基于巡检的高速公路桥梁安全监测与维护研究

第 1 9 卷 第 5 期 2 0 0 9 年 5 月 中 国 安 全 科 学 学 报 Ch ina Sa fety Sc ience Journa l Vo l. 1 9No. 5 M ay 2 0 0 9 基于巡检的高速公路桥梁安全监测与维护研究* 王穗平 1 副教授 赵泽辉 2, 3 高级工程师 刘亚磊4 张秀如 1 ( 1河南交通职业技术学院道桥系,郑州 450005 2大连理工大学土木水利学院, 大连 116024 3河南省公路管理局济邵高速公路有限公司,郑州 450052 4河南省公路管理局少洛高速公路运行管理中心,洛阳 452470) 学科分类与代码: 620. 5040 中图分类号: X924. 4; U491 文献标识码: A =摘 要> 针对高速公路桥梁安全评价与维护的需要,在对现行高速公路桥梁安全监测、数据处理 方法分析的基础上, 应用设备状态监测原理, 提出高速公路桥梁安全监测及安全趋势预测的方法。 根据我国目前公路桥梁养护技术规范、高速公路桥梁养护运行模式, 构建由人、物、理、程四部分组成 的基于巡检的高速公路桥梁安全监测与维护体系,该体系实施过程分为准备、巡检、分析和维护 4个 阶段,即, 在不影响高速公路桥梁正常运营下,通过巡检获取桥梁关键部位的状态参数并进行分析和 评价桥梁状态,由专家系统或专家评价桥梁病害类型和维护。该体系还可对桥梁安全状态进行 预判,满足高速公路桥梁预防性养护的需求,其实施将有助于提高高速公路桥梁的管理与维护水平。 =关键词> 巡检机制; 高速公路; 桥梁; 安全监测; 维护 S tudy on SafetyM on itoring andM a intenance o fH ighway Bridges Based on Po int to Po int Inspection WANG Su-i ping 1 , A ssoc. P rof. ZHAO Ze-hui2, 3, Sen ior Eng ineer LIU Ya-lei4 ZHANG Xiu-ru1 ( 1 Departm ent of Road& B ridge Eng ineering, H enan Communication Polytechn ic Co llege, Zhengzhou 450005, China 2 School of C iv il& Hydraulic Eng ineering, Da lian Un iversity of Techno logy, Da lian 116024, Ch ina 3 Jishao Expressw ay Co. , L td. , Henan Prov incialH ighw ay Adm in istration Bureau, Zhengzhou 450052, Ch ina 4 Shao luo Expressw ay Operat ion A dm inistrat ion Cen ter, Henan Prov incialH ighw ayA dm inistrat ion Bureau, Luoyang 452470, Ch ina) Abstract: For the need of safety eva luation and ma intenance o f highw ay bridges, the method o f safety monitoring and tendency analysis o f h ighw ay bridges is presented based on ana lysis o f current safety mon-i toring and data processing method o fh ighw ay bridges and conditionmon itoring principle o f equ ipmen.t Ac- cord ing to the current ma intenance spec ifications, m ain tenance modes and pract ice of h ighw ay bridge in Ch ina, a safety mon itoring& maintenance system o f h ighw ay bridges, composed o f human, objects, theo- ries and compu ter prog rams, is bu ilt on the basis o f po int to po int inspection, the execution progress of wh ich is d iv ided