橋梁健康監(jiān)測技術及其發(fā)展

李鵬程

（新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

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橋梁健康監(jiān)測技術及其發(fā)展

李鵬程

（新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

分析了橋梁健康監(jiān)測的系統(tǒng)功能和監(jiān)測目的，對監(jiān)測系統(tǒng)的組成和監(jiān)測內容進行了總結。綜述了我國橋梁健康監(jiān)測技術的發(fā)展和監(jiān)測系統(tǒng)的應用概況，最后提出橋梁健康監(jiān)測發(fā)展的新技術和新理論，包含傳感傳輸技術的創(chuàng)新和損傷診斷、大數(shù)據(jù)處理及災害預警理論的研發(fā)。

橋梁；健康監(jiān)測；發(fā)展概況；傳感器

0 引言

橋梁是交通基礎設施的生命線節(jié)點工程，隨著我國橋梁建設的深入，如何在運營期通過有效的管理和養(yǎng)護工作，有效保障橋梁的服役安全和使用性能，是21世紀橋梁的重要挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的橋梁評估，是通過簡單的人工手段進行橋梁檢測和監(jiān)測，然和給出相關的加固和維護建議，然而，這種技術手段已經(jīng)無法滿足目前橋梁養(yǎng)護的要求，難以有效的防范突發(fā)事件的發(fā)生[1,2]。隨著信息和傳感技術的發(fā)展，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)應運而生，該技術能夠實時測取橋梁的服役狀態(tài)，從而為準確評估橋梁性能提供數(shù)據(jù)與技術基礎。重大橋梁結構的健康監(jiān)測系統(tǒng)是改善橋梁運營狀態(tài)、確保橋梁服務水平的根本措施。目前，大型橋梁結構的健康監(jiān)測理論及技術已成為橋梁工程學術界、工程界及管理部門等共同關注的焦點。

本文探討橋梁健康監(jiān)測的系統(tǒng)功能，并剖析健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成要素和內容，總結我國橋梁健康監(jiān)測技術的發(fā)展狀況。最后，系統(tǒng)分析橋梁健康監(jiān)測的新理論和新技術，展望未來橋梁健康監(jiān)測技術的難點和要點。

1 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的目的及功能

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)不只是傳統(tǒng)的橋梁檢測加結構評估技術，而是被賦予了新的意義，一般來說，橋梁健康監(jiān)測需要達到如下三個目的：（1）設計驗證：通過健康監(jiān)測所獲得的實際結構的動靜力響應驗證設計計算理論與結果；（2）支持養(yǎng)護管理決策：結合結構狀態(tài)評估和損傷識別理論對健康監(jiān)測所獲得的實際結構的動靜力響應做出技術判斷，并考慮工程經(jīng)濟等多方面因素，得到合理的養(yǎng)護決策；（3）研究發(fā)展：通過健康監(jiān)測所獲得的實際結構的動靜力響應還可為橋梁工程中的未知問題的研究提供契機，如力學理論、環(huán)境荷載的建模和控制與評估技術等。

為了實現(xiàn)上述監(jiān)測目的，健康監(jiān)測系統(tǒng)需要具備如下功能：及時監(jiān)測，自動實時監(jiān)測環(huán)境條件和橋梁響應并直觀顯示結果；自動預警，根據(jù)橋梁結構在荷載作用下反應的實測值與理論值間的關系，對結構的損傷情況進行識別和技術狀態(tài)評估，并對結構異常緊急預警；長期連續(xù)監(jiān)測，記錄結構狀態(tài)及長期變化趨勢。

2 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成與監(jiān)測內容

一般情況下，橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)包含如圖1中的四個子系統(tǒng)，并通過網(wǎng)絡聯(lián)系工作。

圖1 健康監(jiān)測評估系統(tǒng)的拓撲結構

這四個子系統(tǒng)分別是：（1）傳感器系統(tǒng)：包括位移計、加速度計、水平儀、溫度計、風速風向儀、車軸車速儀、信息放大處理器及連接介面等；（2）信息收集系統(tǒng)：包含信號采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?；?）信息處理和分析系統(tǒng)：包括專業(yè)分析軟件、高性能計算設備等；（4）評估控制系統(tǒng)：針對監(jiān)測采集結果，結合橋梁專家意見，對監(jiān)測結果進行橋梁狀態(tài)的評估，并給出有關建議。以東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)為例，其具備傳感器系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，在線評估系統(tǒng)，離線評估系統(tǒng)及結構預警系統(tǒng)。

在上述監(jiān)測系統(tǒng)下，主要對橋梁結構如下狀態(tài)進行監(jiān)測：正常環(huán)境與交通荷載作用下的結構物理與力學狀態(tài)；橋梁附屬結構和設施如支座、伸縮縫等的工作狀態(tài)；結構構件耐久性；橋梁所處環(huán)境條件等。因而，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)主要的監(jiān)測內容是：氣象環(huán)境如溫度、濕度等；結構位移如主梁和索塔位移；構件應力和內力如鋼梁應變、索力等；伸縮縫位移、支座變形、墩臺沉降等；結構動力和構件疲勞等。

