橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

一、背景

隨著改革開放以來經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國內(nèi)的交通網(wǎng)絡(luò)在不斷的豐富、完善，橋梁建設(shè)迎來了建設(shè)的黃金時代。橋梁不僅在公路交通運輸中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，而且在高鐵架設(shè)過程中具有不可替代的地位。伴隨著橋梁的建造技術(shù)的迅猛發(fā)展，近幾年來國內(nèi)涌現(xiàn)出了許多大型，特大型的橋梁，如湖南矮寨大橋，杭州灣跨海大橋等，這些非凡的成就既展現(xiàn)了中國橋梁技術(shù)的騰飛，也大大提升了中國橋梁工程建設(shè)的國際地位。因為國內(nèi)橋梁現(xiàn)代化建設(shè)起步時間較晚，因而大部分橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仍處在合理的范圍內(nèi)，尚未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)疲勞，然而隨著時間的遷移，橋梁結(jié)構(gòu)的健康問題將會凸顯出來。如何做到結(jié)構(gòu)隱患早發(fā)現(xiàn)，早排除，這不僅關(guān)系到人民群眾的生命財產(chǎn)安全，而且還能為業(yè)主挽回巨大的財產(chǎn)損失。因此，健全并完善橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是亟待當(dāng)代橋梁人解決的課題。

二、橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)概述

多年來，橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀況一直是公眾特別關(guān)注的問題。目前國內(nèi)外的大型橋梁普遍面臨結(jié)構(gòu)安全隱患。在西方發(fā)達(dá)國家經(jīng)濟(jì)騰飛的時期里，就已經(jīng)建設(shè)了眾多大型，特大型的大橋，但隨著時間的推移，許多橋梁的使用年限已超過50年以上，1/3以上的橋梁使用效率很低或者干脆放棄，每年都要投入幾十億美元經(jīng)行維護(hù)。然而，國內(nèi)的橋梁健康監(jiān)測體系發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于橋梁的建設(shè)速度，近幾年發(fā)生了多起重大的安全事故，2007年8月，湖南湘西土家族苗族自治州境內(nèi)的堤溪沱江大橋突然垮塌，導(dǎo)致64人死亡；2010年7月，洛陽欒川湯營大橋整體垮塌，導(dǎo)致52人死亡， 18人失蹤；隨著鐵路、高鐵的快速建設(shè)，鐵路橋也面臨新的考驗，2010年8月，寶成鐵路德陽至廣漢間石亭江大橋被洪水沖垮。以上事故除了施工方面的問題外，而且還有經(jīng)常年超負(fù)荷的營運作用，導(dǎo)致了橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了疲勞損傷，加之缺乏及時的健康監(jiān)測，使得結(jié)構(gòu)疲勞累積，最后導(dǎo)致了橋梁垮塌的慘劇，如果能及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)隱患，并盡早排除，就能極大地減少或杜絕事故的發(fā)生，因此橋梁結(jié)構(gòu)健康檢查系統(tǒng)應(yīng)運而生。

為了能滿足系統(tǒng)正常、高效工作，目前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)（Structure Health Monitoring System ， SHMS）由五大子系統(tǒng)組成：

（一）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

目前，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是由多種傳感技術(shù)組成，傳感技術(shù)種類主要包括了光纖傳感器、實時動態(tài)定位、聲發(fā)射、壓電材料等。多種傳感技術(shù)各有優(yōu)缺點。

光纖傳感器，目前具有傳導(dǎo)速度快、耐腐蝕、抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高等優(yōu)點，但是光纖傳感器的耐久性與在復(fù)雜環(huán)境下的運行精度有待提高。

實時定位技術(shù)，主要是通過GPS，GIS等技術(shù)實現(xiàn)在3D坐標(biāo)上定位橋梁結(jié)構(gòu)的位置與變形，可以實時掌握橋梁在風(fēng)荷載，動荷載的作用下的應(yīng)變。目前，中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的第一個民用示范工程--重點運輸過程監(jiān)控管理服務(wù)示范系統(tǒng)于2013年1月1日正式啟用，因此，實時定位技術(shù)在SHMS的未來發(fā)展中將會發(fā)揮更重要的作用。

