基于健康监测系统的桥梁冲刷动力评估方法文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

基于健康监测系统的桥梁冲刷动力评估方法文献综述

前言

随着我国经济的快速发展和社会对交通网络发展的需要，越来越多的跨江跨海大桥相继建成。经研究表明，桥梁的基础冲刷是引发桥梁损毁的最常见原因，Shirhole与Holt (1991)和Richardson与Davis (2001)指出^[1,2]，大约60%的桥梁损毁与基础冲刷有关。处于复杂水文环境中的桥梁，其桥墩附近会不断受到水流冲刷的影响，如果不及时发现并修复，将会大大降低桥梁的横向稳定，甚至发生失稳水毁。桥梁冲刷是一种复杂的动力现象，它与河道的几何形态、桥墩和桥台的构造、水流的水力特性等多种因素有关。

为提前预测局部冲刷形态发展，对运营阶段的桥梁基础进行合理评估，避免桥梁整体结构的灾难性水文破坏，需要长期且定期地针对桥梁冲刷状态进行监测。传统的冲刷监测方法是由潜水员下水进行目视检查或通过安装复杂仪器设备进行现场测试，但由于水下条件复杂、设备昂贵且耐久性差，检测易受到天气水文的限制与干扰，无法大规模区域性地实行桥梁冲刷检测等缺陷，亟需一种可融入常规桥检项目的桥梁冲刷检测评估方法。因此，基于动力测试的监测方法应运而生，桥梁自振频率是可以通过结构健康监测系统（SHM）获得的较为准确的动力参数之一^[3,4]。分析桥梁各阶自振频率的变化，可以反映出结构整体刚度的变化，这也与桥梁因冲刷而引起结构刚度变化的性质是一致的。

冲刷机理

冲刷是指水流对河床的冲蚀淘刷过程，理论上讲，当某处水流的挟沙量大于上游的来沙量时，都会在此处发生冲刷。当桥梁建成后，桥墩的阻碍使得原有过水断面压缩，水流将在桥墩周围产生强烈涡流进而引起冲刷。引起桥墩附近河床发生冲刷的原因按照泥沙运动及河床变形原理可以分为三类，即自然演变冲刷、一般冲刷、局部冲刷。

自然演变冲刷一般指河道受到非人为的因素的影响而发生冲刷的现象，可进一步划分为长期演变冲刷和短期演变冲刷。长期演变冲刷主要指水流自然侵蚀、泥沙搬运堆积；短期演变冲刷指突发洪水等引起的剧烈变化。

一般冲刷又称为压缩冲刷，是指河上建桥后，由于桥墩横截面的影响桥下过水断面受到压缩而减少，桥下水流流速增大，水流挟沙能力相对未建桥时增强，桥下河床全断面内发生的普遍冲刷。

局部冲刷形成的原因一般是处于水流中的桥墩等水工建造物，影响流向墩身的水流，使桥墩周围的水流方向，速度等特性发生急剧的变化，水流的绕流使流线急剧弯曲，床面附近形成漩涡，带走桥墩处河床的泥沙，最终造成局部冲刷。

有研究显示^[5]，这三类冲刷的发生往往不是独立的，而是相互关联，互相影响的。其中，局部冲刷会导致桥梁基础附近的土体被侵蚀掏空，是引起桥梁水毁坍塌的主要原因，最应引起注意。