劉守苗

（安徽省交通控股集團(tuán)有限公司養(yǎng)護(hù)管理中心,安徽 合肥 230000）

0 概述

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是以橋梁的檢測、監(jiān)控為主要內(nèi)容，通過信號處理、結(jié)構(gòu)分析、損傷識別和可靠性評估等綜合技術(shù)來評估結(jié)構(gòu)的健康和安全性。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)通常包括監(jiān)控系統(tǒng)和評價系統(tǒng)，其中包括系統(tǒng)規(guī)模、測試參數(shù)、系統(tǒng)集成等，以及對橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的好壞、系統(tǒng)運行情況以及對橋梁的安全性進(jìn)行評價。在大跨度橋梁的健康和安全監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)上，國內(nèi)的研究相對滯后。二十多年來，國內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和高?？朔酥T多艱難險阻，對大橋健康與安全監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了深入細(xì)致而又系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究，取得了不少成果，已初步具備了工業(yè)化的條件。隨著近些年來我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和超巨型橋梁的興建，國內(nèi)的橋梁施工技術(shù)已經(jīng)處于世界領(lǐng)先地位，而大跨度橋梁的健康和安全性的監(jiān)控工作仍有一定的空白。

1 橋梁健康系統(tǒng)部分案例

當(dāng)前，世界各國對已經(jīng)建成和正在建設(shè)的大型橋梁進(jìn)行了積極的探索：丹麥對1 726 m Faroe的斜拉橋進(jìn)行了工程建設(shè)和通車第一年的監(jiān)測；在主跨1 624 m的 Great Belt East大橋上，已經(jīng)開始了將極端狀態(tài)下的記錄與常規(guī)狀態(tài)記錄相分離的技術(shù)，以便減少存儲容量；墨西哥相關(guān)機(jī)構(gòu)對全長1 543 m的 Tampico斜拉橋進(jìn)行了動態(tài)性能檢測，并將其與常規(guī)振動實驗對比；挪威在 Skamsundet斜拉橋中，采用了一套自動測量風(fēng)、加速度、傾角、應(yīng)變、溫度和位移等自動監(jiān)控技術(shù)；1980年代末，英國在北愛爾蘭福耶爾大橋（三跨變高）鋼箱梁橋（主跨240 m，全長552 m）上，安裝用于監(jiān)測橋跨撓度、氣象資料、溫度應(yīng)變等的各種測量儀器和設(shè)備；加拿大的 Confederation大橋全長12.9 km，是一座在海洋中建造的箱梁橋，共45個孔洞，每個孔徑250 m，使用年限100年[1]。上海徐浦大橋已經(jīng)建成全面監(jiān)控體系，香港青馬橋梁也已經(jīng)全部安裝完畢。江蘇江陰長江高架橋在工程建設(shè)中采用了監(jiān)控系統(tǒng)，對工程運行過程進(jìn)行了實時監(jiān)控?；㈤T橋梁除了在工程中設(shè)置了主纜、主塔的拉索、塔體的應(yīng)力監(jiān)控之外，還在運行期內(nèi)設(shè)置了一個監(jiān)控鋼箱梁受力的傳感器和 GPS系統(tǒng)。目前，重慶大佛寺橋大橋監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)基本建成，如果能夠順利地研制出橋梁健康監(jiān)測技術(shù)，對于保證橋梁安全運行、延長橋梁的使用年限具有重要意義[2]。同時，及時檢測出橋面的異常情況，進(jìn)行逐級檢測和分析，采取有針對性的防范和處理方法，降低事故的發(fā)生概率。

2 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的定位

從監(jiān)測目標(biāo)、功能和系統(tǒng)的工作情況來分析，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)（如圖1所示）的主要特征是：

圖1 橋梁監(jiān)控系統(tǒng)

（1）利用傳感裝置對建筑物的各個反應(yīng)進(jìn)行檢測，獲得不同的結(jié)構(gòu)性能的反應(yīng)。

（2）除了對建筑物自身的狀況和性能進(jìn)行監(jiān)控之外，還著重于對諸如風(fēng)載、水流及海浪沖擊、車輛荷載等的結(jié)構(gòu)環(huán)境狀況進(jìn)行監(jiān)控，以求利用車輛及周圍荷載作用下的動態(tài)反應(yīng)，得到其特征的數(shù)據(jù)，發(fā)展即時的整體及安全評價技術(shù)。

