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现代桥梁健康安全监测系统
一、传统桥梁结构检查与评估概述
桥梁在建成后，由于受到气候、腐蚀、氧化或老化等因素，以及长期在静载和活载的作用下易于受到损坏，相应地其强度和刚度会随时间的增加而降低。
这不仅会影响行车的安全，并会使桥梁的使用寿命缩短。
为保证大桥的安全与交通运输畅通，加强对桥梁的维护管理工作极为重要。
桥梁管理的目的在于保证结构的可靠性，主要指结构的承载能力、运营状态和耐久性能等，以满足预定的功能要求。
桥梁的健康状况主要通过利用收集到的特定信息来加以评估，并作出相应的工程决策，实施保养、维修与加固工作。
评估的主要内容包括：
承载能力、运营状态、耐久能力以及剩余寿命预测。
承载能力评估与结构或构件的极限强度、稳定性能等有关，其评估的目的是要找出结构的实际安全储备，以避免在日常使用中产生灾难性后果。
运营状态评估与结构或构件在日常荷载作用下的变形、振动、裂缝等有关。
运营状态评估对于大桥工件条件的确认和定期维修养护的实施十分重要。
耐久能力评估侧重于大桥的损伤及其成因，以及其对材料物理特性的影响。
传统上，对桥梁结构的评估通过人工目测检查或借助于便携式仪器测量得到的信息进行。
人工桥梁检查分为经常检查、定期检查和特殊检查。
但是人工桥梁检查方法在实际应用中有很大的局限性。
美国联邦公路委员会的最近调查表明，根据目测检查而作出的评估结果平均有56%是不恰当的。
传统检测方式的不足之处主要表现在：
（i）需要大量人力、物力并有诸多检查盲点。
现代大型桥梁结构布置极其复杂，构件多且尺寸大，加之大部分的构件和隐蔽工程部位难于直接接近检查，因此，这对现代大型桥梁尤其突出；
（ii）主观性强，难于量化。
检查与评估的结果主要取决于检查人员的专业知识水平以及现场检测的经验。
经过半个多世纪的发展，虽然桥梁的分析设计与施工技术已日趋完善，但对某些响应现象，尤其是损伤的发展过程，尚处于经验积累中，因此定量化的描述是很重要的；
（iii）缺少整体性。
人工检查以单一构件为对象，而用于现代机械、光学、超声波和电磁波等技术的检测工具，都只能提供局部的检测和诊断信息，而不能提供整体全面的结构健康检测和评估信息；
（iv）影响正常交通运行。
对于较大型的桥梁通常需要搭设观察平台或用观测车辆，无可避免需要实施交通控制；
（v）周期长，时效性差。
大型桥梁的检查周期可达经年。
在有重大事故或严重自然灾害的情况下，不能向决策者和公众提供即时信息。
二、现代桥梁健康监测系统概述
由于人工桥梁检查程序和设施无法直接和有效地应用于大型的桥梁检测上。
因此有必要建立和发展桥梁结构健康监测与安全评估系统用以监测和评估大桥在运营期间其结构的承载能力、运营状态和耐久能力等。
桥梁监测系统综合了现代传感技术、网络通讯技术、信号分析与处理技术、数据管理方法、知识挖掘、预测技术及桥梁结构分析理论等多个领域的知识，极大地延拓了桥梁检测领域，提高了预测评估的可靠性。
当桥梁结构出现损伤后，结构的某些局部和整体的参数将表现出与正常状态不同的特征，通过安装传感器系统拾取这些信息，并识别其差异就可确定损伤的位置及相对的程度。
通过对损伤敏感特征量的长期观测，可掌握桥梁性能劣化的演变规律，以部署相应的改善措施，延长桥梁使用寿命。
监测系统为桥梁评估提供即时客观的依据，但由于资源等方面所限，就目前情况而言，传感器系统不可能涵盖所有构件。
此外，由于对大型桥梁在复杂环境下响应的认识与经验的限制，也会导致对某些关键性部位监测的不足。
大桥损伤大致可分为结构性损伤与非结构性损伤两大类。
用于结构性损伤检测和非结构性损伤检测的传感器种类和布置截然不同。
此外，非结构性损伤虽然不会减弱结构的承载能力与耐久性，但对桥梁的正常运营造成隐患。
大桥健康监测系统的主要功能包括：
（i）监测大桥的结构安全及运营状况；
（ii）提供大桥定期维修养护所需要的信息；
（iii）检验大桥设计假定和设计参数的可靠性和准确性。
我们特别强调健康监测系统能服务于大桥的定期维修与管理。
