1.序言
随着桥梁分析理论、施工技术、材料性能的迅速发展，桥梁跨度越来越大。斜拉桥跨度已达到890m（日本多多罗大桥），连接江苏南通与苏州的苏通大桥主桥斜拉桥跨度超过1080m；悬索桥跨度已达到1991m（日本明石大桥），国内润扬大桥为1490m，江阴大桥为1385m，钢拱桥最大跨度为上海卢浦大桥（550m），钢管混凝土拱桥为巫峡长江大桥（460m）。桥梁结构越来越柔，跨径越来越大，不仅要求精确严密的计算与施工技术，而且对桥梁建成后的安全养护提出了更高的要求。
对于近二十年建成的大型桥梁，大部分建立了以收缴过桥费为主要职能的桥梁管理机构，但是健康监测、养护与维修得不到应有的重视，往往是在出现问题后才亡羊补牢。对于存在缺陷或安全隐患的桥梁，全部予以更换不仅需要大量的资金而且要封闭交通，一般来说是不足取的一种方式；由于资金有限，也不可能一次性全部进行加固改造，需要区分轻重缓急，需要对桥梁状态作出科学准确的评判。由于大型桥梁的复杂性，传统的人工检测方法由于其滞后性、效率低，造成桥梁管理成本的提高与资源配置的不合理，已跟不上桥梁发展需求，也不符合经济运作的规律。在这种情况下，建立桥梁健康监测与安全评定系统（目前的硬件技术水平与软件已经使之成为可能），能够大大提高检测效率，实时掌握桥梁状态变化，评价桥梁的承载能力和使用功能，以及桥梁的安全可靠性，其意义主要有：（1）及时把握桥梁结构运营阶段的工作状态，识别结构损伤以及评定结构的安全、可靠性与耐久性；（2）为运营、维护、管理提供决策依据，可以使得既有桥梁的技术改造决策更加科学、改造技术方案的设计更加合理、经济；（3）验证桥梁设计建造理论与方法，完善相关设计施工技术规程，提高桥梁设计水平和安全可靠度，保障结构的使用安全，具有重要的社会意义、经济价值和广泛的应用前景。
2.桥梁健康监测的研究与应用现状
2.1 桥梁健康监测的基本概念
Housner等（1997）的结构健康监测的定义为：“在现场进行结构特性，包括结构响应的无损检测和分析，用来检测由损坏或损伤引起的变化”。这一定义也有不足之处。当研究人员试图对健康监测的无损评估进行综合，其重点在于数据收集而不在于评估。人们的确切需要是采用一种有效方法来收集服役结构的数据并进行处理，以评估关键的性能测量，如使用性、可靠性和耐久性。因此，Housner，et al.（1997）所做的定义必须修改，结构健康监测可以定义为：“在现场进行结构特性，包括结构响应的无损检测和分析，其目的是：如果有损伤，则进行损伤识别、确定损伤的位置、估计损伤的严重程度并评价损伤对结构影响后果”（图 1）。总而言之，一个结构健康监测系统必须同时能够进行结构损伤检测和状况评估。
结构健康监测研究可以分为如下四个水平层次：（Ⅰ）检测损伤的存在，（Ⅱ）确定损伤的位置，（Ⅲ）估计损伤程度，（Ⅳ）确定损伤的影响以及预测剩余的疲劳寿命。进行水平（Ⅲ）的工作要求改进结构模型和分析、局部的物理检查和传统的无损评估技术。进行水平（Ⅳ）的工作要求局部位置的材料构成信息、材料老化的研究、破坏机理和高性能的计算。在过去的20年，随着仪器的改进和对复杂结构动力学的认识，在系统检测和土木结构评估方面，土木工程结构的健康监测和损伤评估已变得更为实用。
土木工程和航天航空工程、机械工程有明显的差别，比如桥梁结构以及其它大多数土木结构，尺寸大、质量重，具有较低的自然频率和振动水平，低振幅，而且桥梁结构的动力响应极容易受到非结构构件等的影响，这些变化往往被误解为结构的损伤；而且钢筋混凝土桥中模型的不确定性水平比单独一根梁或一个空间桁架模型的相应值要高得多，这一切使得桥梁这类复杂结构的损伤评估具有极大的挑战性。
3.桥梁健康监测研究现状
3.1桥梁监测传感器研究现状
随着交通事业的发展，现代桥梁检测技术也取得了很大进步，主要包括以下几个方面：
（1）雷达与红外热象仪检测技术：使用雷达、红外热象仪、激光光学、超声波和其它一些心得技术手段可在仅仅一天之内就能准确地测量成百上千公里路面或几十座桥的桥面；
