桥梁健康监测工程界研究的热点
2015-07-13
作为交通系统的组成部分，桥梁在人类文明的发展和演化中起到了重要作用。随着现代科技的发展以及运输需求的不断增长，大型桥梁（如跨海大桥、大跨度桥梁等）越来越多的出现在人们的视野中，这些桥梁造价动辄几亿甚至几十亿元，在交通、军事和社会生活等方面有着重要的战略意义。 然而，桥梁在建造和使用过程中，由于受到环境、有害物质的侵蚀，车辆、风、地震、疲劳、人为因素等作用，以及材料自身性能的不断退化，导致结构各部分在远没有达到设计年限前就产生不同程度的损伤和劣化。这些损伤如果不能及时得到检测和维修轻则影响行车安全和缩短桥梁使用寿命，重则导致桥梁突然破坏和倒塌。据统计，如今在美国近60万座桥梁中性能不足和有功能缺陷的占28.6%。美国每年桥梁投资90%用于更新维修旧桥，只有10%用于新建桥梁。
我国现有公路桥5000余座，总长130万公里，1/3以上的桥梁都存在结构性缺陷、不同程度的损伤和功能性失效的隐患。近年来，我国陆续出现了多次重大桥梁事故。这些发生的事故与很多因素有关，但是缺乏有效的监测措施和必要的维修、养护措施是重要的原因之一。这些触目惊心的事故使得人们对现代桥梁的质量和寿命也逐渐关注起来。对桥梁结构进行质量检测和健康监测，已成为国内外学术界、工程界研究的热点。
传统的桥梁检测在很大程度上依赖于管理者和技术人员的经验，缺乏科学系统的方法，往往对桥梁特别是大型桥梁的状况缺乏全面的把握和了解，信息得不到及时反馈。如果对桥梁的病害估计不足，就很可能失去养护的最佳时机，加快桥梁损坏的进程，缩短桥梁的服务寿命。如果对桥梁的病害估计高，便会造成不必要的资金浪费，使得桥梁的承载能力不能充分发挥。
桥梁健康监测的基本内涵即是通过对桥梁结构状况的监控与评估，为桥梁在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况异常严重时发出预警信号，为桥梁的维护维修和管理决策提供依据与指导。然而，桥梁结构健康监测不仅是为了结构状态监控和评估，其信息反馈于结构设计的更深远的意义在于，结构设计方法与相应的规范标准等可能得到改进。再有就是桥梁健康监测带来的不仅仅是监测系统和对某特定桥梁设计的反思，还可能并应该成为桥梁研究的“现场实验室”。桥梁健康监测为桥梁工程中的未知问题和超大跨度桥梁的研究提供了新的契机。由运营中的桥梁结构与其环境所获得的信息不仅是理论研究和实验室调查的补充，还可以提供有关结构行为和环境规律的最真实是信息。因此，桥梁健康监测不只是传统桥梁检测加结构评估新技术，而且被赋予了结构监控与评估、设计验证和研究与发展三方面的意义。
近年来，通信网络、信号处理、人工智能等技术的不断发展加速了桥梁监测系统的实用化进程。业界纷纷着手研究和开发各种灵活、高效、廉价、并且不影响桥梁结构正常使用的长期实施监测方法或技术。桥梁健康监测系统的部署和应用不单单具有重要的现实意义，还具有重要的研究价值，在推动和发展智能化、数字化和信息化桥梁工程中起到了积极的作用。
随着交通运输事业的发展，大型桥梁的交通流量与日俱增，其中重车及超载车辆占了很大比例。面对日益增长的交通压力以及桥梁在交通网络中的重要地位，原来 的仅靠人工手段检测已无法满足桥梁养护的要求，难以有效的防范突发事件的发生，主要表现在： （1） 定时检测，间隔时间长，缺乏连续监测资料，而且监测数据不是动态监测数据，不能随时反映出桥梁在极端受力状态和恶劣环境下的运营状况，起不到预防和与报道作用； （2） 高程测量由人工完成，受读数误差、视角、天气、温度等因素的影响，测量精度不高； （3） 每次检测都需做好充分的准备，从安排加载车辆，调试试验仪器，搭设脚手架，安装和拆除传感器，到组织人员封闭交通，每个环节都不能疏漏，需耗费大量的人力、物力和财力，花费较长时间。 桥梁的安全、耐久性问题已经引起了运营管理部门的高度重视，为了确保桥梁安全运营、延长桥梁使用寿命，桥梁上安装监控监测系统具有非常重要的意义。