这一功能将通过建立专门的构件危险及易损性评级系统和基于整体检测与局部检测评估体系相结合来实现。
，建立一个技术先进、稳定高效的桥梁健康监测和安全评价系统，对于提升桥梁工程的设计、施工和管理水平亦具有十分重要的意义。
图1桥梁健康监测构架图
三、健康监测系统研究现状
桥梁结构健康监测与安全评价系统涉及的研究范围包括：
传感器优化布设与系统集成研究，数据采集、处理、显示及存储研究，结构状态评估研究。
传感器的优化布设（传感器类型，位置和数量）对监测结果起决定作用。
由于客观因素的制约，传感器的数量总是有限的，如何布设有限数量的传感器从噪声信号中实现对结构状态改变信息的最优采集，是大跨度桥梁健康监测的关键技术之一。
系统集成是将系统内不同功能的子系统在物理上、逻辑上和功能上连接在一起，以实现信息综合分析和管理。
系统集成是桥梁监测系统智能化程度的重要标志，旨在实现资源共享和信息综合，其发展方向是“一体化集成”和开放的分布式网络结构系统，与外部各种通信网络互联，构成信息高速公路的一个节点或广义的“信息点”。
数据采集、处理、存储及提取是桥梁监测系统的重要内容。
应向满足多媒体、同步化、宽带化、高速率、大容量等信息传输的要求方向发展，保证系统进行连续、同步的实时数据采集，及时有效地处理、分析、存储和管理庞大的数据流。
桥梁结构状态评估是桥梁监测系统的核心和目标。
借助于有限元分析模型和大量的监测数据，采用统计、系统识别和模式识别的方法，评估桥梁结构的环境和条件状态，监测结构性能及其退化趋势。
系统识别法以结构系统模型和模型估计（或修正）为基础，通过识别模型参数的变化来实现结构状态监测与损伤诊断。
基于特征的模式识别法是利用传感器信号的适当特征，通过模式分类过程来辨识结构的变化。
所谓“特征”是由测量数据转换得到的、反映结构状态分类本质的量。
振动模态参数是最早用来识别结构损伤的特征，目前得到普遍认同的一种最实用的方法就是结合系统识别、振动理论、振动测试技术、信号采集与分析等跨学科技术的试验模态分析法。
这种方法大致可分为模型修正法和指纹分析法两大类。
随着现代传感技术、计算机与通讯技术、信号分析与处理技术及结构振动分析理论的迅速发展，大型桥梁结构健康监测与安全评价技术，近年来已成为国内外工程界和学术界关注的热点。
从目前理论研究状况来看:
近年来，结构健康监测领域涌现了大量的研究论文，这些论文的研究内容包括智能传感器、传感器的优化布置、数据的无线传输、损伤识别方法、桥梁状态评估、桥梁生命周期管理养护等。
此外，还举办了许多以结构健康监测为主题的国际会议，如:
国际健康监测研讨会、欧洲健康监测研讨会、新型结构健康监测研讨会和智能结构和健康监测会议。
另外，国际模态会议、SPIE年会、欧洲智能结构和材料会议、国际结构控制会议等都有结构健康监测和损伤识别的专题。
此外，很多研究者正致力于研究并制定桥梁健康监测系统的设计指南和规范，如:
Lauzon等研究者提出了一个桥梁监测系统设计建议;美国Dexrel大学的Aktan教授等制定了比较详细的健康监测系统的设计指南;加拿大ISIS组织的主席Mufti教授也主持起草了一份结构健康监测指南。
英国的研究者制定了一个指导健康监测系统设计的指南。
香港理工大学以高赞明教授为首的课题组也正致力于研究制定专门用于大跨索桥监测系统的设计指南。
鉴于桥梁结构健康监测与安全评价系统已在世界上得到广泛应用，国际桥梁协会于2003年7月在瑞士决定制订有关桥梁结构健康监测的国际规程，以指导和推动该项技术在各国的应用。
四、健康监测系统实施现状
随着现代传感技术、计算机与通讯技术、信号分析与处理技术及结构振动分析理论的迅速发展，大型桥梁结构健康监测与状态评估近年来已成为国内外工程界和学术界关注的热点。
桥梁结构健康监测与安全评价系统总的目标是通过测量反映大桥环境激励和结构响应状态的某些信息，实时监测大桥的工作性能和评价大桥的工作条件，以保证大桥的安全运营及为大桥的养护维修提供科学依据。
与传统的桥梁监测方法（包括众多的无损检测技术）不同，桥梁结构健康监测与安全评价系统重在诊断可能发生结构损伤或灾难的条件和环境因素，评估结构性能退化的征兆和趋势，以便及时采取养护维修措施。
