1.序言
隨著橋梁分析理論、施工技術、材料性能的迅速發(fā)展，橋梁跨度越來越大。斜拉橋跨度已達到890m（日本多多羅大橋），連接江蘇南通與蘇州的蘇通大橋主橋斜拉橋跨度超過1080m；懸索橋跨度已達到1991m（日本明石大橋），國內(nèi)潤揚大橋為1490m，江陰大橋為1385m，鋼拱橋最大跨度為上海盧浦大橋（550m），鋼管混凝土拱橋為巫峽長江大橋（460m）。橋梁結(jié)構(gòu)越來越柔，跨徑越來越大，不僅要求精確嚴密的計算與施工技術，而且對橋梁建成后的安全養(yǎng)護提出了更高的要求。
對于近二十年建成的大型橋梁，大部分建立了以收繳過橋費為主要職能的橋梁管理機構(gòu)，但是健康監(jiān)測、養(yǎng)護與維修得不到應有的重視，往往是在出現(xiàn)問題后才亡羊補牢。對于存在缺陷或安全隱患的橋梁，全部予以更換不僅需要大量的資金而且要封閉交通，一般來說是不足取的一種方式；由于資金有限，也不可能一次性全部進行加固改造，需要區(qū)分輕重緩急，需要對橋梁狀態(tài)作出科學準確的評判。由于大型橋梁的復雜性，傳統(tǒng)的人工檢測方法由于其滯后性、效率低，造成橋梁管理成本的提高與資源配置的不合理，已跟不上橋梁發(fā)展需求，也不符合經(jīng)濟運作的規(guī)律。在這種情況下，建立橋梁健康監(jiān)測與安全評定系統(tǒng)（目前的硬件技術水平與軟件已經(jīng)使之成為可能），能夠大大提高檢測效率，實時掌握橋梁狀態(tài)變化，評價橋梁的承載能力和使用功能，以及橋梁的安全可靠性，其意義主要有：（1）及時把握橋梁結(jié)構(gòu)運營階段的工作狀態(tài)，識別結(jié)構(gòu)損傷以及評定結(jié)構(gòu)的安全、可靠性與耐久性；（2）為運營、維護、管理提供決策依據(jù)，可以使得既有橋梁的技術改造決策更加科學、改造技術方案的設計更加合理、經(jīng)濟；（3）驗證橋梁設計建造理論與方法，完善相關設計施工技術規(guī)程，提高橋梁設計水平和安全可靠度，保障結(jié)構(gòu)的使用安全，具有重要的社會意義、經(jīng)濟價值和廣泛的應用前景。
2.橋梁健康監(jiān)測的研究與應用現(xiàn)狀
2.1 橋梁健康監(jiān)測的基本概念
Housner等（1997）的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的定義為：“在現(xiàn)場進行結(jié)構(gòu)特性，包括結(jié)構(gòu)響應的無損檢測和分析，用來檢測由損壞或損傷引起的變化”。這一定義也有不足之處。當研究人員試圖對健康監(jiān)測的無損評估進行綜合，其重點在于數(shù)據(jù)收集而不在于評估。人們的確切需要是采用一種有效方法來收集服役結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)并進行處理，以評估關鍵的性能測量，如使用性、可靠性和耐久性。因此，Housner，et al.（1997）所做的定義必須修改，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測可以定義為：“在現(xiàn)場進行結(jié)構(gòu)特性，包括結(jié)構(gòu)響應的無損檢測和分析，其目的是：如果有損傷，則進行損傷識別、確定損傷的位置、估計損傷的嚴重程度并評價損傷對結(jié)構(gòu)影響后果”（圖 1）?？偠灾?，一個結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)必須同時能夠進行結(jié)構(gòu)損傷檢測和狀況評估。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究可以分為如下四個水平層次：（Ⅰ）檢測損傷的存在，（Ⅱ）確定損傷的位置，（Ⅲ）估計損傷程度，（Ⅳ）確定損傷的影響以及預測剩余的疲勞壽命。進行水平（Ⅲ）的工作要求改進結(jié)構(gòu)模型和分析、局部的物理檢查和傳統(tǒng)的無損評估技術。進行水平（Ⅳ）的工作要求局部位置的材料構(gòu)成信息、材料老化的研究、破壞機理和高性能的計算。在過去的20年，隨著儀器的改進和對復雜結(jié)構(gòu)動力學的認識，在系統(tǒng)檢測和土木結(jié)構(gòu)評估方面，土木工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測和損傷評估已變得更為實用。
