桥梁健康监测系统的若干问题

刘守苗

（安徽省交通控股集团有限公司养护管理中心,安徽 合肥 230000）

0 概述

桥梁健康监测系统是以桥梁的检测、监控为主要内容，通过信号处理、结构分析、损伤识别和可靠性评估等综合技术来评估结构的健康和安全性。桥梁健康监测系统通常包括监控系统和评价系统，其中包括系统规模、测试参数、系统集成等，以及对桥梁健康监测系统建设的好坏、系统运行情况以及对桥梁的安全性进行评价。在大跨度桥梁的健康和安全监控系统的研发上，国内的研究相对滞后。二十多年来，国内相关科研机构和高校克服了诸多艰难险阻，对大桥健康与安全监测技术进行了深入细致而又系统的基础研究，取得了不少成果，已初步具备了工业化的条件。随着近些年来我国的经济发展和超巨型桥梁的兴建，国内的桥梁施工技术已经处于世界领先地位，而大跨度桥梁的健康和安全性的监控工作仍有一定的空白。

1 桥梁健康系统部分案例

当前，世界各国对已经建成和正在建设的大型桥梁进行了积极的探索：丹麦对1 726 m Faroe的斜拉桥进行了工程建设和通车第一年的监测；在主跨1 624 m的 Great Belt East大桥上，已经开始了将极端状态下的记录与常规状态记录相分离的技术，以便减少存储容量；墨西哥相关机构对全长1 543 m的 Tampico斜拉桥进行了动态性能检测，并将其与常规振动实验对比；挪威在 Skamsundet斜拉桥中，采用了一套自动测量风、加速度、倾角、应变、温度和位移等自动监控技术；1980年代末，英国在北爱尔兰福耶尔大桥（三跨变高）钢箱梁桥（主跨240 m，全长552 m）上，安装用于监测桥跨挠度、气象资料、温度应变等的各种测量仪器和设备；加拿大的 Confederation大桥全长12.9 km，是一座在海洋中建造的箱梁桥，共45个孔洞，每个孔径250 m，使用年限100年[1]。上海徐浦大桥已经建成全面监控体系，香港青马桥梁也已经全部安装完毕。江苏江阴长江高架桥在工程建设中采用了监控系统，对工程运行过程进行了实时监控。虎门桥梁除了在工程中设置了主缆、主塔的拉索、塔体的应力监控之外，还在运行期内设置了一个监控钢箱梁受力的传感器和 GPS系统。目前，重庆大佛寺桥大桥监控系统已经基本建成，如果能够顺利地研制出桥梁健康监测技术，对于保证桥梁安全运行、延长桥梁的使用年限具有重要意义[2]。同时，及时检测出桥面的异常情况，进行逐级检测和分析，采取有针对性的防范和处理方法，降低事故的发生概率。

2 桥梁健康监测系统的定位

从监测目标、功能和系统的工作情况来分析，桥梁健康监测系统（如图1所示）的主要特征是：

图1 桥梁监控系统

（1）利用传感装置对建筑物的各个反应进行检测，获得不同的结构性能的反应。

（2）除了对建筑物自身的状况和性能进行监控之外，还着重于对诸如风载、水流及海浪冲击、车辆荷载等的结构环境状况进行监控，以求利用车辆及周围荷载作用下的动态反应，得到其特征的数据，发展即时的整体及安全评价技术。

（3）对开通后的结构状况进行持续或周期性的监控，以获得大跨度的桥梁的连续和完全的信息。

（4）监控体系具备信息采集、通信和处理的能力，并能够在网上进行信息的共享。

由于目前测试技术、信号提取技术和损伤评估等技术水平较高，桥梁健康和安全性监测体系尚不能实现对大跨度桥梁各部分的全方位的综合监测和预警。当前大部分的健康监测都是一个单独的系统，能够完成数据的采集、处理、分析、状态评估和预警，并未与维护管理相融合。所以桥梁的健康与安全预警系统与桥梁的维护、监控和维护工作脱离了联系，很难为桥梁的正常运行提供有效的保障。此外，桥梁健康与安全预警系统并没有太高的针对性，有的只是作为一个工具，并没有与现实需要相结合，会出现许多未预见到的问题，造成系统的资源消耗，乃至整个体系都无法正常运转，所以要想让健康监控体系真正的功能得到最好的应用，需要做到以下几点：

