大型橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)應用現(xiàn)狀分析與展望

許懿

（浙江寧波甬臺溫高速公路有限公司，浙江寧波 315040）

0 引言

近二十年來，我國橋梁建設(shè)取得了世人矚目的成就，一批結(jié)構(gòu)新穎、技術(shù)難度高的大跨徑懸索橋、斜拉橋相繼建成。但隨著跨度的增大，許多問題隨之而來，其中安全性問題尤為突出。當橋梁出現(xiàn)損傷，如果不及時準確地對損傷進行檢測與修復，將危及人民群眾的人身安全，給國民經(jīng)濟造成重大損失。因此，為了確保大跨橋梁結(jié)構(gòu)的科學、安全、高效地運營，我國一些大跨橋梁設(shè)置了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，如江陰長江大橋、香港青馬大橋、潤揚長江大橋、東海大橋、杭州灣跨海大橋、舟山跨海大橋、嘉紹大橋等。結(jié)構(gòu)動態(tài)健康監(jiān)測系統(tǒng)隨著橋梁投入運營時間的推移在橋梁全壽命期內(nèi)將逐步積累產(chǎn)生大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)和圖像信息，但是如何對這些不同歷史階段采集的數(shù)據(jù)進行有效提取、處理和分析利用，獲得反映大橋結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的代表性動、靜力指紋，并定期對結(jié)構(gòu)的運營安全進行評估，已逐漸成為橋梁工程領(lǐng)域的研究熱點。

舟山跨海大橋，是國家高速公路網(wǎng)甬舟高速公路（G9211）的重要組成部分，舟山跨海大橋全長約50 km，總投資超過130億元，于2009年12月25日正式通車。整個跨海大橋由金塘大橋、西堠門大橋、桃夭門大橋、響礁門大橋和岑港大橋五座跨海大橋及接線公路組成。西堠門大橋是五座跨海大橋中技術(shù)要求最高的特大型跨海橋梁，主橋為兩跨連續(xù)鋼箱梁懸索橋，主跨1 650 m，單跨長在懸索橋中居世界第二、國內(nèi)第一，也是目前世界上首座雙箱分體式鋼箱梁懸索橋，設(shè)計通航等級30 000 t。金塘大橋主通航孔為主跨620 m五跨鋼箱梁斜拉橋，主通航孔設(shè)計通航等級50 000 t。在大橋建設(shè)之初，基于交通運輸部以及浙江省交通運輸廳關(guān)于大型橋梁運營期結(jié)構(gòu)安全的信息化監(jiān)管要求，已設(shè)計并構(gòu)建了基于動態(tài)實時監(jiān)測的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，目標是服務于橋梁管養(yǎng)，實時監(jiān)管并掌握大橋代表性構(gòu)件的結(jié)構(gòu)使用狀態(tài)，從而達到科學合理地評估全橋結(jié)構(gòu)安全的目的。

經(jīng)過四年多的實際應用，整套健康監(jiān)測系統(tǒng)在保障結(jié)構(gòu)安全高效運營方面提供了寶貴的原始數(shù)據(jù)，特別是在特殊事件作用后（如臺風等）,依托監(jiān)測系統(tǒng)所獲得原始數(shù)據(jù),通過分析及時對結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵構(gòu)件的結(jié)構(gòu)響應做出較為準確地評價，使管養(yǎng)單位能夠及時掌握結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。但是，監(jiān)測系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)整體性能評估方面與大橋管理單位的實際需求和期望還有一定的距離。例如，如何基于監(jiān)測系統(tǒng)所獲的海量原始數(shù)據(jù)，對大橋結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)進行整體評估，有待于進一步研究完善。針對上述問題，筆者通過資料查閱和實地考察，對國內(nèi)外大型橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)應用現(xiàn)狀進行了分析，提出了系統(tǒng)應用過程中存在的問題，展望了橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)應用的研究方向。