桥梁健康监测的要求与内求与内容 桥梁变形监测 恒载作用下主梁轴线的位置是桥梁整体安全状态的重要标志，活载作用下主梁的挠度既是桥梁整体刚度的重要标志，也能反映作用于桥梁上的荷载情况，通过对桥梁变形的监测可以从整体上把握桥梁的健康状态。 桥梁动力特征及振动水平的监测 桥梁动力特征包括桥梁振动的频率、振型和阻尼比，它也是桥梁整体安全的标准。桥梁质量的退化会引起自振特性的改变，例如在其他条件不变的情况下桥梁刚度的降低会引起桥梁自振频率的降低，桥梁局部振型的改变可能预示着桥梁局部损伤的存在。该项内容的监测也能起到从整体上把握桥梁健康状态的目的。
主梁动应力监测
斜拉桥的主梁及时构成斜拉桥这一结构体系的基本组成部分，又是车辆及人群荷载的承担者，受活载的影响最直接，极易因异常局部荷载而引起损失，同时主梁的损伤对桥梁使用性能的影响也最直接。通过对主梁有代表性的断面上的动应力监测，可以了解作为斜拉桥主要受力构件主梁的受力状态。这对控制车辆荷载、进行构建疲劳分析都十分必要。 温度分布监测
通过对主梁及索塔有代表性断面上的温度分布监测，可以验证设计假定或根据实际测量的结果重新计算温度对桥梁内梁和形的影响，以便对桥梁的安全状态作出更加符合实际的评价（例如主梁的轴线位置和温度有关，只有对在相同的温度下测得的主梁轴线位置进行比较，或换算成相同温度下主梁轴线的位置进行比较才有意义变
２我国大跨度桥梁结构健康监测系统的特点
１结构健康监测系统的目标与国外大桥的结构健康监测系统相同，我国建立的大跨度桥梁结构健康监测系统通常有如下目标：（１）全面获取桥梁运营状况的信息，用来评估结构的安全性、耐久性和使用性；（２）对设计假定和设计荷载进行验证，为完善设计规范提供依据；（３）为桥梁养护、维修和管理的决策提供依据。
桥梁的结构健康监测系统一般具有以下功能：（１）能够自动实时监测
环境条件和桥梁结构的物理及几何状态，如荷载和关键构件的物理特性等，向管理部门传送监测结果的数据和图表；（２）能够跟踪监测结构状态并对桥梁结构的异常反应做出紧急警报；（３）能够评估结构的静力和动力安全性、耐久性和使用性，并对结构异常进行识别，为大桥的维护管理决策提供依据。
监测内容主要依据桥梁的物理特性、结构特性以及桥址环境状况而定。
桥梁的几何状态和静力动力响应、环境和交通状况都是结构健康监测的监测对象。
国内外～些大跨度桥梁已经安装了桥梁监测系统。然而，目前已建的监
测系统的实际效果还有许多不尽如人意之处。由于现有监测技术和费用的限制，要监测与结构退化以及结构安全性相关的所有重要部位是不可能的。另外，在桥梁结构的真实状况和所测得的参数之间尚难以建立令人满意的对应关系，如何以有限的测点尽量获取与结构退化及安全性真正相关的信息，以及如何有效利用这些信息来评估结构状态仍是大家所关注的研究难点。
２我国桥梁结构健康监测系统的特点
我国已约有４０座桥梁安装了或即将安装结构健康监测系统，其中多数
系统是２０００年以后建成的。国内桥梁初期安装的监测系统多是传感器为数不多的简单系统，其中一些系统经过几年的运行后根据桥梁管理部门的要求进行了升级。近年来，新建桥梁健康监测系统的设计和实施越来越趋于规范化，几乎所有的大跨度桥梁都安装了或考虑安装健康监测系统。
目前，国内健康监测系统具有以下特点：（１）一般来说，一个大跨度桥梁的健康监测系统由少则５０、多则３００个以上的传感器测点组成，其费用约占到桥梁总造价的０．５％＂－－２．０％；（２）监测系统的设计理念越来越侧重于为桥梁的养护管理提供支撑，偏重监测内容和技术而轻视测试数据处理和评价的设计方案越来越不易被桥梁业主所接受；（３）健康监测系统本身的耐久性受到重视，要求传感器和其他硬件具有可更换性，并且更换时不能影响到数据采集的连续性；（４）成桥后的结构健康监测系统与施工控制的监测系统相结合，监测数据内容前伸到施工阶段；（５）结构状态评估子系统和评估软件的水平有所提高，配套的专家组也被视为桥梁结构。
桥梁结构健康监测系统为更好地维护桥梁的正常使用提供了重要保障，
相关的传感技术、数据传输和信息处理技术的发展有利地支撑了现代结构健康监测系统的实现。然而，这一领域的许多技术和理论尚不成熟，还需科研人员和工程技术人员做出长期的努力。