into four stages, such as, preparat ion, po int to po int inspection, analysis and mainte- nance. Under no influence on ordinary operat ion of highw ay br idges, the condition parameters on the key parts of highw ay bridges are ob tained through po int to po in t inspect ion, then the ana lysis and condition e- valuat ion of h ighw ay bridges are done, and the disease types andma intenance scheme of bridges are g iven by expert system or experts. Th is system m ay forecast the conditions of bridges andmeet the need o f pre- ventivema intenance of highw ay bridges. The implementat ion o f the system w ill help to promote the man- agemen t& ma intenance level of highw ay bridges. Key words: po in t to point inspection; h ighway; bridge; safetymonitoring; maintenance * 文章编号: 1003- 3033( 2009) 05- 0165- 06; 收稿日期: 2009- 01- 10; 修稿日期: 2009- 04- 30 0 引 言 自 1990年被誉为 /神州第一路 0的沈大高速公 路全线建成通车以来, 我国高速公路一直处于高速 度建设之中,并将在未来一定时期内继续保持快速 发展的势头。据统计, 截至 2008年底, 我国高速公 路通车总里程已达到 6. 03万公里, 居世界第二位, 到 2010年, 全国高速公路总里程将达到 6. 5万公 里。同样,自 1991年河南省第一条高速公路 ) ) ) 郑 州至开封高速公路动工建设以来, 随着河南省国民 经济的快速发展和经济实力的增长以及高速公路建 设相关技术与装备水平的快速提升, 河南省高速公 路的建设日新月异, 截至 2008年底, 河南高速公路 通车里程突破 4 800公里, 居全国 第一位, 到 2010年,全省高速公路里程将超过 5 100公里。 早期建设的高速公路,其桥梁已运营近 20年, 加之近年大量超载车辆的运行,对高速公路的安全 运营已造成了一定的影响,另一方面,随着我国高速 公路网的基本建成, 高速公路工作的重点已由建设 转入管理和维护,以确保高速公路的安全畅通,提高 高速公路服务水平。 高速公路桥梁的安危决定了高速公路能否安全 运行 [ 1] , 目前,对于高速公路的桥梁, 其维护方式主 要有 3种,即临时维护、定期维护、预防维护。 临时维护就是对桥梁突发病害所进行的维护, 可能造成维护准备不充分,造成维护质量不高,严重 的可能造成交通突然中断或交通事故; 定期维护是根据桥龄按一定的时间周期进行维 护,可能造成维护过剩或维护不足; 预防维护就是依据设备状态监测原理, 对高速 公路桥梁开展状态监测, 收集状态监测数据, 依据 5公路桥涵养护规范 6[ 2]对被监测桥梁进行安全评 价和预测, 根据评价和预测结果, 合理安排维护时 间,并依照5公路桥梁加固规范 6[ 3]和 5公路桥 梁加固施工技术规范 6[ 4]等, 实现科学维护。借鉴 发达国家高速公路运营管理, 预防养护是高速 公路桥梁养护今后发展的方向。因此, 对高速公路 桥梁的安全状态进行监测评定将尤为重要。 当前, 高速公路桥梁的经常检查主要采用目测 配简单工具,定期检查采用目测结合仪器检查方式 进行, 并且没有在全部桥梁中建立起监测网络,这样 势必导致不能利用监测数据进行定量分析来确定预 防维护的合理方案, 为了更好地对桥梁进行安全监 测与维护,应建立基于巡检机制的高速公路桥梁安 全监测与维护体系,笔者将针对该维护体系构建中 的相关问进行探讨。 1 基本原理 高速公路在役桥梁,随着环境条件的变化、大量 超载车辆的运行、材料随时间的老化等因素的影响, 桥梁的承载能力状态也在变化, 桥梁承载能力状态 的变化将直接影响其安全运营, 状态的变化将可引 起一些关键部位的特征参量 (如应力、应变、位移、 振动、声 )的变化。