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【陜西永鑫智凱工程】分享:橋梁檢測(cè)&監(jiān)測(cè)有那么重要嗎?

2023-10-25


“一橋飛架南北,天塹變通途”,橋梁對(duì)我們的基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要,橋梁和人一樣,也會(huì)有“生老病死”,它需要定期維護(hù),以確保汽車、卡車、鐵路車輛和經(jīng)常通過(guò)它們的行人的安全。但是,許多橋梁的歷史都有30年或更長(zhǎng)了,市民有可能每天都要穿過(guò)存在結(jié)構(gòu)缺陷的橋梁。因此,只有通過(guò)科學(xué)的檢測(cè)與監(jiān)測(cè),才能及時(shí)、準(zhǔn)確掌握橋梁技術(shù)狀態(tài),保證其安全健康。

先看一組數(shù)據(jù)

改革開(kāi)放以來(lái),我國(guó)橋梁建設(shè)取得了飛速發(fā)展,橋梁數(shù)量在2011年便已超過(guò)美國(guó),成為世界**橋梁大國(guó)。1990年至2018年間,我國(guó)新增橋梁總數(shù)占全世界的47%,年均新增公路橋梁2.57萬(wàn)座。目前,我國(guó)已有超過(guò)87萬(wàn)座公路橋梁,超過(guò)20萬(wàn)座鐵路橋梁。

隨著蘇通長(zhǎng)江公路大橋、港珠澳大橋等一批**橋梁的建成,在跨徑排名世界前十的斜拉橋、懸索橋中,我國(guó)已“霸占”了一半以上的席位。在日新月異的橋梁建設(shè)發(fā)展進(jìn)程中,有以下四個(gè)問(wèn)題值得我們?nèi)ニ伎肌?/span>

橋梁傷病不得不防輕則“減壽”重則垮塌

橋梁建成通車只是實(shí)現(xiàn)其生命價(jià)值的起點(diǎn),只有保證健康與安全,才能發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

在服役期內(nèi),載荷疲勞效應(yīng)、環(huán)境腐蝕和材料老化等因素的耦合作用,都將不可避免地導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)損傷累積和抗力衰減,從而降低其抵抗災(zāi)變的能力,這些損傷如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并得到修復(fù),輕則將影響行車安全,縮短橋梁使用壽命,重則將導(dǎo)致橋梁突然破壞甚至垮塌。

要保證運(yùn)營(yíng)期橋梁的安全與健康,首先要準(zhǔn)確把握橋梁當(dāng)前的技術(shù)狀態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)。

從歐美發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)來(lái)看,經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展期間建成的橋梁,往往存在技術(shù)力量稀釋、搶趕工期等問(wèn)題,所以普遍存在嚴(yán)重隱患;與此同時(shí),通常橋梁在建成20到30年后,也將進(jìn)入病害多發(fā)期。

在役長(zhǎng)大橋梁安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室收集了**447座橋梁垮塌的案例,從其中184座有公開(kāi)資料標(biāo)明事故成因的案例來(lái)看,49%是由于運(yùn)營(yíng)期人為因素及管養(yǎng)不足所造成的。

事故呈現(xiàn)“低齡”特點(diǎn)安全形勢(shì)明顯好轉(zhuǎn)

資料顯示,我國(guó)當(dāng)前橋梁平均橋齡僅為18.2年(美國(guó)為43.2年),尚未進(jìn)入高齡、高危期,普遍還很“年輕”,而且隨著近年來(lái)橋梁領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)體系與管理制度建設(shè)日趨完善,設(shè)計(jì)、施工與管養(yǎng)技術(shù)快速發(fā)展,監(jiān)管力度不斷加強(qiáng),危舊橋加固改建速度不斷加快,公路橋梁的安全形勢(shì)已發(fā)生較明顯好轉(zhuǎn)。“十二五”期間,我國(guó)公路橋梁總數(shù)以年均3.6%的幅度逐年增長(zhǎng),危橋數(shù)量卻以年均4.45%的幅度不斷減少,橋梁安全事故總體處于下降態(tài)勢(shì)。

然而,值得重視的是,西南交大學(xué)者對(duì)我國(guó)70起橋梁事故進(jìn)行分析的結(jié)果顯示,從開(kāi)通到出現(xiàn)事故的平均時(shí)間僅為25年(低于同期對(duì)世界181座橋梁分析得出的29年這一平均時(shí)間);在役長(zhǎng)大橋梁安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)我國(guó)100座運(yùn)營(yíng)期事故橋梁進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析也表明,發(fā)生事故時(shí)橋齡≥50年的不到15%,事故橋梁平均壽命僅為29.36年。

老齡進(jìn)程加速推進(jìn)先天不足 后期缺養(yǎng)

目前,我國(guó)上世紀(jì)80年代和90年代初修建的橋梁已開(kāi)始大量進(jìn)入重大維修養(yǎng)護(hù)期,管養(yǎng)壓力與安全風(fēng)險(xiǎn)必然逐年加大,且當(dāng)前一些橋梁在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中已暴露出“先天不足”“后期缺養(yǎng)”等問(wèn)題,系統(tǒng)地提升橋梁服役性能和安全保障能力已刻不容緩。

中美橋齡數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)比美國(guó)橋梁發(fā)展來(lái)看,其大規(guī)模建設(shè)期為上世紀(jì)50年代到70年代;1950年時(shí),美國(guó)橋齡在30年以上的橋梁占比為17.5%,到1970年,這個(gè)數(shù)字已發(fā)展為37.7%,其工作重心也開(kāi)始逐步轉(zhuǎn)向管養(yǎng)。2016年,美國(guó)橋齡在30年以上的橋梁占比為62.3%,其90%的經(jīng)費(fèi)已用于養(yǎng)護(hù)維修,僅有10%的經(jīng)費(fèi)用于新建。

