大型桥梁结构监测系统应用现状分析与展望

许懿

（浙江宁波甬台温高速公路有限公司，浙江宁波 315040）

0 引言

近二十年来，我国桥梁建设取得了世人瞩目的成就，一批结构新颖、技术难度高的大跨径悬索桥、斜拉桥相继建成。但随着跨度的增大，许多问题随之而来，其中安全性问题尤为突出。当桥梁出现损伤，如果不及时准确地对损伤进行检测与修复，将危及人民群众的人身安全，给国民经济造成重大损失。因此，为了确保大跨桥梁结构的科学、安全、高效地运营，我国一些大跨桥梁设置了结构健康监测系统，如江阴长江大桥、香港青马大桥、润扬长江大桥、东海大桥、杭州湾跨海大桥、舟山跨海大桥、嘉绍大桥等。结构动态健康监测系统随着桥梁投入运营时间的推移在桥梁全寿命期内将逐步积累产生大量的监测数据和图像信息，但是如何对这些不同历史阶段采集的数据进行有效提取、处理和分析利用，获得反映大桥结构受力状态的代表性动、静力指纹，并定期对结构的运营安全进行评估，已逐渐成为桥梁工程领域的研究热点。

舟山跨海大桥，是国家高速公路网甬舟高速公路（G9211）的重要组成部分，舟山跨海大桥全长约50 km，总投资超过130亿元，于2009年12月25日正式通车。整个跨海大桥由金塘大桥、西堠门大桥、桃夭门大桥、响礁门大桥和岑港大桥五座跨海大桥及接线公路组成。西堠门大桥是五座跨海大桥中技术要求最高的特大型跨海桥梁，主桥为两跨连续钢箱梁悬索桥，主跨1 650 m，单跨长在悬索桥中居世界第二、国内第一，也是目前世界上首座双箱分体式钢箱梁悬索桥，设计通航等级30 000 t。金塘大桥主通航孔为主跨620 m五跨钢箱梁斜拉桥，主通航孔设计通航等级50 000 t。在大桥建设之初，基于交通运输部以及浙江省交通运输厅关于大型桥梁运营期结构安全的信息化监管要求，已设计并构建了基于动态实时监测的桥梁健康监测系统，目标是服务于桥梁管养，实时监管并掌握大桥代表性构件的结构使用状态，从而达到科学合理地评估全桥结构安全的目的。

经过四年多的实际应用，整套健康监测系统在保障结构安全高效运营方面提供了宝贵的原始数据，特别是在特殊事件作用后（如台风等）,依托监测系统所获得原始数据,通过分析及时对结构中关键构件的结构响应做出较为准确地评价，使管养单位能够及时掌握结构的受力状态。但是，监测系统在结构整体性能评估方面与大桥管理单位的实际需求和期望还有一定的距离。例如，如何基于监测系统所获的海量原始数据，对大桥结构受力状态进行整体评估，有待于进一步研究完善。针对上述问题，笔者通过资料查阅和实地考察，对国内外大型桥梁结构监测系统应用现状进行了分析，提出了系统应用过程中存在的问题，展望了桥梁结构监测系统应用的研究方向。

1 结构监测系统应用现状分析

近年来，欧美地区的美国、丹麦、英国、德国和芬兰等国家在对结构监测系统应用方面进行了许多基础性研究，特别是在基于概率的理论分析方面取得了较多的成果，包括一次二阶矩法、二次二阶矩法、事件树法等，基本都可归属于理论分析范畴，但这些方法，要在国内实际工程推广应用较难；日本在对大型桥梁管养方面，主要是依赖人工巡检获知桥梁相关信息，而一般把结构监测系统是作为辅助工具，在桥梁结构上安装的传感器数量一般较少。因此，日本的监测系统数据专项分析研究的相关报道也很少。