土木工程和航天航空工程、機械工程有明顯的差別，比如橋梁結(jié)構(gòu)以及其它大多數(shù)土木結(jié)構(gòu)，尺寸大、質(zhì)量重，具有較低的自然頻率和振動水平，低振幅，而且橋梁結(jié)構(gòu)的動力響應極容易受到非結(jié)構(gòu)構(gòu)件等的影響，這些變化往往被誤解為結(jié)構(gòu)的損傷；而且鋼筋混凝土橋中模型的不確定性水平比單獨一根梁或一個空間桁架模型的相應值要高得多，這一切使得橋梁這類復雜結(jié)構(gòu)的損傷評估具有極大的挑戰(zhàn)性。
3.橋梁健康監(jiān)測研究現(xiàn)狀
3.1橋梁監(jiān)測傳感器研究現(xiàn)狀
隨著交通事業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代橋梁檢測技術也取得了很大進步，主要包括以下幾個方面：
?。?）雷達與紅外熱象儀檢測技術：使用雷達、紅外熱象儀、激光光學、超聲波和其它一些心得技術手段可在僅僅一天之內(nèi)就能準確地測量成百上千公里路面或幾十座橋的橋面；
?。?）光纖傳感器監(jiān)測技術：光纖傳感器具有大面積檢測能力，在較長時期內(nèi)能提供可靠、精確和長期的檢測結(jié)果，安裝了這種監(jiān)測系統(tǒng)后，任何結(jié)構(gòu)存在的問題都可以較早地被發(fā)現(xiàn)，以便采取必要的修復措施，從而保證結(jié)構(gòu)使用的連續(xù)安全性，使結(jié)構(gòu)的性能得到最佳管理，并減少使用費用。到目前為止，光纖傳感器已用于許多工程，典型的工程有加拿大caleary建設的一座名為beddington tail的一雙跨公路橋內(nèi)部應變狀態(tài)監(jiān)測；美國winooski的一座水電大壩的振動監(jiān)測；國內(nèi)工程有重慶渝長高速公路上的紅槽房大橋監(jiān)測和蕪湖長江大橋長期監(jiān)測與安全評估系統(tǒng)等。建于山東濱州黃河大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)使用了96個FBG應變溫度儀，2個風速儀，39個加速度傳感器和4個GPS定位器；
（3）無線電檢測與評估系統(tǒng)：目前，一種全無（電）源的、便宜的感應器開發(fā)出來，滿足了測量橋梁疲勞的長期需要。這種感應器貼在橋上并且與橋梁一起承受應變。它由一個特殊的應變增幅裝置和兩個預先裂開的樣片合成一個整體去測量裂縫長度；
?。?）自感應檢測技術：公路橋梁的自感應檢測技術的應用是廣泛的。目前，美國已經(jīng)設計、制造了一種便宜的位移感應器，用于翼墻的監(jiān)測，已經(jīng)進行兩年多了，十分有效；一種新型埋入式銹蝕感應器已經(jīng)在美國聯(lián)邦公路局的參與下開發(fā)出來了。這種感應器可以澆筑在混凝土中，在混凝土中測量鋼筋銹蝕的比率、混凝土的導電率、氯離子濃度等。目前橋梁的維修自動化需要的基本信息，被當作美國基礎研究和開發(fā)的重點，這必須由感應和測量的高科技技術來提供；
?。?）智能混凝土
a.損傷自診斷混凝土:自診斷混凝土具有壓敏性和溫敏性等自感應功能。目前常用的材料組分有：聚合類、碳類、金屬類和光纖，其中最常用的是碳類、金屬類和光纖。碳纖維智能混凝土可以對建筑物內(nèi)部和周圍環(huán)境變化的實時監(jiān)控，也可以實現(xiàn)對大體積混凝土的溫度自監(jiān)控以及用于熱敏元件和火警報警器等，還可應用于公路路面、機場跑道等處的化雪除冰，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋陰極保護，住宅及養(yǎng)殖場的電熱結(jié)構(gòu)等；
b.自調(diào)節(jié)智能混凝土: 自調(diào)節(jié)智能混凝土具有電力效應和電熱效應等性能?；炷两Y(jié)構(gòu)除了正常負荷外，還希望它在受臺風、地震等自然災害期間，能夠調(diào)整承載能力和減緩結(jié)構(gòu)振動，但因混凝土本身是惰性材料，要達到自調(diào)節(jié)的目的，必須復合具有驅(qū)動功能的組件材料，如：形狀記憶合金（sma）和電流變體（er）等；
