橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展回顧

王明俊，王 湛，陳炳聰，呂仰檳，曾鑫彬

（1.廣州市中心區(qū)交通項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，廣東 廣州510030；2.廣州大學(xué)，廣東 廣州510006；3.廣州市市政集團(tuán)有限公司，廣東 廣州510000）

0 引言

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是以科學(xué)的監(jiān)測(cè)理論與方法作為基礎(chǔ)，采用各種適宜的監(jiān)測(cè)手段獲取數(shù)據(jù)，為橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、計(jì)算假定、結(jié)構(gòu)模型分析提供驗(yàn)證；對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)、特性進(jìn)行分析，及早預(yù)見(jiàn)、發(fā)現(xiàn)和處理橋梁結(jié)構(gòu)安全隱患和缺陷，診斷結(jié)構(gòu)突發(fā)和累計(jì)損傷發(fā)生的位置與程度，并對(duì)癥狀后果的可能性進(jìn)行判斷與預(yù)測(cè)。通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與評(píng)估，系統(tǒng)在各種氣候、交通條件下和橋梁運(yùn)營(yíng)狀況異常時(shí)提供預(yù)警信號(hào)，為橋梁維護(hù)、維修與管理措施提供依據(jù)；橋梁工作者采取及早的措施，防止橋梁坍塌、局部破壞，保障和延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。進(jìn)入21 世紀(jì)后的十余年中，我國(guó)越來(lái)越多的橋梁安裝了橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，積累了大量經(jīng)驗(yàn)，采集了海量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)功能不斷完善與增強(qiáng)。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展進(jìn)行綜述。

1 橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)

1.1 系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容

系統(tǒng)設(shè)計(jì)者針對(duì)不同的橋型和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，量身定做橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。一般情況下，系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容包含變形、位移、構(gòu)應(yīng)力、裂縫、環(huán)境、索力、動(dòng)力性能等。隨著機(jī)電技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的手段得到應(yīng)用與發(fā)展，傳感器的類(lèi)型主要為電阻式、振弦式、光纖光柵式等，傳輸模式以TCP/IP、BNC、RS485 式為主。各種測(cè)量方法的比較見(jiàn)表1。

1.2 系統(tǒng)評(píng)估分析方法

目前橋梁安全評(píng)估的分析方法主要有常規(guī)綜合法、層次分析法、可靠度理論、振動(dòng)模態(tài)方法、模糊理論等。

1.3 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：

（1）可以節(jié)省人力物力，避免檢查盲點(diǎn)；

（2）具有整體性，能夠提供整體全面的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)；

（3）不會(huì)影響正常交通的運(yùn)行；

（4）周期短，具有時(shí)效性；

（5）不僅能夠監(jiān)控和評(píng)估結(jié)構(gòu)狀態(tài)，其反饋的信息也可使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)得到改進(jìn)，還可能成為橋梁研究的“現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室”。

1.4 系統(tǒng)存在的問(wèn)題

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還不太完善，存在以下不足：

（1）系統(tǒng)的費(fèi)用較高，約占橋隧總造價(jià)的1%；

（2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)規(guī)模差異性較大；

（3）所用的技術(shù)多種多樣，未形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口和格式，兼容性和擴(kuò)展性較差；

（4）多數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是獨(dú)立運(yùn)行的“單機(jī)版”，各橋系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)作，所采集信息不能共享；

（5）系統(tǒng)本身的使用壽命難以得到保證，電子設(shè)備的耐久性遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)壽命，傳感器和其他硬件更換時(shí)影響數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性；

（6）系統(tǒng)在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中儀器設(shè)備保護(hù)措施不完善，耐久性能不足，儀器設(shè)備過(guò)早報(bào)廢，導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失；

（7）系統(tǒng)獲取了海量數(shù)據(jù)，但是未有效及時(shí)處理，分析人員缺乏足夠的橋梁知識(shí)，造成數(shù)據(jù)災(zāi)難。