（3）對開通后的結(jié)構(gòu)狀況進(jìn)行持續(xù)或周期性的監(jiān)控，以獲得大跨度的橋梁的連續(xù)和完全的信息。

（4）監(jiān)控體系具備信息采集、通信和處理的能力，并能夠在網(wǎng)上進(jìn)行信息的共享。

由于目前測試技術(shù)、信號提取技術(shù)和損傷評估等技術(shù)水平較高，橋梁健康和安全性監(jiān)測體系尚不能實現(xiàn)對大跨度橋梁各部分的全方位的綜合監(jiān)測和預(yù)警。當(dāng)前大部分的健康監(jiān)測都是一個單獨的系統(tǒng)，能夠完成數(shù)據(jù)的采集、處理、分析、狀態(tài)評估和預(yù)警，并未與維護(hù)管理相融合。所以橋梁的健康與安全預(yù)警系統(tǒng)與橋梁的維護(hù)、監(jiān)控和維護(hù)工作脫離了聯(lián)系，很難為橋梁的正常運行提供有效的保障。此外，橋梁健康與安全預(yù)警系統(tǒng)并沒有太高的針對性，有的只是作為一個工具，并沒有與現(xiàn)實需要相結(jié)合，會出現(xiàn)許多未預(yù)見到的問題，造成系統(tǒng)的資源消耗，乃至整個體系都無法正常運轉(zhuǎn)，所以要想讓健康監(jiān)控體系真正的功能得到最好的應(yīng)用，需要做到以下幾點：

（1）對施工中的橋梁進(jìn)行動態(tài)追蹤和監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)其存在的問題和質(zhì)量變化，評價和分析它在所處于的各種環(huán)境狀況下的發(fā)展態(tài)勢以及對結(jié)構(gòu)安全運行產(chǎn)生的潛在威脅，為養(yǎng)護(hù)需求、養(yǎng)護(hù)措施采用決策提供科學(xué)依據(jù)，從而利用最少的養(yǎng)護(hù)資金獲得最佳養(yǎng)護(hù)效果，達(dá)到保障結(jié)構(gòu)安全營運的目的。

（2）對建筑物的安全性警報設(shè)置。通過對橋梁結(jié)構(gòu)健康狀況和結(jié)構(gòu)安全可靠性的評價，可以為運營人員的安全風(fēng)險提供相應(yīng)的預(yù)警。在橋梁的運行狀況惡化到超出警戒范圍的情況下，能夠發(fā)出警告，提醒加固和維護(hù)；在橋面條件惡化到危及橋面安全的情況下，系統(tǒng)會發(fā)出預(yù)警，提醒檢測和修理[3]。

（3）為特定事故提供流量控制值。如臺風(fēng)、地震等特殊的情況，可發(fā)出警報，提醒經(jīng)營者進(jìn)行交通管制。

（4）論證設(shè)計階段、施工階段中各類設(shè)計假定及設(shè)計參數(shù)是否正確，以驗證設(shè)計與施工。通過對橋梁在長時間運行中的機(jī)械特性和物性變化的分析，可以為國內(nèi)的大跨度大橋進(jìn)行健康和安全性的監(jiān)控提供有價值的資料和參考。

