李鵬程

（新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

管理施工

橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)及其發(fā)展

李鵬程

（新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

分析了橋梁健康監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)功能和監(jiān)測(cè)目的，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成和監(jiān)測(cè)內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)。綜述了我國橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用概況，最后提出橋梁健康監(jiān)測(cè)發(fā)展的新技術(shù)和新理論，包含傳感傳輸技術(shù)的創(chuàng)新和損傷診斷、大數(shù)據(jù)處理及災(zāi)害預(yù)警理論的研發(fā)。

橋梁；健康監(jiān)測(cè)；發(fā)展概況；傳感器

0 引言

橋梁是交通基礎(chǔ)設(shè)施的生命線節(jié)點(diǎn)工程，隨著我國橋梁建設(shè)的深入，如何在運(yùn)營期通過有效的管理和養(yǎng)護(hù)工作，有效保障橋梁的服役安全和使用性能，是21世紀(jì)橋梁的重要挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的橋梁評(píng)估，是通過簡(jiǎn)單的人工手段進(jìn)行橋梁檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，然和給出相關(guān)的加固和維護(hù)建議，然而，這種技術(shù)手段已經(jīng)無法滿足目前橋梁養(yǎng)護(hù)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(shù)的發(fā)展，橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，該技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)測(cè)取橋梁的服役狀態(tài)，從而為準(zhǔn)確評(píng)估橋梁性能提供數(shù)據(jù)與技術(shù)基礎(chǔ)。重大橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是改善橋梁運(yùn)營狀態(tài)、確保橋梁服務(wù)水平的根本措施。目前，大型橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)理論及技術(shù)已成為橋梁工程學(xué)術(shù)界、工程界及管理部門等共同關(guān)注的焦點(diǎn)。

本文探討橋梁健康監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)功能，并剖析健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成要素和內(nèi)容，總結(jié)我國橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r。最后，系統(tǒng)分析橋梁健康監(jiān)測(cè)的新理論和新技術(shù)，展望未來橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的難點(diǎn)和要點(diǎn)。

1 橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目的及功能

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不只是傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)加結(jié)構(gòu)評(píng)估技術(shù)，而是被賦予了新的意義，一般來說，橋梁健康監(jiān)測(cè)需要達(dá)到如下三個(gè)目的：（1）設(shè)計(jì)驗(yàn)證：通過健康監(jiān)測(cè)所獲得的實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜力響應(yīng)驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算理論與結(jié)果；（2）支持養(yǎng)護(hù)管理決策：結(jié)合結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估和損傷識(shí)別理論對(duì)健康監(jiān)測(cè)所獲得的實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜力響應(yīng)做出技術(shù)判斷，并考慮工程經(jīng)濟(jì)等多方面因素，得到合理的養(yǎng)護(hù)決策；（3）研究發(fā)展：通過健康監(jiān)測(cè)所獲得的實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜力響應(yīng)還可為橋梁工程中的未知問題的研究提供契機(jī)，如力學(xué)理論、環(huán)境荷載的建模和控制與評(píng)估技術(shù)等。

為了實(shí)現(xiàn)上述監(jiān)測(cè)目的，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要具備如下功能：及時(shí)監(jiān)測(cè)，自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境條件和橋梁響應(yīng)并直觀顯示結(jié)果；自動(dòng)預(yù)警，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下反應(yīng)的實(shí)測(cè)值與理論值間的關(guān)系，對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷情況進(jìn)行識(shí)別和技術(shù)狀態(tài)評(píng)估，并對(duì)結(jié)構(gòu)異常緊急預(yù)警；長期連續(xù)監(jiān)測(cè)，記錄結(jié)構(gòu)狀態(tài)及長期變化趨勢(shì)。

2 橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成與監(jiān)測(cè)內(nèi)容

一般情況下，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含如圖1中的四個(gè)子系統(tǒng)，并通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系工作。

圖1 健康監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

這四個(gè)子系統(tǒng)分別是：（1）傳感器系統(tǒng)：包括位移計(jì)、加速度計(jì)、水平儀、溫度計(jì)、風(fēng)速風(fēng)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(hào)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋唬?）信息處理和分析系統(tǒng)：包括專業(yè)分析軟件、高性能計(jì)算設(shè)備等；（4）評(píng)估控制系統(tǒng)：針對(duì)監(jiān)測(cè)采集結(jié)果，結(jié)合橋梁專家意見，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行橋梁狀態(tài)的評(píng)估，并給出有關(guān)建議。以東海大橋健康監(jiān)測(cè)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(píng)估系統(tǒng)，離線評(píng)估系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)預(yù)警系統(tǒng)。