2 國(guó)內(nèi)外典型案例

隨著大跨度橋梁的相繼建成，人們對(duì)這些大型重要橋梁的安全性、耐久性與正常使用功能日漸關(guān)注和重視。橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和智能控制技術(shù)相繼運(yùn)用到這些大型橋梁中，國(guó)內(nèi)外從20 世紀(jì)80年代中后期開(kāi)始建立各種規(guī)模的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2]。美國(guó)威斯康辛州一座已有65 年歷史的提升式橋（Michigan Street Bridge）在橋上安裝了世界上第一套全橋遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；我國(guó)自20 世紀(jì)90 年代起對(duì)部分大橋建立長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如香港青馬大橋?；㈤T(mén)大橋、徐浦大橋、江陰長(zhǎng)江大橋等在施工階段已安裝健康監(jiān)測(cè)用的傳感設(shè)備，以運(yùn)用在運(yùn)營(yíng)期間的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。以下針對(duì)典型案例展開(kāi)論述。

表1 各種測(cè)量方法的比較[1]

2.1 國(guó)內(nèi)案例

2.1.1 香港青馬大橋、汲水門(mén)大橋和汀九大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

青馬大橋和相鄰的汲水門(mén)大橋是通往香港新機(jī)場(chǎng)的重要通道。青馬大橋是世界上最長(zhǎng)的公路/鐵路懸索吊橋，全長(zhǎng)2200 m，主跨度1377 m，塔高206 m。汲水門(mén)大橋?yàn)樾崩鯓?，全長(zhǎng)820 m，主跨度430 m，塔高150 m。汀九大橋?yàn)槿崩鯓?，塔高分別為170 m、194 m 和158 m，全長(zhǎng)1177 m，主跨度為448 m 和475 m。青馬控制區(qū)原有橋梁監(jiān)測(cè)傳感器多達(dá)774 個(gè)，包括風(fēng)速計(jì)、氣象傳感器、動(dòng)力稱(chēng)量系統(tǒng)、加速度計(jì)、位移傳感器、應(yīng)變標(biāo)尺和水平儀七大類(lèi)用以監(jiān)測(cè)。但由于原有的傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段在監(jiān)測(cè)橋梁振動(dòng)位移方面都有一些顯著缺點(diǎn)，不能對(duì)衡量大橋是否正常運(yùn)營(yíng)的大橋主梁和索塔軸線(xiàn)空間位置進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量評(píng)估。青馬控制區(qū)橋梁是早期使用GPS 進(jìn)行監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)之一。其優(yōu)點(diǎn)如下：直接獲取三維絕對(duì)位置；實(shí)時(shí)計(jì)算并顯示三維位移；全天候、24 h 連續(xù)進(jìn)行高采樣率（20 Hz）觀(guān)測(cè)；系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采用光纖網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)作效率提升，極大降低系統(tǒng)維護(hù)工作成本；對(duì)原有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立檢核[3-4]。

2.1.2 廣州鶴洞大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

鶴洞大橋位于廣州市海珠區(qū)和荔灣區(qū)之間的珠江后航道上，全橋總長(zhǎng)2300 m，主橋長(zhǎng)648 m，為雙塔雙索面復(fù)合斜拉橋，主跨為360 m 鋼- 混疊合梁，采用空間扇形索面，主跨索間距9.5 m，密索體系。該系統(tǒng)在邊跨混凝土截面布置9 個(gè)應(yīng)力傳感器，GPS 測(cè)試天線(xiàn)安裝在兩個(gè)塔頂和跨中，與基準(zhǔn)測(cè)站連成局域網(wǎng)，可同時(shí)在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，測(cè)試精度可達(dá)毫米級(jí)；拾振器布置在跨中截面和主跨四分點(diǎn)截面的上下游側(cè)，共六個(gè)監(jiān)測(cè)位置；所有采集信號(hào)由位于東西塔和跨中的三個(gè)工作站負(fù)責(zé)采集，所有采集數(shù)據(jù)由光纖環(huán)網(wǎng)匯集到現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器進(jìn)行儲(chǔ)存[5]。其健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)通信、傳感器新技術(shù)、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)與橋梁工程的最新研究成果相結(jié)合，在可靠實(shí)用的前提下進(jìn)行一定的技術(shù)創(chuàng)新[6]（見(jiàn)圖1）。