从现有的研究成果来看，在利用桥梁健康监测系统所获海量数据开展结构受力状态评估方面目前研究成果比较丰硕的有两座大桥：香港青马大桥和润扬长江大桥，此外其它一些大跨径桥梁（如：苏通长江大桥、江阴长江大桥等）也针对监测系统所获数据开展了结构性能评估方面的研究工作，下面分别从香港青马大桥、江阴长江大桥和其它大桥三方面具体介绍研究成果。

1.1 香港青马大桥

香港理工大学徐幼麟教授等学者在香港特区政府研究资助局资助项目（项目编号：B.31.37.Q514）、国家自然科学基金（项目编号：50178019）等科研项目的资助下，以青马大桥结构监测系统所获海量数据为研究对象，从原始数据的梳理、筛选和分析，到结构有限元模型的建立，再到针对不同事件（如台风、大风天气等）下结构受力性能分析评估，开展了大量的研究工作。研究成果主要包括：有限元模型建立方法、有限元模型分析方法以及疲劳状态评估方法等。

（1）初始有限元模型建立。青马大桥建模时将整个结构划分为四大部分：钢主梁、桥墩和桥塔、缆索系统和衔接构件、整体结构。单元类型根据构件受力行为和特点进行选取，并根据研究目的不同采用针对性的有限元模型，如三维空间杆系有限元模型、全三维混和有限元模型、部分三维多尺度有限元模型以及部分三维实体有限元模型等。

（2）有限元模型分析方法。主要有精细化计算方法和工程计算方法：精细化计算方法主要采用模态叠加法考虑风-车-桥耦合作用进行精确有限元分析，但该方法计算效率较差；工程计算方法采用影响线加载单独考虑每种荷载的作用，再进行线性叠加，该方法在满足工程精度要求基础上能大幅提高计算效率。

（3）疲劳状态评估方面。明确了疲劳分析的具体步骤，首先对青马大桥整体结构进行有限元分析，明确易产生疲劳的构件及其应力分布情况；其次通过局部应力分析以确定热点处的应力集中系数；接着确定关键位置处的应力范围和平均应力；最后通过裂缝初始阶段的疲劳损伤分析或裂缝发展期的裂缝发展分析确定疲劳损伤的状态和结构剩余使用寿命。

除以上介绍的主要研究成果外，还有一些学者在青马大桥结构监测系统的安全评估方面开展了研究工作，如：a.针对青马大桥经历“约克”台风的背景，详细分析了在大风荷载作用下的结构响应，并与理论分析结果进行了对比，对于差异较大的数据简要分析原因；b.利用温度瞬态分析方法研究了青马大桥的温度场分布和相应的结构响应情况；c.利用监测系统所获数据评估了桥梁结构的使用状态，其中亮点之处在于利用小波多分辨率离散方法将车辆荷载引起的应力从原始应力数据中分离出来等等。

1.2 润杨长江大桥

东南大学李爱群教授及其科研团队2008年承担了国家杰出青年科学基金项目“结构健康监测”（项目批准号：50725828），该项目重点开展桥梁健康监测海量数据分析与评估研究。项目以润扬大桥悬索桥和润扬大桥斜拉桥健康监测海量数据（主要包括风、温度等环境作用数据以及主梁梁端位移、应变和振动等结构响应数据）为主要研究对象，研究解决大跨斜拉、悬索桥梁健康监测海量数据处理分析与评估各项关键技术，形成了系统的桥梁健康监测海量数据分析和评估理论、方法和技术体系。其中，对本课题具有借鉴意义的研究成果主要包括：外荷载监测数据分析技术、结构有限元模型建立和修正关键技术、基于监测数据的结构模态识别技术、基于监测数据的钢箱梁疲劳损伤评估技术以及基于梁端位移监测数据的伸缩缝健康状态评价技术等。

（1）外荷载监测数据分析技术。主要针对润扬大桥斜拉桥和悬索桥钢箱梁温度场数据、日常风监测数据和多次台风监测数据进行研究，建立钢箱梁横截面的全寿命温度场和模拟润扬悬索桥桥址区的三维脉动风场。

