橋梁健康監測系統的若干問題

劉守苗

（安徽省交通控股集團有限公司養護管理中心,安徽 合肥 230000）

0 概述

橋梁健康監測系統是以橋梁的檢測、監控為主要內容，通過信號處理、結構分析、損傷識別和可靠性評估等綜合技術來評估結構的健康和安全性。橋梁健康監測系統通常包括監控系統和評價系統，其中包括系統規模、測試參數、系統集成等，以及對橋梁健康監測系統建設的好壞、系統運行情況以及對橋梁的安全性進行評價。在大跨度橋梁的健康和安全監控系統的研發上，國內的研究相對滯后。二十多年來，國內相關科研機構和高校克服了諸多艱難險阻，對大橋健康與安全監測技術進行了深入細致而又系統的基礎研究，取得了不少成果，已初步具備了工業化的條件。隨著近些年來我國的經濟發展和超巨型橋梁的興建，國內的橋梁施工技術已經處于世界領先地位，而大跨度橋梁的健康和安全性的監控工作仍有一定的空白。

1 橋梁健康系統部分案例

當前，世界各國對已經建成和正在建設的大型橋梁進行了積極的探索：丹麥對1 726 m Faroe的斜拉橋進行了工程建設和通車第一年的監測；在主跨1 624 m的 Great Belt East大橋上，已經開始了將極端狀態下的記錄與常規狀態記錄相分離的技術，以便減少存儲容量；墨西哥相關機構對全長1 543 m的 Tampico斜拉橋進行了動態性能檢測，并將其與常規振動實驗對比；挪威在 Skamsundet斜拉橋中，采用了一套自動測量風、加速度、傾角、應變、溫度和位移等自動監控技術；1980年代末，英國在北愛爾蘭福耶爾大橋（三跨變高）鋼箱梁橋（主跨240 m，全長552 m）上，安裝用于監測橋跨撓度、氣象資料、溫度應變等的各種測量儀器和設備；加拿大的 Confederation大橋全長12.9 km，是一座在海洋中建造的箱梁橋，共45個孔洞，每個孔徑250 m，使用年限100年[1]。上海徐浦大橋已經建成全面監控體系，香港青馬橋梁也已經全部安裝完畢。江蘇江陰長江高架橋在工程建設中采用了監控系統，對工程運行過程進行了實時監控。虎門橋梁除了在工程中設置了主纜、主塔的拉索、塔體的應力監控之外，還在運行期內設置了一個監控鋼箱梁受力的傳感器和 GPS系統。目前，重慶大佛寺橋大橋監控系統已經基本建成，如果能夠順利地研制出橋梁健康監測技術，對于保證橋梁安全運行、延長橋梁的使用年限具有重要意義[2]。同時，及時檢測出橋面的異常情況，進行逐級檢測和分析，采取有針對性的防范和處理方法，降低事故的發生概率。

2 橋梁健康監測系統的定位

從監測目標、功能和系統的工作情況來分析，橋梁健康監測系統（如圖1所示）的主要特征是：

圖1 橋梁監控系統

（1）利用傳感裝置對建筑物的各個反應進行檢測，獲得不同的結構性能的反應。

（2）除了對建筑物自身的狀況和性能進行監控之外，還著重于對諸如風載、水流及海浪沖擊、車輛荷載等的結構環境狀況進行監控，以求利用車輛及周圍荷載作用下的動態反應，得到其特征的數據，發展即時的整體及安全評價技術。

（3）對開通后的結構狀況進行持續或周期性的監控，以獲得大跨度的橋梁的連續和完全的信息。

（4）監控體系具備信息采集、通信和處理的能力，并能夠在網上進行信息的共享。

由于目前測試技術、信號提取技術和損傷評估等技術水平較高，橋梁健康和安全性監測體系尚不能實現對大跨度橋梁各部分的全方位的綜合監測和預警。當前大部分的健康監測都是一個單獨的系統，能夠完成數據的采集、處理、分析、狀態評估和預警，并未與維護管理相融合。所以橋梁的健康與安全預警系統與橋梁的維護、監控和維護工作脫離了聯系，很難為橋梁的正常運行提供有效的保障。此外，橋梁健康與安全預警系統并沒有太高的針對性，有的只是作為一個工具，并沒有與現實需要相結合，會出現許多未預見到的問題，造成系統的資源消耗，乃至整個體系都無法正常運轉，所以要想讓健康監控體系真正的功能得到最好的應用，需要做到以下幾點：

