【技術】橋梁健康監測技術及其發展

橋梁是交通基礎設施的生命線節點工程，隨著我國橋梁建設的深入，如何在運營期通過有效的管理和養護工作，有效保障橋梁的服役安全和使用性能，是21世紀橋梁的重要挑戰。傳統的橋梁評估，是通過簡單的人工手段進行橋梁檢測和監測，然和給出相關的加固和維護建議，然而，這種技術手段已經無法滿足目前橋梁養護的要求，難以有效的防范突發事件的發生。隨著信息和傳感技術的發展，橋梁健康監測系統應運而生，該技術能夠實時測取橋梁的服役狀態，從而為準確評估橋梁性能提供數據與技術基礎。重大橋梁結構的健康監測系統是改善橋梁運營狀態、確保橋梁服務水平的根本措施。目前，大型橋梁結構的健康監測理論及技術已成為橋梁工程學術界、工程界及管理部門等共同關注的焦點。

一、橋梁健康監測系統的目的及功能

橋梁健康監測系統不只是傳統的橋梁檢測加結構評估技術，而是被賦予了新的意義，一般來說，橋梁健康監測需要達到如下三個目的：1.設計驗證:通過健康監測所獲得的實際結構的動靜力響應驗證設計計算理論與結果;

2.支持養護管理決策:結合結構狀態評估和損傷識別理論對健康監測所獲得的實際結構的動靜力響應做出技術判斷，并考慮工程經濟等多方面因素，得到合理的養護決策;

3.研究發展:通過健康監測所獲得的實際結構的動靜力響應還可為橋梁工程中的未知問題的研究提供契機，如力學理論、環境荷載的建模和控制與評估技術等。

為了實現上述監測目的，健康監測系統需要具備如下功能:及時監測，自動實時監測環境條件和橋梁響應并直觀顯示結果;自動預警，根據橋梁結構在荷載作用下反應的實測值與理論值間的關系，對結構的損傷情況進行識別和技術狀態評估，并對結構異常緊急預警;長期連續監測，記錄結構狀態及長期變化趨勢。

 二、橋梁健康監測系統的組成與監測內容

一般情況下，橋梁結構健康監測系統包含四個子系統，并通過網絡聯系工作。

這四個子系統分別是:

1.傳感器系統:包括位移計、加速度計、水平儀、溫度計、風速風向儀、車軸車速儀、信息放大處理器及連接介面等;

2.信息收集系統:包含信號采集、數據存儲、數據傳輸等;

3.信息處理和分析系統:包括專業分析軟件、高性能計算設備等;

4.勸評估控制系統:針對監測采集結果，結合橋梁專家意見，對監測結果進行橋梁狀態的評估，并給出有關建議。以東海大橋健康監測系統為例，其具備傳感器系統，數據處理系統，在線評估系統，離線評估系統及結構預警系統。

在上述監測系統下，主要對橋梁結構如下狀態進行監測:正常環境與交通荷載作用下的結構物理與力學狀態;橋梁附屬結構和設施如支座、伸縮縫等的工作狀態;結構構件耐久性;橋梁所處環境條件等。因而，橋梁健康監測系統主要的監測內容是:氣象環境如溫度、濕度等;結構位移如主梁和索塔位移;構件應力和內力如鋼梁應變、索力等;伸縮縫位移、支座變形、墩臺沉降等;結構動力和構件疲勞等。

三、我國橋梁健康監測系統的發展概況

隨著我國橋梁技術在近20年的飛速發展，我國已建成的大跨徑橋梁超過100多座。大跨徑橋梁的顯著特點是結構輕柔，跨徑大，超靜定，結構狀態較難識別。而大跨徑橋梁作為交通系統的核心通道，保障其安全和性能至關重要。因此，這些橋梁的建設，也對其建成后的養護和管理工作提出了更高的要求。由于大跨徑橋梁運營期間所面臨的復雜環境作用，如爆炸、船撞、重載車流、極端風荷載等偶然作用，也有疲勞荷載和可變作用形

成的結構耐久問題，需要有行之有效的監測系統，實時掌握橋梁的結構狀態，并提出優化的、針對性的管理和維護措施，保證橋梁運營性能。基于此，橋梁健康監測系統應運而生。

目前，我國已有140余座大橋安裝橋梁健康監測系統，遍及各種橋型。總結這些橋梁的健康監測系統，主要有以下五大特點和發展趨勢:1.傳感器多，經濟性顯著。一般而言大跨度橋梁的健康監測系統至少由100以上傳感設備，其造價占比一般達到橋梁總造價的0.5%一1.0%;2.以橋梁管理和維護為目的，橋梁監測的目的就是獲得橋梁狀態，以優化管理和維護措施，保障橋梁性能;3.監測系統需具備可更換和可維護性;4.監測系統開始延伸到施工狀態，形成施工與運營一體化的橋梁監測系統;5.雖然橋梁監測可以做到自動化和智能化，但對于監測結果的評估，還需要橋梁專家的介入，以準確評估監測結構的真實性和合理性。