（1）对施工中的桥梁进行动态追踪和监测，发现其存在的问题和质量变化，评价和分析它在所处于的各种环境状况下的发展态势以及对结构安全运行产生的潜在威胁，为养护需求、养护措施采用决策提供科学依据，从而利用最少的养护资金获得最佳养护效果，达到保障结构安全营运的目的。

（2）对建筑物的安全性警报设置。通过对桥梁结构健康状况和结构安全可靠性的评价，可以为运营人员的安全风险提供相应的预警。在桥梁的运行状况恶化到超出警戒范围的情况下，能够发出警告，提醒加固和维护；在桥面条件恶化到危及桥面安全的情况下，系统会发出预警，提醒检测和修理[3]。

（3）为特定事故提供流量控制值。如台风、地震等特殊的情况，可发出警报，提醒经营者进行交通管制。

（4）论证设计阶段、施工阶段中各类设计假定及设计参数是否正确，以验证设计与施工。通过对桥梁在长时间运行中的机械特性和物性变化的分析，可以为国内的大跨度大桥进行健康和安全性的监控提供有价值的资料和参考。

3 现存制度中的问题

由于桥梁长期处于大气腐蚀、温度、湿度变化的工作环境（载荷作用频率增加，材料和结构的疲劳），桥梁结构会出现一定程度的破坏。随着时间的推移，所有的桥都会变成旧桥，使用年限较久，其结构必然会出现一定的损坏，需要进行维修、加固和改造。为此，必须对其进行科学地检验与评估，以确定其在使用过程中的状态及承载量，分析病害及损伤原因，据此制定相应的养护与强化对策。近年来，我国的许多城市都在关注着桥梁健康监测系统的建设。例如，香港青马大桥、广州虎门大桥、上海徐浦大桥、江阴长江大桥，都安装了相关的感应装置，用于在运行过程中的即时监控，搜集有关的物理、机械参数以及周围的环境因素。同时，也期望能够及早发现桥梁的损伤情况，降低桥梁维护成本，从而达到改善桥梁整体使用效果的目的。由于结构的形态和作用日益复杂化，其安全性也日益引起人们的重视，因而对其进行健康检测和监测成为十分关键的问题。当前，目前国内外开发的系统组成及功能主要由如下三个部分组成：

（1）收集各构件的数据，掌握各构件的变化，其中包含各类传感器及相关的测量设备。

（2）数据处理分析，大部分采用微型计算机，编写各种数据分析处理和简单预测预警的各种软件。

（3）资料通信及传送，此部分的功能，多用于连结于实况收集与背景资料。

该体系主要承担部分监控工作，为管理者在某种意义上的建筑安全性提供了依据。但是，它仍有很多缺陷，需要进一步完善。比如，对数据采集的参数可靠性不高；其分析的作用不完整，很难得出确切的结果等。所以，桥梁安全健康监控装置通常设置在独立的大型桥上，监测处于安全状态下的安全隐患，是一种行之有效的辅助手段。因此，在桥梁安全监控中，可以对桥梁的反应进行实时监控，如果桥梁的状态超出了警戒线，或者由于船舶撞击、车辆撞击、地震等事故，引起桥梁事故，可以向管理人员报告有关信息。现有的桥梁结构安全监控体系无论从整体的规划设计、监控与故障诊断等方面，都还具有一定的缺陷。

3.1 系统总体规划存在的缺陷

（1）缺少行之有效的最优算法，使得测量数据量大、数据冗余量大、规模大。现有的桥梁结构安全监控体系中，监控的项目类型偏少，且各监控的范围太广，特别是监控资料的管理，尚未建立起一套完整的信息储存和管理查询体系，许多监控资料未得到合理的处理和使用。