3 我國橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展概況

隨著我國橋梁技術在近20年的飛速發(fā)展，我國已建成的大跨徑橋梁超過100多座。大跨徑橋梁的顯著特點是結構輕柔，跨徑大，超靜定，結構狀態(tài)較難識別。而大跨徑橋梁作為交通系統(tǒng)的核心通道，保障其安全和性能至關重要。因此，這些橋梁的建設，也對其建成后的養(yǎng)護和管理工作提出了更高的要求。由于大跨徑橋梁運營期間所面臨的復雜環(huán)境作用，如爆炸、船撞、重載車流、極端風荷載等偶然作用，也有疲勞荷載和可變作用形成的結構耐久問題，需要有行之有效的監(jiān)測系統(tǒng)，實時掌握橋梁的結構狀態(tài)，并提出優(yōu)化的、針對性的管理和維護措施，保證橋梁運營性能?；诖?，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)應運而生。

目前，我國已有140余座大橋安裝橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，遍及各種橋型[3]?？偨Y這些橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)，主要有以下五大特點和發(fā)展趨勢：（1）傳感器多，經(jīng)濟性顯著。一般而言大跨度橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)至少由100以上傳感設備，其造價占比一般達到橋梁總造價的0.5%～1.0%；（2）以橋梁管理和維護為目的，橋梁監(jiān)測的目的就是獲得橋梁狀態(tài)，以優(yōu)化管理和維護措施，保障橋梁性能；（3）監(jiān)測系統(tǒng)需具備可更換和可維護性；（4）監(jiān)測系統(tǒng)開始延伸到施工狀態(tài)，形成施工與運營一體化的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)；（5）雖然橋梁監(jiān)測可以做到自動化和智能化，但對于監(jiān)測結果的評估，還需要橋梁專家的介入，以準確評估監(jiān)測結構的真實性和合理性。

在上述健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展狀態(tài)下，探索新技術新理念，將監(jiān)測獲得的大數(shù)據(jù)真正用于有效的橋梁管理和維護中，非常重要。

4 橋梁健康監(jiān)測的新理論和新技術

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)可以作為子系統(tǒng)包含于橋梁管理系統(tǒng)，是健康監(jiān)測系統(tǒng)設計時應注意的新理念。現(xiàn)有橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)一般用于單座大型橋梁，是針對單一橋梁的項目級系統(tǒng)，通過監(jiān)測儀器和軟件系統(tǒng)以實時監(jiān)測為主。橋梁管理系統(tǒng)適用于城市和公路橋梁管理，是針對橋梁群體的網(wǎng)絡級系統(tǒng)，以常規(guī)檢測為主。

傳感器優(yōu)化布設技術：減少傳感器的數(shù)量，優(yōu)化其布設位置對于減少數(shù)量分析工作量、提高數(shù)據(jù)分析效率來講是一門非常重要的新技術。全壽命集成：健康監(jiān)測系統(tǒng)設計時應涉及全壽命周期，前伸到設計、施工階段，后續(xù)至養(yǎng)護管理階段，基于性能進行系統(tǒng)設計。傳感技術可行性（耐久性）：傳感器能否耐久，并及時監(jiān)測指標的變化是系統(tǒng)設計時考慮的重要事項。

4.1 傳感傳輸技術

從監(jiān)測內容上看，傳感傳輸領域包含變形、位移的測量，拉索銹蝕的檢測，疲勞監(jiān)測等的新技術。另外，傳感器技術，無線傳輸技術，健康監(jiān)測動態(tài)功耗管理技術以及狀態(tài)監(jiān)測可視化及評估輔助技術都屬于該領域研究的新技術。

經(jīng)過長期的研究與改進之后，機敏網(wǎng)仿生裂縫監(jiān)測技術、準直點激光投射式撓度監(jiān)測技術、基于GPRS/GSM的遠程傳輸技術、橋梁健康監(jiān)測動態(tài)功耗管理技術、狀態(tài)監(jiān)測可視化及評估輔助技術的硬件技術和軟件技術都已成熟，并且已經(jīng)走向市場[4]。圖2為光纖傳感器示意和EM傳感器示意。

圖2 健康監(jiān)測新傳感器技術

4.2 數(shù)據(jù)處理、識別、評估、預警理論

數(shù)據(jù)處理新技術包含對海量數(shù)據(jù)篩選和數(shù)據(jù)質量提升、有效利用等處理技術。

損傷或狀態(tài)識別：運營橋梁在施工過程中不可避免存在結構和構件的損傷，而監(jiān)測系統(tǒng)需要識別這些損傷的位置和程度，才能判斷是否對橋梁結構安全和性能形成顯著影響，從而制定加固方法和養(yǎng)護策略。監(jiān)測系統(tǒng)需要有效快速地診斷損傷。目前研究的損傷識別方法大部分都是基于結構振動的，主要有頻率法、頻率敏感性分析法、模態(tài)準則MAC法、基于剛度矩陣的模態(tài)力誤差識別法、基于柔度矩陣的識別方法等。