在上述健康監測系統的發展狀態下，探索新技術新理念，將監測獲得的大數據真正用于有效的橋梁管理和維護中，非常重要。

四、橋梁健康監測的新理論和新技術

橋梁健康監測系統可以作為子系統包含于橋梁管理系統，是健康監測系統設計時應注意的新理念。現有橋梁健康監測系統一般用于單座大型橋梁，是針對單一橋梁的項目級系統，通過監測儀器和軟件系統以實時監測為主。橋梁管理系統適用于城市和公路橋梁管理，是針對橋梁群體的網絡級系統，以常規檢測為主。

傳感器優化布設技術:減少傳感器的數量，優化其布設位置對于減少數量分析工作量、提高數據分析效率來講是一門非常重要的新技術。全壽命集成:健康監測系統設計時應涉及全壽命周期，前伸到設計、施工階段，后續至養護管理階段，基于性能進行系統設計。傳感技術可行性(耐久性):傳感器能否耐久，并及時監測指標的變化是系統設計時考慮的重要事項。

4.1傳感傳輸技術

從監測內容上看，傳感傳輸領域包含變形、位移的測量，拉索銹蝕的檢測，疲勞監測等的新技術。另外，傳感器技術，無線傳輸技術，健康監測動態功耗管理技術以及狀態監測可視化及評估輔助技術都屬于該領域研究的新技術。

經過長期的研究與改進之后，機敏網仿生裂縫監測技術、準直點激光投射式撓度監測技術、基于GPRS壽SM的遠程傳輸技術、橋梁健康監測動態功耗管理技術、狀態監測可視化及評估輔助技術的硬件技術和軟件技術都已成熟，并且已經走向市場。圖2為光纖傳感器示意和EM傳感器示層。

4.2數據處理、識別、評估、預警理論

數據處理新技術包含對海量數據篩選和數據質量提升、有效利用等處理技術。

損傷或狀態識別:運營橋梁在施工過程中不可避免存在結構和構件的損傷，而監測系統需要識別這些損傷的位置和程度，才能判斷是否對橋梁結構安全和性能形成顯著影響，從而制定加固方法和養護策略。監測系統需要有效快速地診斷損傷。目前研究的損傷識別方法大部分都是基于結構振動的，主要有頻率法、頻率敏感性分析法、模態準則MAC法、基于剛度矩陣的模態力誤差識別法、基于柔度矩陣的識別方法等。

結構性能評估:影響橋梁結構性能的因素眾多，這也是監測系統應用的關鍵難點。隨著相關技術的發展，目前可以應用多種數理方法用于評估橋梁的結構性能，例如模糊綜合評價法、神經網絡法、及基于結構可靠度的方法，目的都是利用監測大數據，分析橋梁的結構性能。

預警理論方法方面，則包含預警指標、預警閾值和預警方法的確定等，這些都是判斷預警是否正確、合理和準確的核心。

4.3技術與理論瓶頸

橋梁結構健康監測系統這方面的研究雖然已經取得了很大的進展，但是依然存在一些問題:首先，橋梁是由多種材料、多樣構件形成的復雜超靜定結構體系，各個構件的剛度特性都不一樣，這就形成了構件的應力狀態、易損性、剛度及動力特性等差別很大，在受損狀態下，通過監測結果，較難高效地識別損傷位置和損傷程度，也很難通過某一監測結果或者指標去評估整體結構的狀態。其次，實際橋梁的狀態，可能由于施工不確定性和環境作用等因素，使得其與我們預想的結構狀態存在很大差別，這就是個采用數值建模的橋梁模型并不一定能夠完全反應實際的橋梁狀態，這給橋梁的狀態識別帶來很高的難度，另外大跨徑橋梁結構存在顯著的非線性特征，這種非線性對于橋梁的受力和損傷分析，也是非常復雜的。最后，目前的測試設備和傳感器仍然存在壽命不穩定，抗干擾性差等問題，因此，研發高精度、高耐久性和高準確率的測試設備和傳感器，對于準確獲取橋梁響應具有重要意義。

    隨著我國橋梁建設的發展，無論是既有橋梁還是新建橋梁，對橋梁狀態評估已成為橋梁面臨的深刻問題。論文探討了我國橋梁健康監測技術的基本狀況，通過對監測系統的功能、目的、監測內容等定義與分析，結合我國目前橋梁健康監測系統的發展概況，提出健康監測技術未來發展的關鍵方向，包括傳感技術的開發和監測理論和研究，真正將健康監測系統更有效地服務于橋梁的管理和維護中。