3 現(xiàn)存制度中的問題

由于橋梁長期處于大氣腐蝕、溫度、濕度變化的工作環(huán)境（載荷作用頻率增加，材料和結(jié)構(gòu)的疲勞），橋梁結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)一定程度的破壞。隨著時間的推移，所有的橋都會變成舊橋，使用年限較久，其結(jié)構(gòu)必然會出現(xiàn)一定的損壞，需要進(jìn)行維修、加固和改造。為此，必須對其進(jìn)行科學(xué)地檢驗與評估，以確定其在使用過程中的狀態(tài)及承載量，分析病害及損傷原因，據(jù)此制定相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)與強化對策。近年來，我國的許多城市都在關(guān)注著橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)。例如，香港青馬大橋、廣州虎門大橋、上海徐浦大橋、江陰長江大橋，都安裝了相關(guān)的感應(yīng)裝置，用于在運行過程中的即時監(jiān)控，搜集有關(guān)的物理、機(jī)械參數(shù)以及周圍的環(huán)境因素。同時，也期望能夠及早發(fā)現(xiàn)橋梁的損傷情況，降低橋梁維護(hù)成本，從而達(dá)到改善橋梁整體使用效果的目的。由于結(jié)構(gòu)的形態(tài)和作用日益復(fù)雜化，其安全性也日益引起人們的重視，因而對其進(jìn)行健康檢測和監(jiān)測成為十分關(guān)鍵的問題。當(dāng)前，目前國內(nèi)外開發(fā)的系統(tǒng)組成及功能主要由如下三個部分組成：

（1）收集各構(gòu)件的數(shù)據(jù)，掌握各構(gòu)件的變化，其中包含各類傳感器及相關(guān)的測量設(shè)備。

（2）數(shù)據(jù)處理分析，大部分采用微型計算機(jī)，編寫各種數(shù)據(jù)分析處理和簡單預(yù)測預(yù)警的各種軟件。

（3）資料通信及傳送，此部分的功能，多用于連結(jié)于實況收集與背景資料。

該體系主要承擔(dān)部分監(jiān)控工作，為管理者在某種意義上的建筑安全性提供了依據(jù)。但是，它仍有很多缺陷，需要進(jìn)一步完善。比如，對數(shù)據(jù)采集的參數(shù)可靠性不高；其分析的作用不完整，很難得出確切的結(jié)果等。所以，橋梁安全健康監(jiān)控裝置通常設(shè)置在獨立的大型橋上，監(jiān)測處于安全狀態(tài)下的安全隱患，是一種行之有效的輔助手段。因此，在橋梁安全監(jiān)控中，可以對橋梁的反應(yīng)進(jìn)行實時監(jiān)控，如果橋梁的狀態(tài)超出了警戒線，或者由于船舶撞擊、車輛撞擊、地震等事故，引起橋梁事故，可以向管理人員報告有關(guān)信息?，F(xiàn)有的橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控體系無論從整體的規(guī)劃設(shè)計、監(jiān)控與故障診斷等方面，都還具有一定的缺陷。

3.1 系統(tǒng)總體規(guī)劃存在的缺陷

（1）缺少行之有效的最優(yōu)算法，使得測量數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)冗余量大、規(guī)模大?，F(xiàn)有的橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控體系中，監(jiān)控的項目類型偏少，且各監(jiān)控的范圍太廣，特別是監(jiān)控資料的管理，尚未建立起一套完整的信息儲存和管理查詢體系，許多監(jiān)控資料未得到合理的處理和使用。

（2）缺少對結(jié)構(gòu)特性變化的敏感性參量進(jìn)行有效的分析。近年來，國內(nèi)外關(guān)于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控的研究多以整體和損傷辨識為主，以地震為基礎(chǔ)的整體評價技術(shù)在航天、機(jī)械等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到重視，許多橋梁工程師都在努力將其引入到橋梁結(jié)構(gòu)中，并對其進(jìn)行了大量的探討。造成這種現(xiàn)象的原因有：①結(jié)構(gòu)與環(huán)境中的不確定性和非結(jié)構(gòu)因素的影響；②測量資料缺乏；③檢測方法的限制；④測量精度不夠準(zhǔn)確，測量的信號有噪聲的影響；⑤由于橋梁的構(gòu)造冗余，以及對結(jié)構(gòu)破壞的檢測不靈敏等原因[4]。

（3）缺少對橋梁監(jiān)控制度的規(guī)范指引。在現(xiàn)行的大跨徑大橋的安全性評價上，仍然沿用傳統(tǒng)的小型、中型跨徑大橋的等級評定。該方法是以橋梁的表面狀況和正常的工作狀況為基礎(chǔ)，通過對其進(jìn)行定性和初步的評估，迫切需要建立具有較高的適用性和針對性的評估體系。

