文 張宇峰 楊迪

“一橋飛架南北，天塹變通途”，橋梁之力，橋梁之美，何其讓人驚嘆。然而，橋梁和人一樣，也會有“生老病死”。只有通過科學(xué)的檢測與監(jiān)測，才能及時、準確掌握橋梁技術(shù)狀態(tài)，保證其安全健康。

改革開放以來，我國橋梁建設(shè)取得了飛速發(fā)展，橋梁數(shù)量在2011年便已超過美國，成為世界第一橋梁大國。1990年至2018年間，我國新增橋梁總數(shù)占全世界的47%，年均新增公路橋梁2.57萬座。目前，我國已有超過87萬座公路橋梁，超過20萬座鐵路橋梁。

在跨徑排名世界前十的斜拉橋、懸索橋中，我國已“霸占”了一半以上的席位，蘇通長江公路大橋、港珠澳大橋等一批世界級橋梁的建成，更彰顯了我國橋梁建設(shè)的輝煌成就，它們代表著當今世界橋梁建設(shè)的先進水平，標志著我國從橋梁建設(shè)大國向世界橋梁建設(shè)強國轉(zhuǎn)變，如今，橋梁已成為我國最靚麗的國家名片之一。

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結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)發(fā)展歷史

文 同濟大學(xué)橋梁工程系教授、國際橋梁與結(jié)構(gòu)協(xié)會副主席 孫利民

結(jié)構(gòu)監(jiān)測概念古已有之，中國古塔上安裝的鈴鐺就兼具結(jié)構(gòu)強烈晃動時提醒游人撤離的預(yù)警功能。另外，中國的監(jiān)測傳感技術(shù)也源遠流長，漢代的古籍中就有對大氣溫度和風(fēng)速、風(fēng)向測量的記載。

1969年，Lifshitz和Rotem所寫的論文被視為闡述現(xiàn)代結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測理念——通過動力響應(yīng)監(jiān)測評估結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的第一篇論文。

1987年，英國在總長522米的三跨連續(xù)鋼箱梁橋Foyle橋上布設(shè)傳感器監(jiān)測大橋運營階段在車輛與風(fēng)載作用下主梁的振動、撓度和應(yīng)變等響應(yīng)，該系統(tǒng)是最早安裝的較為完整的健康監(jiān)測系統(tǒng)之一。其后，挪威的Skamsundet斜拉橋、丹麥的Faroe跨海斜拉橋和主跨1624米的Great Belt East懸索橋、加拿大的Confederation連續(xù)剛構(gòu)橋、日本的明石海峽大橋等大跨橋梁上也都相繼安裝了監(jiān)測系統(tǒng)。

1997年，我國香港的青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋等三座大橋上安裝了風(fēng)和結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)。隨后，內(nèi)地的東海大橋、虎門大橋、徐浦大橋、江陰長江大橋等橋梁上也建立了不同規(guī)模的結(jié)構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)。

輕則“減壽”，重則垮塌：橋梁傷病不得不防

橋梁建成通車只是實現(xiàn)其生命價值的起點，只有保證健康與安全，才能發(fā)揮其應(yīng)有的作用。在服役期內(nèi)，載荷疲勞效應(yīng)、環(huán)境腐蝕和材料老化等因素的耦合作用，都將不可避免地導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)損傷累積和抗力衰減，從而降低其抵抗災(zāi)變的能力，這些損傷如不能及時發(fā)現(xiàn)并得到修復(fù)，輕則將影響行車安全，縮短橋梁使用壽命，重則將導(dǎo)致橋梁突然破壞甚至垮塌。

在應(yīng)急管理部和交通運輸部組織的全國重點橋梁檢查和調(diào)研中，健康監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)和運行情況是一項重要檢查指標。由此可見，健康監(jiān)測技術(shù)正日益受到國家和社會的重視，其發(fā)展應(yīng)用也有望迎來突破性的進展。