如何测量其特征参量的变化, 并 根据所建立的评定模型或评定值判断桥梁的运 营状态及病害原因和程度, 并对桥梁的安全给出适 应的评价 [ 5] ,关键部位特征参数是桥梁状态 (或健 康或病害 )监测的范畴, 根据桥梁状态监测结果, 由 专家对桥梁安全进行评价,并提出维护方案,或者由 依据专家经验建立的桥梁安全评价与维护专家系统 进行桥梁安全评价并给出维护方案, 也可采用上述 两种安全评价方式的组合。 桥梁安全监测 [ 6- 8 ]分为在线和离线监测两种方 式。由于在线监测 [ 9]投资费用高, 主要应用于特别 重要的大型或特大型桥梁; 对于高速公路上的大多 数桥梁,主要采用离线监测方式。 所谓离线监测方式就是对桥梁的某些重点部位 采用相适应的测量仪器进行定期或不定期检测, 即, 检测仪器不只是针对桥梁的一个部位或多个部位进 行实时检测。 对于一条高速公路上的桥梁检测,由于不需要 对每座桥梁都要配置测量系统, 而只需要配置一套 适应于多种参数测量的仪器, 在确定该条高速公路 桥梁检测路径的情况下, 按照所设定的检测路径进 行逐位测量和数据存储, 该过程即为高速公路桥梁 的巡检。由于巡检设备投入少, 且易实现, 因此, 基 于巡检的桥梁状态检测方式将是未来高速公路桥梁 状态监测的优先选择方式。 以桥梁状态监测得到的数据为依据, 可对被监 测桥梁状态的发展趋势进行预测,根据预测结果,科 学安排维护内容和时间,此方式即为预防维护。 假设桥梁 A第 i测量位置的定期测量次序分别 为 1, 2, 3, ,, j, ,, n, 各次测量值分别为 y i1, yi2, yi3, ,, yij, ,, yin, 又假设该测点的典型值为 yi0,则 可得一比值系列, 即, Yj = yij /yi0, j = 1 ~ n。又设 第 j次测量距第 1次测量的月数为 xj, j= 1 ~ n, 其 中, xj= 0。将 Yj序列分别用 Y = ax + b, Y= ax2 + bx #166# 中 国 安 全 科 学 学 报 China Safety Sc ience Journal 第 19卷 2009年 + c, Y= be ax曲线拟合,可以得到 3种趋势分析结果, 图 1为桥梁状态趋势预测 (指数曲线拟合 )的示意 说明。 图 1 桥梁状态趋势预测方法 (指数曲线拟合 )示意说明 对于直线拟合,参数 a和 b应满足: F= E n j= 1 ( Yj - axj - b) 2 = m in ( 1) 对于指数曲线拟合,参数 a和 b应满足: F= E n j= 1 ( lnYj - axj - b) 2 = m in ( 2) 对于抛物线拟合,参数 a, b和 c应满足: F = E n j= 1 ( Yj- ax 2 j - bxj - c) 2 = m in ( 3) 依据式 (1)、式 ( 2)和式 (3)所示的最小二乘拟 合方程,可以分别确定线性拟合方程、指数曲线方程 和抛物线方程的参数 a, b和 c。待参数确定后, 即 可由式 (1)、式 ( 2)和式 (3)分别确定误差 F, F最小 者所对应的拟合方程即可认作桥梁状态发展趋势的 预测方程。假设 Y= 2. 5, 4, 6分别表示桥梁状态 变化的关键点, 即, Y [ 2. 5, 表示桥处于优秀状态, Y> 2. 5~ 4, 表示桥处于良好状态, Y> 4~ 6, 表示处 于容许状态, Y> 6,表示不容许,需要维修状态。 上述值是否合理,其实际也是一个模糊问题,不 仅与被监测部位有关,也与桥梁结构、大小和桥龄有 关, 因此, 需要通过大量的实践才能最终科学确定。 当不容许状态的门槛值 Y确定后,即可依据所 选定的桥梁状态趋势方程确定达到门槛值时的时间 xf, 则距最后一次的检测时间为 xf - xn。 根据桥梁状态发展趋势的预测结果, 可适当调 整监测时间, 若发展较快, 应缩短两次监测相距时 间, 若发展缓慢,可增长两次监测时间。根据桥梁状 态趋势预测结果, 合理安排维护时间和内容。高速 公路桥梁安全监测和维护的基本原理可用图 2所示 框图示意说明。 图 2 高速公路桥梁安全监测和维护基本原理示意框图 3 高速公路桥梁安全状态监测与维护体系及其实施 3. 1 高速公路桥梁安全状态监测与维护体系 基于巡检机制的高速公路桥梁安全状态监测与维护体系主要由人、物、理、程 4部分组成,如图 3所示。 #167#第 5期 王穗平等: 基于巡检的高速公路桥梁安全监测与维护研究 图 3 高速公路桥梁安全监测与维护体系 该体系中的 /人 0是指开展高速公路桥梁安全 监测与维护工作所涉及的设计、施工、管理、检测、分 析、维护人员,但主要是桥梁管理、检测、分析和维护 人员; /物 0是指被检测的桥梁及相关技术资料、开展 状态监测所需的仪器以及桥梁维护工具与材料等; /理 0则是指对桥梁病害机理开展研究, 研究病 害与特征量之间的关系以及门槛值的确定等问题; /程 0是指针对该体系所开发的相关程序。 