公路橋梁結構健康監測系統現狀及未來發展趨勢

戴泳琰

（江西省交運運輸科學研究院有限公司，江西南昌330200）

0 引言

公路橋梁結構健康自動監測系統(Structural Health Monitoring，簡稱 SHM)，與定期開展的人工橋檢活動相比在很多功能方面有顯著優勢：第一，能夠實時監測，第一時間發現結構損傷并預警；第二，能夠量化結構損傷程度，監測結果可直觀反應到系統平臺中；第三，平時監測的數據對今后橋梁結構分析起到參考作用；第四，在監測中不影響公路橋梁的正常使用；第五，節約成本減少不必要的浪費。通過定期橋檢，對比結構健康監測系統，可以看出來實施結構健康監測對于公路橋梁來說是非常必要的。

健康監測最開始出現在航天和機械領域中，20世紀60年代，在航天和軍工領域進行了無損診斷技術(NDT)的研究。70年代，土木工程領域的學者意識到對土木結構進行健康監測和安全評估的重要性，最初在海洋石油鉆井平臺得到研究和應用，開創了健康監測在土木工程領域上應用的先河。20世紀的80年代中期末，結構健康信息監測分析系統已開始逐步應用于公路橋梁，目的也是以高速公路橋梁主體構件為結構監測信息平臺，通過高速橋梁結構狀況的全面實時在線監測來收集公路橋梁中關鍵受力部分的實時結構動態響應，診斷監測和跟蹤分析高速橋梁上的主要結構信息，對公路橋梁結構可能由此發生的一些嚴重危險結構事故進行相對提前程度的預警，盡可能地降低危險事故發生的概率，以免造成更多的損失，并提出針對性的橋梁管理維護建議。

1 研究綜述

美國學者Armin B.Mehrabi 等人就對斜拉橋進行了一系列的安全監測，從全球選擇25 座斜拉橋，并且進行安全監測分析，評估斜拉橋結構是否可靠，試圖對評估的方法進行統一。日本山口大學教授Ayaho Miyamoto 提出了新的方法“狀態表示方法”，簡稱SRM，以及新的應用手段，介紹基礎結構系統狀態非參數描述的一般理論，并給出將SRM 應用于實際問題的方法。美國南達科他紐約州立大學教授Junwon Seo對世界橋梁的安全可靠性檢測方法的研發現狀問題做出了分析總結，提出了橋梁在安全性能監測評價領域下的發展研究主要方向，橋梁損傷原因識別、結構的剩余承載力監測評價系統和建筑結構的剩余使用壽命評價。英國克蘭菲爾德大學教授G.Kister、D.Winter 等人研究了利用光纖光柵傳感器監測道路和橋梁的結構健康。通過開發結合方法和傳感器的適當保護系統，使用布拉格光柵傳感器是可能的，光學傳感器已經成功地應用于現場[1]。

我國在橋梁結構健康監測方面研究起步相對落后，90年代才開始探索在大跨度橋梁上建立監測系統。目前名為香港大橋指的是青馬大橋、汲水門大橋和汀九門大橋，是迄今為止世界橋梁投資和規模、在建筑史上跨度最大的一套用于橋梁結構健康和監測研究的工程系統。其中文名稱是橋梁風害系統和路橋工程結構病害的健康與監測研究系統(WindAnd 和橋梁Structural 的 Health 和 MonitorIng 的 System，WASHHMS)，主要監測在地震和風荷載作用下橋梁結構的動靜力性能，系統內包含應變計、風力風向計、溫濕度計、GPS 等各類傳感器近千個。在昂船洲大橋建成后，香港特區政府路政署在這座主跨達1014m 的斜拉橋上也建立了該系統。這又為開展我國新型公路橋梁結構健康動態監測評估系統應用的理論研究探索開創了一條先河。北京建筑大學李愛群教授等學者以主跨1490m 的懸索橋、江蘇潤揚長江大橋等為主要工程背景，建立完善了我國一套大型橋梁結構安全健康在線監測預報系統，并對其結構的監測數據、損傷預警的設置和安全評價的方法進行了研究。哈爾濱工業大學歐進萍教授團隊等著名學者先后從安全理論高度上系統地對大橋安全在線監測分析系統采用的關鍵監測技術指標、監測評判標準、監測評價數據系統的綜合使用技術等安全各方面技術進行了全面研究，設計了一種基于傳感器獲取監測評估數據支持的現代橋梁結構模態的識別、損傷的定位系統及橋梁安全的評價技術方法，并多次結合現場實際與工程實際研究報告了一些其技術應用情況。