而传统的检测方法重在损伤发生后检查损伤的存在并采取维修加固的手段，因此，桥梁结构健康监测与安全评价系统的概念具有革命性的变革。
通过对传感器的革新和自动远程监控技术的更新换代，桥梁结构健康监测与安全评价系统正向简单易装、经济可行、持久可靠的方向发展，并已在世界许多大桥得到应用。
表1列出了世界上安装监测系统的部分桥梁，其中阳逻长江大桥、北京清河桥以及南宁大桥为我院承接，表2、表3为传感器装备情况，表4为健康监测系统投资情况。
表1 安装健康监测系统的部分桥梁
桥梁名称
结构类型
跨度（米）
位置
昂船洲桥
斜拉桥
1018
中国香港
西部通道
斜拉桥
210
中国香港
汀九桥
斜拉桥
127+448+475+127
中国香港
汲水门桥
斜拉桥
160+430+160
中国香港
南京二桥
斜拉桥
628
中国
徐浦大桥
斜拉桥
590
中国
Skarsundet
斜拉桥
240+530+240
挪威
RamaIX
斜拉桥
166+450+166
泰国
Jindo
斜拉桥
70+344+70
韩国
NewHaengJu
斜拉桥
160+120+100
韩国
柜石岛桥
斜拉桥
700
日本
多多罗桥
斜拉桥
890
日本
Normandie桥
斜拉桥
856
法国
大佛寺桥
斜拉桥
198+450+198
中国
南京三桥
斜拉桥
257+648+257
中国
杭州湾跨海桥
斜拉桥
448
中国
芜湖桥
斜拉桥
180+312+180
中国
清河桥
斜拉桥
108+66+36
中国
润扬桥
斜拉桥/悬索桥
406/1490
中国
江阴桥
悬索桥
1388
中国
虎门桥
悬索桥
888
中国
阳逻桥
悬索桥
1280
中国
青马桥
悬索桥
455+1375+300
中国香港
明石桥
悬索桥
960+1991+960
日本
南备赞濑户桥
悬索桥
274+1100+274
日本
GreatBelt桥
悬索桥
535+1624+535
丹麦
Namhae桥
悬索桥
128+404+128
韩国
Yeongjing桥
悬索桥
505
韩国
菜园坝
钢箱系杆拱
102+420+88
中国
钱江四桥
钢管拱桥
2
190+7
89
中国
卢浦桥
全钢拱桥
550
中国
南宁桥
蝴蝶拱桥
300
中国
CommodoreBarry桥
钢桁架桥
501
美国
HAM42-0992
连续梁
17+24+17
美国
石板坡桥
连续刚构
330
中国
Taylor桥
简支梁
5
33
加拿大
表2 国内部分桥梁健康监测系统传感器
桥
传感器
昂
船
洲
桥
西
部
通
道
青
马
大
桥
汲
水
门
桥
汀
九
大
桥
虎
门
大
桥
江
阴
大
桥
钱
江
四
桥
南京三桥
苏
通
大
桥
润
扬
大
桥
阳
逻
大
桥
风速仪
24
7
6
2
7
2
4
8
2
温度计
488
118
115
224
83
26
40
32
137
64
93
振动
传感器
60
66
17
6
45
8
12
30
28
173
56
位移计
4
4
2
2
2
8
12
√
38
应变计
320
156
110
30
128
24
64
18
20
132
振弦式应变仪
140
8
40
√
光纤传感器
8
760
12
96
磁感应传感器
7
12
42
水平仪
9
5
车轴车速仪
2
2
6
6
6
√
2
√
GPS
10
14+2
6
7
7+1
14
5
8
12
5
EM测力
24
36
√
倾角仪
10
6
√
全站仪
12+2
电子测距
1/16
摄像仪
16
2
√
√
√
腐蚀
162
24
22
气压计
2
3
湿度计
2
3
6
6
雨量计
2
3
表3 国外部分桥梁健康监测系统传感器
桥名
传感器
明石
大桥
南备赞濑户桥
柜石
岛桥
GreatBelt
HAM42-0992
CommodoreBarry桥
Taylor
大桥
风速仪
9
4
4
√
4
温度计
√
201+1
20
加速度计
10
27
23
√
2
16
位移计
7
6
6
√
17
焊接式
应变仪
8
√
18+4
56
26
振弦式
应变仪
10
148