3. 2 高速公路桥梁安全监测与维护体系的实施 过程 高速公路桥梁安全监测与维护体系的实施过程 主要由准备、巡检、分析、维护 4个阶段组成。对于 高速公路桥梁安全监测与维护体系的实施, 必须做 好充分的准备,对被监测桥梁的结构及其现状的认 识以及国内外相关经验与成果的了解, 对相关人员 进行桥梁安全监测与维护体系的相关知识的系统培 训,开展前期理论和实验研究, 掌握桥梁安全监测机 理与特征量门槛值的设置原则以及购置仪器的性能 及操作。根据桥梁结构及桥梁的重要程度, 确定监 测部位、监测方法和巡检路径。 桥梁的重要性可分为特别重要、重要、一般 3类,受地理位置和桥梁结构的限制,桥梁监测的难 易程度可分为特难、难、易 3类。 对于特别重要的桥梁,若不能采用在线监测,可 将传感器固定在监测点处, 用引线引至一固定的接 线盒处并进行标记,巡检时, 将测量仪器分别与传感 器相接,即可进行逐点巡检, 该监测方式适合于特难 和难监测的桥梁; 对于较易监测的重要桥梁,若考虑监测成本,不 需要在每个监测部位永久固定传感器,只是在巡检 时安装,该点检测完毕, 将传感器移至下一个监测点 即可,但在每个监测点应安装便于传感器安装的 附件。 对于永久安装的传感器和安装传感器的附件, 要注意安装可靠性,并具有防水、防锈等功能。对于 一般的桥梁,应主要以人工视觉观测为主,在观测桥 梁外观的情况下, 应设置一些重点且固定的观测部 位, 从定性和定量等方面进行观测,对于特别重要和 重要的桥梁,也要设置一些人工视觉观测部位进行 定性和定量观测, 并进行定性评价。开发适应于高 速公路桥梁安全监测与维护的计算机软件。 制定巡检路径表格,为实施巡检和分析以及监 测档案管理提供保障。高速公路桥梁安全监测与维 护体系的实施过程如图 4所示。 #168# 中 国 安 全 科 学 学 报 China Safety Sc ience Journal 第 19卷 2009年 图 4 高速公路桥梁安全监测与维护体系的实施过程 4 高速公路桥梁安全状态监测与维护 体系实施中需关注的几个问题 由图 4可以看出, 高速公路桥梁安全监测与维 护体系的实施是一个较复杂的系统工程 [ 10] , 各环节 需层层相扣,要实施好该体系, 使该体系在桥梁预防 性维护中发挥其重要作用和较大的经济与社会效 益,提高高速公路桥梁的管理和维护水平,应特别关 注以下几个问题: 1) 桥梁安全状态的监测与维护是高速公路运 营安全的关键 领导应充分认识该体系的构建与实施的重要性 和长期性,注重体系构建和实施的科学性、实用性, 加强领导,科学规划, 夯实实施基础, 将该项工作作 为长期性工作来抓,保证该体系构建和实施中所需 的人、财、物。 2) 加强基础和实验研究 通过对各类桥梁的检测数据收集, 并依据各类 桥梁不同部位常见病害及其原因的分析,将现代测 试技术和数学方法应用于桥梁安全评价之中, 重点 研究各类特征量与病害之间的关系及其门槛值的设 置原则,建立常见类型桥梁安全的评价模型。 #169#第 5期 王穗平等: 基于巡检的高速公路桥梁安全监测与维护研究 3) 注重监测设备的系统配置 根据巡检的需要,在充分对测量仪器性能、价格 等调研的基础上,配置系列仪器,一台测量仪器应配 置两个以上同规格的传感器。每次巡检之前应对传 感器进行校准。除此之外, 还应配置桥梁安全监测 车以及其他相关工具和设备。 4) 尽量保持测量条件的一致性 在每个监测点的不同次监测, 应保持所用的仪 器、传感器、监测人员和载荷等相同, 并记录监测时 的环境温度。 5) 充分发挥专家系统的作用 组织桥梁设计、施工、监测、维护、管理等专家, 对桥梁安全监测与维护中的相关问题进行研讨,建 立桥梁状态监测、病害原因及程度、维护方案等相互 关联的专家系统。 5 结 论 经过研究与分析,得出如下结论: 1) 基于巡检机制的高速公路桥梁安全监测与 维护体系,可借鉴设备故障诊断机理,对高速公路桥 梁进行安全监测。 2) 根据不同的桥梁结构、材料性质、运营环境 选择监测特征参数, 体系配合桥梁专家系统 (桥梁 状态监测、病害原因及程度、维护方案等相互关联系 统 )使用, 可对选定的特征参数进行定性及定量 分析。 3) 体系实施的具体方法和途径切实可行,可辅 助高速公路养护管理部门预判桥梁安全状态。对实 现高速公路桥梁预防性养护起到借鉴作用。 参 考 文 献 [ 1] 徐洪涛, 郭国忠, 蒲焕玲等. 我国近年来桥梁事故发生的原因与教训 [ J]. 中国安全科学学报, 2007, 17 ( 11 ): 90- 95 [ 2] 陕西省公路局. 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