橋梁檢測與監(jiān)測技術的發(fā)展趨勢

歐陽歆泓 ，徐一超 ，3

（1.在役長大橋梁安全與健康國家重點實驗室，江蘇 南京 210012；2.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210012；3.東南大學，江蘇 南京 210096）

伴隨著現(xiàn)代化建設的不斷推進，我國交通運輸行業(yè)蓬勃發(fā)展，橋梁結構作為交通線路的咽喉，近年來取得了舉世矚目的成績。目前，中國橋梁總數(shù)已超過百萬，而大量建設中的超大跨度、超大難度的跨江越海大橋仍在繼續(xù)挑戰(zhàn)工程的極限。但橋梁建成只是其發(fā)揮作用的起點，只有保證安全與健康才能充分發(fā)揮其作用。橋梁檢測與監(jiān)測技術是保障橋梁安全運營的關鍵，其依靠現(xiàn)場檢測與實時監(jiān)測獲取橋梁結構的損傷狀況與動力特征，從而分析橋梁的實際承載狀況[1-2]。但隨著工程應用的不斷增多，現(xiàn)階段橋梁檢測與監(jiān)測技術的瓶頸也日益突出，其中最主要的問題可概括為以下四個方面：（1）理念瓶頸。設計階段缺乏對橋梁養(yǎng)護中檢測與監(jiān)測需求的考慮。（2）標準體系瓶頸。標準的建立未能跟上工程發(fā)展的實際需求。（3）方法、工具與裝備瓶頸?，F(xiàn)有技術與設備未能適應復雜多變的檢測與監(jiān)測環(huán)境。（4）數(shù)據(jù)分析瓶頸。海量多源的數(shù)據(jù)堆積，未能得到充分有效利用。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，政府、企業(yè)及社會公眾對橋梁安全與健康的關注度日益提高，這對檢測與監(jiān)測結果的真實性、可靠性與有效性提出了更高的要求。因此，急需解決上述瓶頸，推動橋梁檢測與監(jiān)測技術向“低成本、高精度、短時延”發(fā)展。文章介紹和總結了現(xiàn)階段橋梁檢測與監(jiān)測技術發(fā)展現(xiàn)狀與技術瓶頸，并針對目前研究所存在的不足，指出了橋梁健康檢測與監(jiān)測技術的發(fā)展趨勢和研究方向，希望能為橋梁檢測與監(jiān)測研究的工程技術人員提供參考。

1 橋梁檢測與監(jiān)測技術的發(fā)展瓶頸

1.1 理念瓶頸

精細化、全壽命的設計理念是歐美發(fā)達國家在橋梁設計中的主導思想，強調(diào)在結構設計階段應充分考慮橋梁養(yǎng)護、檢修等情況，為相關工作預留空間或設置構造措施。目前國內(nèi)的橋梁設計中總體缺乏對橋梁養(yǎng)護階段的考慮，導致在橋梁檢測與監(jiān)測中難以做到“可達、可檢、可修”，更別說“易達、易檢、易修”，這反映了當前橋梁設計中全局性理念的缺失。例如，在國內(nèi)，除了跨江、跨海的大型、特大型橋梁設計有專門的檢修通道，其他類型橋梁一般沒有相應的檢修通道，缺乏對橋梁易檢測性的考慮[3]。檢修通道的缺乏，給橋梁檢測與監(jiān)測工作帶來了很大的難度，部分區(qū)域難以到達，從而難以進行有效的檢測與監(jiān)測。若采用橋梁檢測車進行檢查，一方面占用車道、影響交通；另一方面也增加了檢測工作的經(jīng)濟投入，與橋梁檢測“低成本”的發(fā)展目標相矛盾。

