浅议桥梁健康监测的发展

禹鹏 赵剑

摘要：橋梁健康监测的理念起源于20世纪50年代，随着科学技术的发展而不断更新和进步，从原初的单一人工几何形态测量到当前先进的各种参数的自动测量、健康状态的自动评估，健康监测逐步进行着智能化的转变，功能目标不断扩大和完善，可以预见，这种技术会改变当前的桥梁管养模式。

关键词：健康监测；桥梁工程；智能化

0 前言

桥梁健康监测的概念起步于20世纪50年代，受限于该时期落后的科学技术条件，结构监测主要是进行结构的长期变形、基础沉降变位等几何形态监测，这是健康监测最基本的内容，当然也是很单一的，其技术手段以人工测量为主。二战以后导弹火箭的建造与航空航天的发展引领科学技术的潮流，电子计算机、传感技术、通信技术蓬勃发展。西方国家战后的二三十年进行了大规模的土木工程建设，也是在这个时期部分寿命已长达几十年的桥梁产生病变并不断引发灾难，如1967年美国银桥倒塌，引发行业巨大反思。桥梁发展的现状迫切需要结构方面的监测以进行桥梁状况判断从而进行适当维护并确保安全，健康监测观念早已有之，又有来自尖端领域的借鉴以及基础技术的积累，健康监测系统遂进入桥梁工程，国外土木工程实时健康监测始于20世纪70年代末。我国的基础设施建设起步较晚，但经过20余年的学习与追赶，跟踪与提高，各类特大型桥梁遍布全国各地，成就之巨大令国外同行难以置信[1]，我国的健康监测就是在这样的情形下开始于20世纪90年代中期的，当前，我国已有超过200座大型桥梁安装了健康监测系统[2]。2013年3月1日中国工程建设标准化协会发布的《结构健康监测系统设计标准》开始实施，有助于该技术在我国得到进一步的发展。

1 健康监测的技术手段

目前，健康监测各种参数的采集均已实现自动化。如结构变形及位移是与结构安全直接相关，反映结构整体性能的重要参数，在参数获取上可采用全站仪、激光位移计、GPS，连通管、电子倾角仪等。应力反映关键截面的受力状况，应力水平关系结构的稳定，强度与安全，应力的监测采用钢弦应变计或光纤应变计。风速仪、温度湿度仪、电子称等广泛用于桥梁环境因素及车辆荷载的监测。传感领域中光纤、激光、GPS、声波、压电等各种全天候、高稳定的新型信息获取手段正在不断发展完善。基于电信网、互联网的数据传输技术使得桥梁管理人员远在千里之外即可对桥梁结构技术状况了如指掌。深刻地改变了桥梁设施传统的有人值守的管养模式。

2 安全评估技术

桥梁的安全评价技术方面，结构整体性评估和损伤识别方面均已有了广泛的研究。如研究利用结构应变模态、应变曲率以及其他静力相应的历史记录，建立桥梁结构的“指纹特征”，通过指纹特征来评估桥梁的健康和安全的评估方法。还发展了利用桥梁运营过程中的环境振动响应、识别桥梁动态特征的方法，将模糊系统灰色理论、神经网络等方法同时引入到桥梁状态评估中，通过动静态结合、整体局部结合进行综合评估，建立专家系统。目前各种科研机构大专院校及专业公司针对桥梁监测均有相应的程序软件设计，运用了各种评估方法，但是基于静力测试数据结构状况评估，在当前结构检测及分析技术下是可靠而准确的，这一点是使健康评估进入实际应用并取信于人的关键；动态测试对于获取冲击系数，结构自振特性是不可或缺的手段，但基于动态测试数据的评估技术还有待进一步的发展。传感技术已实现数据测量采集自动化，健康评估代替人的部分脑力劳动使桥梁检测评估智能化。

3 健康监测系统的目标

健康监测既以传感通信技术为基础，凭借健康评估的方法，可以实现四个目标：一是长期监测和评估桥梁结构健康状况，为桥梁科学管理和维护提供依据。二是针对异常状况提前预警报警，从而采取相应措施确保桥梁安全运营和实现防灾减灾，灾害发生后也可为结构状态评估及时提供数据。三是开展桥梁结构理论的科学研究，验证结构设计、分析、试验的假定和所采用的参数，健康监测是桥梁结构的现场试验室，可为新技术新方法的发展及应用提供建议。四是健康监测系统可在施工阶段安装并进行施工监测控制，使桥梁建成时达到理想成桥状态并确保施工过程安全，桥梁建成即用于运营状态监测。

4 健康监测系统的合理设想

当前对桥梁的检测通过桥梁缺损状况检查、结构材质状况与状态参数检测评定、结构检算与承载力评定，静力动力荷载试验等手段对桥梁进行检测评定，该方法固然行之有效，但是常规桥梁检测如荷载试验需要较多的人力及设备等资源，大型桥梁的检测试验动辄数十万的高昂费用，交通中断，耗费大量的资源，资金，时间，按现行制度桥梁定期检查周期不超过三年，特殊桥梁需进行周期性的荷载试验[3]，部分限载限行的四五类桥梁的安全监测，不期而至的灾害的发生，如风灾、船舶撞击、地震等，需要及时的预警及灾后检测评估，常规的检测手段已经穷于应对。然而健康监测技术却可以实现长期实时监测，它的位移应力测试等内容与荷载试验原理相似，而其功能可以达到比常规的检测手段还多，另外健康监测在基础的传感技术层面正致力于追求耐久与稳定的目标，一旦监测系统可实现自身寿命达数年或十几年甚至几十年，其对当前检测手段的替代或部分替代，就可改变桥梁检测的模式并取得十分可观的效益。这种设想是科学合理的，近期武汉军山长江大桥的试验可以说明这一点，该桥为漂浮5跨连续双塔双索面钢箱梁斜拉桥，安装了一套健康监测系统，为完成该系统的验收，就采用了荷载试验进行对比验证，并针对环境温湿度、风速风向、索力、振动、主塔偏位、塔梁空间变形等环境因素和结构响应，进行同一时刻同一位置的人工检测结果与自动监测系统结果及相应的理论计算值进行对比，吻合较好，误差在允许范围内[4]。

5 结语

桥梁健康监测系统通过自动监测和管理，保证桥梁的安全和正常运行，故障一旦发生，则有有健康评估和专家系统自动进行损伤评估并做出养护对策。知识经济时代的背景下，健康监测系统正推动桥梁管养领域和其他行业一样进行自动化、信息化和智能化的转变。

参考文献：

[1]项海帆，潘洪萱等.中国桥梁史纲[M].上海：同济大学出版社，2009.

[2]梁新政，韩依璇等.始于足下的TBL计划[J].桥梁，2013，（5）.

[3]中华人民共和国交通运输部标准.JTG H11—2004 公路桥涵养护规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[4]葛新民.对既有桥梁健康监测系统的首次试验[J].桥梁，2013，（1）.

作者简介：

禹鹏，男，1988年9月生，汉族，重庆垫江人，硕士学历，从事桥梁检测方面的工作