1 結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)應用現(xiàn)狀分析

近年來，歐美地區(qū)的美國、丹麥、英國、德國和芬蘭等國家在對結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)應用方面進行了許多基礎(chǔ)性研究，特別是在基于概率的理論分析方面取得了較多的成果，包括一次二階矩法、二次二階矩法、事件樹法等，基本都可歸屬于理論分析范疇，但這些方法，要在國內(nèi)實際工程推廣應用較難；日本在對大型橋梁管養(yǎng)方面，主要是依賴人工巡檢獲知橋梁相關(guān)信息，而一般把結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)是作為輔助工具，在橋梁結(jié)構(gòu)上安裝的傳感器數(shù)量一般較少。因此，日本的監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)專項分析研究的相關(guān)報道也很少。

從現(xiàn)有的研究成果來看，在利用橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)所獲海量數(shù)據(jù)開展結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)評估方面目前研究成果比較豐碩的有兩座大橋：香港青馬大橋和潤揚長江大橋，此外其它一些大跨徑橋梁（如：蘇通長江大橋、江陰長江大橋等）也針對監(jiān)測系統(tǒng)所獲數(shù)據(jù)開展了結(jié)構(gòu)性能評估方面的研究工作，下面分別從香港青馬大橋、江陰長江大橋和其它大橋三方面具體介紹研究成果。

1.1 香港青馬大橋

香港理工大學徐幼麟教授等學者在香港特區(qū)政府研究資助局資助項目（項目編號：B.31.37.Q514）、國家自然科學基金（項目編號：50178019）等科研項目的資助下，以青馬大橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)所獲海量數(shù)據(jù)為研究對象，從原始數(shù)據(jù)的梳理、篩選和分析，到結(jié)構(gòu)有限元模型的建立，再到針對不同事件（如臺風、大風天氣等）下結(jié)構(gòu)受力性能分析評估，開展了大量的研究工作。研究成果主要包括：有限元模型建立方法、有限元模型分析方法以及疲勞狀態(tài)評估方法等。

（1）初始有限元模型建立。青馬大橋建模時將整個結(jié)構(gòu)劃分為四大部分：鋼主梁、橋墩和橋塔、纜索系統(tǒng)和銜接構(gòu)件、整體結(jié)構(gòu)。單元類型根據(jù)構(gòu)件受力行為和特點進行選取，并根據(jù)研究目的不同采用針對性的有限元模型，如三維空間桿系有限元模型、全三維混和有限元模型、部分三維多尺度有限元模型以及部分三維實體有限元模型等。

（2）有限元模型分析方法。主要有精細化計算方法和工程計算方法：精細化計算方法主要采用模態(tài)疊加法考慮風-車-橋耦合作用進行精確有限元分析，但該方法計算效率較差；工程計算方法采用影響線加載單獨考慮每種荷載的作用，再進行線性疊加，該方法在滿足工程精度要求基礎(chǔ)上能大幅提高計算效率。

（3）疲勞狀態(tài)評估方面。明確了疲勞分析的具體步驟，首先對青馬大橋整體結(jié)構(gòu)進行有限元分析，明確易產(chǎn)生疲勞的構(gòu)件及其應力分布情況；其次通過局部應力分析以確定熱點處的應力集中系數(shù)；接著確定關(guān)鍵位置處的應力范圍和平均應力；最后通過裂縫初始階段的疲勞損傷分析或裂縫發(fā)展期的裂縫發(fā)展分析確定疲勞損傷的狀態(tài)和結(jié)構(gòu)剩余使用壽命。

除以上介紹的主要研究成果外，還有一些學者在青馬大橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的安全評估方面開展了研究工作，如：a.針對青馬大橋經(jīng)歷“約克”臺風的背景，詳細分析了在大風荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應，并與理論分析結(jié)果進行了對比，對于差異較大的數(shù)據(jù)簡要分析原因；b.利用溫度瞬態(tài)分析方法研究了青馬大橋的溫度場分布和相應的結(jié)構(gòu)響應情況；c.利用監(jiān)測系統(tǒng)所獲數(shù)據(jù)評估了橋梁結(jié)構(gòu)的使用狀態(tài)，其中亮點之處在于利用小波多分辨率離散方法將車輛荷載引起的應力從原始應力數(shù)據(jù)中分離出來等等。

