一,、橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的目的及功能

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)不只是傳統(tǒng)的橋梁檢測加結(jié)構(gòu)評估技術(shù),，而是被賦予了新的意義，一般來說,，橋梁健康監(jiān)測需要達到如下三個目的：1.設(shè)計驗證:通過健康監(jiān)測所獲得的實際結(jié)構(gòu)的動靜力響應驗證設(shè)計計算理論與結(jié)果;

2.支持養(yǎng)護管理決策:結(jié)合結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估和損傷識別理論對健康監(jiān)測所獲得的實際結(jié)構(gòu)的動靜力響應做出技術(shù)判斷,，并考慮工程經(jīng)濟等多方面因素，得到合理的養(yǎng)護決策;

3.研究發(fā)展:通過健康監(jiān)測所獲得的實際結(jié)構(gòu)的動靜力響應還可為橋梁工程中的未知問題的研究提供契機,，如力學理論,、環(huán)境荷載的建模和控制與評估技術(shù)等。

為了實現(xiàn)上述監(jiān)測目的,，健康監(jiān)測系統(tǒng)需要具備如下功能:及時監(jiān)測,，自動實時監(jiān)測環(huán)境條件和橋梁響應并直觀顯示結(jié)果;自動預警，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下反應的實測值與理論值間的關(guān)系,，對結(jié)構(gòu)的損傷情況進行識別和技術(shù)狀態(tài)評估,，并對結(jié)構(gòu)異常緊急預警;長期連續(xù)監(jiān)測,，記錄結(jié)構(gòu)狀態(tài)及長期變化趨勢。

二,、橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成與監(jiān)測內(nèi)容

一般情況下,，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)包含如圖1中的四個子系統(tǒng)，并通過網(wǎng)絡聯(lián)系工作,。

這四個子系統(tǒng)分別是:

1.傳感器系統(tǒng):包括位移計,、加速度計、水平儀,、溫度計,、風速風向儀、車軸車速儀,、信息放大處理器及連接介面等;

2.信息收集系統(tǒng):包含信號采集,、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?

3.信息處理和分析系統(tǒng):包括專業(yè)分析軟件,、高性能計算設(shè)備等;

4.勸評估控制系統(tǒng):針對監(jiān)測采集結(jié)果,，結(jié)合橋梁專家意見，對監(jiān)測結(jié)果進行橋梁狀態(tài)的評估,，并給出有關(guān)建議,。以東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)為例，其具備傳感器系統(tǒng),，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),，在線評估系統(tǒng)，離線評估系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)預警系統(tǒng),。

在上述監(jiān)測系統(tǒng)下,，主要對橋梁結(jié)構(gòu)如下狀態(tài)進行監(jiān)測:正常環(huán)境與交通荷載作用下的結(jié)構(gòu)物理與力學狀態(tài);橋梁附屬結(jié)構(gòu)和設(shè)施如支座、伸縮縫等的工作狀態(tài);結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性;橋梁所處環(huán)境條件等,。因而,，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)主要的監(jiān)測內(nèi)容是:氣象環(huán)境如溫度、濕度等;結(jié)構(gòu)位移如主梁和索塔位移;構(gòu)件應力和內(nèi)力如鋼梁應變,、索力等;伸縮縫位移,、支座變形、墩臺沉降等;結(jié)構(gòu)動力和構(gòu)件疲勞等,。

三,、我國橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展概況

隨著我國橋梁技術(shù)在近20年的飛速發(fā)展，我國已建成的大跨徑橋梁超過100多座,。大跨徑橋梁的顯著特點是結(jié)構(gòu)輕柔,，跨徑大，超靜定,，結(jié)構(gòu)狀態(tài)較難識別,。而大跨徑橋梁作為交通系統(tǒng)的核心通道,，保障其安全和性能至關(guān)重要,。因此,，這些橋梁的建設(shè)，也對其建成后的養(yǎng)護和管理工作提出了更高的要求,。由于大跨徑橋梁運營期間所面臨的復雜環(huán)境作用,，如爆炸、船撞,、重載車流,、極端風荷載等偶然作用，也有疲勞荷載和可變作用形

