作站用于显示，绘制曲线报警及存储。磁致弹性传感器需要在施工阶段预先安装，且质量控制较困难，也比较容易损坏，对老桥监测显然是不适用的。为此，美国伊利诺斯大学正在研制一种结构为C型偏转线圈的新型磁致弹性传感器，可以在使用时随时安装，实验室证明这种传感器能够直接精确地进行应力测量。33自动照准全站仪及其应用自动照准全站仪带有红外激光探头和伺服电机驱动的自动跟踪装置，能进行高精度光学对点，自一个点追踪另一个移动的活动目标棱镜，逐个进行放样、变形监测、重复测址等。操作时只需将光学瞄准镜照准反射棱镜，一旦反射棱镜进入目视场，仪器就自动精密对焦，无须再观看目镜或对目标进行调焦。全站仪具有双向通信功能，可将测量数据传送给计算机，也可接收主机的指令，巡回测量各测点的三维坐标，并与初设值进行比较，从而得出大桥各点的位移和挠度。江阴长江大桥主梁的外形和位移即采用莱卡全站仪进行测量。测点布置在主梁两侧底部，在相应的点位布置面向全站仪的反射器，测量时全站仪自动追踪反射器，然后锁定，读取有关位置的数据。外站根据这些数据计算，确定每一对反射器的X、Y、Z坐标平均值，完成全部反射器坐标值计算后，外站形成一个实时统计分析结果，提供出平均值、最大值、最小值、标准差以及最大、最小值出现的时间。统计数据每小时向工作站传递一次，以图形显示桥梁的外形和移动。全站仪置于南塔的东肢上，含有自动倾斜纠正功能，在347范围内的倾斜自动纠正，当塔的倾斜超过这一范围，则仪器停止运作需重新设定。系统还设计了测定全站仪自身发生移动的装置，利用设在桥外的两个外测站进行参考测量，从而修正。34GPS系统及其应用GPS系统（全球卫星导航定位系统）是实时安全监测系统的一部分，主要用于测试桥梁索塔轴线空间位置，测量主梁挠度，因为这两项指标是衡量大桥是否处于正常营运状态的一个重要标志。GPS系统的硬件包括GPS测量仪（GPS天线和接收器）、接驳机、信息收集总控制站、光纤网络、GPS计算机系统和显示屏。GPS测量可以做到各个测点的三维坐标同步观测，避免了传统测量中信号间不同步的缺陷，而且在测量前无须调零。清华大学于2000年在广东虎门大桥上安装了7台GPS接受机，采用环境脉动法进行动力测试，结合有限元分析，监测到该大跨悬索桥连续实时的位移变化，分析得出大桥的固有模态，验证了抗风抗震设计和所建立的有限元，说明GPS用于柔性大跨桥梁的安全性检测是可行的。香港的青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥等三座跨海大桥分别在主梁两侧和桥塔顶部共安装了27个GPS接受器，配有24颗人造卫星跟踪通道，以双频同步跟踪测量12颗卫星的伪距与全波长的载位相位，通过每秒10次定点实时测量，计算出桥身主轴线和桥塔塔顶的三维瞬间位移和桥身扭转振动的时程数据，经数据和图象处理后，显示屏上可显示出全桥实时摆动的活动图象。所有工作在2秒内就可全部完成。4桥梁结构实时安全监测系统及其应用桥梁实时安全监测系统主要由五个子系统组成并通过网络联系而运作，五个子系统为传感器（信息采集）系统、信息传输系统、信息处理系统、信息分析系统、系统控制和反馈。其系统控制见图1、图2。传感器系统信息传输系统信息分析系统系统控制和反馈信息处理系统图信息流图数据处理中心站传MODEGPS传2桥1桥远程监测中心打印局域网电话网DEM通讯管理器传数据采集站GPS传传感器发射机数据采集站光接头光接头传桥梁控制中心图监测网络结构方案图实时安全监测系统是一长期在线的监测系统，不仅如上所述可以进行静态、动态状况下的力、应变、位移等测量，而且可以测试作为结构固有特征的频率、振型、振幅等动态参数，更为车辆、温度、风力、地震等的实际作用取得宝贵的第一手资料。世界上第一套全桥远程监测系统是用在美国威斯康辛州一座已有65年历史的提升式桥上，用以监测已将达到设计寿命的该桥梁裂缝扩展情况以及其它状态变化。香港的青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥等三座大桥上安装了共有900多个传感器的实时安全监测系统，并在此系统完成后不久又增装了GPS系统，规模堪称世界之最。主要监测内容包括桥址处风速和风向，桥址处环境温度和桥梁结构上温度分布，车辆荷载及其分布，地震荷载；桥梁结构的动力特性，主梁各控制部位的应力和位移状态，拉索索力，主梁及索塔轴线的空间位置；进行结构评估，评估大桥即时的结构可靠度。主跨1385M的江阴长江公路大桥，结构安全监测系统由1台工作站和8台远程外站通过以太光纤局域网连接而成。工作站置于大桥的监控中心，提供系统与操作人员的界面，便于完成系统参数的操作，并对外站接受到的统计处理和报警数据进行存储和显示；外站布置在桥上负责全部传感器和分系统的监测，其运作由数据库控制，不但在数据传输到工作站之前处理所有收集到的有关数据，还可以传输有关系统故障的信息，工作站则可向外站及时发出停止传输或重新传输数据等指令。工作站可以根据拥有的数据进行表格显示、图形显示和数据显示，针对所设定的各类允许参数进行多级报警和提示，并可同大桥塔锚的监测数据及相关的气象监测数据综合起来，对大桥的结构安全进行综合分析，以实现大桥正常营运和维护。目前实时安全监测系统尚没有能力对大桥混凝土和钢构件的氧化、腐蚀、老化进行长期、实时监测的有效手段。桥梁实时安全监测系统研究发展比较早的国家是加拿大、英国、美国、日本等发达国家，我国的一些大桥上虽已采用，但大多是由国外设计并布设，成本之高自不必说，在这方面，迫切需要投入大量人力、物力进行研发。5结语1桥梁实时安全监测系统因其具有长期、实时地提供大桥在各种工作状态下的各项数据资料，随时显示结构的承载能力和安全储备，对结构进