（2）缺少对结构特性变化的敏感性参量进行有效的分析。近年来，国内外关于桥梁结构健康监控的研究多以整体和损伤辨识为主，以地震为基础的整体评价技术在航天、机械等领域的应用越来越受到重视，许多桥梁工程师都在努力将其引入到桥梁结构中，并对其进行了大量的探讨。造成这种现象的原因有：①结构与环境中的不确定性和非结构因素的影响；②测量资料缺乏；③检测方法的限制；④测量精度不够准确，测量的信号有噪声的影响；⑤由于桥梁的构造冗余，以及对结构破坏的检测不灵敏等原因[4]。

（3）缺少对桥梁监控制度的规范指引。在现行的大跨径大桥的安全性评价上，仍然沿用传统的小型、中型跨径大桥的等级评定。该方法是以桥梁的表面状况和正常的工作状况为基础，通过对其进行定性和初步的评估，迫切需要建立具有较高的适用性和针对性的评估体系。

（4）重自动监测，轻人工检查。由于传感器的智能化、采集设备的自动化程度越来越高，人们对桥梁健康监控的过度重视，而忽略了人工检测。根据不完全的资料，在我国桥梁健康监督体系建立的早期（1999—2005)，仅有20%的监测机构将人工检测纳入健康监督体系中，而在2006—2015年已建成的监测体系中，这个比例已经达到了50%，但是，仅有不到三分之一的监测体系制定了具体的人工检测战略和计划。

3.2 技术方面的缺陷

从目前的桥梁结构安全监控与故障诊断方面，存在着许多技术问题。

（1）在桥梁结构的健康监控与故障检测中，应采用尽量少的传感器来获得更多的健康信息数据。

（2）针对桥梁的特点，研制出一种适用于桥梁结构的特殊传感器，对其进行识别是至关重要的。影响桥梁质量的主要因素是测量仪表的准确性和工作效率。

4 有待深入研究的工作

通过对一些桥梁的实际调查和一些具体的施工经验，认为当前的桥梁健康和安全测试体系需要从以下几个角度进行深入探讨。

4.1 损伤诊断技术研究

桥梁安全监控和状况评价体系的建立还处在初步的探讨阶段，在现有技术条件下，动态和静态判别技术都是独树一帜的，两者相结合是一条可行的思路。针对大跨径桥梁结构的振动故障诊断技术需要深入的探讨，主要有：①系统的误差和不确定的因素对其造成的不利后果；②桥梁子结构法在损伤诊断中的应用；③发展新动力指纹；④逐步开发桥梁运行工况检测和辨识技术。

4.2 科学化管理和养护

实时管理可以及时找出桥梁结构的早期病害并安排处置和维护。如上所述，斜拉索是斜拉桥最为关键的承重构件，为确保大型桥梁满足100年设计寿命，在运行期间出现的钢丝腐蚀断裂、锚端松弛，都会造成桥梁结构出现安全问题，应及时更换缆索。对于换电缆的时间和规模的选择，通常的处理方法是参照工程中换电缆周期平均为20年的阶段性检验结果和经验估计。由此能够看出，这种管理模式在电缆交换时机的选择上具有突出的滞后性，并且因为从生产、安装、施工到运行阶段，我们不知道电缆的实际受力变化情况，电缆交换对象和数量的选择是盲目的、不经济的、不科学的。想要处理这一问题，就应该把握斜拉索的全寿命受力状态。

5 结论

根据桥梁监控系统的设计思路，一套行之有效的系统能够实现各种数据采集、数据分析、构件预警、整体状态评估等多个方面的集成。尽管目前的研究还存在一些缺陷和需要改进的地方，但是研究的发展方向还是很积极的。从原理上讲，要实现桥梁健康监测的可能性，就必须要有更多的预测手段。对于一个特定的构造，使用不同的检测方式得出的结果都不会有太大的偏差，以我国当前的检测水准来看，检测系统还是很不理想的。为此，必须对目前的桥梁监控体系进行全面的改造，以便能够及时准确地判断出在桥梁使用中发生的各种不正常现象，为桥梁的实时监控提供一套完整的信息服务平台。此外，我国的桥梁健康和安全监控体系损伤的考虑不仅仅是单方面的，还需要多角度进行分析。