（2）光纤传感器监测技术：光纤传感器具有大面积检测能力，在较长时期内能提供可靠、精确和长期的检测结果，安装了这种监测系统后，任何结构存在的问题都可以较早地被发现，以便采取必要的修复措施，从而保证结构使用的连续安全性，使结构的性能得到最佳管理，并减少使用费用。到目前为止，光纤传感器已用于许多工程，典型的工程有加拿大caleary建设的一座名为beddington tail的一双跨公路桥内部应变状态监测；美国winooski的一座水电大坝的振动监测；国内工程有重庆渝长高速公路上的红槽房大桥监测和芜湖长江大桥长期监测与安全评估系统等。建于山东滨州黄河大桥健康监测系统使用了96个FBG应变温度仪，2个风速仪，39个加速度传感器和4个GPS定位器；
（3）无线电检测与评估系统：目前，一种全无（电）源的、便宜的感应器开发出来，满足了测量桥梁疲劳的长期需要。这种感应器贴在桥上并且与桥梁一起承受应变。它由一个特殊的应变增幅装置和两个预先裂开的样片合成一个整体去测量裂缝长度；
（4）自感应检测技术：公路桥梁的自感应检测技术的应用是广泛的。目前，美国已经设计、制造了一种便宜的位移感应器，用于翼墙的监测，已经进行两年多了，十分有效；一种新型埋入式锈蚀感应器已经在美国联邦公路局的参与下开发出来了。这种感应器可以浇筑在混凝土中，在混凝土中测量钢筋锈蚀的比率、混凝土的导电率、氯离子浓度等。目前桥梁的维修自动化需要的基本信息，被当作美国基础研究和开发的重点，这必须由感应和测量的高科技技术来提供；
（5）智能混凝土
a.损伤自诊断混凝土:自诊断混凝土具有压敏性和温敏性等自感应功能。目前常用的材料组分有：聚合类、碳类、金属类和光纤，其中最常用的是碳类、金属类和光纤。碳纤维智能混凝土可以对建筑物内部和周围环境变化的实时监控，也可以实现对大体积混凝土的温度自监控以及用于热敏元件和火警报警器等，还可应用于公路路面、机场跑道等处的化雪除冰，钢筋混凝土结构中的钢筋阴极保护，住宅及养殖场的电热结构等；
b.自调节智能混凝土: 自调节智能混凝土具有电力效应和电热效应等性能。混凝土结构除了正常负荷外，还希望它在受台风、地震等自然灾害期间，能够调整承载能力和减缓结构振动，但因混凝土本身是惰性材料，要达到自调节的目的，必须复合具有驱动功能的组件材料，如：形状记忆合金（sma）和电流变体（er）等；
c.自修复智能混凝土：自愈合混凝土就是模仿生物组织，对受创伤部位自动分泌某种物质，而使创伤部位得到愈合的机能，在混凝土传统组分中复合特性组分（如含有粘结剂的液芯纤维或胶囊）在混凝土内部形成智能型仿生自愈合神经网络系统，模仿动物的这种骨组织结构和受创伤后的再生、恢复机理。采用粘结材料和基材相复合的方法，使材料损伤破坏后，具有自行愈合和再生功能，恢复甚至提高材料性能的新型复合材料。
自诊断、自调节和自修复混凝土是智能混凝土研究的初级阶段，它们只具备了智能混凝土的某一基本特征，是一种智能混凝土的简化形式，因此有人也称之为机敏混凝土，目前人们正致力于将2种以上功能进行组装的所谓智能组装混凝土材料的研究。智能混凝土具有广阔的应用前景，但作为一种新型的功能材料，如果投入实际工程，还有很多问题需要进一步地研究：如碳纤维混凝土的电阻率稳定性、电极布置方式、耐久性等；光纤混凝土的光纤传感阵列的最优排布方式；自愈合混凝土的修复粘结剂的选择等。
（6）GPS全球定位系统：可以直接测量三维的空间运动；
（7）其他新技术：对桥梁结构的承载能力的“非侵入式”检测也是桥梁工程界的迫切需求。美国联邦公路局将激光检测系统用于检测桥梁的承载能力。另一项新技术是“智能桥梁支座”，通过它可以收集到许多必不可少的桥梁工作信息。智能支座能通过支座上的活载和恒载的分布发现并判断出桥梁结构体系的工作状况。
局部智能传感器应该是一个方向，但是局部的监测指标往往难以反映结构的整体性态，如何将局部监测指标与结构整体性之间建立合理的关系是其中的关键问题，因此，必须发展分布式传感器的健康诊断策略。
