橋梁健康監測系統的設計與研究

摘要：近年來，隨著我國經濟的飛速發展，交通運輸日漸繁忙，作為公路交通咽喉的橋梁的地位日益突出。橋梁設計理論的驗證以及對橋梁結構和結構環境未知問題的調查與研究擴充了橋梁健康監測的內涵。對橋梁結構進行綜合檢測的最終目的是為了使橋梁管理人員對橋梁結構的當前狀況有一個正確的認識。這就要求管理系統具有實時監測和智能化的自行評估的功能。本文首先論述了橋梁健康監測的相關概念，然后從橋梁工程發展的角度探討橋梁監測系統設計的有關問題，以期為監測系統的開發提供借鑒。

關鍵詞：橋梁 健康監測系統 概述 設計

近20年來橋梁抗風、抗震領域的研究成果以及新材料新工藝的開發推動了大距度橋梁的發展；同時，隨著人們對重要橋梁安全性、耐久性與正常使用功能的日漸關注，橋梁健康監測的研究與監測系統的開發應運而生。由于橋梁監測數據可以為驗證結構分析模型、計算假定和設計方法提供反饋信息，并可用于深入研究大跨度橋梁結構及其環境中的未知或不確定性問題，因此，橋梁設計理論的驗證以及對橋梁結構和結構環境未知問題的調查與研究擴充了橋梁健康監測的內涵。

1 橋梁健康監測概述

橋梁建成后，會受到氣候、環境等自然因素而逐漸老化，加之交通量的增長，運輸車輛的重量和外形尺寸的增大，加劇了現有橋梁的質量的退化，導致橋梁的實際承載能力的降低。因此，橋梁管理部門需要及時了解橋梁結構的安全性能，根據實際情況安排橋梁養護、維修、改建等工作，保證橋梁結構的安全使用，從而保證整個交通網絡的暢通。

對橋梁結構進行綜合檢測的最終目的是為了使橋梁管理人員對橋梁結構的當前狀況有一個正確的認識。這就要求管理系統具有實時監測和智能化的自行評估的功能。

現代材料技術的發展促使人類社會進入了信息時代，信息材料的生產業已實現設計制造一體化。各種具有信息采集及傳輸功能的材料及元器件正逐漸地進入土木工程師的視野。人們開始嘗試將傳感器、驅動材料緊密地融合于結構中，同時將各種控制電路、邏輯電路、信號放大器、功率放大器以及現代計算機集成于結構大系統中，通過力、熱、光、化學、電磁等激勵和控制，使結構不僅有承受建筑荷載的能力，還具有自感知、自分析計算、自推理的能力。具體說來，結構將能進行參數（如應變、位移、損傷、溫度等）的檢測及檢測數據的傳輸，具有一定的數據實時計算、處理能力，包括人工智能評估推理，以及初步改變結構應力分布、強度、剛度、形狀位置等能力，簡言之，即使結構具有自監測、自評估、自適應的類似生命體的智能功能。這種智能結構的概念是為了進一步解決評估結構強度、完整性、安全性及耐久性問題而提出的。對土木結構的性能進行監測及預報，不僅會大大減少維修費用，而且能增強預測的能力。近來出現的各種無損檢測技術均不能對結構進行實時監測，也不能很好的預報結構的破損情況和進行安全性的評估。

2 橋梁健康監測系統的概念

橋梁健康監測的基本內涵即是通過對橋梁結構狀態的監控與評估，為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁運營狀況嚴重異常時觸發預警信號，為橋梁維護、維修與管理決策提供依據和指導。

