中交路橋科技是從事工程檢測(cè)監(jiān)測(cè)、城市安全監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
近年來，受惠于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各式各樣的橋梁如雨后春筍般矗立在大江南北的各個(gè)角落。不論是在沿海或內(nèi)陸，都可以看到蜿蜒的道路穿梭于起伏的大地之上，如彩帶一般，編織出一張美麗的路網(wǎng)。在這路網(wǎng)之上，橋梁是節(jié)點(diǎn)也是地標(biāo)，關(guān)系著整個(gè)路網(wǎng)的有效運(yùn)行。因此，如何維護(hù)橋梁的健康安全、確保整個(gè)路網(wǎng)的有效運(yùn)行，便成了當(dāng)前土木工程界的重要課題之一，這也是近年來，有關(guān)橋梁的監(jiān)測(cè)研究在國(guó)內(nèi)逐漸蔚為風(fēng)潮的原因。
傳統(tǒng)橋梁監(jiān)測(cè)法
所謂傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測(cè)法，就是直接從橋梁的響應(yīng)獲取橋梁的訊息。因?yàn)樗械膫鞲衅鞫际侵苯影惭b在橋體上，所以也被稱作直接量測(cè)法。筆者1993年主持的臺(tái)北圓山高架橋動(dòng)力及靜力特性之監(jiān)測(cè)及分析項(xiàng)目，即是典型的一例。凡是到過臺(tái)北的朋友應(yīng)該都看到過這座高架橋，它坐落在圓山飯店前，與第一高速公路平行，猶如兩條蛟龍，跨越淡水河，從圓山飯店前穿梭而過，成為北臺(tái)灣最為繁忙的交通要道之一。這座高架橋系統(tǒng)由多個(gè)混凝土預(yù)力橋單元所組成，每個(gè)單元由3～5跨不等，跨距短者70m，長(zhǎng)者達(dá)175m，這也是當(dāng)時(shí)臺(tái)灣此類橋型中跨距最長(zhǎng)的。
圓山高架橋動(dòng)力監(jiān)測(cè)的研究主題包括：橋體微動(dòng)測(cè)試、橋體受地震力動(dòng)力分析、橋體受車輛載重動(dòng)力分析、橋體與土壤互制作用等。在靜力監(jiān)測(cè)方面的重點(diǎn)則是：橋體在環(huán)境溫度變化下的力學(xué)行為、以量測(cè)結(jié)果驗(yàn)證結(jié)構(gòu)之力學(xué)行為、混凝土之長(zhǎng)期潛變與干縮效應(yīng)，以及預(yù)力混凝土之長(zhǎng)期力學(xué)行為等。
為了達(dá)成上述動(dòng)力與靜力監(jiān)測(cè)的需求，我們安裝了為數(shù)不少的地震計(jì)、動(dòng)態(tài)鋼筋計(jì)、水壓計(jì)、混凝土應(yīng)變計(jì)、靜態(tài)鋼筋計(jì)、傾斜計(jì)、位移計(jì)、液壓式沉陷計(jì)、混凝土溫度計(jì)等。
根據(jù)筆者20余年在橋梁直接量測(cè)方面的工作經(jīng)驗(yàn)，得出以下總結(jié)：直接量測(cè)法基本上是一橋一系統(tǒng)，須在橋梁上布設(shè)各種傳感器、傳輸線（或無線訊號(hào)收發(fā)器）及資料搜集器等，建置成本高、耗費(fèi)人力、不具備移動(dòng)性。雖然這種方法可以全時(shí)掌握橋梁的信息，并且理論上可長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)某座橋梁。但是，傳感器畢竟是有壽命的，維護(hù)不易，且電子設(shè)備也會(huì)逐年老舊,慢慢被淘汰。此外,一般的橋梁多在野外,環(huán)境溫度、濕度變化劇烈；如果橋梁位于海邊，還會(huì)受到鹽害的影響。因此，如果想要一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)持續(xù)工作20年以上,必須持續(xù)投入大量的人力和物力，否則將難以實(shí)現(xiàn)。即便如此,這樣的系統(tǒng)還存在海量資料難以處理，僅能量測(cè)橋梁上有限的傳感器安裝點(diǎn)上的信息等問題。
