1.序言
隨著橋梁分析理論、施工技術(shù)、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(dá)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(dá)到1991m（日本明石大橋），國內(nèi)潤揚(yáng)大橋?yàn)?490m，江陰大橋?yàn)?385m，鋼拱橋最大跨度為上海盧浦大橋（550m），鋼管混凝土拱橋?yàn)槲讔{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(yán)密的計算與施工技術(shù)，而且對橋梁建成后的安全養(yǎng)護(hù)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(fèi)為主要職能的橋梁管理機(jī)構(gòu)，但是健康監(jiān)測、養(yǎng)護(hù)與維修得不到應(yīng)有的重視，往往是在出現(xiàn)問題后才亡羊補(bǔ)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(jìn)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(xué)準(zhǔn)確的評判。由于大型橋梁的復(fù)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(jì)運(yùn)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(shù)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(shí)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(yùn)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(yùn)營、維護(hù)、管理提供決策依據(jù)，可以使得既有橋梁的技術(shù)改造決策更加科學(xué)、改造技術(shù)方案的設(shè)計更加合理、經(jīng)濟(jì)；（3）驗(yàn)證橋梁設(shè)計建造理論與方法，完善相關(guān)設(shè)計施工技術(shù)規(guī)程，提高橋梁設(shè)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(jì)價值和廣泛的應(yīng)用前景。
2.橋梁健康監(jiān)測的研究與應(yīng)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(jìn)行結(jié)構(gòu)特性，包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)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(dāng)研究人員試圖對健康監(jiān)測的無損評估進(jìn)行綜合，其重點(diǎn)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(jìn)行處理，以評估關(guān)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(jìn)行結(jié)構(gòu)特性，包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)的無損檢測和分析，其目的是：如果有損傷，則進(jìn)行損傷識別、確定損傷的位置、估計損傷的嚴(yán)重程度并評價損傷對結(jié)構(gòu)影響后果”（圖 1）?？偠灾粋€結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)必須同時能夠進(jìn)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(yù)測剩余的疲勞壽命。進(jìn)行水平（Ⅲ）的工作要求改進(jìn)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(shù)。進(jìn)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(jī)理和高性能的計算。在過去的20年，隨著儀器的改進(jìn)和對復(fù)雜結(jié)構(gòu)動力學(xué)的認(rèn)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(shí)用。
土木工程和航天航空工程、機(jī)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(yīng)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(dú)一根梁或一個空間桁架模型的相應(yīng)值要高得多，這一切使得橋梁這類復(fù)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(shù)也取得了很大進(jìn)步，主要包括以下幾個方面：
?。?）雷達(dá)與紅外熱象儀檢測技術(shù)：使用雷達(dá)、紅外熱象儀、激光光學(xué)、超聲波和其它一些心得技術(shù)手段可在僅僅一天之內(nèi)就能準(zhǔn)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(shù)：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(fù)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(fèi)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(shè)的一座名為beddington tail的一雙跨公路橋內(nèi)部應(yīng)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(yīng)變溫度儀，2個風(fēng)速儀，39個加速度傳感器和4個GPS定位器；
?。?）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(yīng)器開發(fā)出來，滿足了測量橋梁疲勞的長期需要。這種感應(yīng)器貼在橋上并且與橋梁一起承受應(yīng)變。它由一個特殊的應(yīng)變增幅裝置和兩個預(yù)先裂開的樣片合成一個整體去測量裂縫長度；
?。?）自感應(yīng)檢測技術(shù)：公路橋梁的自感應(yīng)檢測技術(shù)的應(yīng)用是廣泛的。目前，美國已經(jīng)設(shè)計、制造了一種便宜的位移感應(yīng)器，用于翼墻的監(jiān)測，已經(jīng)進(jìn)行兩年多了，十分有效；一種新型埋入式銹蝕感應(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(dāng)作美國基礎(chǔ)研究和開發(fā)的重點(diǎn)，這必須由感應(yīng)和測量的高科技技術(shù)來提供；
（5）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(yīng)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(shí)時監(jiān)控，也可以實(shí)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(yīng)用于公路路面、機(jī)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(hù)，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(yīng)和電熱效應(yīng)等性能。混凝土結(jié)構(gòu)除了正常負(fù)荷外，還希望它在受臺風(fēng)、地震等自然災(zāi)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(dá)到自調(diào)節(jié)的目的，必須復(fù)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(fù)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(jī)能，在混凝土傳統(tǒng)組分中復(fù)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(luò)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(fù)機(jī)理。采用粘結(jié)材料和基材相復(fù)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(fù)甚至提高材料性能的新型復(fù)合材料。
