公路橋梁健康監測技術研究與應用現狀

李自華

(河北省高速公路京秦管理處，河北秦皇島 066000)

1 我國橋梁結構健康監測系統研究與應用現狀

國外自20世紀80年代結構健康監測系統被提出以來，先后在數十座橋梁上安設了用于運營安全監測目的的健康監測系統。我國已約有40余座橋梁安裝了或即將安裝結構健康監測系統，其中多數系統是2000年以后建成的。國內橋梁初期安裝的監測系統多是傳感器為數不多的簡單系統，其中一些系統經過幾年的運行后根據橋梁管理部門的要求進行了升級。近年來，新建橋梁健康監測系統的設計和實施越來越趨于規范化，幾乎所有的大跨度橋梁都安裝了或考慮安裝健康監測系統。目前的結構健康監測系統是強監測弱診斷，為了進一步實現健康監測系統的目的，迫切需要加強對監測數據的處理和健康診斷的研究，尤其是要開展在線化、連續化、自動化的自診斷技術。

進行健康診斷和安全預警，一般的思路是，先定義反映結構健康狀態和損傷的特征指標，然后建立從健康監測原始數據中識別或者計算這些指標的方法，同時通過對結構行為的分析，并且結合專家經驗，對這些指標的取值空間進行預先的人為劃分，得到簡單的指標閥值體系，然后，從監測數據中計算指標值與此閥值體系進行簡單的對比，從而實現對健康監測狀態的診斷以及安全預警。

2 主要相關研究方向的國內外發展現狀

2．1 硬件技術

從監測系統的技術要素構成上來看，現有橋梁健康監測系統的技術現狀如下:

1)采集系統技術現狀。

監測采集設備均永久性安置在橋梁箱梁、橋塔或附屬構筑屋內。采集儀器已經采用基于現代最新的網絡通訊技術的采集計算機，與遠程監控中心的其他計算機儀器構成局域網，通過TC/TIP通訊協議或其他高級協議實現數據通訊。采集儀器之間做到了很嚴格的時間同步。

2)傳感器技術現狀。

目前的橋梁健康監測技術采用的傳感器分為以下幾種:a．應變監測，采用精度高準分布式的光纖布拉格光柵傳感器，不僅實現了對靜態應變的測量，而且實現了動態應變的連續實時測量，其測量精度已經達到0．1微應變;b．加速度，采用適于土木結構的超低頻加速度計，如力平衡式加速度計，在低頻段已經表現很好;還有就是位移計，用于測量支座、伸縮縫等處位移，已經可以達到1 mm的測量精度;GPS用于測量人力無法觸及的部位的變位，如塔頂、跨中撓度，目前國外的產品已經可以達到1/3 cm的測量精度。

2．2 數據處理、分析、解釋與應用——評估預警技術現狀

目前，代表第三代橋梁健康監測系統的東海大橋采用基于節點模糊推理機制的層次分析法實現了數據的實時在線統計處理、部分指標的在線抽取計算，在此基礎上，實現了基于關鍵指標閥值對比法的簡單預警技術和基于模式識別理論的極端荷載識別的綜合預警技術，并實現了基于監測數據和人工檢測數據相結合的橋梁的在線評估系統，還針對監測內容，設計了離線評估預案。現有的這些成就還需要進一步的深化研究，需要探索新的指標，完善已有指標體系，探索新的基于可靠性的評估理論、基于概率的預警理論等，繼續應用如神經網絡、模糊推理、基因算法等軟計算方法，實現指標的實時抽取計算、綜合評估計算等高級計算。還需要發展智能化的模型修正理論，實現基于監測數據的結構適時修正技術，從而全面了解結構內力剛度、質量、阻尼退化情況，了解結構內力重分布情況，為全面科學地評估橋梁技術狀況奠定基礎。

目前的研究認為，對于振動監測數據的處理與評估，通常體現在模態參數識別及其應用上。結構模態參數識別是近年來結構健康監測的關鍵研究問題之一。模態參數不僅被用來表征結構整體性能的狀態指標，還被嘗試用作結構損傷指標，并被用作結構模型修正的目標參量。以結構模態參數為基礎，可以衍生出系列關于結構整體性能或局部損傷的指標，這些指標可以構成一個結構健康狀態的指標體系。另外，還有其他基于振動監測量的指標，如從振動響應的幅值時域、頻域及時域用現代信號處理方法或統計信號處理方法抽取出的系列指標。對于一個復雜的大型土木工程結構，單憑其中任何一個指標，都無法全面地反映結構的整體性能，也難以做到對局部損傷情況的識別。必須對這些指標進行組合使用，進行指標層次的信息融合，使各指標反映的信息向一個方向疊加，才有可能準確地反映結構的健康狀態。

對于結構運營期的安全預警，目前通行的做法是和健康狀態評估區分開來，主要目的是實現對小概率的突發性事件(如船撞、地震、臺風等)發生時橋梁安全性及使用性的監控，同時還對超速超載情況進行監控。因此，預警指標體系可以由基于加速度幅值的防車船撞預警指標、地震時結構的安全預警指標以及基于應變幅值的超載報警指標等構成。

3 橋梁健康監測系統的發展歷程

可以將橋梁健康監測系統分為兩類，一類是獨立集成的監測系統，特點是測點多，投入大，適合于復雜大跨橋梁。另一類分布式區域集中式橋梁網是中小橋，如在京秦高速公路橋梁上的健康監測嘗試，只是在選擇出的關鍵公路橋梁上有針對性地布置數十個傳感器，定期攜帶采集設備對橋梁進行持續一定時間的數據采集。雖然單個橋上測點比較少，但橋梁眾多，每座橋上配置一套采集系統及監控計算機網絡的話顯然過于浪費，因此，采用區域集中監控方式比較合算。

對獨立集成的監測系統而言，目前國內外已有的橋梁健康監測系統多屬于此類。可以將它們大致劃分為三代:第一代為早期單項監測系統，傳感器種類有限，采集設備不安裝，間歇性監測。第二代為集成監測系統，傳感器種類大大豐富，采集系統完善，連續采集，有數據庫管理軟件對數據進行管理。第三代為集成監測診斷系統，在第二代的基礎上，強調對數據的處理，并利用數據進行結構健康狀態的在線評估、在線預警，并為深入地離線評估提供便利;功能更加豐富，無線、internet等技術被用于系統之中;結合檢測和監測，綜合系統。目前國內外多數系統屬于第一到二代;而東海大橋健康監測系統屬于第三代的最早期代表。

第四代的獨立集成的監測系統尚處于概念之中，可以稱之為智能化橋梁健康監測及診斷系統，主要的特征是，采用具有特征抽取計算能力和身份辨識的智能型傳感器和主動型傳感器構成信息源，采用有線和無線混合型組網技術;系統實現模塊化和智能化;中央處理中心將免于負擔低層例行性的數據處理計算負荷，只需專注于邏輯型計算、力學層次的分析計算，實現智能化的在線的健康狀態評估及安全預警功能。這些概念的實現，需要大量的前期研究投入。

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