光纤传感器
√
65
车轴车速仪
√
2
GPS
3
速度计
12
倾角仪
2+1
36
摄像仪
4
表4部分桥梁健康监测系统投资
桥名
桥型
跨度（米）
时间
系统投资
青马大桥
悬索桥
455+1375+300
1997
2000万英镑
汀九桥
斜拉桥
127+448+475+127
汲水门桥
斜拉桥
160+430+160
江阴桥
悬索桥
1388
1999
2800万人民币
南京三桥
斜拉桥
257+648+257
2004
1130万人民币
阳逻大桥
悬索桥
1280
2006
1001万人民币
菜园坝大桥
钢箱系杆拱
102+420+88
2007
880万人民币
清河大桥
斜拉桥
108+66+36
2007
255万人民币
南宁大桥
蝴蝶拱桥
300
2008
420万人民币
鄂东桥
斜拉桥
926
2008
1300万人民币
五、健康监测系统应用效果与存在问题
从桥梁健康监测系统实践应用效果来看，建立健康监测系统的大桥，基本上能够实时获得桥梁结构应力、变形以及变位等参数，用以实时评估桥梁实际工作状态和预测桥梁功能变化，给管理部门及时作出合理维修策略提供重要依据。
有的监测系统准确记录了大桥经历船撞击等突发情况下的响应，并判断出大桥是否因此而损坏，使管理部门作出了准确而及时的决策反应。
桥梁健康监测系统是一个正在逐渐被学术界和工程界广泛接受并应用的新课题，在目前的实际工程应用实践中，尚存在一些比较普遍的问题：
（i）缺乏统一标准，系统规模差异性较大，有的系统安装了上千个传感器，有的系统则仅安装了几十个传感器；
（ii）传感器选型与布设合理性有待商榷。
部分传感器精度或耐久性不够，有的测点布置不合理，由于有些桥梁健康监测系统并不是由桥梁专业人员设计，或者这些设计者缺乏丰富的桥梁检测与评估经验，使得其测点的布设不甚合理，导致目前桥梁监测系统测点布置规模差异性较大，造成投资浪费或关键数据缺失；
（iii）健康监测系统本身的使用寿命难以得到保证，传感器寿命和传输线路长期使用是否畅通是影响到监测系统使用寿命的关键；
（iv）环境影响及测量噪声难以完全消除，降低了监测数据的可靠性。
测量数据的不完整性，给分析带来困难；
（v）有些大桥的健康监测系统获取了海量数据，但是未有效及时的处理，分析人员缺乏足够的桥梁知识，造成数据灾难；
（vi）桥梁健康状况评价体系不完备。
有些桥梁监测系统虽然监测到了大量数据，但是由于评估理论本身不完善及部分桥梁健康监测系统评估模块的建立缺乏有经验的桥梁评估专业人员，使得监测到的有效数据未能有效应用于桥梁状况评估之中；
（vii）理论与实践及相关系统的有机结合需要加强。
健康监测领域涌现了大量的研究论文，但目前有些理论并不能有效应用于工程实践；健康系统由许多子系统组成，如何将这些子系统更有效的结合起来进行评估需要进一步研究。
六、健康监测系统改善建议与发展前景
针对目前桥梁检测系统出现的问题，我们有必要加强研究，更进一步优化监测技术、完善健康监测以及安全评价理论。
结合我公司长期从事桥梁研究的实际经验，我们提出一些健康监测系统的改善建议，以做到在现有技术水平的基础上，设计出功能全面、性能优良、稳定耐久、经济合理的切合大桥管理实际维护要求的桥梁健康监测与安全评价系统。
（i）采用健康监测系统与传统检查方法相结合进行大桥管理维护的新策略，发展数字电子管养系统。
建立好大桥健康监测系统后，理论上只需一台可以上网的电脑，就可以在世界任何地方对大桥的工作状况了如指掌。
当然，实时健康监测系统虽可为桥梁评估提供即时客观的依据，但一方面由于资源、成本等方面的限制，就目前情况而言，传感器系统不可能涵盖大桥的所有构件。
此外，由于现阶段对大型桥梁在复杂环境下的响应的认识与经验的限制，也会导致对某些关键性部位监测不足。
因此，在现有的技术水平下，要避免完全依赖健康监测系统的进行桥梁工作状态评估的思想，应该适当与传统的检查方法结合对大桥进行管理维护。
健康监测系统主要负责全桥整体工作性能、与桥梁安全直接相关的关键点的监测以及突发事件的报警，从总体上把握全桥的工作状态，而传统检查方法应与健康系统结合一起对某些局部位置进行检查。