c.自修復智能混凝土：自愈合混凝土就是模仿生物組織，對受創(chuàng)傷部位自動分泌某種物質(zhì)，而使創(chuàng)傷部位得到愈合的機能，在混凝土傳統(tǒng)組分中復合特性組分（如含有粘結(jié)劑的液芯纖維或膠囊）在混凝土內(nèi)部形成智能型仿生自愈合神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)，模仿動物的這種骨組織結(jié)構(gòu)和受創(chuàng)傷后的再生、恢復機理。采用粘結(jié)材料和基材相復合的方法，使材料損傷破壞后，具有自行愈合和再生功能，恢復甚至提高材料性能的新型復合材料。
自診斷、自調(diào)節(jié)和自修復混凝土是智能混凝土研究的初級階段，它們只具備了智能混凝土的某一基本特征，是一種智能混凝土的簡化形式，因此有人也稱之為機敏混凝土，目前人們正致力于將2種以上功能進行組裝的所謂智能組裝混凝土材料的研究。智能混凝土具有廣闊的應用前景，但作為一種新型的功能材料，如果投入實際工程，還有很多問題需要進一步地研究：如碳纖維混凝土的電阻率穩(wěn)定性、電極布置方式、耐久性等；光纖混凝土的光纖傳感陣列的最優(yōu)排布方式；自愈合混凝土的修復粘結(jié)劑的選擇等。
?。?）GPS全球定位系統(tǒng)：可以直接測量三維的空間運動；
?。?）其他新技術：對橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力的“非侵入式”檢測也是橋梁工程界的迫切需求。美國聯(lián)邦公路局將激光檢測系統(tǒng)用于檢測橋梁的承載能力。另一項新技術是“智能橋梁支座”，通過它可以收集到許多必不可少的橋梁工作信息。智能支座能通過支座上的活載和恒載的分布發(fā)現(xiàn)并判斷出橋梁結(jié)構(gòu)體系的工作狀況。
局部智能傳感器應該是一個方向，但是局部的監(jiān)測指標往往難以反映結(jié)構(gòu)的整體性態(tài)，如何將局部監(jiān)測指標與結(jié)構(gòu)整體性之間建立合理的關系是其中的關鍵問題，因此，必須發(fā)展分布式傳感器的健康診斷策略。
雖然目前已有不少可以應用的檢測評價方法，但有些技術仍需進一步完善才能達到普遍應用的階段。特別是為隨時了解橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，確保其長期使用性能，必須使用永久的監(jiān)測設備。因此，橋梁結(jié)構(gòu)的長期監(jiān)測與診斷技術目前變得越來越重要了。橋梁檢測工作者們還需繼續(xù)努力，研究與開發(fā)出更加實用方便的橋梁檢測技術與監(jiān)測設備。
3.2傳感器的優(yōu)化布設、系統(tǒng)集成與數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡技術研究現(xiàn)狀
結(jié)構(gòu)的征狀是由采集信號分析獲得的， 因此信號采集技術是結(jié)構(gòu)損傷識別的前提。信號采集技術包括信號的采集和放大，傳感器的類型、安裝位置、數(shù)量以及數(shù)據(jù)的獲取、存儲等。此外還應考慮采集數(shù)據(jù)的時間間隔，數(shù)據(jù)的標準化問題，測量過程的不確定性以及數(shù)據(jù)的凈化問題。由于被檢測橋梁的龐大和復雜，傳感器的類型和數(shù)目相當多，如何確定傳感器的最優(yōu)布置點是研究的熱點。目前采用的方法主要有：基于經(jīng)驗和基于結(jié)構(gòu)自由度的縮聚法；針對振動模態(tài)的有效獨立法；清華大學在青馬大橋健康監(jiān)測中采用了遺傳算法尋找加速度傳感器的最優(yōu)布點；西南交通大學也探索了靜載作用下橋梁應變測量傳感器優(yōu)化布設。但各種方法只是在局部問題中有效，目前尚缺乏有效的傳感器優(yōu)化布設評估標準。各種算法依據(jù)各自的評估目標，盡管各方法在形式和理論上有一點聯(lián)系，但對同一結(jié)構(gòu)在相同條件下，不同算法得出的結(jié)論往往并不相同。信息傳感器的優(yōu)化布設還是監(jiān)測結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性的考慮，因此關于傳感器布點理論的探討和驗證值得深入研究。
