橋梁檢測與監測技術的發展趨勢

歐陽歆泓 ，徐一超 ，3

（1.在役長大橋梁安全與健康國家重點實驗室，江蘇 南京 210012；2.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210012；3.東南大學，江蘇 南京 210096）

伴隨著現代化建設的不斷推進，我國交通運輸行業蓬勃發展，橋梁結構作為交通線路的咽喉，近年來取得了舉世矚目的成績。目前，中國橋梁總數已超過百萬，而大量建設中的超大跨度、超大難度的跨江越海大橋仍在繼續挑戰工程的極限。但橋梁建成只是其發揮作用的起點，只有保證安全與健康才能充分發揮其作用。橋梁檢測與監測技術是保障橋梁安全運營的關鍵，其依靠現場檢測與實時監測獲取橋梁結構的損傷狀況與動力特征，從而分析橋梁的實際承載狀況[1-2]。但隨著工程應用的不斷增多，現階段橋梁檢測與監測技術的瓶頸也日益突出，其中最主要的問題可概括為以下四個方面：（1）理念瓶頸。設計階段缺乏對橋梁養護中檢測與監測需求的考慮。（2）標準體系瓶頸。標準的建立未能跟上工程發展的實際需求。（3）方法、工具與裝備瓶頸。現有技術與設備未能適應復雜多變的檢測與監測環境。（4）數據分析瓶頸。海量多源的數據堆積，未能得到充分有效利用。隨著社會經濟的發展，政府、企業及社會公眾對橋梁安全與健康的關注度日益提高，這對檢測與監測結果的真實性、可靠性與有效性提出了更高的要求。因此，急需解決上述瓶頸，推動橋梁檢測與監測技術向“低成本、高精度、短時延”發展。文章介紹和總結了現階段橋梁檢測與監測技術發展現狀與技術瓶頸，并針對目前研究所存在的不足，指出了橋梁健康檢測與監測技術的發展趨勢和研究方向，希望能為橋梁檢測與監測研究的工程技術人員提供參考。

1 橋梁檢測與監測技術的發展瓶頸

1.1 理念瓶頸

精細化、全壽命的設計理念是歐美發達國家在橋梁設計中的主導思想，強調在結構設計階段應充分考慮橋梁養護、檢修等情況，為相關工作預留空間或設置構造措施。目前國內的橋梁設計中總體缺乏對橋梁養護階段的考慮，導致在橋梁檢測與監測中難以做到“可達、可檢、可修”，更別說“易達、易檢、易修”，這反映了當前橋梁設計中全局性理念的缺失。例如，在國內，除了跨江、跨海的大型、特大型橋梁設計有專門的檢修通道，其他類型橋梁一般沒有相應的檢修通道，缺乏對橋梁易檢測性的考慮[3]。檢修通道的缺乏，給橋梁檢測與監測工作帶來了很大的難度，部分區域難以到達，從而難以進行有效的檢測與監測。若采用橋梁檢測車進行檢查，一方面占用車道、影響交通；另一方面也增加了檢測工作的經濟投入，與橋梁檢測“低成本”的發展目標相矛盾。

1.2 方法、工具與裝備瓶頸

檢測與監測中所采用方法、設備的合理性和有效性是確保橋梁健康評估結果準確性的關鍵保障。目前，橋檢車與無人機是進行檢測的常用設備，但橋檢車工作時不僅影響道路交通，而且存在較高的安全隱患；而無人機在操控的便利性、續航能力、噪聲測試等方面也存在較大的問題，這些問題始終未能得到完善的解決[4]。另外，橋墩、基礎等構件常常需要水下檢測，而目前水下檢測主要依靠潛水員水下摸排及觀察。一方面，潛水員檢測效果受光照、水質等因素影響較大；另一方面，潛水員往往不是橋梁工程師，難以對水下觀測結果做出直接判斷，需要再次進行行業術語轉換，然后判斷結構的損傷程度，二次轉換過程必然會導致部分信息丟失，不夠準確，從而降低了檢測的效率。

在無損檢測方面，目前所能采用的手段尚不完善，存在大量難檢項目。例如，對橋梁纜索的腐蝕斷絲檢測仍大量采用開窗法進行，否則無法觀察內部情況，而這又對纜索護套造成了損傷。同時，混凝土中的實際預應力檢測、孔道壓漿密實度檢測等也一直很難取得突破性進展。

現場試驗是用來評價橋梁承載力的重要手段，但傳統荷載試驗方法費時費力，對交通影響大，成本代價高。試驗檢測過程數據錄入雖然實現了信息化，但操作不便、實際效率很低。另外，現行健康監測系統雖在通信和數據存儲上的發展已能滿足需求，未來5G的應用也會加速提升性能，但在數據采集與獲取方面存在著傳感器使用壽命遠小于橋梁設計使用年限，點式傳感器的信號與結構損傷之間的邏輯性和聯系性較弱，監測系統的實施安裝缺少行業標準等系列問題。

