橋梁健康監測的概念及監測系統設計

摘要：隨著我國社會經濟和交通運輸事業的快速發展，過去年代修建于各地城鎮和各級公路上的橋梁，負擔著十分沉重的交通荷載及繁重的交通量。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，隨著人們對大型重要橋梁安全性、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。本文結合近十年來橋梁健康監測的研究狀況以及大跨度橋梁工程的研究與發展，較系統地闡述橋梁健康監測的內涵。

關鍵詞：橋梁 健康監測 概念 意義

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。

1 橋梁健康監測新概念

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。為此，監測系統對以下幾個方面進行監控：

①橋梁結構在正常環境與交通條件下運營的物理與力學狀態；②橋梁重要非結構構件（加支座）和附屬設施（如振動控制元件）的工作狀態；③結構構件耐久性；④大橋所處環境條件，等等。

與傳統的檢測技術不同，大型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。

然而，橋梁結構健康監測不僅僅只是為了結構狀態監控與評估。由于大型橋梁（尤其是斜拉橋、懸索橋）的力學和結構特點以及所處的特定環境，在大橋設計階段完全掌握和預測結構的力學特性和行為是非常困難的。大跨度索交承橋梁的設計依賴于理論分析并過風洞、振動臺模擬試驗預測橋梁的動力性能并驗證其動力安全性。然而，結構理論分析常基于理想化的有限元離散模型，并且分析時常以很多假定條件為前提。在進行風洞或振動臺試驗時對大橋的風環境和地面運動的模擬也可能與真實橋位的環境不全相符。因此，通過橋梁健康監測所獲得的實際結構的動靜力行為來驗證大橋的理論模型、計算假定具有重要的意義。事實上，國外一些重要橋梁在建立健康監測系統時都強調利用監測信息驗證結構的設計。

還應看到，橋梁健康監測帶來的將不僅是監測系統和對某特定橋梁設計的反思，它還可能并應該成為橋梁研究的\"現場實驗室\"。盡管橋梁抗風、抗震領域的研究成果以及新材料新工藝的出現不斷推動著橋梁的發展，但是，大跨度橋梁的設計中還存在很多未知和假定，超大跨度橋梁的設計也有許多問題需要研究。同時，橋梁結構控制與健康評估技術的深入研究與開發也需要結構現場試驗與調查。橋梁健康監測為橋梁工程中的未知問題和超大跨度橋梁的研究提供了新的契機。由運營中的橋梁結構及其環境所獲得的信息不僅是理論研究和實驗室調查的補充，而且可以提供有關結構行為與環境規律的最真實的信息。另外，橋梁振動控制與健康評估技術的開發與應用性也需要現場試驗與調查。

2 健康監測系統設計

2.1 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。

2.2 監測項目

不同的功能目標所要求的監測項目不盡相同。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。

3 橋梁健康監測意義

3.1 監控與評估

橋梁健康檢測的基本內涵是通過對橋梁結構狀態的監控與評估，為工程在特殊氣候、交通條件下或運營狀況嚴重異常時發出預警信號，為橋梁維護、維修與管理決策提供依據和指導。為此，監測系統通常對以下幾個方面進行監控：①橋梁結構在正常環境與交通條件下運營的物理與力學狀態；②橋梁重要非結構構件和附屬設施的工作狀態；③結構構件耐久性；④工程所處環境條件等等。

3.2 設計驗證

由于大型橋梁的力學和結構特點以及所處的特定環境，在大橋設計階段安全掌握和預測其力學特性和行為特性是非常困難的。因此，通過橋梁健康檢測所獲得的實際結構的動靜力行為來檢驗大橋的理論模型和計算假定具有重要意義。不僅對設計理論和設計模型有驗證作用，而且有益于新的設計理論的形成。

3.3 研究與發展

橋梁健康監測帶來的將不僅是監測系統和某種特定橋梁設計的反思，它還可能并成為橋梁研究的現場實驗室。由于運營中的橋梁結構及其環境所獲得信息不僅是理論研究和實驗室調查的補充，而且可以提供有關結構行為與環境規律的最真實的信息。