聲發(fā)射，主要是通過發(fā)射超聲波來監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的細(xì)小裂縫，該技術(shù)相對來說較為成熟，類似的系統(tǒng)已經(jīng)在道路監(jiān)測中廣泛地運用，但是在橋梁的實時監(jiān)測中尚有不足，一是聲源的選取，在面對橋梁復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，聲源的選取至關(guān)重要，選擇什么地方來放置，以獲取最好的效果，這個問題在面對橋梁結(jié)構(gòu)與所處環(huán)境有噪聲的時候，變得尤為棘手。二是采集的數(shù)據(jù)，傳感器所采集的數(shù)據(jù)主要為細(xì)小裂縫的聲波反饋數(shù)據(jù)，因此，存在微小的裂縫不易被發(fā)現(xiàn)，且對于尚未產(chǎn)生裂縫處的應(yīng)力集中現(xiàn)象不能很好的反饋給業(yè)主，容易導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的損壞。因此，聲發(fā)射技術(shù)還需要繼續(xù)深入研究。

壓電材料，具有成本低、生產(chǎn)簡單、響應(yīng)快、機(jī)械強(qiáng)度高、耐久性能好、動態(tài)輸出能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)異性能，因而在SHMS中具有很大的潛力。壓電材料在SHMS中的應(yīng)用主要有主動、被動兩種方式。但是目前主動監(jiān)測技術(shù)在土木工程結(jié)構(gòu)長期健康監(jiān)測中的應(yīng)用非常有限，絕大部分的成果還處于理論、試驗階段。

（二）數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

目前，隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（WSN）的發(fā)展，由傳感器采集的大量數(shù)據(jù)能夠及時的傳輸?shù)街醒胩幚砥?。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，它的末梢是可以感知和監(jiān)測外部世界的傳感器，WSN中的傳感器通過無線方式通信，網(wǎng)絡(luò)設(shè)置靈活，設(shè)備位置可以隨時更改，因而可以隨不同的橋梁結(jié)構(gòu)，而更改傳感器的位置，以獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，并且無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有類型繁多的傳感器，不僅能收集噪聲、風(fēng)荷載、動荷載、車輛的移動速度等數(shù)據(jù)，還能采集周圍環(huán)境的多種數(shù)據(jù)。WSN具有規(guī)模大、自組織、動態(tài)性等特點。因此，WSN可以通過分布在不同位置的傳感器采集更大性價比的數(shù)據(jù)，傳感器的數(shù)目巨大和種類多樣化促使監(jiān)測精確度大幅度提高，降低了對單個節(jié)點傳感器的精度要求，大量冗余節(jié)點的存在，使得系統(tǒng)具有良好的容錯性?；谧越M織、動態(tài)性的特點，使得當(dāng)有部分傳感器節(jié)點由于環(huán)境因素或能量耗盡造成的失效時，其余的節(jié)點能通過無線連接，自動接替失效傳感器的工作，這樣網(wǎng)絡(luò)的精度得到了保證。隨著技術(shù)的發(fā)展使得部分節(jié)點傳感器擁有微處理器，能夠?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)先行處理，消除偶然或系統(tǒng)誤差和去除因傳感器失效造成的錯誤數(shù)據(jù)，進(jìn)而提取有效信息，減少傳輸數(shù)據(jù)量，減小能耗。

（三）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

目前，數(shù)據(jù)處理可分為硬計算和軟計算兩類。顧名思義，硬計算指的是通過傳統(tǒng)的算法，算出嚴(yán)謹(jǐn)、確切和精準(zhǔn)的值，實際上由于橋梁結(jié)構(gòu)處在一個隨時改變的動態(tài)荷載環(huán)境中，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的應(yīng)變處在一個不確定，不精確的范圍內(nèi)，使得硬計算在實際工程中并不適用。而軟計算指的是系統(tǒng)運用模糊運算，統(tǒng)計運算等智能計算方法。在實際運用中，軟計算會對數(shù)據(jù)進(jìn)行比較對比，對傳感器失效造成的數(shù)據(jù)丟失，錯誤，進(jìn)行必要的修正和驗證，會對系統(tǒng)的正常，高效工作起到優(yōu)化作用。

（四）數(shù)據(jù)評估系統(tǒng)