要保證運營期橋梁的安全與健康，首先要準確把握橋梁當前的技術(shù)狀態(tài)及發(fā)展趨勢。從歐美發(fā)達國家經(jīng)驗與教訓(xùn)來看，經(jīng)濟高速發(fā)展期間建成的橋梁，往往存在技術(shù)力量稀釋、搶趕工期等問題，所以普遍存在嚴重隱患；與此同時，通常橋梁在建成20到30年后，也將進入病害多發(fā)期。在役長大橋梁安全與健康國家重點實驗室收集了國內(nèi)447座橋梁垮塌的案例，從其中184座有公開資料標明事故成因的案例來看，49%是由于運營期人為因素及管養(yǎng)不足所造成的。

目視檢查是橋梁檢測最傳統(tǒng)的方法，我國橋梁養(yǎng)護規(guī)范中，對橋梁進行技術(shù)狀況等級評定所依據(jù)的主要參數(shù)大多來自于目視檢查。

安全形勢，明顯好轉(zhuǎn)：事故呈現(xiàn)“低齡”特點

資料顯示，我國當前橋梁平均橋齡僅為18.2年（美國為43.2年），尚未進入高齡、高危期，普遍還很“年輕”，而且隨著近年來橋梁領(lǐng)域標準體系與管理制度建設(shè)日趨完善，設(shè)計、施工與管養(yǎng)技術(shù)快速發(fā)展，監(jiān)管力度不斷加強，危舊橋加固改建速度不斷加快，公路橋梁的安全形勢已發(fā)生較明顯好轉(zhuǎn)?！笆濉逼陂g，我國公路橋梁總數(shù)以年均3.6%的幅度逐年增長，危橋數(shù)量卻以年均4.45%的幅度不斷減少，橋梁安全事故總體處于下降態(tài)勢。

然而，值得重視的是，西南交大學(xué)者對我國70起橋梁事故進行分析的結(jié)果顯示，從開通到出現(xiàn)事故的平均時間僅為25年（低于同期對世界181座橋梁分析得出的29年這一平均時間）；在役長大橋梁安全與健康國家重點實驗室對我國100座運營期事故橋梁進行的統(tǒng)計分析也表明，發(fā)生事故時橋齡≥50年的不到15%，事故橋梁平均壽命僅為29.36年。

先天不足，后期缺養(yǎng)：老齡進程加速推進

考慮到我國上世紀80年代和90年代初修建的橋梁已開始大量進入重大維修養(yǎng)護期，管養(yǎng)壓力與安全風(fēng)險必然逐年加大，且當前一些橋梁在運營過程中已暴露出“先天不足”“后期缺養(yǎng)”等問題，系統(tǒng)地提升橋梁服役性能和安全保障能力已刻不容緩。

對比美國橋梁發(fā)展來看，其大規(guī)模建設(shè)期為上世紀50年代到70年代；1950年時，美國橋齡在30年以上的橋梁占比為17.5%，到1970年，這個數(shù)字已發(fā)展為37.7%，其工作重心也開始逐步轉(zhuǎn)向管養(yǎng)。2016年，美國橋齡在30年以上的橋梁占比為62.3%，其90%的經(jīng)費已用于養(yǎng)護維修，僅有10%的經(jīng)費用于新建。

2014年，我國橋齡在30年以上的橋梁占比為18.4%，根據(jù)當前建設(shè)情況和相關(guān)規(guī)劃推測，2034年，這一占比將增加為42.4%；2044年，將增加為62.7%。對比中美30年以上橋齡的橋梁占比可以發(fā)現(xiàn)，美國該比例從18%增長到60%，用了約60年，而中國只要大約30年，從這個角度來看，中國橋梁老齡化正在加速到來。

傳統(tǒng)模式，難當重任：技術(shù)研究走向“四化”