進入21世紀后，我國對于公路橋梁結構健康監測系統的研究和應用相繼出現。目前在我國各地安裝了公路橋梁結構健康狀態監測系統裝置的高速公路有上海徐浦大橋隧道、江蘇江陰長江大橋高速公路、江蘇蘇通長江大橋、廣州虎門大橋高速公路以及南京隧道長江高速公路大橋等。

公路橋梁工程具有受力結構復雜、外部使用環境較為惡劣、服役期相對長等結構特點而導致公路橋梁系統在施工運營養護期間有一定概率會出現橋梁某些部分結構的損傷變形問題。從橋梁工程設計實踐中看，橋梁結構損傷分為各種突發性結構損傷和局部累積性損傷。其中，突發性結構損壞往往是指由于機動車嚴重超載、船舶嚴重碰撞傾覆等突發事件造成，產生房屋坍塌、斷裂損壞等嚴重交通安全破壞事故。橋梁健康安全監測分析系統中實時在線監測能夠有效獲取關鍵指標數據，在面臨突發危險事故產生前進行科學有效的安全預警，并適時地向當地相關責任部門逐級報告緊急事件情況，降低損失。并且，對于已經累積造成的工程結構重大損傷，橋梁結構安全健康風險監測評價系統的有效事故預警信息可以幫助工程后續的設施檢測加固、維修養護和加固養護評估等工作決策，提供經濟價值性參考。

“預警”一詞最早應用在軍工領域，此后在經濟、安全、工程等領域也得到廣泛的應用。隨著網絡計算機技術和大規模數據智能挖掘應用技術的進步，基于人工神經網絡理論的智能預警系統方法應用的相關研究也得到了深入的發展。在一些實際防災工程和應用項目中，可根據現場實際工程需要而選擇科學合理先進的應急預警檢測方法，以提升預測效果降低人工成本，達到災害最佳應急效果。

目前，我國橋梁結構健康預警系統的研究大多是理論性的，通常是基于對橋梁運營現狀的分析，然后建立預警指標體系，建立橋梁結構的有限元模型，最后根據預先設定的預警程序發布相關預警信息。在橋梁結構預警中，合理的預警閾值設置和快速高效的預警系統的建立是預警技術的重要因素，國內學者在該領域也開展了相關研究。孫雅瓊提出分離高頻和低頻采樣監測數據中的溫度效應，剩余的監測數據響應能體現在活荷載作用下的橋梁結構響應，可以用于活荷載的識別和橋形分析；通過橋梁結構的受力情況結合有限元模型計算結果和實際監測數據，對各項監測指標設置了預警閾值，并制定了預警流程。專家通過重新建立了有限元模型，運用三階目標響應面法并計算修正出二階目標響應面函數，同時又利用了fmincon 函數對其進行了一些優化和處理之后，得到修正出的數值結果，并且采用經驗模態分解法來計算剝離點溫度系數及溫度應變，通過擬合測厚點的實際溫度與應變關系得到給出了實際溫度系數和實際應變的系數與實際被試測薄點之間的實際溫度系數間的線性關系。根據這個擬合線性關系，用可預測的真實溫度值或真實應變的數值來代替實際統計值的加權平均值來確定作為動態預警溫度閾值依據的溫度計算的參數，得到實際溫度及應變溫度的動態預警閾值。我國已經建立研發出了橋梁結構的安全健康風險黃色系統和紅色系統兩種預警和監測閾值系統。黃色的系統預警及監測的閾值主要選取了基于橋梁結構安全健康風險預警監測閾值系統中的實測數據，紅色系統的預警與檢測的閾值將被系統選擇為基于經修正和計算驗證后建立的有限元模型中給出的最短的不利荷載響應值。根據橋梁基準有限元模型，模擬主跨橋的主跨中的損傷，分析了橋梁損傷的預警指標DSF 和橋梁對DSF′的敏感性。基于DSF′損傷指數，提出了全橋預警方法，并應用于實際橋梁監測。結合工程實際的橋梁隧道安全在線監測系統項目，提出完善了多監測指標和雙監測預警服務流程。根據結構的真實受力異常狀態，選取相關預警檢測指標，對應相關預警監測指標得出的預警監測報告數據偏離設計正常數值范圍程度和設計異常狀態嚴重變形程度，建立多個預警閾值。最后，將結構的預警狀態從安全到潛在危險程度分為了三個風險等級。其安全預警的閾值理論和安全流程模型設計評價方法都對我國橋梁結構安全狀態監測分析和應急預警管理具有極為重要實用的借鑒參考應用意義。專家基于變權原理，研究了變權平衡系數問題。基于損傷靈敏度理論，介紹了一種計算撓度和應變測點初始權的新方法。最后，采用改進的變權層次分析法對主橋箱梁的安全狀態進行了評估，評估結果良好。專家基于Matlab 平臺創建出了另外一種結構，在隨機環境激勵模式下響應的AR-ARX 模型，可用于進行橋梁結構的損傷預警，該研究方法只需事先對該橋梁結構在隨機環境和隨機激勵方式下隨機采集得到的加速度和響應的信號數據進行預處理，據此建立一個時間序列模型，進行橋梁損傷預警。最后還證明出了該分類方法的確具有十分廣泛的經濟適用性。