圖1 鶴洞大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1.3 東莞水道特大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

東莞水道特大橋位于東莞市環(huán)城路西五環(huán)路跨東莞水道路段。大橋全長(zhǎng)750 m，由主橋、引橋兩部分組成。其中主橋采用三孔（50+280+50）m 飛鳥(niǎo)式中承式鋼管混凝土系桿拱橋。鋼管混凝土拱橋主要受力結(jié)構(gòu)是鋼管混凝土拱肋，拱肋鋼管和混凝土的損傷直接影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全，吊桿和主梁等結(jié)構(gòu)的狀態(tài)也影響到橋梁的安全性能和使用性能[7]。大橋共安裝了130 臺(tái)（個(gè)）監(jiān)測(cè)元件、5 個(gè)采集站、5 臺(tái)服務(wù)器、1 個(gè)監(jiān)控室，導(dǎo)線(xiàn)總長(zhǎng)約21000 m[8]（見(jiàn)圖2）。

圖2 東莞水道特大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1.4 杭州灣跨海大橋結(jié)構(gòu)健康與安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

杭州灣大橋首次在橋梁監(jiān)測(cè)領(lǐng)域提出采用環(huán)網(wǎng)的通信方式來(lái)克服系統(tǒng)的易干擾性，使得監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸上更加穩(wěn)定、可靠，開(kāi)發(fā)了現(xiàn)代化的信息監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)對(duì)橋梁進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理，建立一個(gè)電子信息化的檔案和信息平臺(tái)。系統(tǒng)采用了基于橋梁結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力響應(yīng)的評(píng)估方法，這能更加全面地反映橋梁結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀況。而且該系統(tǒng)提出了以靜力內(nèi)力狀態(tài)識(shí)別和動(dòng)力損傷識(shí)別相結(jié)合的理論，從而一方面能夠從整體上把握大橋的內(nèi)力狀態(tài)，另一方面能夠從局部上識(shí)別大橋的損傷狀態(tài)，兼顧了整體和局部、實(shí)用性和科研性[9]。

2.2 國(guó)外典型案例

2.2.1 意大利墨西拿海峽大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

意大利墨西拿海峽大橋?yàn)橹骺?300 m 的超長(zhǎng)跨徑懸索橋。墨西拿海峽大橋的監(jiān)控系統(tǒng)由操作控制中心的1 個(gè)中央主機(jī)服務(wù)器、15 個(gè)數(shù)據(jù)采集和處理單元以及1 個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)組成。該系統(tǒng)模塊化，具有靈活性，可以在項(xiàng)目完成后以及橋梁使用壽命期間進(jìn)行更改和完善。墨西拿海峽大橋計(jì)劃在3301 個(gè)位置安裝便攜式傳感器，其中2999 個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)將被整合到系統(tǒng)永久數(shù)據(jù)流中，并根據(jù)具體工程情況額外安裝178 個(gè)傳感器，并安裝了光纖傳感器。該類(lèi)傳感器具有靈活性，所以在通常的主纜上安裝光纖傳感器具有較大的可行性。光纖傳感器的安裝是通過(guò)已創(chuàng)建光纖光柵的光纖鏈涂裝特殊涂料實(shí)現(xiàn)的，但是這項(xiàng)技術(shù)目前尚未成熟，因此通過(guò)墨西拿海峽大橋的建設(shè)發(fā)展并應(yīng)用[10]。

2.2.2 日本明石海峽大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

日本明石海峽大橋是主跨為1991 m 的三跨雙鉸懸索橋，作為日本大跨徑橋梁健康監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀的代表性案例，明石海峽大橋的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)尤為突出。大橋安裝的傳感器配置設(shè)備包括地震儀、風(fēng)速計(jì)、加速度計(jì)、速度計(jì)、GPS、梁邊位移計(jì)、溫度計(jì)以及調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）位移計(jì)。采用高精度的雙頻GPS 接收機(jī)對(duì)大橋進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，用以預(yù)估將來(lái)橋梁在遭受強(qiáng)烈臺(tái)風(fēng)和地震侵襲時(shí)可能會(huì)發(fā)生的不正常的位移[11]。

