检测与监测为何如此重要？

文 张宇峰 杨迪

“一桥飞架南北，天堑变通途”，桥梁之力，桥梁之美，何其让人惊叹。然而，桥梁和人一样，也会有“生老病死”。只有通过科学的检测与监测，才能及时、准确掌握桥梁技术状态，保证其安全健康。

改革开放以来，我国桥梁建设取得了飞速发展，桥梁数量在2011年便已超过美国，成为世界第一桥梁大国。1990年至2018年间，我国新增桥梁总数占全世界的47%，年均新增公路桥梁2.57万座。目前，我国已有超过87万座公路桥梁，超过20万座铁路桥梁。

在跨径排名世界前十的斜拉桥、悬索桥中，我国已“霸占”了一半以上的席位，苏通长江公路大桥、港珠澳大桥等一批世界级桥梁的建成，更彰显了我国桥梁建设的辉煌成就，它们代表着当今世界桥梁建设的先进水平，标志着我国从桥梁建设大国向世界桥梁建设强国转变，如今，桥梁已成为我国最靓丽的国家名片之一。

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结构健康监测技术发展历史

文 同济大学桥梁工程系教授、国际桥梁与结构协会副主席 孙利民

结构监测概念古已有之，中国古塔上安装的铃铛就兼具结构强烈晃动时提醒游人撤离的预警功能。另外，中国的监测传感技术也源远流长，汉代的古籍中就有对大气温度和风速、风向测量的记载。

1969年，Lifshitz和Rotem所写的论文被视为阐述现代结构健康监测理念——通过动力响应监测评估结构健康状态的第一篇论文。

1987年，英国在总长522米的三跨连续钢箱梁桥Foyle桥上布设传感器监测大桥运营阶段在车辆与风载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，该系统是最早安装的较为完整的健康监测系统之一。其后，挪威的Skamsundet斜拉桥、丹麦的Faroe跨海斜拉桥和主跨1624米的Great Belt East悬索桥、加拿大的Confederation连续刚构桥、日本的明石海峡大桥等大跨桥梁上也都相继安装了监测系统。

1997年，我国香港的青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥等三座大桥上安装了风和结构监测系统。随后，内地的东海大桥、虎门大桥、徐浦大桥、江阴长江大桥等桥梁上也建立了不同规模的结构监控系统。

轻则“减寿”，重则垮塌：桥梁伤病不得不防

桥梁建成通车只是实现其生命价值的起点，只有保证健康与安全，才能发挥其应有的作用。在服役期内，载荷疲劳效应、环境腐蚀和材料老化等因素的耦合作用，都将不可避免地导致桥梁结构损伤累积和抗力衰减，从而降低其抵抗灾变的能力，这些损伤如不能及时发现并得到修复，轻则将影响行车安全，缩短桥梁使用寿命，重则将导致桥梁突然破坏甚至垮塌。

在应急管理部和交通运输部组织的全国重点桥梁检查和调研中，健康监测系统的建设和运行情况是一项重要检查指标。由此可见，健康监测技术正日益受到国家和社会的重视，其发展应用也有望迎来突破性的进展。

要保证运营期桥梁的安全与健康，首先要准确把握桥梁当前的技术状态及发展趋势。从欧美发达国家经验与教训来看，经济高速发展期间建成的桥梁，往往存在技术力量稀释、抢赶工期等问题，所以普遍存在严重隐患；与此同时，通常桥梁在建成20到30年后，也将进入病害多发期。在役长大桥梁安全与健康国家重点实验室收集了国内447座桥梁垮塌的案例，从其中184座有公开资料标明事故成因的案例来看，49%是由于运营期人为因素及管养不足所造成的。

目视检查是桥梁检测最传统的方法，我国桥梁养护规范中，对桥梁进行技术状况等级评定所依据的主要参数大多来自于目视检查。

安全形势，明显好转：事故呈现“低龄”特点

资料显示，我国当前桥梁平均桥龄仅为18.2年（美国为43.2年），尚未进入高龄、高危期，普遍还很“年轻”，而且随着近年来桥梁领域标准体系与管理制度建设日趋完善，设计、施工与管养技术快速发展，监管力度不断加强，危旧桥加固改建速度不断加快，公路桥梁的安全形势已发生较明显好转。“十二五”期间，我国公路桥梁总数以年均3.6%的幅度逐年增长，危桥数量却以年均4.45%的幅度不断减少，桥梁安全事故总体处于下降态势。

然而，值得重视的是，西南交大学者对我国70起桥梁事故进行分析的结果显示，从开通到出现事故的平均时间仅为25年（低于同期对世界181座桥梁分析得出的29年这一平均时间）；在役长大桥梁安全与健康国家重点实验室对我国100座运营期事故桥梁进行的统计分析也表明，发生事故时桥龄≥50年的不到15%，事故桥梁平均寿命仅为29.36年。