自診斷、自調(diào)節(jié)和自修復(fù)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(jī)敏混凝土，目前人們正致力于將2種以上功能進(jìn)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(yīng)用前景，但作為一種新型的功能材料，如果投入實(shí)際工程，還有很多問題需要進(jìn)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(fù)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(yùn)動；
?。?）其他新技術(shù)：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(xiàng)新技術(shù)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(yīng)該是一個方向，但是局部的監(jiān)測指標(biāo)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(biāo)與結(jié)構(gòu)整體性之間建立合理的關(guān)系是其中的關(guān)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(yīng)用的檢測評價方法，但有些技術(shù)仍需進(jìn)一步完善才能達(dá)到普遍應(yīng)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(shè)備。因此，橋梁結(jié)構(gòu)的長期監(jiān)測與診斷技術(shù)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(shí)用方便的橋梁檢測技術(shù)與監(jiān)測設(shè)備。
3.2傳感器的優(yōu)化布設(shè)、系統(tǒng)集成與數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(shù)是結(jié)構(gòu)損傷識別的前提。信號采集技術(shù)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(yīng)考慮采集數(shù)據(jù)的時間間隔，數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)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(fù)雜，傳感器的類型和數(shù)目相當(dāng)多，如何確定傳感器的最優(yōu)布置點(diǎn)是研究的熱點(diǎn)。目前采用的方法主要有：基于經(jīng)驗(yàn)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(dú)立法；清華大學(xué)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(diǎn)；西南交通大學(xué)也探索了靜載作用下橋梁應(yīng)變測量傳感器優(yōu)化布設(shè)。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(shè)評估標(biāo)準(zhǔn)。各種算法依據(jù)各自的評估目標(biāo)，盡管各方法在形式和理論上有一點(diǎn)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(shè)還是監(jiān)測結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性的考慮，因此關(guān)于傳感器布點(diǎn)理論的探討和驗(yàn)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(shù)研究
?。ㄒ唬?nbsp;(對于現(xiàn)有的國內(nèi)外部分科研機(jī)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(fèi)用昂貴，不適宜我國目前的實(shí)際需求。而國內(nèi)目前所進(jìn)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(fèi)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(jì)可靠，而且又能對橋梁實(shí)行實(shí)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(luò)線作為方便的數(shù)據(jù)傳輸媒介，在其基礎(chǔ)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(shù)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(shù)的研究現(xiàn)狀
橋梁損傷診斷和識別應(yīng)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(biāo)能夠全面地、敏感地反映橋梁的損傷狀態(tài)，這是因?yàn)闃蛄汗こ毯秃娇蘸教旃こ?、機(jī)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(yīng)非常容易受到不可預(yù)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(rèn)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(biāo)有：共振頻率、頻率響應(yīng)函數(shù)、振型、振型曲率、模態(tài)應(yīng)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(luò)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(biāo)和損傷識別方法僅適用于實(shí)驗(yàn)室模型，可供實(shí)橋損傷識別的實(shí)用方法不多。目前橋梁損傷診斷從單純的依賴其動力響應(yīng)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(shí)驗(yàn)和理論模型修正，乃至神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法；考慮測試傳感器的優(yōu)化布置、充分利用有限的實(shí)驗(yàn)測試信息；從單一損傷指標(biāo)診斷到多損傷指標(biāo)診斷等等方向發(fā)展，這樣可以克服各自方法的缺點(diǎn)并相互檢查，與損傷檢測的復(fù)雜性相適應(yīng)。
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(shí)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(jìn)一步深入，監(jiān)測系統(tǒng)還需要解決遠(yuǎn)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(rèn)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(shí)踐中探索出一套穩(wěn)定可靠的監(jiān)測系統(tǒng)、明確各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)、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(biāo)。
