桥梁健康监测技术发展现况

段东

摘 要：桥梁的承载能力和健康状态与其在外力作用下引起的扭曲、挠曲、位移等有关。桥梁健康监测系统作为结构监测的重要部分，在桥梁实际运行中占据了重要地位。首先简述了桥梁的典型病害及产生原因;其次针对产生原因列举了目前普遍应用的监测技术，并指出各技术的作用原理和处理方法;接着指出了监测系统在实际工程中的应用，说明了在监测系统下桥梁的运行状况;最后展望了监测技术的应用前景，可为研究桥梁健康监测技术理论与工程应用提供参考。

关键词：桥梁病害;监测技术;工程应用

0 引言

桥梁自人类文明开始就已存在，其经历了漫长的发展，为人们的生活提供了很大的便利。目前关于桥梁修建的技术已经相当成熟，各类规范也相对全面。但是，运输压力随着人口的增长不断提高，桥梁建造的难度相应也越来越大。尤其是地势陡峭或跨度较大的地区，对桥梁的安全性、耐久性以及可维护性有了更高的要求。如何能实时、有效的地监测和评价桥梁在各种环境下的健康状态，是一个值得分析和解决的问题。

目前，国内外学者建立了各种桥梁健康监测系统并取得了丰富的成果[1]。纵观国内外桥梁健康监测系统的应用，GPS系统、超声波技术、光纤传感器以及光纤陀螺仪等技术均有所应用及发展[2]。本文基于前人研究的成果与结论，将桥梁的健康监测技术进行总结，并且阐述其今后的发展趋势，为监测技术的理论研究、实际工程的应用提供依据。

1 典型病害及产生原因

病害是使桥梁损坏、失效甚至坍塌的主要原因之一。为使桥梁更加符合安全性、适应性以及耐久性的要求，确定病害类型是解决问题的第一步。桥梁病害有内因和外因两个大的方面。其中内因为构成桥梁的材料自身存在收缩、材料间的化学反应、温度变化等，例如环境的变化会产生细小的裂缝;外因则为雨水、空气的侵蚀，车辆、船舶等物件的撞击以及一些不可控的人为因素;施工不当也会形成蜂窝、麻面、空洞、剥落等病害。这些病害诱因有些是可控的，有些是不可控的。对于可控因素，后期加强监测和管理就会减少桥梁的病害。不同地区因经济情况、地势条件以及技术水平的不同监测方式会有所不同。

2 监测类型与原理

2.1 GPS监测系统

GPS监测系统是应用卫星进行实时导航检测，从而形成全球范围的监测系统。GPS系统于20世纪80年代末由美方建成的，其有全天候、自动定位、全球范围内以及定位精准、速度快的特点。定位方式分为单点绝对定位和差分相对定位两大类。

以江阴大桥为例，GPS监测系统应用于大桥时具体实现方法是：将监测数据通过光纤信息网及时反馈给监测中心数据处理室，应用数据处理、信号分析以及评价系统等分析软件将数据坐标进行转换，从而形成动态数据坐标，进而形成大桥动态变化图像。

2.2 光纤传感器监测系统

2.2.1 计算公式

光纤布拉格光栅是一种以光纤为媒介的新型材料。其作用原理是光栅周期变化量与反方向耦合模的有效折射率决定了光纤光栅的波长光谱，因此任何参数的改变都会导致波长的变化，其计算公式如下：

（1）

应变、温度、加速度引起光栅波长变化的计算公式分别为：

（2）

 （3）

（4）

最终可推得由光栅表示的位移公式为：

（5）

其中（1）～（5）式中各符号的含义见文献[4]。

2.2.2 监测内容

光纤传感器主要通过测试桥梁的受力特性、几何变化和振动形式。具体为车辆在桥面上的行进的竖、横向加速度;桥面在活荷载、温度变化等荷载作用下引起的应力、应变曲线，以及分析桥梁结构整体和局部最不利应力位置和大小与疲劳应力幅值;桥梁结构竖向、横向前3阶自振频率、阵型以及阻尼比;温度变化、混凝土收缩及徐变等因素引起的桥梁轴线位置的改变。具体见表1。

3 发展现状及工程应用

目前关于桥梁健康监测系统在实际工程中应用十分广泛。已有的监测技术有神经脉络仿生和红外线热像仪;机械法、电测法和光干涉法;雷达和超声波法;GPS、光纤法等。

贵州高速公路悬索桥因山丘多且沟谷跨度大，为满足安全性、适用性及耐久性便应用了健康监测系统。系统从环境荷载、几何变形、结构内力以及动力响应四个方面进行监测。将GPS和光纤光栅技术结合起来，利用传感器将A，B桥分别进行监测。在监测系统的监测下A桥已正常工作6年，B桥传感器安装时间较短，但目前各数据稳定。

象山港大桥为双塔双索面钢箱梁5跨连续版漂浮斜拉桥，根据该桥的结构特点，基于有限元计算分析结果以及桥梁的养护需求，对桥梁进行一系列的监测。具体监测项目有：桥梁典型的荷载、代表性构件控制截面的变形状况、关键构件的应变及温度、悬索的受力监测与动力荷载效应。

4 存在问题及措施

目前桥梁监测主要存在四个主要问题：第一，对于桥梁尤其是大型桥梁很难做到长期监测，并且监测设备维护成本极高;第二，用于计算监测数据的软件不完善，导致大量的原始数据不能及时、有效的被利用;第三，现行的桥梁结构安全状态缺少一个统一标准，大部分都是对桥梁的正常使用状态和桥梁的外观变化进行监测;第四，监测的核心技术仍被垄断[5]。

对于监测过程中存在的以上问题，研发出适用和可靠的损伤辨识指标是研究的重点。另外加强桥梁施工过程中的规范管理，控制人为因素从而降低桥梁病害发生的概率。忽略不可控因素后将计算方法通过已有工程监测数据进行优化，致力寻找一个最佳的监测方式，并将要求的状态进行统一规定。

5 结论

桥梁作为城市发展重要的载体之一，其安全性的保障尤为重要。针对桥梁监测提出了高稳定性、实时远程控制、安装便捷、高速传输等新要求，关于桥梁健康监测系统将会有以下的发展：

（1）优化监测技术，从而降低监测与维护成本;

（2）完善数据处理方法，将其公式化、规范化，从而将监测数据及时使用;

（3）推动监测技术发展并推出其标准规范，将桥梁的监测变成一个整体。

参考文献：

[1]原琨，李杨.超声波技术在桥梁内部钢筋健康监测的研究[J].绿色科技，2016（6）：143-145+150.

[2]柏格文.光纤陀螺仪在桥梁健康监测系统中的应用分析[J].科学咨询（科技·管理），2017（12）：36-37.

[3]和永軍，缪应锋，刘华.北斗和GPS系统在病害影响下桥梁健康监测中的应用[J].云南大学学报（自然科学版），2017，39（S1）：52-57.

[4]郭玲，朱茂之.光纤光栅传感器在城轨桥梁监测中的设计与应用[J].山西建筑，2014，40（21）：160-162.

[5]吴学林.桥梁健康监测系统构成及发展[J].南方农机，2018，49（14）：112.