桥梁健康监测系统研究现状与发展趋势
2015-06-09
0 引言
土木工程质量的优劣关系到国家昌盛、民族振兴、人民幸福、社会安定，关系到国民经济的健康发展，工程质量，人命关天，质量责任，重于泰山。因此建设工程质量越来越成为人们关注的热点。尤其是桥梁工程，更是如此。如今，交通量的日益增加与服役年限的延长，运营中的桥梁结构不可避免的存在表面和内部缺陷，使桥梁结构的抗力不断衰减，桥梁结构的安全性、适用性和耐久性受到严峻威胁。影响桥梁结构安全的不仅仅是交通量的增加，还有其他很多方面。比如建桥标准偏低。建设质量问题、超重超限车辆、自然灾害、材料与结构自然老化等等。 而今桥梁安全事故频发，给人们的生命财产安全造成了极大的损失。众多垮桥事故表明，桥梁的安全问题已成为重大的社会问题，人们越来越重视现代桥梁的安全和寿命，研究安全、客观、可靠的桥梁安全监测技术迫在眉睫。
1桥梁健康监测系统
大型桥梁健康监测系统一般应包括以下几部分内容。1)传感系统。由传感器、二次仪表及高可靠性的工控机等部分组成。2)信号采集与处理系统。实现多种信息源、不同物理信号的采集与预处理，并根据系统功能要求对数据进行分解、变换以获取所需要的参数，以一定的形式存储起来。3)通信系统。将处理过的数据传输到监控中心。4)监控中心。利用可实现诊断功能的各种软硬件对接收到的数据进行诊断，包括结构是否受到损伤以及损伤位置、损伤程度等。
大型桥梁健康监测系统不单是传统的以人工方法为主的检测手段的简单改进，而是运用现代化传感设备与光电通信技术及计算机技术，实时监测桥梁在各种环境条件下的结构响应和行为。一般大型桥梁健康监测系统对以下几方面进行监控：①结构的固定模态及其相对应的结构阻尼；②桥梁在正常车辆荷载及风载作用下的结构响应和力学状态；③桥梁在突发事件(如强烈地震、意外大风或其它严重事故等)之后的损伤情况；④桥梁结构构件的真实疲劳状况；⑤桥梁重要非结构构件(如支座)和附属设施(如斜拉桥振动控制装置)的工作状态；⑥大桥所处的环境条件，如风速、温度、地面运动等。
2国内外研究现状
随着交通建设事业的蓬勃发展，一些大跨度和超大跨度桥梁的相继建成，人们对这些大型重要桥梁的安全性、耐久性与正常使用功能日渐关注和重视，桥梁健康监测系统和智能控制技术相继运用到这些大型桥梁中，并得到了迅速发展，这项课题日益成为国内外桥梁学术界和工程界的研究热点。
在国内，自20世纪90年代中期开始桥梁健康监测的研究在国家科委攀登计划B“重大土木与水利工程安全性与耐久性的基础研究”项目、国家自然科学基金资助的“桥梁结构健康检测与状态评估”等多个项目的支持下，在大型桥梁结构病害调查、传感器布点、结构损伤识别、系统识别、结构理论模型修正、结构可靠度评定等方面开展了深入的研究。例如徐浦大桥，是上海市区南部连接浦江两岸的又一座斜拉桥，是上海市区黄浦江上第三座斜拉桥，安装了我国第一个桥梁结构状态监测系统。该系统的监测内容包括：车辆荷载； 主梁标高；跨主梁跨中断面应力、应变；主梁自振特征；斜拉索索力及斜拉索的振动等。徐浦大桥结构状态监测系统成功实现了利用大量多类型的传感器以及系统集成技术对结构工作性能的连续、实时观测。
在国外，20世纪80年代以来，在北美、欧洲和亚洲的一些国家和地区，相继发生了一些桥梁结构的突然性断裂性事故，使人们意识到对桥梁结构的健康诊断的重要性和迫切性。80年代后期，国外明确提出了桥梁结构健康监测的新思路和概念，并先后开始在一些重要的大跨度桥梁上建立了结构健康监测系统。例如丹麦的Great Belt East桥（大带东桥）。这是一座跨径布置为535m＋1 624 m＋535 m的悬索桥。为评估该桥结构整体性、耐久性和可靠性，COWI公司为该桥设计了一个多达1 000个传感器的监测系统。该系统监测的内容包括主缆、吊杆和索夹的应力；桥面箱梁的加速度、应力、支撑处的位移；下部结构的腐蚀监测、桥墩的倾角、桥塔混凝土应变；基础的土质监测；气候监测等。
目前我国的桥梁建设技术已达到世界领先水平，桥梁建设事业得到了前所未有的发展，特大型桥梁投资巨大，随着大型桥梁的不断建成，如何做好桥梁的运营、养护，随时了解桥梁结构的健康情况，及时对桥梁的安全进行评价已成为管理者日益需要和迫切希望解决的课题。
3桥梁结构健康监测系统发展趋势
综合国内在建几座特大型桥梁健康监测系统的特点，我国今后桥梁结构健康监测发展的趋势为：
1) 由单一的、有限范围的主体结构监测向全桥全面、系统的监测发展，最终形成统一的综合管理系统。
2) 由单一的数据采集、保存转向数据后期处理与分析。健康评估系统日趋完善，评估成果可以成为运营管理者的决策依据。
3) 系统技术上将更加先进、可靠。
4) 系统将具有更好的开放性，可以进行多形式的国际间的合作。
5) 具备更好的操作界面和实用性，更能适合我国国情和具体养护技术人员的实际操作。
桥梁健康监测它已成为近年来国内外桥梁学术界和工程界的研究热点。但是由于桥梁结构受到许多不确定性因素和复杂工作环境的影响，以及对桥梁在使用年限内的工作特性的变化缺乏全面深入的了解，因此目前所取得的成就和研究还处于基础性探索阶段，还需广大桥梁工作者和研究人员的不断努力和探索，特别是长期观测的智能控制研究，使得桥梁健康监测为桥梁工程的发展开辟新的空间。
4结语
与欧美、日本等发达国家相比，我国还不能称为“桥梁强国”。这并不是说我国缺乏世界级的桥梁，而是因为我国桥梁现代化管理与养护相对于桥梁建设而言严重滞后，桥梁管养的信息化、智能化、网络化水平低。 因此要想成为真正的桥梁强国，我们国家在桥梁长期健康监测方面还需要做很多的探索与研究。
随着我国改革开放的不断深入，交通基础设施和大型桥梁的建设得到了前所未有的关注，桥梁垮塌事件频发给桥梁工程技术人员和管理人员敲响了警钟，桥梁健康检测的意义和作用已逐步为桥梁建设者、技术人员和管理人员所认识。桥梁安全监测正逐渐向规范化、信息化、系统化发展，它也必将成为国内外桥梁建设以及运营过程中一个不可或缺的项目。
由于对桥梁在使用年限内的工作特性的变化缺乏全面深入的了解，因此距离实用性的系统目标尚有较大的差距，需要新的理论突破及现代科技、材料、信息技术、经济等的进步来促进桥梁健康监测的发展。