非傳統(tǒng)橋梁監(jiān)測(cè)法
筆者及研究團(tuán)隊(duì)于1990年起，為順應(yīng)當(dāng)時(shí)臺(tái)灣高鐵建設(shè)之需要，著手進(jìn)行了車橋互制行為的研究。早年的研究以高速鐵路的車輛響應(yīng)為重點(diǎn)，包括乘客舒適度等。后來，有感于傳統(tǒng)橋梁監(jiān)測(cè)法所面臨的種種困難，便在2004年提出《以移動(dòng)車輛量測(cè)橋梁振頻》的非傳統(tǒng)量測(cè)法，或稱之為間接量測(cè)法，這在世界范圍內(nèi)屬首創(chuàng)。自此，世界各國(guó)學(xué)者風(fēng)起云涌，不僅將此法運(yùn)用于橋頻的攫取，也將它應(yīng)用到橋梁模態(tài)及其他動(dòng)態(tài)參數(shù)的識(shí)別，甚至延伸至橋梁損傷的偵測(cè)。
間接量測(cè)法的概念很簡(jiǎn)單：它是利用一單軸的量測(cè)車，在上面安置一垂直向的地震儀，并將地震儀連接至一安置于拖車內(nèi)的資料搜集器；然后，令拖車以定速通過所欲量測(cè)的橋梁，并在過程中記錄地震儀的響應(yīng)；最后，將地震儀所獲得的加速度歷時(shí)振動(dòng)記錄，通過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)轉(zhuǎn)換程序，即可分析出橋梁的動(dòng)態(tài)特性，諸如頻率和模態(tài)等
此處是以一懸浮質(zhì)量來模擬單軸的量測(cè)車。由于量測(cè)車的質(zhì)量和橋梁相比，可謂極其微小，因此在車與橋的耦合系統(tǒng)中，可將量測(cè)車視為子系統(tǒng)，而將橋梁視為母系統(tǒng)。當(dāng)子系統(tǒng)通過橋梁時(shí)，其振動(dòng)源完全來自母系統(tǒng)的垂向振動(dòng)，根據(jù)子母系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)原理，子系統(tǒng)的振動(dòng)內(nèi)涵，除了自身振動(dòng)頻率外，悉將由母系統(tǒng)的頻率所掌控。
由上述說明可知，當(dāng)量測(cè)車以定速通過橋梁時(shí)，其垂向振動(dòng)因車橋耦合的關(guān)系，除自身振頻外，將完全由橋梁的垂向振頻所控制，因此我們只要記錄量測(cè)車（即懸浮質(zhì)量）通過橋梁時(shí)的振動(dòng)歷程，并作適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)轉(zhuǎn)換處理，即可獲得橋梁（振動(dòng)源）相關(guān)的動(dòng)態(tài)特性，包括頻率和模態(tài)等。此法不僅在理論上被證實(shí)為可行，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中也曾被成功地加以印證。
橋梁間接量測(cè)法的潛在優(yōu)勢(shì)
橋梁間接量測(cè)法就如同在醫(yī)院里做掃描，或者請(qǐng)中醫(yī)把脈一樣，它不是無時(shí)無刻的全身體檢，而是通過定期、適時(shí)的監(jiān)測(cè)來量取所需的橋梁動(dòng)態(tài)參數(shù)，并以此來判斷橋梁是否健康。這似乎是比較明智的做法，因?yàn)樗旧喜粫?huì)出現(xiàn)資料海量的問題。
橋梁間接量測(cè)法的最大優(yōu)點(diǎn)就是具備可移動(dòng)性、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，每次量測(cè)所需的時(shí)間很短、人力相對(duì)較少，并且可來回重復(fù)量測(cè)。