（4）重自動監(jiān)測，輕人工檢查。由于傳感器的智能化、采集設(shè)備的自動化程度越來越高，人們對橋梁健康監(jiān)控的過度重視，而忽略了人工檢測。根據(jù)不完全的資料，在我國橋梁健康監(jiān)督體系建立的早期（1999—2005)，僅有20%的監(jiān)測機(jī)構(gòu)將人工檢測納入健康監(jiān)督體系中，而在2006—2015年已建成的監(jiān)測體系中，這個比例已經(jīng)達(dá)到了50%，但是，僅有不到三分之一的監(jiān)測體系制定了具體的人工檢測戰(zhàn)略和計劃。

3.2 技術(shù)方面的缺陷

從目前的橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控與故障診斷方面，存在著許多技術(shù)問題。

（1）在橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)控與故障檢測中，應(yīng)采用盡量少的傳感器來獲得更多的健康信息數(shù)據(jù)。

（2）針對橋梁的特點，研制出一種適用于橋梁結(jié)構(gòu)的特殊傳感器，對其進(jìn)行識別是至關(guān)重要的。影響橋梁質(zhì)量的主要因素是測量儀表的準(zhǔn)確性和工作效率。

4 有待深入研究的工作

通過對一些橋梁的實際調(diào)查和一些具體的施工經(jīng)驗，認(rèn)為當(dāng)前的橋梁健康和安全測試體系需要從以下幾個角度進(jìn)行深入探討。

4.1 損傷診斷技術(shù)研究

橋梁安全監(jiān)控和狀況評價體系的建立還處在初步的探討階段，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，動態(tài)和靜態(tài)判別技術(shù)都是獨樹一幟的，兩者相結(jié)合是一條可行的思路。針對大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)的振動故障診斷技術(shù)需要深入的探討，主要有：①系統(tǒng)的誤差和不確定的因素對其造成的不利后果；②橋梁子結(jié)構(gòu)法在損傷診斷中的應(yīng)用；③發(fā)展新動力指紋；④逐步開發(fā)橋梁運行工況檢測和辨識技術(shù)。

4.2 科學(xué)化管理和養(yǎng)護(hù)

實時管理可以及時找出橋梁結(jié)構(gòu)的早期病害并安排處置和維護(hù)。如上所述，斜拉索是斜拉橋最為關(guān)鍵的承重構(gòu)件，為確保大型橋梁滿足100年設(shè)計壽命，在運行期間出現(xiàn)的鋼絲腐蝕斷裂、錨端松弛，都會造成橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)安全問題，應(yīng)及時更換纜索。對于換電纜的時間和規(guī)模的選擇，通常的處理方法是參照工程中換電纜周期平均為20年的階段性檢驗結(jié)果和經(jīng)驗估計。由此能夠看出，這種管理模式在電纜交換時機(jī)的選擇上具有突出的滯后性，并且因為從生產(chǎn)、安裝、施工到運行階段，我們不知道電纜的實際受力變化情況，電纜交換對象和數(shù)量的選擇是盲目的、不經(jīng)濟(jì)的、不科學(xué)的。想要處理這一問題，就應(yīng)該把握斜拉索的全壽命受力狀態(tài)。

5 結(jié)論

根據(jù)橋梁監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計思路，一套行之有效的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各種數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、構(gòu)件預(yù)警、整體狀態(tài)評估等多個方面的集成。盡管目前的研究還存在一些缺陷和需要改進(jìn)的地方，但是研究的發(fā)展方向還是很積極的。從原理上講，要實現(xiàn)橋梁健康監(jiān)測的可能性，就必須要有更多的預(yù)測手段。對于一個特定的構(gòu)造，使用不同的檢測方式得出的結(jié)果都不會有太大的偏差，以我國當(dāng)前的檢測水準(zhǔn)來看，檢測系統(tǒng)還是很不理想的。為此，必須對目前的橋梁監(jiān)控體系進(jìn)行全面的改造，以便能夠及時準(zhǔn)確地判斷出在橋梁使用中發(fā)生的各種不正?，F(xiàn)象，為橋梁的實時監(jiān)控提供一套完整的信息服務(wù)平臺。此外，我國的橋梁健康和安全監(jiān)控體系損傷的考慮不僅僅是單方面的，還需要多角度進(jìn)行分析。