結構性能評估：影響橋梁結構性能的因素眾多，這也是監(jiān)測系統(tǒng)應用的關鍵難點。隨著相關技術的發(fā)展，目前可以應用多種數(shù)理方法用于評估橋梁的結構性能，例如模糊綜合評價法、神經(jīng)網(wǎng)絡法、及基于結構可靠度的方法，目的都是利用監(jiān)測大數(shù)據(jù)，分析橋梁的結構性能。

預警理論方法方面，則包含預警指標、預警閾值和預警方法的確定等，這些都是判斷預警是否正確、合理和準確的核心。

4.3 技術與理論瓶頸

橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)這方面的研究雖然已經(jīng)取得了很大的進展，但是依然存在一些問題：首先，橋梁是由多種材料、多樣構件形成的復雜超靜定結構體系，各個構件的剛度特性都不一樣，這就形成了構件的應力狀態(tài)、易損性、剛度及動力特性等差別很大，在受損狀態(tài)下，通過監(jiān)測結果，較難高效地識別損傷位置和損傷程度，也很難通過某一監(jiān)測結果或者指標去評估整體結構的狀態(tài)。其次，實際橋梁的狀態(tài)，可能由于施工不確定性和環(huán)境作用等因素，使得其與我們預想的結構狀態(tài)存在很大差別，這就是個采用數(shù)值建模的橋梁模型并不一定能夠完全反應實際的橋梁狀態(tài)，這給橋梁的狀態(tài)識別帶來很高的難度，另外大跨徑橋梁結構存在顯著的非線性特征，這種非線性對于橋梁的受力和損傷分析，也是非常復雜的。最后，目前的測試設備和傳感器仍然存在壽命不穩(wěn)定，抗干擾性差等問題，因此，研發(fā)高精度、高耐久性和高準確率的測試設備和傳感器，對于準確獲取橋梁響應具有重要意義。

5 結論

隨著我國橋梁建設的發(fā)展，無論是既有橋梁還是新建橋梁，對橋梁狀態(tài)評估已成為橋梁面臨的深刻問題。論文探討了我國橋梁健康監(jiān)測技術的基本狀況，通過對監(jiān)測系統(tǒng)的功能、目的、監(jiān)測內容等定義與分析，結合我國目前橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展概況，提出健康監(jiān)測技術未來發(fā)展的關鍵方向，包括傳感技術的開發(fā)和監(jiān)測理論和研究，真正將健康監(jiān)測系統(tǒng)更有效地服務于橋梁的管理和維護中。

[1]胡正濤.淺談橋梁健康監(jiān)測的發(fā)展現(xiàn)狀[J].四川建筑,2009,39(3): 102-103.

[2]王戒躁,鐘繼衛(wèi),王波.大跨橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設計構成及其進展[J].橋梁建設,2009(S2):7-12.

[3]張喜剛,劉高,馬軍海,等.中國橋梁技術的現(xiàn)狀與展望[J].科學通報,2016(4):415-425.

[4]俞姝穎,吳小兵,陳貴海,等.無線傳感器網(wǎng)絡在橋梁健康監(jiān)測中的應用[J].軟件學報,2015,26(6):1486-1498.

京沈高鐵遼寧段39座隧道今年3月全貫通

京沈高鐵遼寧段全線隧道近期全部貫通。遼寧段預計會提前通車試運行。

京沈高鐵沿線多山地丘陵，所以在建設時大量采用以橋代路的方式，最大限度減少對森林、植被的破壞，最大限度減少占用農(nóng)耕用地。京沈高鐵遼寧段建設橋梁131座，隧道39座，橋隧比高達72%。

京沈高鐵遼寧段今年計劃完成朝陽北站、阜新北站站房等重點站房的主體結構。此外，還將完成全線無砟軌道鋪設工程、全線鋼軌鋪設工程、全線電力貫通電纜鋪設工程和全線接觸網(wǎng)架設工程。

作為東北快速鐵路網(wǎng)的重要組成部分，京沈高鐵是東北與其他地區(qū)最快捷的通道，預計2019年建成通車。屆時，北京至沈陽的旅行時間將縮短至2.5 h左右。

京沈高鐵遼寧段預計會提前通車試運行。通車后，沈陽至阜新、朝陽將開行城際動車，運行時間分別為40 min和1 h。

U446

B

1009-7716（2017）04-0127-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.037

2017-01-22

李鵬程（1983-），男，新疆烏魯木齊人，工程師，從事路橋設計工作。