在上述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下，主要對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)如下狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)：正常環(huán)境與交通荷載作用下的結(jié)構(gòu)物理與力學(xué)狀態(tài)；橋梁附屬結(jié)構(gòu)和設(shè)施如支座、伸縮縫等的工作狀態(tài)；結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性；橋梁所處環(huán)境條件等。因而，橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要的監(jiān)測(cè)內(nèi)容是：氣象環(huán)境如溫度、濕度等；結(jié)構(gòu)位移如主梁和索塔位移；構(gòu)件應(yīng)力和內(nèi)力如鋼梁應(yīng)變、索力等；伸縮縫位移、支座變形、墩臺(tái)沉降等；結(jié)構(gòu)動(dòng)力和構(gòu)件疲勞等。

3 我國橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展概況

隨著我國橋梁技術(shù)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)輕柔，跨徑大，超靜定，結(jié)構(gòu)狀態(tài)較難識(shí)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(guān)重要。因此，這些橋梁的建設(shè)，也對(duì)其建成后的養(yǎng)護(hù)和管理工作提出了更高的要求。由于大跨徑橋梁運(yùn)營期間所面臨的復(fù)雜環(huán)境作用，如爆炸、船撞、重載車流、極端風(fēng)荷載等偶然作用，也有疲勞荷載和可變作用形成的結(jié)構(gòu)耐久問題，需要有行之有效的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)掌握橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，并提出優(yōu)化的、針對(duì)性的管理和維護(hù)措施，保證橋梁運(yùn)營性能?；诖?，橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

目前，我國已有140余座大橋安裝橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，遍及各種橋型[3]?？偨Y(jié)這些橋梁的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要有以下五大特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)：（1）傳感器多，經(jīng)濟(jì)性顯著。一般而言大跨度橋梁的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)至少由100以上傳感設(shè)備，其造價(jià)占比一般達(dá)到橋梁總造價(jià)的0.5%～1.0%；（2）以橋梁管理和維護(hù)為目的，橋梁監(jiān)測(cè)的目的就是獲得橋梁狀態(tài)，以優(yōu)化管理和維護(hù)措施，保障橋梁性能；（3）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需具備可更換和可維護(hù)性；（4）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開始延伸到施工狀態(tài)，形成施工與運(yùn)營一體化的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；（5）雖然橋梁監(jiān)測(cè)可以做到自動(dòng)化和智能化，但對(duì)于監(jiān)測(cè)結(jié)果的評(píng)估，還需要橋梁專家的介入，以準(zhǔn)確評(píng)估監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的真實(shí)性和合理性。

在上述健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)下，探索新技術(shù)新理念，將監(jiān)測(cè)獲得的大數(shù)據(jù)真正用于有效的橋梁管理和維護(hù)中，非常重要。

4 橋梁健康監(jiān)測(cè)的新理論和新技術(shù)

橋梁健康監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的新理念?，F(xiàn)有橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般用于單座大型橋梁，是針對(duì)單一橋梁的項(xiàng)目級(jí)系統(tǒng)，通過監(jiān)測(cè)儀器和軟件系統(tǒng)以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)為主。橋梁管理系統(tǒng)適用于城市和公路橋梁管理，是針對(duì)橋梁群體的網(wǎng)絡(luò)級(jí)系統(tǒng)，以常規(guī)檢測(cè)為主。

傳感器優(yōu)化布設(shè)技術(shù)：減少傳感器的數(shù)量，優(yōu)化其布設(shè)位置對(duì)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(shù)。全壽命集成：健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)涉及全壽命周期，前伸到設(shè)計(jì)、施工階段，后續(xù)至養(yǎng)護(hù)管理階段，基于性能進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。傳感技術(shù)可行性（耐久性）：傳感器能否耐久，并及時(shí)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的變化是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮的重要事項(xiàng)。

4.1 傳感傳輸技術(shù)

從監(jiān)測(cè)內(nèi)容上看，傳感傳輸領(lǐng)域包含變形、位移的測(cè)量，拉索銹蝕的檢測(cè)，疲勞監(jiān)測(cè)等的新技術(shù)。另外，傳感器技術(shù)，無線傳輸技術(shù)，健康監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)功耗管理技術(shù)以及狀態(tài)監(jiān)測(cè)可視化及評(píng)估輔助技術(shù)都屬于該領(lǐng)域研究的新技術(shù)。