（1）對施工中的橋梁進行動態追蹤和監測，發現其存在的問題和質量變化，評價和分析它在所處于的各種環境狀況下的發展態勢以及對結構安全運行產生的潛在威脅，為養護需求、養護措施采用決策提供科學依據，從而利用最少的養護資金獲得最佳養護效果，達到保障結構安全營運的目的。

（2）對建筑物的安全性警報設置。通過對橋梁結構健康狀況和結構安全可靠性的評價，可以為運營人員的安全風險提供相應的預警。在橋梁的運行狀況惡化到超出警戒范圍的情況下，能夠發出警告，提醒加固和維護；在橋面條件惡化到危及橋面安全的情況下，系統會發出預警，提醒檢測和修理[3]。

（3）為特定事故提供流量控制值。如臺風、地震等特殊的情況，可發出警報，提醒經營者進行交通管制。

（4）論證設計階段、施工階段中各類設計假定及設計參數是否正確，以驗證設計與施工。通過對橋梁在長時間運行中的機械特性和物性變化的分析，可以為國內的大跨度大橋進行健康和安全性的監控提供有價值的資料和參考。

3 現存制度中的問題

由于橋梁長期處于大氣腐蝕、溫度、濕度變化的工作環境（載荷作用頻率增加，材料和結構的疲勞），橋梁結構會出現一定程度的破壞。隨著時間的推移，所有的橋都會變成舊橋，使用年限較久，其結構必然會出現一定的損壞，需要進行維修、加固和改造。為此，必須對其進行科學地檢驗與評估，以確定其在使用過程中的狀態及承載量，分析病害及損傷原因，據此制定相應的養護與強化對策。近年來，我國的許多城市都在關注著橋梁健康監測系統的建設。例如，香港青馬大橋、廣州虎門大橋、上海徐浦大橋、江陰長江大橋，都安裝了相關的感應裝置，用于在運行過程中的即時監控，搜集有關的物理、機械參數以及周圍的環境因素。同時，也期望能夠及早發現橋梁的損傷情況，降低橋梁維護成本，從而達到改善橋梁整體使用效果的目的。由于結構的形態和作用日益復雜化，其安全性也日益引起人們的重視，因而對其進行健康檢測和監測成為十分關鍵的問題。當前，目前國內外開發的系統組成及功能主要由如下三個部分組成：

（1）收集各構件的數據，掌握各構件的變化，其中包含各類傳感器及相關的測量設備。

（2）數據處理分析，大部分采用微型計算機，編寫各種數據分析處理和簡單預測預警的各種軟件。

（3）資料通信及傳送，此部分的功能，多用于連結于實況收集與背景資料。

該體系主要承擔部分監控工作，為管理者在某種意義上的建筑安全性提供了依據。但是，它仍有很多缺陷，需要進一步完善。比如，對數據采集的參數可靠性不高；其分析的作用不完整，很難得出確切的結果等。所以，橋梁安全健康監控裝置通常設置在獨立的大型橋上，監測處于安全狀態下的安全隱患，是一種行之有效的輔助手段。因此，在橋梁安全監控中，可以對橋梁的反應進行實時監控，如果橋梁的狀態超出了警戒線，或者由于船舶撞擊、車輛撞擊、地震等事故，引起橋梁事故，可以向管理人員報告有關信息。現有的橋梁結構安全監控體系無論從整體的規劃設計、監控與故障診斷等方面，都還具有一定的缺陷。

3.1 系統總體規劃存在的缺陷

（1）缺少行之有效的最優算法，使得測量數據量大、數據冗余量大、規模大。現有的橋梁結構安全監控體系中，監控的項目類型偏少，且各監控的范圍太廣，特別是監控資料的管理，尚未建立起一套完整的信息儲存和管理查詢體系，許多監控資料未得到合理的處理和使用。