2 監測異常數據的類別和特點

提出一種針對橋梁健康監測系統中監測數據預處理以及異常數據處理的方法，并通過對四方臺大橋的實測數據進行驗證，表明該方法能較好在工程中應用，同樣適用于對類似橋梁結構的監測指標異常數據的識別和處理。根據在四方臺大橋實際監測中和其他橋梁的健康監測數據中異常數據的形式中看，大體可分為三類較為常見的數據異常形式：單點異常數據、持續異常數據和缺失數據。

2.1 單點異常數據的形式和特點

單點異常數據的產生主要是由于傳感器自身的不穩定性導致，在通過對監測數據的分析中發現其產生頻率較高大約占比監測數據的3%。傳感器單點異常數據的特點是：僅有極少數的數據出現異常，在出現異常數據后監測數據立即恢復正常，異常數據的數值與正常數據相比差異較大。

2.2 持續異常數據的形式和特點

傳感器的持續數據異常是橋梁在線安全監測系統中另一種主要的數據異常形式。其數據異常原因和表現形式復雜，根據是否存在數據丟失，可以分為數據持續異常和數據丟失異常兩種。數據的持續異常通常是由外部環境的干擾、傳輸電纜的變形或摩擦等引起的，說明每個時間點采集的數據沒有丟失，但是從某個時刻開始，數據在短時間內突然發生了很大的變化，變化后的數據特征和以前一樣，短時間內無法恢復。

3 檢測數據預處理

在橋梁健康監測系統中，通過監測傳感器實時采集的海量原始數據是進行橋梁結構健康狀態預警和評估的基礎。通過對海量監測數據的進一步處理，可以對所監測橋梁的結構健康狀態進行實時預警和評估。

所以，對橋梁結構健康狀態的準確預警和評估是建立在海量原始監測數據能精準地反映出橋梁結構受力狀態的基礎上。但在實際監測的應用中，橋梁健康監測系統長時間處在比較惡劣的自然環境中，受到環境影響、內部電路損壞、電器部件老化和其他原因導致的傳感器故障比較常見。傳感器故障會導致監測數據異常，進而導致監測系統誤報，為監控系統的正常運行帶來嚴重的干擾，極大增加了監測系統的維護成本。

4 監測系統預警體系的分級設置

為了全面、完整地評價當前橋梁運營狀況，橋梁運營監控系統預警閾值采用分級設置的原則。在橋梁結構安全預警中，根據結構狀態的不同，預警狀態可分為四個等級，分別用綠色、藍色、黃色和紅色表示。