虽然目前已有不少可以应用的检测评价方法，但有些技术仍需进一步完善才能达到普遍应用的阶段。特别是为随时了解桥梁结构的工作状态，确保其长期使用性能，必须使用永久的监测设备。因此，桥梁结构的长期监测与诊断技术目前变得越来越重要了。桥梁检测工作者们还需继续努力，研究与开发出更加实用方便的桥梁检测技术与监测设备。
3.2传感器的优化布设、系统集成与数据传输网络技术研究现状
结构的征状是由采集信号分析获得的， 因此信号采集技术是结构损伤识别的前提。信号采集技术包括信号的采集和放大，传感器的类型、安装位置、数量以及数据的获取、存储等。此外还应考虑采集数据的时间间隔，数据的标准化问题，测量过程的不确定性以及数据的净化问题。由于被检测桥梁的庞大和复杂，传感器的类型和数目相当多，如何确定传感器的最优布置点是研究的热点。目前采用的方法主要有：基于经验和基于结构自由度的缩聚法；针对振动模态的有效独立法；清华大学在青马大桥健康监测中采用了遗传算法寻找加速度传感器的最优布点；西南交通大学也探索了静载作用下桥梁应变测量传感器优化布设。但各种方法只是在局部问题中有效，目前尚缺乏有效的传感器优化布设评估标准。各种算法依据各自的评估目标，尽管各方法在形式和理论上有一点联系，但对同一结构在相同条件下，不同算法得出的结论往往并不相同。信息传感器的优化布设还是监测结构经济性的考虑，因此关于传感器布点理论的探讨和验证值得深入研究。
3.3桥梁结构健康监测数据管理与控制技术研究
（一） (对于现有的国内外部分科研机构开发的健康监测系统，由于采用了专用的数据线，因此整个监测系统的费用昂贵，不适宜我国目前的实际需求。而国内目前所进行的定时检测或事后检测的方式，又会带来巨大的人力、物力的浪费和安全隐患。因此开发一套便捷的桥梁健康监测系统，使之能真正做到：既能行之有效、又能经济可靠，而且又能对桥梁实行实时在线监测的健康监测系统就非常迫切紧要。
近年随着公共电话线路的数字化传输和移动电话的不断普及，公用电话线路的数据传输速度、数字通信能力和无线移动通信能力得到了迅速的发展。因此，不采用专用数据线而采用数字通信网络线作为方便的数据传输媒介，在其基础上新开发的桥梁监测系统将会带来遥控监测技术上的创新，使得数据传输更为便携和低廉。
3.4桥梁损伤识别技术的研究现状
桥梁损伤诊断和识别应该包含四个方面：(a)损伤是否存在及损伤原因；(b)损伤位置识别；(c)损伤程度识别；(d)损伤对桥梁受力性能的影响有多大。目前尚没有一个损伤指标能够全面地、敏感地反映桥梁的损伤状态，这是因为桥梁工程和航空航天工程、机械工程相比有很大的区别，比如桥梁的体积大、质量重，具有较低的自然频率和振动水平，其动力响应非常容易受到不可预见的环境状态、非结构构件等的影响，这些变化往往被误认为是结构的损伤，从而使得桥梁损伤诊断具有极大的挑战性。主要的损伤指标有：共振频率、频率响应函数、振型、振型曲率、模态应变能、模态柔度、阻尼比和能量传递比、Ritz向量等等；结构损伤识别或诊断的方法主要有（1）基于动力参数的识别；（2）基于静力参数的识别；（3）子结构方法识别；（4）统计分析识别；（5）神经网络识别；（6）小波变换识别、时间序列模型等等，绝大部分损伤指标和损伤识别方法仅适用于实验室模型，可供实桥损伤识别的实用方法不多。目前桥梁损伤诊断从单纯的依赖其动力响应到综合利用无损检测与静动载测试信息；从单纯的模态识别到实验和理论模型修正，乃至神经网络方法；考虑测试传感器的优化布置、充分利用有限的实验测试信息；从单一损伤指标诊断到多损伤指标诊断等等方向发展，这样可以克服各自方法的缺点并相互检查，与损伤检测的复杂性相适应。
4.1结论与展望
桥梁健康监测在国内尚处于起步阶段，实际情况是，由于各种原因，国内现有的几个监测系统均有不同程度的瘫痪。随着桥梁健康监测工作的进一步深入，监测系统还需要解决远距离监测、提高系统可靠性、完善数据处理和分析理论等一系列问题。一方面，在系统性能、数据评估方面还都没有现成的规范；另一方面。随着人们对桥梁安全性认识的逐步提高，桥梁健康监测的市场前景越来越广阔。在实践中探索出一套稳定可靠的监测系统、明确各项参数指标、研究监测数据的具体用途是健康监测下一步工作的目标。