成的結(jié)構(gòu)耐久問題,，需要有行之有效的監(jiān)測系統(tǒng),，實時掌握橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，并提出優(yōu)化的,、針對性的管理和維護措施,，保證橋梁運營性能?；诖?，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)應運而生。

目前,，我國已有140余座大橋安裝橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng),，遍及各種橋型?？偨Y(jié)這些橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng),，主要有以下五大特點和發(fā)展趨勢:1.傳感器多，經(jīng)濟性顯著,。一般而言大跨度橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)至少由100以上傳感設(shè)備,，其造價占比一般達到橋梁總造價的0.5%一1.0%;2.以橋梁管理和維護為目的，橋梁監(jiān)測的目的就是獲得橋梁狀態(tài),，以優(yōu)化管理和維護措施,，保障橋梁性能;3.監(jiān)測系統(tǒng)需具備可更換和可維護性;4.監(jiān)測系統(tǒng)開始延伸到施工狀態(tài)，形成施工與運營一體化的橋梁監(jiān)測系統(tǒng);5.雖然橋梁監(jiān)測可以做到自動化和智能化,，但對于監(jiān)測結(jié)果的評估,，還需要橋梁專家的介入，以準確評估監(jiān)測結(jié)構(gòu)的真實性和合理性,。

在上述健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展狀態(tài)下,，探索新技術(shù)新理念，將監(jiān)測獲得的大數(shù)據(jù)真正用于有效的橋梁管理和維護中,，非常重要,。

四,、橋梁健康監(jiān)測的新理論和新技術(shù)

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)可以作為子系統(tǒng)包含于橋梁管理系統(tǒng)，是健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計時應注意的新理念?，F(xiàn)有橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)一般用于單座大型橋梁,，是針對單一橋梁的項目級系統(tǒng)，通過監(jiān)測儀器和軟件系統(tǒng)以實時監(jiān)測為主,。橋梁管理系統(tǒng)適用于城市和公路橋梁管理,，是針對橋梁群體的網(wǎng)絡級系統(tǒng)，以常規(guī)檢測為主,。

傳感器優(yōu)化布設(shè)技術(shù):減少傳感器的數(shù)量,，優(yōu)化其布設(shè)位置對于減少數(shù)量分析工作量、提高數(shù)據(jù)分析效率來講是一門非常重要的新技術(shù),。全壽命集成:健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計時應涉及全壽命周期,，前伸到設(shè)計、施工階段,，后續(xù)至養(yǎng)護管理階段,，基于性能進行系統(tǒng)設(shè)計。傳感技術(shù)可行性(耐久性):傳感器能否耐久,，并及時監(jiān)測指標的變化是系統(tǒng)設(shè)計時考慮的重要事項,。

4.1傳感傳輸技術(shù)

從監(jiān)測內(nèi)容上看，傳感傳輸領(lǐng)域包含變形,、位移的測量,，拉索銹蝕的檢測，疲勞監(jiān)測等的新技術(shù),。另外,，傳感器技術(shù)，無線傳輸技術(shù),，健康監(jiān)測動態(tài)功耗管理技術(shù)以及狀態(tài)監(jiān)測可視化及評估輔助技術(shù)都屬于該領(lǐng)域研究的新技術(shù),。

經(jīng)過長期的研究與改進之后，機敏網(wǎng)仿生裂縫監(jiān)測技術(shù),、準直點激光投射式撓度監(jiān)測技術(shù),、基于GPRS壽SM的遠程傳輸技術(shù)、橋梁健康監(jiān)測動態(tài)功耗管理技術(shù),、狀態(tài)監(jiān)測可視化及評估輔助技術(shù)的硬件技術(shù)和軟件技術(shù)都已成熟,，并且已經(jīng)走向市場。圖2為光纖傳感器示意和EM傳感器示層,。