先天不足，后期缺养：老龄进程加速推进

考虑到我国上世纪80年代和90年代初修建的桥梁已开始大量进入重大维修养护期，管养压力与安全风险必然逐年加大，且当前一些桥梁在运营过程中已暴露出“先天不足”“后期缺养”等问题，系统地提升桥梁服役性能和安全保障能力已刻不容缓。

对比美国桥梁发展来看，其大规模建设期为上世纪50年代到70年代；1950年时，美国桥龄在30年以上的桥梁占比为17.5%，到1970年，这个数字已发展为37.7%，其工作重心也开始逐步转向管养。2016年，美国桥龄在30年以上的桥梁占比为62.3%，其90%的经费已用于养护维修，仅有10%的经费用于新建。

2014年，我国桥龄在30年以上的桥梁占比为18.4%，根据当前建设情况和相关规划推测，2034年，这一占比将增加为42.4%；2044年，将增加为62.7%。对比中美30年以上桥龄的桥梁占比可以发现，美国该比例从18%增长到60%，用了约60年，而中国只要大约30年，从这个角度来看，中国桥梁老龄化正在加速到来。

传统模式，难当重任：技术研究走向“四化”

随着桥梁数量增加、桥龄日增，桥梁管养压力与资金缺口必然日益增大，以人工检查、经验决策和纠正式养护为特点的传统管养模式，将越来越难以满足现代桥梁管养需求，为实现提质、增效、降本的桥梁养护本质需求，必然要求桥梁管养模式逐步转向以精准决策和预防性养护为特色的智慧管养模式。而要实现智慧管养，首先必须准确掌握桥梁的技术状态，先进的检测与监测技术，就是精准掌握桥梁技术状态，进而保证桥梁安全与健康的重要手段。

随着中国桥梁的不断建设发展，巨大的存量和增量为桥梁健康和安全带来了严峻的挑战，但同时也为桥梁检测与监测技术的实践和创新带来了前所未有的机遇。

随着对桥梁的结构要求、服役要求、以及长期性能要求的提高，对桥梁检测与监测及其相关的病害诊断与分析技术的研究呈现出新的趋势，主要表现为深入化、集成化、标准化、智能化四大特征：

深入化

结构损伤机理研究正逐步从微观向宏观、从短期向长期、从单因素向多因素耦合拓展。

图1 我国100座运营期桥梁发生事故时桥龄分布统计图

集成化

无损检测装备与养护维修装备的小型化、专业化、集成化程度正日益提高；健康监测系统中传感、采集与传输设备的高度集成将是大势所趋；依托BIM平台，设计、施工、检测、监测、养护、维修的信息将高度集成融合。

近年来，推进“平安百年品质工程”的创新发展正成为交通行业的共同愿景。“平安百年“，顾名思义，必然要求一座大桥在其整个设计寿命中都健康安全，为此，科学检测、监测的重要性不言而喻。

标准化

不仅是传统意义上的检测、监测、养护管理措施和质量评定方法的标准化，也包括为实现数据互联互通而快速推进的信息标准化工作。

智能化

云平台、大数据、物联网和移动通讯技术的快速发展，已为桥梁检测与健康监测技术提供了重要技术支撑，随着机理研究日益深入，数据积累日益增多，信息融合日益加强，以及大数据分析、云计算、机器学习等技术的进步，桥梁管养智能化研究正日益受到关注，检测与监测技术正在逐步融合，结构病害的早期识别、趋势推演、自动检测评分、安全风险自动排序、养护资金智能优化配置、桥梁寿命预测等都将成为可能。

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我国大跨度桥梁健康监测系统概况

文 同济大学桥梁工程系教授、国际桥梁与结构协会副主席 孙利民

目前，我国300米以上跨径的斜拉桥、悬索桥中，至少有140座已安装了结构健康监测系统。一般特点如下：

一般来说，一个大跨度桥梁的健康监测系统由少则50个、多则300个以上的传感器测点组成，其费用约占到桥梁总造价的0.5～2.0%；

监测系统的设计理念越来越侧重于为桥梁的养护管理提供支撑，偏重监测内容和技术，而那些轻视测试数据处理和评价的设计方案，则越来越不易被桥梁业主所接受；

健康监测系统本身的耐久性受到重视，传感器和其他硬件应具有可更换性，并且更换时不能影响到数据采集的连续性；

成桥后的结构健康监测系统与施工控制的监测系统相结合，监测数据内容可前伸到施工阶段；

结构状态评估子系统和评估软件的水平有所提高，更注重桥梁专家对桥梁结构健康监测结果分析评估的介入。