與傳統的檢測技術不同，橋梁健康監測不僅要求在測試上具有快速大容量的信息采集與通訊能力，而且力求對結構整體行為的實時監控和對結構狀態的智能化評估。

橋梁健康監測不只是傳統的橋梁檢測加結構評估新技術，而是被賦予了結構監控與評估、設計驗證和研究與發展三方面的意義。

3 健康監測系統設計

3.1 監測系統設計準則

顯然，監測系統的設計應該首先考慮建立該系統的目的和功能。上節所述的橋梁健康監測三方面的意義也正是橋梁健康監測的目的和功能所在。對于特定的橋梁，建立健康監測系統的目的可以是橋梁監控與評估，或是設計驗證，甚至以研究發展為目的；也可以是三者之二甚至全部。一旦建立系統的目的確定，系統的監測項目就可以基本上確定。另外，監測系統中各監測項目的規模以及所采用的傳感儀器和通信設備等的確定需要考慮投資的限度。因此在設計監測系統時必須對監測系統方案進行成本一效益分析。成本-效益分析是建立高效、合理的監測系統的前提。

根據功能要求和成本一效益分析可以將監測項目和測點數設計到所需的范圍，可以最優化地選擇并安裝系統硬件設施。因此，功能要求和效益-成本分析是設計橋梁健康監測系統的兩大準則。

3.2 監測項目

不同的功能目標所要求的監測項目不盡相同。絕大多數大跨度橋梁監測系統的監測項目都是從結構監控與評估出發的，個別也兼顧結構設計驗證甚至部分監測項目以橋梁問題的研究為目的。如果監測系統考慮具有結構設計驗證的功能，那就要獲得較多結構系統識別所須要的信息。因此，對于大跨度余支承橋梁，須要較多的傳感器布置于橋塔、加勁梁以及纜索/拉索各部位，以獲得較為詳細的結構動力行為并驗證結構設計時的動力分析模型和響應預測。另外，在支座、擋塊以及某些連結部位須安設傳感器拾取反映其傳力、約束狀況等的信息。

目前，某些監測系統以開發結構整體性與安全性評估技術為目的之一。結合橋梁問題研究的監測系統雖不多見，但有些系統也有監測項目是專為研究服務的。與理論研究相關的監測項目可以根據待研究問題的性質來確定。從目前橋梁工程的發展狀況看，以下幾方面的問題可以借助橋梁健康監測進行深入研究或論證。

①抗風方面：包括風場特性觀測、結構在自然風場中的行為以及抗風穩定性。

②抗震方面：包括研究各種場地地面運動的空間與時間變化、土-結構相互作用、行波效應、多點激勵對結構響應的影響等。通過對墩頂與墩底應變、變形及加速度的監測建立恢復力模型對橋梁的抗震分析具有重要的意義。

③結構整體行為方面：包括研究結構在強風、強地面運動下的非線性特性，橋址處環境條件變化對結構動力特性、靜力狀態（內力分布、變形）的影響等。這對于發展基于監測數據的整體性評估方法非常重要。

④結構局部問題：例如邊界、聯接條件，鋼梁焊縫疲勞及其他疲勞問題，結合梁結合面（包括剪力鍵）的破壞機制，等等。索支承橋梁纜（拉）索和吊桿的振動與減振、局部損傷機制等也值得進一步觀察研究。

⑤耐久性問題：橋梁結構中的耐久性問題尚有許多問題須要深入研究。纜（拉）索與吊桿的腐蝕、銹蝕問題尤須重視。

⑥基礎：大直徑樁的采用也帶來一些設計問題，直接套用原先用于中等直徑樁的計算方法不很合理。借助橋梁監測系統調查大直徑樁的變形規律、研究樁的承載力問題，也是設計部門的需要。

橋梁健康監測在國內尚處于起步階段，實際情況是，由于各種原因，國內現有的幾個監測系統均有不同程度的癱瘓。隨著橋梁健康監測工作的進一步深入，監測系統還需要解決遠距離監測、提高系統可靠性、完善數據處理和分析理論等一系列問題。一方面，在系統性能、數據評估方面還都沒有現成的規范；另一方面。隨著人們對橋梁安全性熟悉的逐步提高，橋梁健康監測的市場前景越來越廣闊。在實踐中探索出一套穩定可靠的監測系統、明確各項參數指標、研究監測數據的具體用途是健康監測下一步工作的目標。