經(jīng)過長期的研究與改進(jìn)之后，機(jī)敏網(wǎng)仿生裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)、準(zhǔn)直點(diǎn)激光投射式撓度監(jiān)測(cè)技術(shù)、基于GPRS/GSM的遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)、橋梁健康監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)功耗管理技術(shù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)可視化及評(píng)估輔助技術(shù)的硬件技術(shù)和軟件技術(shù)都已成熟，并且已經(jīng)走向市場(chǎng)[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(cè)新傳感器技術(shù)

4.2 數(shù)據(jù)處理、識(shí)別、評(píng)估、預(yù)警理論

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

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

結(jié)構(gòu)性能評(píng)估：影響橋梁結(jié)構(gòu)性能的因素眾多，這也是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵難點(diǎn)。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，目前可以應(yīng)用多種數(shù)理方法用于評(píng)估橋梁的結(jié)構(gòu)性能，例如模糊綜合評(píng)價(jià)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、及基于結(jié)構(gòu)可靠度的方法，目的都是利用監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)，分析橋梁的結(jié)構(gòu)性能。

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

4.3 技術(shù)與理論瓶頸

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)這方面的研究雖然已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但是依然存在一些問題：首先，橋梁是由多種材料、多樣構(gòu)件形成的復(fù)雜超靜定結(jié)構(gòu)體系，各個(gè)構(gòu)件的剛度特性都不一樣，這就形成了構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)、易損性、剛度及動(dòng)力特性等差別很大，在受損狀態(tài)下，通過監(jiān)測(cè)結(jié)果，較難高效地識(shí)別損傷位置和損傷程度，也很難通過某一監(jiān)測(cè)結(jié)果或者指標(biāo)去評(píng)估整體結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。其次，實(shí)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(yù)想的結(jié)構(gòu)狀態(tài)存在很大差別，這就是個(gè)采用數(shù)值建模的橋梁模型并不一定能夠完全反應(yīng)實(shí)際的橋梁狀態(tài)，這給橋梁的狀態(tài)識(shí)別帶來很高的難度，另外大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)存在顯著的非線性特征，這種非線性對(duì)于橋梁的受力和損傷分析，也是非常復(fù)雜的。最后，目前的測(cè)試設(shè)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(zhǔn)確率的測(cè)試設(shè)備和傳感器，對(duì)于準(zhǔn)確獲取橋梁響應(yīng)具有重要意義。

5 結(jié)論

隨著我國橋梁建設(shè)的發(fā)展，無論是既有橋梁還是新建橋梁，對(duì)橋梁狀態(tài)評(píng)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(cè)技術(shù)的基本狀況，通過對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能、目的、監(jiān)測(cè)內(nèi)容等定義與分析，結(jié)合我國目前橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展概況，提出健康監(jiān)測(cè)技術(shù)未來發(fā)展的關(guān)鍵方向，包括傳感技術(shù)的開發(fā)和監(jiān)測(cè)理論和研究，真正將健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更有效地服務(wù)于橋梁的管理和維護(hù)中。

[1]胡正濤.淺談橋梁健康監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)成及其進(jìn)展[J].橋梁建設(shè),2009(S2):7-12.

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

[4]俞姝穎,吳小兵,陳貴海,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在橋梁健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].軟件學(xué)報(bào),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(yù)計(jì)會(huì)提前通車試運(yùn)行。

京沈高鐵沿線多山地丘陵，所以在建設(shè)時(shí)大量采用以橋代路的方式，最大限度減少對(duì)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(shè)橋梁131座，隧道39座，橋隧比高達(dá)72%。

京沈高鐵遼寧段今年計(jì)劃完成朝陽北站、阜新北站站房等重點(diǎn)站房的主體結(jié)構(gòu)。此外，還將完成全線無砟軌道鋪設(shè)工程、全線鋼軌鋪設(shè)工程、全線電力貫通電纜鋪設(shè)工程和全線接觸網(wǎng)架設(shè)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(yù)計(jì)2019年建成通車。屆時(shí)，北京至沈陽的旅行時(shí)間將縮短至2.5 h左右。

京沈高鐵遼寧段預(yù)計(jì)會(huì)提前通車試運(yùn)行。通車后，沈陽至阜新、朝陽將開行城際動(dòng)車，運(yùn)行時(shí)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(shè)計(jì)工作。