2 對于發展瓶頸的突破建議

2.1 準確把握技術趨勢

如何保障橋梁的安全性、耐久性和使用功能已成為目前橋梁工程界的巨大挑戰。橋梁工程技術發展以建設為主向建設與養護并重轉型。隨著對橋梁的結構要求、服役要求以及長期性能要求的提高，橋梁檢測與監測及其相關的病害診斷與分析技術的研究將呈現出新的趨勢，主要表現為深入化、集成化、標準化與智能化四大特征。

（1）深入化。結構損傷機理研究將逐步從微觀向宏觀、從短期向長期、從單因素向多因素耦合拓展。

（2）集成化。無損檢測裝備與養護維修裝備的小型化、專業化、集成化程度將日益提高；健康監測系統中傳感、采集與傳輸設備的高度集成將是大勢所趨；依托BIM平臺，設計、施工、檢測、監測、養護、維修的信息將高度集成融合。

（3）標準化。不僅是傳統意義上的檢測、監測、養護動作和質量評定方法的標準化，還包括數據互聯互通的信息標準化。

（4）智能化。隨著機理研究的日益深入、數據積累的日益增多、信息融合的日益加強，以及大數據分析、云計算、機器學習等技術的進步，橋梁養護智能化研究將受到關注，結構病害的早期識別、趨勢推演、檢測評分自動進行、安全風險自動排序、養護資金智能優化配置、橋梁壽命預測將成為可能。

2.2 實現重點技術突破

在橋梁檢測中，目前大量采用近距離人工觀測或接觸式儀器檢測，風險高且需投入大量的人員與資金，而且部分關鍵部位由于位置隱蔽往往難以得到有效的檢查，從而導致橋梁檢測合格但實際承載能力嚴重受損的情況出現。因此，應大力發展非接觸性的表觀病害檢測，提升隱蔽部位、難檢部位的檢測能力和檢測效率，提升現場記錄的自動化和信息化水平。例如，研發基于深度學習的病害識別技術，通過計算機視覺自動提取病害的特征，實現病害高精度識別；研發基于磁致伸縮導波的無損性拉吊索斷絲檢測技術，對于斷絲截面損失情況進行精準化評估；研發準靜態快速荷載試驗技術，縮短荷載試驗時間并減小試驗成本，同時精準評價橋梁的承載力狀況；研發同步壓縮變換瞬時頻率算法，有效提取重車通過時索承橋的索力極值，為超載報警和突發事件的安全評估做出及時預判；研發更高精度、高頻率的位移測量技術，如長標距的光纖傳感、微波干涉雷達等技術。只有不斷突破現有技術的瓶頸，才能夠不斷提高橋梁檢測的效率，準確評估橋梁狀態。

在橋梁狀態實時監測方面，目前普遍存在傳感器壽命低，點式布置傳感器難以反映全橋的損傷狀況以及缺乏現場實施、評定與維護標準等幾方面的問題。同時，對于海量的監測數據，自動化處理程度仍有待提高，且耦合數據分離始終存在困難。此外，在分析評估中，目前總體停滯于構件級評估，而全橋評估發展緩慢，對于結構健康狀態的預警與評估指標也有待進一步優化。基于上述因素，應進一步加強耐久性高、生產成本低且易更換的傳感器的研發與應用，同時推廣分布式傳感器的應用，加強傳感器對結構全局狀態的捕捉，并建立健全傳感器采集標準，推進傳感設備布設與運營維護的規范化。此外，在數據處理與狀態評估方面，充分利用云計算、人工智能技術推進數據處理自動化與智能化，并研發時空數據融合計算，推進檢測監測一體化大數據分析，建立橋梁健康狀態時空演化模型。綜合發展傳感設備與監測系統管理制度，并面向自動化、智能化發展橋梁數據分析技術，從而實現現有橋梁健康監測技術瓶頸的突破。

3 結束語

隨著中國橋梁的不斷建設發展，巨大的存量和增量為橋梁健康和安全帶來了巨大挑戰，同時也為橋梁檢測與監測技術的實踐和創新帶來了巨大機遇。文章詳細闡述了現階段橋梁檢測與監測技術的發展瓶頸，同時指出了可能的突破方法和手段。隨著人工智能、5G通信、大數據以及云計算的發展和普及，未來橋梁的檢測和監測發展趨勢可以歸納為以下幾個方面：（1）從破壞性檢測向無損檢測轉變；（2）從人工檢測向機械智能檢測轉變；（3）數據采集方式從人工記錄向系統自動采集轉變；（4）從周期性檢測、檢查向實時數據監測轉變；（5）檢測手段從現場實操向智能感知轉變；（6）檢測裝置從臨時性設備向長期性預埋傳感器轉變；（7）檢測評估從少量抽樣數據研判向大數據分析轉變。