對于橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命可分為三類：技術(shù)性使用壽命、功能性使用壽命、經(jīng)濟(jì)性使用壽命，而目前的使用壽命都是從技術(shù)壽命考慮的。系統(tǒng)性的評估在于確定系統(tǒng)的評定基準(zhǔn)，建立一整套指標(biāo)體系，統(tǒng)一量綱，確定每個影響因素所占的權(quán)重，目前可使用的方法有層次分析法、模糊綜合評定法等，現(xiàn)在面臨的問題一是系統(tǒng)評估的主觀性太強(qiáng)，主要使用專家打分法；二是面對傳感器傳輸?shù)暮Ａ繑?shù)據(jù)，如何進(jìn)行取舍，目前沒有統(tǒng)一的衡量規(guī)范。系統(tǒng)在面對不同環(huán)境因素，橋梁結(jié)構(gòu)，荷載類型時，需要建立不同的數(shù)學(xué)模型。為了能使SHMS適應(yīng)更多復(fù)雜的外部環(huán)境，如何建立一個健壯的數(shù)學(xué)模型，仍需要進(jìn)一步研究。

三、橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的未來

（一）傳感器的性能與分布

目前，現(xiàn)有的傳感器普遍面臨的問題是精度低，耐久性弱，解決該問題就僅通過增加傳感器的數(shù)目來增加系統(tǒng)冗余，來提高系統(tǒng)的容錯性。但新問題也隨之出現(xiàn)了，一是如果在橋梁所有自由度上安裝傳感器，那將會大大增加系統(tǒng)成本，并且會增加后期維護(hù)費用，二是傳感器的增加意味著增加了數(shù)據(jù)量，使得系統(tǒng)需要進(jìn)行更多的數(shù)據(jù)處理，而如何建立適用性更強(qiáng)的損傷識別指標(biāo)，就決定SHMS能否高效的運行。在未來，如何增加傳感器的靈敏度和精度；如何通過傳感器的優(yōu)化分布來提高獲取最大數(shù)據(jù)量，這兩方面將是研究的重點。

（二）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的優(yōu)化和智能

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的心臟，因此處理系統(tǒng)的好壞直接決定了整個系統(tǒng)的性能。目前，處理系統(tǒng)主要在兩個方面尋求突破，一是對處理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化，使其能面對更復(fù)雜的，更龐大的數(shù)據(jù)鏈，能適應(yīng)更復(fù)雜的環(huán)境；二是處理系統(tǒng)的智能化，隨著智能時代的到來，如何將處理系統(tǒng)與云計算、大數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，運用已有的案例解決自身的問題，這將是未來研究的重點。

（三）結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的功能整合和定位

目前，在中國許多沿江城市里，都能看見結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)運用在橋梁集群中，如何將這些系統(tǒng)進(jìn)行有效整合，實現(xiàn)資源共享，規(guī)范統(tǒng)一，這就需要從國家層面進(jìn)行調(diào)控。將眾多獨立系統(tǒng)的信息進(jìn)行共享，就必然會面臨系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈的共享，這就不得不觸及商業(yè)機(jī)密與國家安全，因此，在未來系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的過程中如何做到信息的安全管理，這將關(guān)乎到系統(tǒng)的能否高效利用的問題。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)理論尚不完善，在實際運用中仍會遇到許多困難，因此SHMS目前的功能定位仍然是人工的輔助系統(tǒng)，尚不能替代工程師的職責(zé)。因此，在未來的運用中應(yīng)該不斷總結(jié)使用經(jīng)驗，來完善結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)理論，使SHMS能在未來橋梁監(jiān)測工作中發(fā)揮更大作用。

四、結(jié)語

隨著中國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)，無論是公路橋還是鐵路橋的建設(shè)都將加快步伐，在這個大環(huán)境下，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的產(chǎn)生順應(yīng)了時代發(fā)展的潮流，接下來如何完善系統(tǒng)將會是未來橋梁人研究的重要課題。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫利民.橋梁健康監(jiān)測[J].中國公路學(xué)報.2014

[2]孫曉燕.橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究進(jìn)展[J].中外公路.2006

作者簡介：

鄧周全（1994-），男，漢族，四川南充市人，鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，道路橋梁與渡河工程。