（2）结构有限元模型建立和修正关键技术。悬索桥模型分为六大部分：主梁结构、主塔结构、主缆系统、吊杆系统、中央扣结构和边界连接条件；斜拉桥模型分为四大部分：索塔、斜拉索、主梁结构以及边界条件。面向不同的研究目标，采用三种不同精度模型（脊骨梁模型、壳单元常规模型以及精细壳单元模型）进行模拟。对于悬索桥有限元模型的修正，首先利用裸塔的现场模态测试信息对索塔的有限元模型进行三个阶段的修正：模型阶次误差修正（单元数确定方法）、模型结构误差修正（节点刚域模拟方法）和模型参数误差修正（构件材料和截面特性参数修正方法）。其次在修正后的桥塔模型基础上，采用优化算法，并结合竣工实验中主梁动力和静力信息，对全桥有限元模型进行修正。

（3）基于监测数据的结构模态识别技术。采用最大熵谱分析代替传统功率谱分析识别结构模态频率，该方法能显著地改善传统功率谱法对于非平稳振动响应频率分辨率低、识别精度差等问题。

（4）基于监测数据的钢箱梁疲劳损伤评估技术。以应变监测数据为基础，研究钢箱梁焊接细节的疲劳效应与温度和车辆增长的相关性，采用统计分析技术建立焊接细节疲劳荷载效应的概率模型，在此基础上采用S-N曲线和Mi ner线性损伤累积理论建立钢箱梁焊接细节疲劳可靠度的评估方法，采用Miner线性损伤累积理论和线弹性断裂力学理论建立焊缝疲劳损伤评估技术，并根据Palmgren-Miner准则和双线性概率S-N曲线（S代表应力幅，N代表寿命）对焊接细节开展疲劳寿命评估。

（5）基于梁端位移监测数据的伸缩缝健康状态评价技术。采用梁端位移的变化规律表征桥梁伸缩缝的健康状态，基于温度、车辆荷载以及主梁梁端位移的健康监测数据，研究主梁梁端位移与温度、车辆荷载的相关性特征，用“环境条件归一化”方法消除温度、车辆荷载的影响，最后采用均值控制图方法识别伸缩缝位移的异常变化。

1.3 其它大桥

除上述介绍的香港青马大桥和润扬长江大桥外，不少学者针对其他一些大桥的健康监测系统开展结构桥梁评估方面的研究。如滨州黄河公路大桥、香港KapShulMun桥、永和大桥、南京长江大桥等。

在有限元模型建立方面，各学者所采用的方法基本与青马大桥、润扬长江大桥类似。在有限元模型修正方面，基本思路为通过对监测信息的处理，得到结构的频率、振型等参数变化，再综合利用监测得到的结构参数变化信息对结构的有限元模型进行模型修正，最终得到反映结构的真实状况的有限元模型。修正方法一般采用直接矩阵元素修改法和参数修改的灵敏度分析法。前者采用直接修改刚度矩阵或者质量矩阵的方式来使得有限元模态分析的特征值与结构实测频率一致，后者主要依靠修改有限元模型的材料常数等参数来减小实测模态频率、模态振型与计算值的误差。在众多研究中，值得一提的是：滨州黄河公路大桥利用实测频率修正模型过程，修正模型采用构造原始频率函数的逼近函数，考虑大变形和初始应力状态的模态分析，基于遗传算法的参数优化算法的方法进行。永和大桥基于灵敏度分析的有限元模型修正算法研究，在直接搜索算法的基础上改进为自适应模式搜索算法进行模型修正，利用在迭代过程中获得的函数值信息在迭代的过程中不断修正搜索模式，使得优化过程获得更快的收敛速度且收敛性更有保证。