1.2 潤楊長江大橋

東南大學李愛群教授及其科研團隊2008年承擔了國家杰出青年科學基金項目“結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測”（項目批準號：50725828），該項目重點開展橋梁健康監(jiān)測海量數(shù)據(jù)分析與評估研究。項目以潤揚大橋懸索橋和潤揚大橋斜拉橋健康監(jiān)測海量數(shù)據(jù)（主要包括風、溫度等環(huán)境作用數(shù)據(jù)以及主梁梁端位移、應變和振動等結(jié)構(gòu)響應數(shù)據(jù)）為主要研究對象，研究解決大跨斜拉、懸索橋梁健康監(jiān)測海量數(shù)據(jù)處理分析與評估各項關(guān)鍵技術(shù)，形成了系統(tǒng)的橋梁健康監(jiān)測海量數(shù)據(jù)分析和評估理論、方法和技術(shù)體系。其中，對本課題具有借鑒意義的研究成果主要包括：外荷載監(jiān)測數(shù)據(jù)分析技術(shù)、結(jié)構(gòu)有限元模型建立和修正關(guān)鍵技術(shù)、基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)模態(tài)識別技術(shù)、基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的鋼箱梁疲勞損傷評估技術(shù)以及基于梁端位移監(jiān)測數(shù)據(jù)的伸縮縫健康狀態(tài)評價技術(shù)等。

（1）外荷載監(jiān)測數(shù)據(jù)分析技術(shù)。主要針對潤揚大橋斜拉橋和懸索橋鋼箱梁溫度場數(shù)據(jù)、日常風監(jiān)測數(shù)據(jù)和多次臺風監(jiān)測數(shù)據(jù)進行研究，建立鋼箱梁橫截面的全壽命溫度場和模擬潤揚懸索橋橋址區(qū)的三維脈動風場。

（2）結(jié)構(gòu)有限元模型建立和修正關(guān)鍵技術(shù)。懸索橋模型分為六大部分：主梁結(jié)構(gòu)、主塔結(jié)構(gòu)、主纜系統(tǒng)、吊桿系統(tǒng)、中央扣結(jié)構(gòu)和邊界連接條件；斜拉橋模型分為四大部分：索塔、斜拉索、主梁結(jié)構(gòu)以及邊界條件。面向不同的研究目標，采用三種不同精度模型（脊骨梁模型、殼單元常規(guī)模型以及精細殼單元模型）進行模擬。對于懸索橋有限元模型的修正，首先利用裸塔的現(xiàn)場模態(tài)測試信息對索塔的有限元模型進行三個階段的修正：模型階次誤差修正（單元數(shù)確定方法）、模型結(jié)構(gòu)誤差修正（節(jié)點剛域模擬方法）和模型參數(shù)誤差修正（構(gòu)件材料和截面特性參數(shù)修正方法）。其次在修正后的橋塔模型基礎(chǔ)上，采用優(yōu)化算法，并結(jié)合竣工實驗中主梁動力和靜力信息，對全橋有限元模型進行修正。

（3）基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)模態(tài)識別技術(shù)。采用最大熵譜分析代替?zhèn)鹘y(tǒng)功率譜分析識別結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率，該方法能顯著地改善傳統(tǒng)功率譜法對于非平穩(wěn)振動響應頻率分辨率低、識別精度差等問題。

（4）基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的鋼箱梁疲勞損傷評估技術(shù)。以應變監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究鋼箱梁焊接細節(jié)的疲勞效應與溫度和車輛增長的相關(guān)性，采用統(tǒng)計分析技術(shù)建立焊接細節(jié)疲勞荷載效應的概率模型，在此基礎(chǔ)上采用S-N曲線和Mi ner線性損傷累積理論建立鋼箱梁焊接細節(jié)疲勞可靠度的評估方法，采用Miner線性損傷累積理論和線彈性斷裂力學理論建立焊縫疲勞損傷評估技術(shù)，并根據(jù)Palmgren-Miner準則和雙線性概率S-N曲線（S代表應力幅，N代表壽命）對焊接細節(jié)開展疲勞壽命評估。

