姜順泉，婁 倩

中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430052

1 工程概況

蘇通大橋是主橋?yàn)?100+100+300+1088+300+100+100)m跨徑布置的雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，跨江大橋總長(zhǎng)8206m；雙向六車道高速公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，跨江大橋設(shè)計(jì)時(shí)速100km，南、北兩岸接線設(shè)計(jì)時(shí)速120km；主通航孔凈空891m× 62m，可滿足5 萬t 級(jí)巨輪通航需要。蘇通大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2008 年3 月底建成使用，大橋于2008 年6 月30日通車投入運(yùn)營，項(xiàng)目總投資64.5 億元。

2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目選取

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)項(xiàng)目可分為三類：荷載監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)響應(yīng)及自身特性監(jiān)測(cè)。荷載監(jiān)測(cè)主要為環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括風(fēng)荷載，大氣溫度、濕度，橋梁結(jié)構(gòu)溫度以及行車荷載等；結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)對(duì)象主要有支座變形和位移、主要結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)位移、結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布、結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變等；結(jié)構(gòu)自身特性主要有主梁、主塔振動(dòng)頻率和振型[1]。

2.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目選取原則

（1）選取決定橋梁結(jié)構(gòu)安全和使用特性的關(guān)鍵性重要構(gòu)件；（2）選取在正常運(yùn)營條件下受重復(fù)荷載作用易于疲勞損傷且不易更換的構(gòu)件；（3）根據(jù)氣候條件和地理環(huán)境，選取對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)受力影響較大的因素；（4）重點(diǎn)監(jiān)測(cè)異形結(jié)構(gòu)、特殊結(jié)構(gòu)；（5）綜合考慮結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)識(shí)別和結(jié)構(gòu)安全評(píng)估需求，使其服務(wù)于橋梁運(yùn)營和養(yǎng)護(hù)管理；（6）綜合考慮橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)可行性，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與定期監(jiān)測(cè)方法相結(jié)合；（7）為結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性研究與結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別積累數(shù)據(jù)做技術(shù)準(zhǔn)備。

2.2 橋梁健康監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)綜合應(yīng)用了現(xiàn)代傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、信號(hào)采集與處理技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、云計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)研究等眾多領(lǐng)域的知識(shí)，擴(kuò)大了橋梁檢測(cè)領(lǐng)域。蘇通大橋健康監(jiān)測(cè)主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目如表1 所示。

2.3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力及振動(dòng)特性

結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性如自振頻率、振型（各階模態(tài)）和阻尼比等參數(shù)對(duì)橋梁抗震（抗風(fēng)）設(shè)計(jì)、橋梁健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估、結(jié)構(gòu)損傷診斷等研究至關(guān)重要。理論上，通過精確求解目標(biāo)函數(shù)高階模態(tài)參數(shù)可以唯一確定結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性及其在外部激勵(lì)條件下的動(dòng)力反應(yīng)。在實(shí)際應(yīng)用中，橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別通過結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性來構(gòu)建損傷指標(biāo)或優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)算法的方法實(shí)現(xiàn)，其識(shí)別結(jié)果的可靠性在很大程度上取決于各階模態(tài)參數(shù)的求解精度，因而求解結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)是結(jié)構(gòu)損傷診斷和結(jié)構(gòu)安全評(píng)估的基礎(chǔ)。

表1 主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目原始數(shù)據(jù)及衍生參數(shù)

2.4 模態(tài)參數(shù)識(shí)別

傳統(tǒng)的系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)識(shí)別通過理論假設(shè)構(gòu)建已知系統(tǒng)，在特定的輸入（通常為人工激勵(lì)或機(jī)械加載等瞬時(shí)脈沖荷載）、輸出條件下求得結(jié)構(gòu)頻域響應(yīng)函數(shù)或時(shí)域脈沖響應(yīng)函數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)，然而對(duì)于現(xiàn)代化的大型土木結(jié)構(gòu)如大跨度橋梁及超高層建筑等復(fù)雜結(jié)構(gòu)而言，傳統(tǒng)方法不再適用。伴隨著計(jì)算機(jī)學(xué)科的不斷發(fā)展，高階模態(tài)迭代計(jì)算的求解精度不斷提高，基于環(huán)境激勵(lì)且僅由輸出數(shù)據(jù)識(shí)別系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)的方法逐步取代了傳統(tǒng)的方法，橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)（輸出）由安裝在各結(jié)構(gòu)部位的傳感器直接測(cè)得[2]。

早在20 世紀(jì)60 年時(shí)代，基于環(huán)境激勵(lì)條件下的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析研究已經(jīng)開始，經(jīng)過五十多年的不斷發(fā)展，各種模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法不斷涌現(xiàn)，其中代表性的方法有頻域分解法、ITD 法、最小二乘復(fù)指數(shù)法、NEXT 法、隨機(jī)減量法、隨機(jī)子空間法等。

3 結(jié)構(gòu)安全評(píng)估與預(yù)警

結(jié)構(gòu)安全評(píng)估與預(yù)警系統(tǒng)作為橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，同時(shí)也是系統(tǒng)服務(wù)于橋梁養(yǎng)護(hù)管理的紐帶，能夠綜合橋梁自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行統(tǒng)一處理分析、特征信息挖掘及以趨勢(shì)預(yù)測(cè)；同時(shí)，根據(jù)結(jié)構(gòu)預(yù)警系統(tǒng)來診斷和分級(jí)預(yù)警結(jié)構(gòu)異常狀態(tài)，按照結(jié)構(gòu)的評(píng)估模型綜合評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，并據(jù)此給出橋梁結(jié)構(gòu)的管養(yǎng)建議。結(jié)構(gòu)安全評(píng)估與預(yù)警系統(tǒng)通常具備以下功能：