隨著橋梁數(shù)量增加、橋齡日增，橋梁管養(yǎng)壓力與資金缺口必然日益增大，以人工檢查、經(jīng)驗決策和糾正式養(yǎng)護為特點的傳統(tǒng)管養(yǎng)模式，將越來越難以滿足現(xiàn)代橋梁管養(yǎng)需求，為實現(xiàn)提質(zhì)、增效、降本的橋梁養(yǎng)護本質(zhì)需求，必然要求橋梁管養(yǎng)模式逐步轉(zhuǎn)向以精準決策和預(yù)防性養(yǎng)護為特色的智慧管養(yǎng)模式。而要實現(xiàn)智慧管養(yǎng)，首先必須準確掌握橋梁的技術(shù)狀態(tài)，先進的檢測與監(jiān)測技術(shù)，就是精準掌握橋梁技術(shù)狀態(tài)，進而保證橋梁安全與健康的重要手段。

隨著中國橋梁的不斷建設(shè)發(fā)展，巨大的存量和增量為橋梁健康和安全帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)，但同時也為橋梁檢測與監(jiān)測技術(shù)的實踐和創(chuàng)新帶來了前所未有的機遇。

隨著對橋梁的結(jié)構(gòu)要求、服役要求、以及長期性能要求的提高，對橋梁檢測與監(jiān)測及其相關(guān)的病害診斷與分析技術(shù)的研究呈現(xiàn)出新的趨勢，主要表現(xiàn)為深入化、集成化、標準化、智能化四大特征：

深入化

結(jié)構(gòu)損傷機理研究正逐步從微觀向宏觀、從短期向長期、從單因素向多因素耦合拓展。

圖1 我國100座運營期橋梁發(fā)生事故時橋齡分布統(tǒng)計圖

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、集成化程度正日益提高；健康監(jiān)測系統(tǒng)中傳感、采集與傳輸設(shè)備的高度集成將是大勢所趨；依托BIM平臺，設(shè)計、施工、檢測、監(jiān)測、養(yǎng)護、維修的信息將高度集成融合。

近年來，推進“平安百年品質(zhì)工程”的創(chuàng)新發(fā)展正成為交通行業(yè)的共同愿景?！捌桨舶倌辍?，顧名思義，必然要求一座大橋在其整個設(shè)計壽命中都健康安全，為此，科學(xué)檢測、監(jiān)測的重要性不言而喻。

標準化

不僅是傳統(tǒng)意義上的檢測、監(jiān)測、養(yǎng)護管理措施和質(zhì)量評定方法的標準化，也包括為實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通而快速推進的信息標準化工作。

智能化

云平臺、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和移動通訊技術(shù)的快速發(fā)展，已為橋梁檢測與健康監(jiān)測技術(shù)提供了重要技術(shù)支撐，隨著機理研究日益深入，數(shù)據(jù)積累日益增多，信息融合日益加強，以及大數(shù)據(jù)分析、云計算、機器學(xué)習(xí)等技術(shù)的進步，橋梁管養(yǎng)智能化研究正日益受到關(guān)注，檢測與監(jiān)測技術(shù)正在逐步融合，結(jié)構(gòu)病害的早期識別、趨勢推演、自動檢測評分、安全風(fēng)險自動排序、養(yǎng)護資金智能優(yōu)化配置、橋梁壽命預(yù)測等都將成為可能。

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我國大跨度橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)概況

文 同濟大學(xué)橋梁工程系教授、國際橋梁與結(jié)構(gòu)協(xié)會副主席 孫利民

目前，我國300米以上跨徑的斜拉橋、懸索橋中，至少有140座已安裝了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。一般特點如下：

一般來說，一個大跨度橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)由少則50個、多則300個以上的傳感器測點組成，其費用約占到橋梁總造價的0.5～2.0%；

監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計理念越來越側(cè)重于為橋梁的養(yǎng)護管理提供支撐，偏重監(jiān)測內(nèi)容和技術(shù)，而那些輕視測試數(shù)據(jù)處理和評價的設(shè)計方案，則越來越不易被橋梁業(yè)主所接受；

健康監(jiān)測系統(tǒng)本身的耐久性受到重視，傳感器和其他硬件應(yīng)具有可更換性，并且更換時不能影響到數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性；

成橋后的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)與施工控制的監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合，監(jiān)測數(shù)據(jù)內(nèi)容可前伸到施工階段；

結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估子系統(tǒng)和評估軟件的水平有所提高，更注重橋梁專家對橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測結(jié)果分析評估的介入。