（5）基于梁端位移監(jiān)測數(shù)據(jù)的伸縮縫健康狀態(tài)評價技術(shù)。采用梁端位移的變化規(guī)律表征橋梁伸縮縫的健康狀態(tài)，基于溫度、車輛荷載以及主梁梁端位移的健康監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究主梁梁端位移與溫度、車輛荷載的相關(guān)性特征，用“環(huán)境條件歸一化”方法消除溫度、車輛荷載的影響，最后采用均值控制圖方法識別伸縮縫位移的異常變化。

1.3 其它大橋

除上述介紹的香港青馬大橋和潤揚長江大橋外，不少學者針對其他一些大橋的健康監(jiān)測系統(tǒng)開展結(jié)構(gòu)橋梁評估方面的研究。如濱州黃河公路大橋、香港KapShulMun橋、永和大橋、南京長江大橋等。

在有限元模型建立方面，各學者所采用的方法基本與青馬大橋、潤揚長江大橋類似。在有限元模型修正方面，基本思路為通過對監(jiān)測信息的處理，得到結(jié)構(gòu)的頻率、振型等參數(shù)變化，再綜合利用監(jiān)測得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化信息對結(jié)構(gòu)的有限元模型進行模型修正，最終得到反映結(jié)構(gòu)的真實狀況的有限元模型。修正方法一般采用直接矩陣元素修改法和參數(shù)修改的靈敏度分析法。前者采用直接修改剛度矩陣或者質(zhì)量矩陣的方式來使得有限元模態(tài)分析的特征值與結(jié)構(gòu)實測頻率一致，后者主要依靠修改有限元模型的材料常數(shù)等參數(shù)來減小實測模態(tài)頻率、模態(tài)振型與計算值的誤差。在眾多研究中，值得一提的是：濱州黃河公路大橋利用實測頻率修正模型過程，修正模型采用構(gòu)造原始頻率函數(shù)的逼近函數(shù)，考慮大變形和初始應力狀態(tài)的模態(tài)分析，基于遺傳算法的參數(shù)優(yōu)化算法的方法進行。永和大橋基于靈敏度分析的有限元模型修正算法研究，在直接搜索算法的基礎(chǔ)上改進為自適應模式搜索算法進行模型修正，利用在迭代過程中獲得的函數(shù)值信息在迭代的過程中不斷修正搜索模式，使得優(yōu)化過程獲得更快的收斂速度且收斂性更有保證。

在基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)模態(tài)識別技術(shù)方面，主要方法為頻域法、時域法以及綜合兩者的其它一些方法。時域法里最為成熟的是特征系統(tǒng)實現(xiàn)法（ERA）和隨機子空間法（SSI）。前者由于需要系統(tǒng)的輸入信息，所以應用于環(huán)境激勵的情況時，還需要結(jié)合隨機減量技術(shù)或者NEXT法使用。頻域法里最為常用的是峰值點拾取法。

在基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的鋼箱梁疲勞損傷評估技術(shù)方面，大多采用構(gòu)造細部的S-N曲線，按照Miner法則計算構(gòu)造細部的疲勞壽命，如江陰大橋正交異性鋼橋面板各構(gòu)造細部疲勞評估，蕪湖長江大橋的預估疲勞壽命等。

2 存在的主要問題

綜上所述，結(jié)合舟山跨海大橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)應用實際狀況，可以看出，大型橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)分析應用研究在外荷載監(jiān)測數(shù)據(jù)處理、有限元基準模型建立與修正、結(jié)構(gòu)模態(tài)識別等方面取得一定成果，但尚存在一些亟待解決的問題：

