[科普中国]-桥梁健康监测系统

背景

作为交通系统的组成部分，桥梁在人类文明的发展和演化中起到了重要作用。随着现代科技的发展以及运输需求的不断增长，大型桥梁（如跨海大桥、大跨度桥梁等）越来越多的出现在人们的视野中，这些桥梁造价动辄几亿甚至几十亿元，在交通、军事和社会生活等方面有着重要的战略意义。然而，桥梁在建造和使用过程中，由于受到环境、有害物质的侵蚀，车辆、风、地震、疲劳、人为因素等作用，以及材料自身性能的不断退化，导致结构各部分在远没有达到设计年限前就产生不同程度的损伤和劣化。这些损伤如果不能及时得到检测和维修轻则影响行车安全和缩短桥梁使用寿命，重则导致桥梁突然破坏和倒塌。据统计，如今在美国近60万座桥梁中性能不足和有功能缺陷的占28.6%。美国每年桥梁投资90%用于更新维修旧桥，只有10%用于新建桥梁。

我国现有公路桥5000余座，总长130万公里，1/3以上的桥梁都存在结构性缺陷、不同程度的损伤和功能性失效的隐患。近年来，我国陆续出现了多次重大桥梁事故。这些发生的事故与很多因素有关，但是缺乏有效的监测措施和必要的维修、养护措施是重要的原因之一。这些触目惊心的事故使得人们对现代桥梁的质量和寿命也逐渐关注起来。对桥梁结构进行质量检测和健康监测，已成为国内外学术界、工程界研究的热点。

传统的桥梁检测在很大程度上依赖于管理者和技术人员的经验，缺乏科学系统的方法，往往对桥梁特别是大型桥梁的状况缺乏全面的把握和了解，信息得不到及时反馈。如果对桥梁的病害估计不足，就很可能失去养护的最佳时机，加快桥梁损坏的进程，缩短桥梁的服务寿命。如果对桥梁的病害估计过高，便会造成不必要的资金浪费，使得桥梁的承载能力不能充分发挥。

系统概念桥梁健康监测的基本内涵即是通过对桥梁结构状况的监控与评估，为桥梁在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况异常严重时发出预警信号，为桥梁的维护维修和管理决策提供依据与指导。然而，桥梁结构健康监测不仅是为了结构状态监控和评估，其信息反馈于结构设计的更深远的意义在于，结构设计方法与相应的规范标准等可能得到改进。再有就是桥梁健康监测带来的不仅仅是监测系统和对某特定桥梁设计的反思，还可能并应该成为桥梁研究的“现场实验室”。桥梁健康监测为桥梁工程中的未知问题和超大跨度桥梁的研究提供了新的契机。由运营中的桥梁结构与其环境所获得的信息不仅是理论研究和实验室调查的补充，还可以提供有关结构行为和环境规律的最真实是信息。因此，桥梁健康监测不只是传统桥梁检测加结构评估新技术，而且被赋予了结构监控与评估、设计验证和研究与发展三方面的意义。

近年来，通信网络、信号处理、人工智能等技术的不断发展加速了桥梁监测系统的实用化进程。业界纷纷着手研究和开发各种灵活、高效、廉价、并且不影响桥梁结构正常使用的长期实施监测方法或技术。桥梁健康监测系统的部署和应用不单单具有重要的现实意义，还具有重要的研究价值，在推动和发展智能化、数字化和信息化桥梁工程中起到了积极的作用。

现状20世纪90年代，亚洲一些国家如日本、韩国等开始研究并在一些大型桥梁上安装健康监测系统。目前的桥梁健康监测系统的研究现状和一些特点主要表现在以下几个方面：

(1)通过布设在桥梁上的传感器能够测量并记录桥梁的行为。

(2)重视对桥址处环境的监测(温度、风、交通荷载等)。

(3)各系统都毫无例外的进行了桥梁动力加速度、速度的监测。

(4)由于科学技术的发展，特别是通讯技术和现代测量技术的发展，使得桥梁健康监测系统能够获取桥梁相对准确的信息，并且可以实现系统的大容量、网络化的数据自动采集、自动入库。