3.3橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與控制技術研究
?。ㄒ唬?nbsp;(對于現(xiàn)有的國內(nèi)外部分科研機構(gòu)開發(fā)的健康監(jiān)測系統(tǒng)，由于采用了專用的數(shù)據(jù)線，因此整個監(jiān)測系統(tǒng)的費用昂貴，不適宜我國目前的實際需求。而國內(nèi)目前所進行的定時檢測或事后檢測的方式，又會帶來巨大的人力、物力的浪費和安全隱患。因此開發(fā)一套便捷的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，使之能真正做到：既能行之有效、又能經(jīng)濟可靠，而且又能對橋梁實行實時在線監(jiān)測的健康監(jiān)測系統(tǒng)就非常迫切緊要。
近年隨著公共電話線路的數(shù)字化傳輸和移動電話的不斷普及，公用電話線路的數(shù)據(jù)傳輸速度、數(shù)字通信能力和無線移動通信能力得到了迅速的發(fā)展。因此，不采用專用數(shù)據(jù)線而采用數(shù)字通信網(wǎng)絡線作為方便的數(shù)據(jù)傳輸媒介，在其基礎上新開發(fā)的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)將會帶來遙控監(jiān)測技術上的創(chuàng)新，使得數(shù)據(jù)傳輸更為便攜和低廉。
3.4橋梁損傷識別技術的研究現(xiàn)狀
橋梁損傷診斷和識別應該包含四個方面：(a)損傷是否存在及損傷原因；(b)損傷位置識別；(c)損傷程度識別；(d)損傷對橋梁受力性能的影響有多大。目前尚沒有一個損傷指標能夠全面地、敏感地反映橋梁的損傷狀態(tài)，這是因為橋梁工程和航空航天工程、機械工程相比有很大的區(qū)別，比如橋梁的體積大、質(zhì)量重，具有較低的自然頻率和振動水平，其動力響應非常容易受到不可預見的環(huán)境狀態(tài)、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件等的影響，這些變化往往被誤認為是結(jié)構(gòu)的損傷，從而使得橋梁損傷診斷具有極大的挑戰(zhàn)性。主要的損傷指標有：共振頻率、頻率響應函數(shù)、振型、振型曲率、模態(tài)應變能、模態(tài)柔度、阻尼比和能量傳遞比、Ritz向量等等；結(jié)構(gòu)損傷識別或診斷的方法主要有（1）基于動力參數(shù)的識別；（2）基于靜力參數(shù)的識別；（3）子結(jié)構(gòu)方法識別；（4）統(tǒng)計分析識別；（5）神經(jīng)網(wǎng)絡識別；（6）小波變換識別、時間序列模型等等，絕大部分損傷指標和損傷識別方法僅適用于實驗室模型，可供實橋損傷識別的實用方法不多。目前橋梁損傷診斷從單純的依賴其動力響應到綜合利用無損檢測與靜動載測試信息；從單純的模態(tài)識別到實驗和理論模型修正，乃至神經(jīng)網(wǎng)絡方法；考慮測試傳感器的優(yōu)化布置、充分利用有限的實驗測試信息；從單一損傷指標診斷到多損傷指標診斷等等方向發(fā)展，這樣可以克服各自方法的缺點并相互檢查，與損傷檢測的復雜性相適應。
4.1結(jié)論與展望
橋梁健康監(jiān)測在國內(nèi)尚處于起步階段，實際情況是，由于各種原因，國內(nèi)現(xiàn)有的幾個監(jiān)測系統(tǒng)均有不同程度的癱瘓。隨著橋梁健康監(jiān)測工作的進一步深入，監(jiān)測系統(tǒng)還需要解決遠距離監(jiān)測、提高系統(tǒng)可靠性、完善數(shù)據(jù)處理和分析理論等一系列問題。一方面，在系統(tǒng)性能、數(shù)據(jù)評估方面還都沒有現(xiàn)成的規(guī)范；另一方面。隨著人們對橋梁安全性認識的逐步提高，橋梁健康監(jiān)測的市場前景越來越廣闊。在實踐中探索出一套穩(wěn)定可靠的監(jiān)測系統(tǒng)、明確各項參數(shù)指標、研究監(jiān)測數(shù)據(jù)的具體用途是健康監(jiān)測下一步工作的目標。