如果能将桥梁人工检查与先进健康监测系统有机的结合起来，那么现存检测方法中的许多不足之处可有效消除。
桥梁管理维护的新策略如图2所示，它综合了传统的人工检查方法与现代监测技术的长处。
图2现代桥梁维护策略
健康监测系统在桥梁维护管理中的作用是根据传感器系统的测量值或其衍生量对桥梁整体与局部作出合理评估。
其中，评估式维护工作指对桥梁构件的不正常表现作出即时诊断并找出其根源。
预测性维护旨在及早发现灾难性破坏的隐患，以便能采取措施加以消除或最低程度对其进行控制和延缓。
从这个意义上说，完整的大桥健康记录对大跨度桥梁的健康状态作出明确清晰的预测评估是十分重要的。
预防性维护通过定期的现场检查来落实，由目测或借助某些仪器对那些尚不明晰的问题进行记录分析，例如腐蚀、徐变等。
当检测出桥梁有损伤发生时，就需要对其进行加固，这是显然的。
在大桥整个设计使用寿命内，在确保大桥安全可靠运营前提下，使维护管理保持在相对较低的稳定水平，这是引进结构健康监测与安全评估系统的终极意义之所在。
（ii）充分利用好健康监测系统初期数据。
从当前实际应用的桥梁健康系统来看，健康监测系统本身的使用寿命难以保证，而在大桥投入使用初期健康监测系统各子系统工作状况较好，因此，我们认为应该充分利用这段时间实时健康监测系统所监测的结果，建立起大桥健康工作状态的数据库，为以后的损伤识别和评估提供强有力的依据，且通过这段时间的监测数据进行统计分析，找准桥梁各构件的变化趋势，建立起精确可靠的预测模式，为制定长期稳定的检查维护计划作准备。
（iii）保证关键测点数据的长期正常采集。
桥梁健康系统工作若干年后，一般都会有一个系统老化的问题，部分传感器和传输线路不能正常工作，造成数据不能正常采集。
切合当前实际情况，我们的思路是系统运行若干年后，要保证与桥梁安全直接相关的关键点仍然能正常运行，这些关键点是通过桥梁结构分析、实桥经验以及前期健康监测数据确定，在这些关键点选择耐久性好且易于更换的传感器，以确保该点数据的长期正常采集。
（iv）合理的选择与使用传感器。
从目前健康监测系统的传感器使用状况来看，有的传感器耐久性不够，使用一段时间后便停止工作。
通过对传感器的革新，目前传感器的耐久性已得到很大的提高，因此有了更多的选择余地，对于耐久性好和易更焕的传感器应优先选用；此外，制定科学的采集策略如定时采集和触发采集，以延长传感器的使用寿命。
（v）合理的布置测点。
测点的布置应遵循“安全优先、整体优先、静力优先、初值优先”的基本原则。
测点布设方案设计者必须对桥梁结构特点非常熟悉，且有丰富的桥梁检测和评估经验，这样才能把测点设在最合理最关键的位置，从而避免投资浪费和重要数据缺失。
（vi）选择最佳的测点布置时机。
目前有些桥梁健康监测系统往往在大桥建成后布设测点，有的在大桥运行一段时间后意识到其重要性后布设，有的则在出现裂缝或其它损伤后再进行测点布设，我们认为最佳的时间是在施工阶段阶段就进行测点布设。
在施工阶段即进行测点布设的健康监测系统工作状况较好、可靠性更高、发挥的实际效应更佳。
从研究现状和实际应用来看，健康监测系统的评估内容基本统一、评估理论日趋成熟。
通过对传感器的革新和自动远程监控技术的更新换代，桥梁结构健康监测与安全评价系统正向简单易装、经济可行、持久可靠的方向发展，并已在或将在包括江阴大桥、南京三桥、润扬大桥、苏通大桥以及阳逻长江大桥在内的世界许多大桥中得到应用。
从发展趋势来看，随着测控技术的发展，健康监测成本相对降低，而特大、复杂桥梁结构的病害显得愈发突出，桥梁结构健康监测与安全评价系统已开始逐渐成为大桥建设工程的一部分，正在兴建的湖北鄂东大桥、香港昂船洲大桥以及深圳西部通道大桥结构健康监测系统均在进行设计规划。
鄂东大桥将投资1300万用以建立大桥的实时健康监测系统，而包含大约1271个各类传感器的昂船洲大桥结构健康监测系统将会是世界上最具规模的大桥实时监测系统。
可以预计，桥梁结构健康监测与安全评价系统将在桥梁管理中发挥越来越大的作用，一个桥梁数字化时代正在来临。
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