系统设计健康监测系统分成三个等级，即长期在线自动健康监测系统、定期离线健康监测系统和定期养护健康检测系统。长期在线自动健康监测系统是最高等级的健康监测系统，该系统适合于在特大跨径复杂桥梁结构和具有重大战略意义的关键桥梁上使用。该等级的桥梁健康监测系统具有如下的特点：传感器长期布设在桥梁上，并通过相应技术连接在一起，构成传感器子系统。各传感器的数据采集通过健康监测系统中心控制系统动态实时的下达采集指令，触发传感器的开关，实现数据采集。采集的数据经系统的数据通信系统直接自动进入健康监测中央数据库。桥梁管理部门和客户可以通过网络远程访问中央数据库并进行健康诊断。

目前此类系统，传感器数据采集及中央数据库等各子系统的连接还是通过数据线的连接。随着无线传感器技术的研制，无线健康监测系统有望实现。定期离线健康监测系统是长期在线自动监测系统的一种简化，最大的区别是定期离线健康监测系统的数据采集和管理是离线的、人工的。与长期在线自动健康监测系统相比，该系统省掉了数据的自动采集设备和软件，无需大量的数据线并避免了数据的长距离传输带来的数据精度的损失。该系统投资额度相对小，适合于一般重要的桥梁。而且，该系统在以后如果需要的话，可以直接升级为长期在线自动健康监测系统。

定期养护健康检测系统适合于一般桥梁和对整个路线沿线的所有桥梁的健康监测，该系统的功能和性质接近于一般桥梁的养护管理，可以这样描述：桥梁管理部门购置相应的桥梁检测设备，包括传感器及其相应的数据采集和处理软件、桥梁健康诊断软件。这些设备都存放于实验室，不长期固定在桥梁上。桥梁管理部门定期的利用这些设备对所辖桥梁进行健康检测。该系统最大的优点是可以监测多个桥梁的健康状况，同时设备容易维护、更换和更新。

设计准则桥梁健康监测系统的设计是实施桥梁健康监测的第一步。目前关于桥梁健康监测系统设计的标准、原则还没有统一的说法。本文结合国内外已经安装的桥梁健康监测系统的特点，探讨桥梁健康设计的一些原则。

从已经安装的桥梁健康监测系统中可以看出，这些桥梁健康监测的测点布置的数量、监测项目有很大差异。这种差异一方面来自于桥梁结构形式和所处地理环境的差异，另一方面来自于各健康监测设计的目的和投资额度的不同。桥梁健康监测系统的设计要遵循“因桥而异、因桥制宜、经济实用、稳定可靠”的16字原则。

因桥而异、因桥制宜。不同地区、不同桥梁结构形式的健康监测的内容是不一样的。不同地区的气候、地质环境会有很大差别，桥梁健康监测的一部分内容就包括对桥址处环境的监测，比如风、地震、温度等。

经济实用、稳定可靠。桥梁健康监测系统的实施费用是昂贵的，因此，投资额是制约桥梁健康监测系统规模和设备的重要因素。健康监测系统的设计应作效益．成本分析，设计出经济实用、稳定可靠的健康监测系统。

基于以上分析，建议在桥梁健康监测系统设计时遵循以下步骤：

(1)针对具体桥梁，确定监测系统的目的和功能。

(2)分析桥梁的结构特点、环境状况、运营情况，确定桥梁健康监测系统的监测项目。

(3)建立桥梁有限元模型进行结构静动力分析，确定应力相对不利的位置及动力分析结果，结合工程经验、结构特点及测点优化理论综合确定测点布置方案。

(4)结合投资额度，广泛调研现代测试技术的发展，确定各监测项目传感器的选型1。