正常狀態(綠色)：即橋梁結構安全監控系統中各種指標都沒有超過閾值，不影響結構安全、結構耐久性以及行車舒適性。

一級預警狀態(藍色)：橋梁結構安全監測系統中存在的指標監測值超過了一次報警閾值，但沒有達到其他閾值限度。這種情況發生的原因可能由于傳感器數據異常、車流量的變化(通過重型車輛)等，一般情況下可以很快恢復，全橋結構幾乎處于無異常的狀態。

二級預警狀態(黃色)：在橋梁結構安全監測系統中，多個指標的監測值超過一級預警閾值，單個指標的監測值連續超過一級預警閾值，或者現有指標的監測值超過二級預警閾值。這種狀態表明橋梁結構的某些部分可能損壞，或者橋梁上的荷載發生了很大變化，亦或是發生了緊急情況，應及時部署相應的處理措施，以確定是否進行必要的交通控制和加固處理。

三級預警狀態(紅色)：橋梁結構安全監測系統中存在的指標監測值超過三級報警閾值。這表明橋梁結構可能出現了相當大的損傷，或者橋梁所處的環境發生了明顯的變化，或者發生了極端的突發事件，問題比較嚴重，需要觸發全橋的安全評估，并向有關部門報告啟動預案。

5 案例分析

20世紀90年代末21世紀初，我國大規模修建的大跨度橋梁服役時間已近20年，橋梁結構老化嚴重，此外，近年來國內外橋梁安全事故頻發，為公路橋梁養護工作不斷加壓，大規模發展公路橋梁結構健康監測系統已是當務之急。安全預警作為健康監測系統中極其重要的一環，如何設計健康監測系統中的預警體系，如何設置預警閾值，成為眾多學者廣泛研究的問題。以四方臺大橋為依托對雙塔斜拉橋的健康監測系統進行研究，得到以下研究結論。

第一，采用國際大型成熟的橋梁有限元仿真軟件Midas 和圖像處理軟件Civil 建立開發出了四方臺大橋結構的三維有限元模型，對模型進行動靜力分析，以確定不同工況下該橋的結構響應，得到結構響應的包絡圖，并得出在汽-超20 偏載工況下為最不利工況。為健康監測系統中的測點布置提供依據，并作為預警閾值的設置參照。

第二，制定了雙塔斜拉橋健康監測系統的設計原則和系統框架，并對四方臺大橋的健康監測系統進行整體設計，監測信息包括主梁應變、溫濕度、風速風向、主梁撓度、主塔位移、主梁振動和位移以及索力等方面，并根據有限元分析結果布置測點。

第三，根據試運行階段的監測數據，將數據分為靜態監測數據和動態監測數據，其中動態監測數據采用極值法、平均值法、標準方差法分析，并介紹了直線和曲線兩種數據的線形趨勢測定方程。總結了三種較為常見的異常數據類別和特點，并采用3σ 法處理異常數據。

第四，基于四方臺大橋健康監測系統設計了一套安全預警體系，并制定了一套預警流程，實現了多層次、多方面的安全預警體系。以監測撓度數據統計值、靜載試驗、有限元模型、規范限值等指標設置三級預警閾值，以2019年度溫度荷載和汽車荷載所引起的最大撓度和為一級預警閾值，以靜載試驗下偏載最大撓度工況的撓度值為二級預警閾值，以0.9 倍規范規定的最大值為三級預警閾值。并通過2020年度的監測數據驗證了該預警體系的合理性和準確性。

6 結論

橋梁施工健康監測系統的研究是近年來橋梁施工領域的一個中心課題。它包括智能傳感器、數據處理、損傷檢測和定位、健康診斷和安全評估及其集成系統。它具有明顯的跨學科特點，需要各學科研究人員和工程工程師的密切合作。本文研究了用于健康監測的橋梁結構設計和健康檢測系統。主要結論如下：

一是建立了橋梁健康監測系統的設計方法。采用該設計方法設計和實現的橋梁健康監測系統運行良好，為建立橋梁結構健康監測系統的標準驗證模型提供了系統原型，為橋梁結構損傷演化、損傷識別、模型更正、安全評估和維護管理策略的研究提供了大量有價值的數據。

二是本文設計和實現的梁結構健康監測系統為橋梁施工健康監測系統的設計和實現提供了一個示范系統，積存了技術實踐經驗。