4.2數(shù)據(jù)處理,、識別、評估,、預警理論

數(shù)據(jù)處理新技術(shù)包含對海量數(shù)據(jù)篩選和數(shù)據(jù)質(zhì)量提升,、有效利用等處理技術(shù),。

損傷或狀態(tài)識別:運營橋梁在施工過程中不可避免存在結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的損傷，而監(jiān)測系統(tǒng)需要識別這些損傷的位置和程度,，才能判斷是否對橋梁結(jié)構(gòu)安全和性能形成顯著影響,，從而制定加固方法和養(yǎng)護策略。監(jiān)測系統(tǒng)需要有效快速地診斷損傷,。目前研究的損傷識別方法大部分都是基于結(jié)構(gòu)振動的,，主要有頻率法,、頻率敏感性分析法,、模態(tài)準則MAC法、基于剛度矩陣的模態(tài)力誤差識別法,、基于柔度矩陣的識別方法等,。

結(jié)構(gòu)性能評估:影響橋梁結(jié)構(gòu)性能的因素眾多，這也是監(jiān)測系統(tǒng)應用的關(guān)鍵難點,。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,，目前可以應用多種數(shù)理方法用于評估橋梁的結(jié)構(gòu)性能，例如模糊綜合評價法,、神經(jīng)網(wǎng)絡法,、及基于結(jié)構(gòu)可靠度的方法，目的都是利用監(jiān)測大數(shù)據(jù),，分析橋梁的結(jié)構(gòu)性能,。

預警理論方法方面，則包含預警指標,、預警閾值和預警方法的確定等,，這些都是判斷預警是否正確、合理和準確的核心,。

4.3技術(shù)與理論瓶頸

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)這方面的研究雖然已經(jīng)取得了很大的進展,，但是依然存在一些問題:首先，橋梁是由多種材料,、多樣構(gòu)件形成的復雜超靜定結(jié)構(gòu)體系,，各個構(gòu)件的剛度特性都不一樣，這就形成了構(gòu)件的應力狀態(tài),、易損性,、剛度及動力特性等差別很大，在受損狀態(tài)下,，通過監(jiān)測結(jié)果,，較難高效地識別損傷位置和損傷程度，也很難通過某一監(jiān)測結(jié)果或者指標去評估整體結(jié)構(gòu)的狀態(tài),。其次,，實際橋梁的狀態(tài),，可能由于施工不確定性和環(huán)境作用等因素，使得其與我們預想的結(jié)構(gòu)狀態(tài)存在很大差別,，這就是個采用數(shù)值建模的橋梁模型并不一定能夠完全反應實際的橋梁狀態(tài),，這給橋梁的狀態(tài)識別帶來很高的難度，另外大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)存在顯著的非線性特征,，這種非線性對于橋梁的受力和損傷分析,，也是非常復雜的。最后,，目前的測試設(shè)備和傳感器仍然存在壽命不穩(wěn)定,，抗干擾性差等問題，因此,，研發(fā)高精度,、高耐久性和高準確率的測試設(shè)備和傳感器，對于準確獲取橋梁響應具有重要意義,。

隨著我國橋梁建設(shè)的發(fā)展,，無論是既有橋梁還是新建橋梁，對橋梁狀態(tài)評估已成為橋梁面臨的深刻問題,。論文探討了我國橋梁健康監(jiān)測技術(shù)的基本狀況,，通過對監(jiān)測系統(tǒng)的功能、目的,、監(jiān)測內(nèi)容等定義與分析,，結(jié)合我國目前橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展概況，提出健康監(jiān)測技術(shù)未來發(fā)展的關(guān)鍵方向,，包括傳感技術(shù)的開發(fā)和監(jiān)測理論和研究,，真正將健康監(jiān)測系統(tǒng)更有效地服務于橋梁的管理和維護中。