2014年,我國(guó)橋齡在30年以上的橋梁占比為18.4%,根據(jù)當(dāng)前建設(shè)情況和相關(guān)規(guī)劃推測(cè),2034年,這一占比將增加為42.4%;2044年,將增加為62.7%。對(duì)比中美30年以上橋齡的橋梁占比可以發(fā)現(xiàn),美國(guó)該比例從18%增長(zhǎng)到60%,用了約60年,而中國(guó)只要大約30年,從這個(gè)角度來(lái)看,中國(guó)橋梁老齡化正在加速到來(lái)。

技術(shù)研究走向“四化”傳統(tǒng)模式 難當(dāng)重任

隨著橋梁數(shù)量增加、橋齡日增,橋梁管養(yǎng)壓力與資金缺口必然日益增大,以人工檢查、經(jīng)驗(yàn)決策和糾正式養(yǎng)護(hù)為特點(diǎn)的傳統(tǒng)管養(yǎng)模式,將越來(lái)越難以滿足現(xiàn)代橋梁管養(yǎng)需求,為實(shí)現(xiàn)提質(zhì)、增效、降本的橋梁養(yǎng)護(hù)本質(zhì)需求,必然要求橋梁管養(yǎng)模式逐步轉(zhuǎn)向以精準(zhǔn)決策和預(yù)防性養(yǎng)護(hù)為特色的智慧管養(yǎng)模式。

而要實(shí)現(xiàn)智慧管養(yǎng),首先必須準(zhǔn)確掌握橋梁的技術(shù)狀態(tài)、先進(jìn)的檢測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù),進(jìn)而保證橋梁安全與健康。

隨著對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)要求、服役要求、以及長(zhǎng)期性能要求的提高,對(duì)橋梁檢測(cè)與監(jiān)測(cè)及其相關(guān)的病害診斷與分析技術(shù)的研究呈現(xiàn)出新的趨勢(shì),主要表現(xiàn)為深入化、集成化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化四大特征:

深入化

結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理研究正逐步從微觀向宏觀、從短期向長(zhǎng)期、從單因素向多因素耦合拓展。

集成化

無(wú)損檢測(cè)裝備與養(yǎng)護(hù)維修裝備的小型化、專業(yè)化、集成化程度正日益提高;健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中傳感、采集與傳輸設(shè)備的高度集成將是大勢(shì)所趨;依托BIM平臺(tái),設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、養(yǎng)護(hù)、維修的信息將高度集成融合。

標(biāo)準(zhǔn)化

不僅是傳統(tǒng)意義上的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、養(yǎng)護(hù)管理措施和質(zhì)量評(píng)定方法的標(biāo)準(zhǔn)化,也包括為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通而快速推進(jìn)的信息標(biāo)準(zhǔn)化工作。

智能化

云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通訊技術(shù)的快速發(fā)展,已為橋梁檢測(cè)與健康監(jiān)測(cè)技術(shù)提供了重要技術(shù)支撐,檢測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)正在逐步融合,結(jié)構(gòu)病害的早期識(shí)別、趨勢(shì)推演、自動(dòng)檢測(cè)評(píng)分、安全風(fēng)險(xiǎn)自動(dòng)排序、養(yǎng)護(hù)資金智能優(yōu)化配置、橋梁壽命預(yù)測(cè)等都將成為可能。

傳感器如何保護(hù)橋梁?

當(dāng)傳感器被用于探測(cè)災(zāi)難性結(jié)構(gòu)故障的早期預(yù)警時(shí),它們也在收集地震或颶風(fēng)等自然天氣事件后必要的結(jié)構(gòu)維修的重要數(shù)據(jù)。

一種無(wú)線傳感器裝置,也稱為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn),具有連接到處理單元、通信單元和電源單元的傳感單元。傳感器還具有存儲(chǔ)內(nèi)存的作用。

傳感單元可以包括一個(gè)或多個(gè)傳感器,用于獲取感興趣的任何物理現(xiàn)象的數(shù)據(jù),例如溫度、濕度、應(yīng)變和加速度。還有一個(gè)信號(hào)調(diào)節(jié)單元,它包含一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter,ADC)單元,用于轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)。處理單元是節(jié)點(diǎn)的主控制器。它負(fù)責(zé)管理無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的操作,包括感知和無(wú)線通信。它通常由具有處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力的車載電腦(即微控制器單元)組成。

當(dāng)我們監(jiān)控橋梁時(shí),我們可以應(yīng)用大量的傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)構(gòu)建一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensors network,WSN),而傳感器則構(gòu)建數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng),無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以獲取兩種類型的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng):

控制和數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)

控制和數(shù)據(jù)子系統(tǒng)收集和處理數(shù)據(jù),然后采取適當(dāng)?shù)念A(yù)定措施來(lái)解決或防止交通問(wèn)題。

通信子系統(tǒng)

通信子系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線鏈路實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)之間的通信。這些鏈路依賴于傳輸介質(zhì),可以是射頻(RF)、光、聲或磁感應(yīng)鏈路的形式。

當(dāng)然,傳感器并不是利用技術(shù)確保我們基礎(chǔ)設(shè)施安全的**方法。邊緣計(jì)算、5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)與其他尖端技術(shù)相結(jié)合,正在為許多國(guó)家的公民提供突破性的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)步措施。


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