2.2.3 土耳其伊茲米特灣跨海大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

伊茲米特灣大橋主橋是跨度為（650+1550+650）m 的三跨懸索橋。該橋的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所用傳感器為石英傳感器，與傳統(tǒng)傳感器相比，具有優(yōu)秀的線(xiàn)性、隔離橫向力、靈敏度一致和對(duì)氣候不敏感（無(wú)須溫度補(bǔ)償）等優(yōu)勢(shì)。而且該傳感器方便快速安裝，可鑲嵌在公路中，避免過(guò)高的維護(hù)費(fèi)用，從經(jīng)濟(jì)性上看，該傳感器精度穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)；從靈活性上看，動(dòng)態(tài)量程寬，可模塊式全覆蓋路面設(shè)計(jì)[12]。

3 總結(jié)國(guó)內(nèi)外橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)

3.1 我國(guó)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)

在我國(guó)，很多橋梁已經(jīng)安裝了橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，部分橋梁系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，根據(jù)橋梁管理部門(mén)的要求進(jìn)行了升級(jí)。還有一些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，則是由于橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施趨于規(guī)范化的成果。目前我國(guó)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都有如下特點(diǎn)：

（1）健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念越來(lái)越側(cè)重于為橋梁的養(yǎng)護(hù)管理提供支撐，在監(jiān)測(cè)內(nèi)容和技術(shù)與測(cè)試數(shù)據(jù)處理和評(píng)價(jià)之間找到了平衡點(diǎn)；

（2）健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)本身的耐久性受到了重視，傳感器和其他硬件具有可更換性；

（3）不同大橋的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都有大橋本身的特色，立足于高起點(diǎn)、高目標(biāo)，充分利用現(xiàn)代高新技術(shù)，將計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)通信、傳感器新技術(shù)、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)與橋梁工程的最新研究成果相結(jié)合，在可靠實(shí)用的前提下進(jìn)行一定的技術(shù)創(chuàng)新[13]。

3.2 國(guó)外橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)

國(guó)外橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展比較早，美國(guó)威斯康辛州提升式橋安裝了世界上第一套全橋遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，世界橋梁系統(tǒng)無(wú)論是在設(shè)計(jì)理念還是在系統(tǒng)核心技術(shù)和材料上，發(fā)展都比較成熟。總結(jié)下來(lái)，國(guó)外橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)發(fā)展成熟，側(cè)重于新型技術(shù)在重要工程中的研發(fā)，如待建設(shè)的意大利墨西拿海峽大橋系統(tǒng)，將會(huì)極大地發(fā)展光纖傳感器技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)；

（2）大跨度橋梁的變形量測(cè)技術(shù)成熟，如高精度的GPS 系統(tǒng)；

（3）側(cè)重傳感器系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的耐久性，盡可能與大跨橋梁大于50 a 甚至到100 a 的設(shè)計(jì)壽命相匹配。

4 系統(tǒng)發(fā)展前景

從研究現(xiàn)狀和實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的評(píng)估內(nèi)容基本統(tǒng)一，評(píng)估理論日趨成熟。通過(guò)對(duì)傳感器的革新和自動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的更新?lián)Q代，橋梁健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)正向簡(jiǎn)單易裝、經(jīng)濟(jì)可行、持久可靠的方向發(fā)展。隨著5G 時(shí)代的到來(lái)，建議健康監(jiān)測(cè)人工巡檢中引入AR（虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)輔助檢測(cè)，引入VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)進(jìn)行專(zhuān)家會(huì)診評(píng)估。

5 結(jié) 語(yǔ)

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)衍生出來(lái)的主要針對(duì)大型橋梁的一種管理方法，已經(jīng)在世界上得到廣泛應(yīng)用與研究。本文在論述橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析國(guó)內(nèi)外大跨橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀，總結(jié)指出各大橋梁系統(tǒng)的特色，希望能為橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展提供一些思路。