（1）缺乏對健康監(jiān)測系統(tǒng)所獲海量原始數(shù)據(jù)的高效保存方法。大型橋梁布設(shè)的傳感器，少則幾十個，多則成百上千個，每天采集的數(shù)據(jù)量相當大。倘若對所有數(shù)據(jù)均加以保存，不但浪費大量人力物力，還增加后期數(shù)據(jù)分析工作量，如何對原始數(shù)據(jù)進行精簡，又能滿足各種分析要求是目前所關(guān)心的技術(shù)問題之一。

（2）健康監(jiān)測系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)與橋梁結(jié)構(gòu)安全評估之間缺少標準化、規(guī)范化的數(shù)據(jù)分析方法。目前研究主要集中在對某種類型傳感器數(shù)據(jù)的處理，如風速、鋼箱梁應力等，不同學者采用的方法也各有利弊，如何對健康監(jiān)測系統(tǒng)中包含的各類傳感器數(shù)據(jù)進行標準化、規(guī)范化分析也需要開展深入研究。

（3）部分關(guān)鍵監(jiān)測項的監(jiān)測數(shù)據(jù)存在一定風險。部分關(guān)鍵監(jiān)測項的傳感器埋在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，一旦損壞則無法再在原位置進行設(shè)備更換；而部分關(guān)鍵監(jiān)測項的傳感器采用進口設(shè)備，其維護工作周期長、難度大，售后服務難以滿足要求。

（4）橋梁結(jié)構(gòu)安全評估后缺少相應的養(yǎng)護措施。國內(nèi)外大型橋梁的興建大都在最近幾十年，相關(guān)管養(yǎng)單位在發(fā)現(xiàn)橋梁損傷后，如何制定有針對性的管養(yǎng)措施進行養(yǎng)護還未形成業(yè)界認可的標準流程。

3 進一步研究方向

通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析可以發(fā)現(xiàn)，針對大跨度橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分析主要集中在一些專項問題的研究，而缺乏在對監(jiān)測數(shù)據(jù)全面梳理和分析基礎(chǔ)上的結(jié)構(gòu)整體受力性能的評估。為了實現(xiàn)動態(tài)健康監(jiān)測體系對橋梁科學化管養(yǎng)提供技術(shù)支撐的目標，將面臨以下主要技術(shù)問題：

（1）如何考慮交通荷載和環(huán)境荷載對懸索橋和斜拉橋監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響，如何消除海量監(jiān)測數(shù)據(jù)中的噪聲、以監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征反映結(jié)構(gòu)整體特性，如何考慮鋼箱梁等材料力學性能退化對結(jié)構(gòu)抗力的影響；

（2）如何將實際監(jiān)測數(shù)據(jù)與有限元等理論分析結(jié)果互相驗證和統(tǒng)一，并引入到橋梁結(jié)構(gòu)安全性能評估和預警方法中；

（3）如何建立大橋結(jié)構(gòu)安全評估和預警的評估準則；

（4）針對大橋日常管理和養(yǎng)護工作的需求，如何建立安全評估和預警軟件的分析和結(jié)果展示功能；

（5）如何實現(xiàn)對大型橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)所獲海量數(shù)據(jù)的高效保存，并根據(jù)結(jié)構(gòu)安全評估的實際需求，研究標準化、規(guī)范化的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理方法；

（6）針對部分關(guān)鍵監(jiān)測項傳感器不宜更換或維護工作較難等問題，探索合理的替代方法；

（7）針對結(jié)構(gòu)安全評估結(jié)果，如何制定合理養(yǎng)護措施。

4 結(jié)論

本文在論述大跨橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)應用重要性的基礎(chǔ)上，詳細分析國內(nèi)外大跨橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)應用現(xiàn)狀，最后指出當前研究中存在的主要問題，如：如何對原始數(shù)據(jù)進行精簡保存、確定標準化規(guī)范化數(shù)據(jù)處理方法等，明確了今后的主要研究方向。為更好地利用大型橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)分析應用研究維護橋梁的正常運營、科學管養(yǎng)、剩余壽命預測等提供了重要保障，然而，這一領(lǐng)域的許多研究理論尚不十分成熟，還需科研人員和工程技術(shù)管理人員做出長期的努力。