（2）缺少對結構特性變化的敏感性參量進行有效的分析。近年來，國內外關于橋梁結構健康監控的研究多以整體和損傷辨識為主，以地震為基礎的整體評價技術在航天、機械等領域的應用越來越受到重視，許多橋梁工程師都在努力將其引入到橋梁結構中，并對其進行了大量的探討。造成這種現象的原因有：①結構與環境中的不確定性和非結構因素的影響；②測量資料缺乏；③檢測方法的限制；④測量精度不夠準確，測量的信號有噪聲的影響；⑤由于橋梁的構造冗余，以及對結構破壞的檢測不靈敏等原因[4]。

（3）缺少對橋梁監控制度的規范指引。在現行的大跨徑大橋的安全性評價上，仍然沿用傳統的小型、中型跨徑大橋的等級評定。該方法是以橋梁的表面狀況和正常的工作狀況為基礎，通過對其進行定性和初步的評估，迫切需要建立具有較高的適用性和針對性的評估體系。

（4）重自動監測，輕人工檢查。由于傳感器的智能化、采集設備的自動化程度越來越高，人們對橋梁健康監控的過度重視，而忽略了人工檢測。根據不完全的資料，在我國橋梁健康監督體系建立的早期（1999—2005)，僅有20%的監測機構將人工檢測納入健康監督體系中，而在2006—2015年已建成的監測體系中，這個比例已經達到了50%，但是，僅有不到三分之一的監測體系制定了具體的人工檢測戰略和計劃。

3.2 技術方面的缺陷

從目前的橋梁結構安全監控與故障診斷方面，存在著許多技術問題。

（1）在橋梁結構的健康監控與故障檢測中，應采用盡量少的傳感器來獲得更多的健康信息數據。

（2）針對橋梁的特點，研制出一種適用于橋梁結構的特殊傳感器，對其進行識別是至關重要的。影響橋梁質量的主要因素是測量儀表的準確性和工作效率。

4 有待深入研究的工作

通過對一些橋梁的實際調查和一些具體的施工經驗，認為當前的橋梁健康和安全測試體系需要從以下幾個角度進行深入探討。

4.1 損傷診斷技術研究

橋梁安全監控和狀況評價體系的建立還處在初步的探討階段，在現有技術條件下，動態和靜態判別技術都是獨樹一幟的，兩者相結合是一條可行的思路。針對大跨徑橋梁結構的振動故障診斷技術需要深入的探討，主要有：①系統的誤差和不確定的因素對其造成的不利后果；②橋梁子結構法在損傷診斷中的應用；③發展新動力指紋；④逐步開發橋梁運行工況檢測和辨識技術。

4.2 科學化管理和養護

實時管理可以及時找出橋梁結構的早期病害并安排處置和維護。如上所述，斜拉索是斜拉橋最為關鍵的承重構件，為確保大型橋梁滿足100年設計壽命，在運行期間出現的鋼絲腐蝕斷裂、錨端松弛，都會造成橋梁結構出現安全問題，應及時更換纜索。對于換電纜的時間和規模的選擇，通常的處理方法是參照工程中換電纜周期平均為20年的階段性檢驗結果和經驗估計。由此能夠看出，這種管理模式在電纜交換時機的選擇上具有突出的滯后性，并且因為從生產、安裝、施工到運行階段，我們不知道電纜的實際受力變化情況，電纜交換對象和數量的選擇是盲目的、不經濟的、不科學的。想要處理這一問題，就應該把握斜拉索的全壽命受力狀態。

5 結論

根據橋梁監控系統的設計思路，一套行之有效的系統能夠實現各種數據采集、數據分析、構件預警、整體狀態評估等多個方面的集成。盡管目前的研究還存在一些缺陷和需要改進的地方，但是研究的發展方向還是很積極的。從原理上講，要實現橋梁健康監測的可能性，就必須要有更多的預測手段。對于一個特定的構造，使用不同的檢測方式得出的結果都不會有太大的偏差，以我國當前的檢測水準來看，檢測系統還是很不理想的。為此，必須對目前的橋梁監控體系進行全面的改造，以便能夠及時準確地判斷出在橋梁使用中發生的各種不正常現象，為橋梁的實時監控提供一套完整的信息服務平臺。此外，我國的橋梁健康和安全監控體系損傷的考慮不僅僅是單方面的，還需要多角度進行分析。