（1）對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)挖掘，提取特征參數(shù)，進(jìn)行趨勢(shì)、模型對(duì)比分析，評(píng)估結(jié)構(gòu)損傷程度，診斷結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)。

（2）利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)修正結(jié)構(gòu)分析、建立結(jié)構(gòu)有限元模型，進(jìn)行橋梁運(yùn)營狀態(tài)分析和行車安全評(píng)定。

（3）預(yù)警指標(biāo)及分級(jí)預(yù)警體系明確，通過設(shè)置預(yù)警閾值，判斷和分級(jí)預(yù)警實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)信號(hào)，并利用預(yù)警情況記錄監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)完善報(bào)警閥值。

（4）通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析和分級(jí)預(yù)警，對(duì)結(jié)構(gòu)異常狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別、報(bào)警；記錄異常事件（如沖撞護(hù)欄事件）信息，生成預(yù)警記錄和報(bào)告。

（5）以圖表等形式直觀展現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果并給出明確的評(píng)估結(jié)果；自動(dòng)生成橋梁不同時(shí)期運(yùn)營分析報(bào)告，服務(wù)于各級(jí)管理人員。

（6）根據(jù)橋梁運(yùn)營異常狀況和安全評(píng)估結(jié)果，給出應(yīng)對(duì)措施和維修管理建議。

4 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 總體要求

（1）對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)挖掘，提取特征參數(shù)、分析結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力特性，通過趨勢(shì)、模型對(duì)比分析；綜合評(píng)估橋梁運(yùn)營狀態(tài)，定期給出結(jié)構(gòu)安全評(píng)估報(bào)告。

（2）建立計(jì)算模型，選取預(yù)警指標(biāo)和參數(shù)并設(shè)置預(yù)警閾值；對(duì)運(yùn)營期間的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷，當(dāng)識(shí)別報(bào)告中預(yù)警指標(biāo)或參數(shù)觸發(fā)預(yù)警閾值時(shí)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全使用狀況進(jìn)行綜合預(yù)警。

（3）結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)估，并生成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析和橋梁狀態(tài)評(píng)估報(bào)告。

（4）根據(jù)預(yù)警信息、評(píng)估結(jié)果和可能出現(xiàn)的橋梁異常狀況，給出相應(yīng)的對(duì)策和維護(hù)管理建議，優(yōu)化橋梁維修管養(yǎng)制度。

（5）預(yù)留數(shù)據(jù)接口，便于后期系統(tǒng)的升級(jí)擴(kuò)展和補(bǔ)充。

4.2 結(jié)構(gòu)預(yù)警設(shè)計(jì)要求

（1）建立結(jié)構(gòu)分級(jí)預(yù)警體系，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可能威脅到橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營安全的可變荷載，并在結(jié)構(gòu)響應(yīng)異常時(shí)發(fā)出預(yù)警，提醒運(yùn)營管理人員關(guān)注橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)。結(jié)構(gòu)預(yù)警包括橋梁關(guān)鍵構(gòu)件正常使用極限狀態(tài)預(yù)警，在風(fēng)載、車輛撞擊等作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)預(yù)警和承載能力極限狀態(tài)預(yù)警，通過合理選取結(jié)構(gòu)內(nèi)力、應(yīng)力、變形等參數(shù)建立監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)，設(shè)置預(yù)警閾值，構(gòu)建不同層級(jí)的預(yù)警體系。

（2）能夠?qū)崿F(xiàn)在線預(yù)警，對(duì)結(jié)構(gòu)主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)的力學(xué)指標(biāo)、環(huán)境參數(shù)進(jìn)行預(yù)警和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自身運(yùn)營狀況預(yù)警，預(yù)警級(jí)別可根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)損傷程度對(duì)行車安全的不同影響劃分為黃色預(yù)警、橙色預(yù)警、紅色預(yù)警等若干級(jí)別，其中黃色預(yù)警是超出正常使用狀態(tài)，紅色預(yù)警是超出設(shè)計(jì)極限狀態(tài)；對(duì)不同級(jí)別的預(yù)警事件給出相對(duì)的應(yīng)急預(yù)案，并通過語音提醒、短信等方式通知相關(guān)工作人員。

4.3 安全評(píng)估設(shè)計(jì)要求

結(jié)構(gòu)安全評(píng)估指對(duì)橋梁的服役性能和結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括通過各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析獲取結(jié)構(gòu)的服役狀態(tài)及其變化趨勢(shì)，掌握結(jié)構(gòu)的整體性能及其弱化規(guī)律；根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，結(jié)合巡檢、檢測(cè)各類信息、內(nèi)力狀態(tài)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性識(shí)別，對(duì)橋梁安全性評(píng)估、承載力評(píng)估、疲勞評(píng)估和其他專項(xiàng)評(píng)估（如臺(tái)風(fēng)、地震、船撞等）。實(shí)用的結(jié)構(gòu)安全評(píng)估體系通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行可量化分析，能夠生成不同運(yùn)營時(shí)期的安全評(píng)估報(bào)告，實(shí)現(xiàn)橋梁運(yùn)營安全評(píng)估全過程統(tǒng)一管理。

5 結(jié)束語

通過建立結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)橋梁運(yùn)營狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與安全評(píng)估，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)健康狀況的信息化管理和橋梁行車安全狀態(tài)的在線實(shí)時(shí)預(yù)警，為橋梁的運(yùn)營維修、養(yǎng)護(hù)管理提供決策依據(jù)和指導(dǎo)，確保交通行車安全，為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和交通運(yùn)輸安全提供保障。