1.2 方法、工具與裝備瓶頸

檢測與監(jiān)測中所采用方法、設備的合理性和有效性是確保橋梁健康評估結果準確性的關鍵保障。目前，橋檢車與無人機是進行檢測的常用設備，但橋檢車工作時不僅影響道路交通，而且存在較高的安全隱患；而無人機在操控的便利性、續(xù)航能力、噪聲測試等方面也存在較大的問題，這些問題始終未能得到完善的解決[4]。另外，橋墩、基礎等構件常常需要水下檢測，而目前水下檢測主要依靠潛水員水下摸排及觀察。一方面，潛水員檢測效果受光照、水質(zhì)等因素影響較大；另一方面，潛水員往往不是橋梁工程師，難以對水下觀測結果做出直接判斷，需要再次進行行業(yè)術語轉換，然后判斷結構的損傷程度，二次轉換過程必然會導致部分信息丟失，不夠準確，從而降低了檢測的效率。

在無損檢測方面，目前所能采用的手段尚不完善，存在大量難檢項目。例如，對橋梁纜索的腐蝕斷絲檢測仍大量采用開窗法進行，否則無法觀察內(nèi)部情況，而這又對纜索護套造成了損傷。同時，混凝土中的實際預應力檢測、孔道壓漿密實度檢測等也一直很難取得突破性進展。

現(xiàn)場試驗是用來評價橋梁承載力的重要手段，但傳統(tǒng)荷載試驗方法費時費力，對交通影響大，成本代價高。試驗檢測過程數(shù)據(jù)錄入雖然實現(xiàn)了信息化，但操作不便、實際效率很低。另外，現(xiàn)行健康監(jiān)測系統(tǒng)雖在通信和數(shù)據(jù)存儲上的發(fā)展已能滿足需求，未來5G的應用也會加速提升性能，但在數(shù)據(jù)采集與獲取方面存在著傳感器使用壽命遠小于橋梁設計使用年限，點式傳感器的信號與結構損傷之間的邏輯性和聯(lián)系性較弱，監(jiān)測系統(tǒng)的實施安裝缺少行業(yè)標準等系列問題。

2 對于發(fā)展瓶頸的突破建議

2.1 準確把握技術趨勢

如何保障橋梁的安全性、耐久性和使用功能已成為目前橋梁工程界的巨大挑戰(zhàn)。橋梁工程技術發(fā)展以建設為主向建設與養(yǎng)護并重轉型。隨著對橋梁的結構要求、服役要求以及長期性能要求的提高，橋梁檢測與監(jiān)測及其相關的病害診斷與分析技術的研究將呈現(xiàn)出新的趨勢，主要表現(xiàn)為深入化、集成化、標準化與智能化四大特征。

（1）深入化。結構損傷機理研究將逐步從微觀向宏觀、從短期向長期、從單因素向多因素耦合拓展。

（2）集成化。無損檢測裝備與養(yǎng)護維修裝備的小型化、專業(yè)化、集成化程度將日益提高；健康監(jiān)測系統(tǒng)中傳感、采集與傳輸設備的高度集成將是大勢所趨；依托BIM平臺，設計、施工、檢測、監(jiān)測、養(yǎng)護、維修的信息將高度集成融合。

（3）標準化。不僅是傳統(tǒng)意義上的檢測、監(jiān)測、養(yǎng)護動作和質(zhì)量評定方法的標準化，還包括數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的信息標準化。

（4）智能化。隨著機理研究的日益深入、數(shù)據(jù)積累的日益增多、信息融合的日益加強，以及大數(shù)據(jù)分析、云計算、機器學習等技術的進步，橋梁養(yǎng)護智能化研究將受到關注，結構病害的早期識別、趨勢推演、檢測評分自動進行、安全風險自動排序、養(yǎng)護資金智能優(yōu)化配置、橋梁壽命預測將成為可能。