因?yàn)椴皇且粯蛞幌到y(tǒng)，故不須在橋梁上布設(shè)感應(yīng)子與儀器設(shè)備，可省下初期建置所需的人力和物力，也避開了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期維護(hù)所面臨的難題。
傳統(tǒng)量測(cè)法僅能量測(cè)到感應(yīng)子安裝的點(diǎn)位，這是有限的、不連續(xù)的點(diǎn)，但卻是同步的。相對(duì)的，移動(dòng)量測(cè)車可接觸到橋跨中的每一點(diǎn),所以空間信息較為充分，可攫取的總體信息也比較多。唯一的問題是，每個(gè)點(diǎn)位量取的時(shí)刻不一樣,屬于非同步攫取，因此需要較為高深的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換。
另一方面，量測(cè)車的成本極低，跟一個(gè)固定式的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，其成本相差一至兩個(gè)量級(jí)。目前因處研發(fā)階段，還有實(shí)用上的困難需要克服，我們最終的目標(biāo)是建立優(yōu)化的量測(cè)車設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以普及到橋梁工程界使用。
很明顯，量測(cè)車因具備移動(dòng)性，適用于大范圍內(nèi)眾多橋梁的定期、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，也適用于多數(shù)橋梁的災(zāi)后及時(shí)檢測(cè)。目前，國(guó)內(nèi)外的研究趨勢(shì)是將此技術(shù)延伸到橋梁的損傷檢測(cè)。
橋梁間接量測(cè)法還需完善
工欲善其事，必先利其器。整個(gè)間接量測(cè)法的核心課題，就是建立一部性能良好、能夠充分反應(yīng)橋梁動(dòng)力特性的量測(cè)車。這里要考量的因素包括：量測(cè)車的操作速度、重量、阻尼、穩(wěn)定度、輪胎材質(zhì)、連接桿等。為便于實(shí)際應(yīng)用，可能需要針對(duì)不同的橋型，如梁型橋、斜拉橋、吊橋、桁架橋、拱橋、鋼橋、混凝土橋等，開發(fā)出性能范圍不同的量測(cè)車。
在過去橋梁的現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)路面的粗糙度是一個(gè)重要的影響因素。過大的粗糙度如同“白噪聲”一般，會(huì)激蕩量測(cè)車自身的響應(yīng)，對(duì)其振動(dòng)歷時(shí)造成污染，使得子系統(tǒng)（量測(cè)車）自身的幅值過大，遮掩了母系統(tǒng)（橋梁）的動(dòng)態(tài)特性，并因此而降低橋頻的識(shí)別能力。針對(duì)此點(diǎn)，我們正在努力研發(fā)出適用的濾噪軟件，以排除粗糙度的影響。
解決門道在于軟硬兼施
本文介紹了當(dāng)前橋梁最新的量測(cè)法，也就是以移動(dòng)車輛量測(cè)橋梁振動(dòng)特性的方法。此法是筆者及研究團(tuán)隊(duì)于2004年首創(chuàng)，目前已成為國(guó)內(nèi)外熱門的研究課題。根據(jù)目前的資料，除中國(guó)的大陸、港臺(tái)地區(qū)外，其他各國(guó)也都有學(xué)者在進(jìn)行后續(xù)的研究，如美國(guó)、日本、韓國(guó)、英國(guó)、愛爾蘭、澳大利亞、捷克、智利、希臘、丹麥、印度、塞浦路斯、越南等。
綜上所述，橋梁間接量測(cè)法若要成功，就必須軟硬兼施。在硬的方面，則是量測(cè)車性能的優(yōu)化；在軟的方面，就是防噪軟件的開發(fā)。當(dāng)兩者都到位，這個(gè)技術(shù)就可廣泛的派上用場(chǎng)了。
(作者系中國(guó)工程院院士、重慶大學(xué)土木學(xué)院榮譽(yù)院長(zhǎng)、臺(tái)灣大學(xué)土木系名譽(yù)教授)