在基于监测数据的结构模态识别技术方面，主要方法为频域法、时域法以及综合两者的其它一些方法。时域法里最为成熟的是特征系统实现法（ERA）和随机子空间法（SSI）。前者由于需要系统的输入信息，所以应用于环境激励的情况时，还需要结合随机减量技术或者NEXT法使用。频域法里最为常用的是峰值点拾取法。

在基于监测数据的钢箱梁疲劳损伤评估技术方面，大多采用构造细部的S-N曲线，按照Miner法则计算构造细部的疲劳寿命，如江阴大桥正交异性钢桥面板各构造细部疲劳评估，芜湖长江大桥的预估疲劳寿命等。

2 存在的主要问题

综上所述，结合舟山跨海大桥结构监测系统应用实际状况，可以看出，大型桥梁结构监测系统分析应用研究在外荷载监测数据处理、有限元基准模型建立与修正、结构模态识别等方面取得一定成果，但尚存在一些亟待解决的问题：

（1）缺乏对健康监测系统所获海量原始数据的高效保存方法。大型桥梁布设的传感器，少则几十个，多则成百上千个，每天采集的数据量相当大。倘若对所有数据均加以保存，不但浪费大量人力物力，还增加后期数据分析工作量，如何对原始数据进行精简，又能满足各种分析要求是目前所关心的技术问题之一。

（2）健康监测系统采集的原始数据与桥梁结构安全评估之间缺少标准化、规范化的数据分析方法。目前研究主要集中在对某种类型传感器数据的处理，如风速、钢箱梁应力等，不同学者采用的方法也各有利弊，如何对健康监测系统中包含的各类传感器数据进行标准化、规范化分析也需要开展深入研究。

（3）部分关键监测项的监测数据存在一定风险。部分关键监测项的传感器埋在结构内部，一旦损坏则无法再在原位置进行设备更换；而部分关键监测项的传感器采用进口设备，其维护工作周期长、难度大，售后服务难以满足要求。

（4）桥梁结构安全评估后缺少相应的养护措施。国内外大型桥梁的兴建大都在最近几十年，相关管养单位在发现桥梁损伤后，如何制定有针对性的管养措施进行养护还未形成业界认可的标准流程。

3 进一步研究方向

通过对国内外研究现状分析可以发现，针对大跨度桥梁结构监测系统数据的分析主要集中在一些专项问题的研究，而缺乏在对监测数据全面梳理和分析基础上的结构整体受力性能的评估。为了实现动态健康监测体系对桥梁科学化管养提供技术支撑的目标，将面临以下主要技术问题：

（1）如何考虑交通荷载和环境荷载对悬索桥和斜拉桥监测数据的影响，如何消除海量监测数据中的噪声、以监测数据的统计特征反映结构整体特性，如何考虑钢箱梁等材料力学性能退化对结构抗力的影响；

（2）如何将实际监测数据与有限元等理论分析结果互相验证和统一，并引入到桥梁结构安全性能评估和预警方法中；

（3）如何建立大桥结构安全评估和预警的评估准则；

（4）针对大桥日常管理和养护工作的需求，如何建立安全评估和预警软件的分析和结果展示功能；

（5）如何实现对大型桥梁结构监测系统所获海量数据的高效保存，并根据结构安全评估的实际需求，研究标准化、规范化的监测数据分析处理方法；

（6）针对部分关键监测项传感器不宜更换或维护工作较难等问题，探索合理的替代方法；

（7）针对结构安全评估结果，如何制定合理养护措施。

4 结论

本文在论述大跨桥梁结构健康监测系统应用重要性的基础上，详细分析国内外大跨桥梁结构健康监测系统应用现状，最后指出当前研究中存在的主要问题，如：如何对原始数据进行精简保存、确定标准化规范化数据处理方法等，明确了今后的主要研究方向。为更好地利用大型桥梁结构监测系统分析应用研究维护桥梁的正常运营、科学管养、剩余寿命预测等提供了重要保障，然而，这一领域的许多研究理论尚不十分成熟，还需科研人员和工程技术管理人员做出长期的努力。