2.2 實現(xiàn)重點技術突破

在橋梁檢測中，目前大量采用近距離人工觀測或接觸式儀器檢測，風險高且需投入大量的人員與資金，而且部分關鍵部位由于位置隱蔽往往難以得到有效的檢查，從而導致橋梁檢測合格但實際承載能力嚴重受損的情況出現(xiàn)。因此，應大力發(fā)展非接觸性的表觀病害檢測，提升隱蔽部位、難檢部位的檢測能力和檢測效率，提升現(xiàn)場記錄的自動化和信息化水平。例如，研發(fā)基于深度學習的病害識別技術，通過計算機視覺自動提取病害的特征，實現(xiàn)病害高精度識別；研發(fā)基于磁致伸縮導波的無損性拉吊索斷絲檢測技術，對于斷絲截面損失情況進行精準化評估；研發(fā)準靜態(tài)快速荷載試驗技術，縮短荷載試驗時間并減小試驗成本，同時精準評價橋梁的承載力狀況；研發(fā)同步壓縮變換瞬時頻率算法，有效提取重車通過時索承橋的索力極值，為超載報警和突發(fā)事件的安全評估做出及時預判；研發(fā)更高精度、高頻率的位移測量技術，如長標距的光纖傳感、微波干涉雷達等技術。只有不斷突破現(xiàn)有技術的瓶頸，才能夠不斷提高橋梁檢測的效率，準確評估橋梁狀態(tài)。

在橋梁狀態(tài)實時監(jiān)測方面，目前普遍存在傳感器壽命低，點式布置傳感器難以反映全橋的損傷狀況以及缺乏現(xiàn)場實施、評定與維護標準等幾方面的問題。同時，對于海量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，自動化處理程度仍有待提高，且耦合數(shù)據(jù)分離始終存在困難。此外，在分析評估中，目前總體停滯于構件級評估，而全橋評估發(fā)展緩慢，對于結構健康狀態(tài)的預警與評估指標也有待進一步優(yōu)化?；谏鲜鲆蛩兀瑧M一步加強耐久性高、生產(chǎn)成本低且易更換的傳感器的研發(fā)與應用，同時推廣分布式傳感器的應用，加強傳感器對結構全局狀態(tài)的捕捉，并建立健全傳感器采集標準，推進傳感設備布設與運營維護的規(guī)范化。此外，在數(shù)據(jù)處理與狀態(tài)評估方面，充分利用云計算、人工智能技術推進數(shù)據(jù)處理自動化與智能化，并研發(fā)時空數(shù)據(jù)融合計算，推進檢測監(jiān)測一體化大數(shù)據(jù)分析，建立橋梁健康狀態(tài)時空演化模型。綜合發(fā)展傳感設備與監(jiān)測系統(tǒng)管理制度，并面向自動化、智能化發(fā)展橋梁數(shù)據(jù)分析技術，從而實現(xiàn)現(xiàn)有橋梁健康監(jiān)測技術瓶頸的突破。

3 結束語

隨著中國橋梁的不斷建設發(fā)展，巨大的存量和增量為橋梁健康和安全帶來了巨大挑戰(zhàn)，同時也為橋梁檢測與監(jiān)測技術的實踐和創(chuàng)新帶來了巨大機遇。文章詳細闡述了現(xiàn)階段橋梁檢測與監(jiān)測技術的發(fā)展瓶頸，同時指出了可能的突破方法和手段。隨著人工智能、5G通信、大數(shù)據(jù)以及云計算的發(fā)展和普及，未來橋梁的檢測和監(jiān)測發(fā)展趨勢可以歸納為以下幾個方面：（1）從破壞性檢測向無損檢測轉變；（2）從人工檢測向機械智能檢測轉變；（3）數(shù)據(jù)采集方式從人工記錄向系統(tǒng)自動采集轉變；（4）從周期性檢測、檢查向?qū)崟r數(shù)據(jù)監(jiān)測轉變；（5）檢測手段從現(xiàn)場實操向智能感知轉變；（6）檢測裝置從臨時性設備向長期性預埋傳感器轉變；（7）檢測評估從少量抽樣數(shù)據(jù)研判向大數(shù)據(jù)分析轉變。