大型橋梁健康監(jiān)測概念與監(jiān)測系統(tǒng)設計

　　摘要：大型橋梁健康監(jiān)測力求對結(jié)構(gòu)整體行為的實時監(jiān)控和對結(jié)構(gòu)狀態(tài)的智能化評估。同時，對大跨度橋梁設計理論與力學模型的驗證以及對結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)環(huán)境中未知或不確定性問題的調(diào)查與研究也正融入橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)涵。本文首先簡要地總結(jié)十多年來橋梁健康監(jiān)測的研究狀況，然后較系統(tǒng)地闡述橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的新概念，并從橋梁工程發(fā)展的角度探討大型橋梁監(jiān)測系統(tǒng)設計的有關(guān)問題，以期為監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)提供借鑒。

　　關(guān)鍵詞：健康監(jiān)測 監(jiān)測系統(tǒng) 監(jiān)測項目 橋梁

　　20世紀橋梁工程領(lǐng)域的成就不僅體現(xiàn)在預應力技術(shù)的發(fā)展和大跨度索支承橋梁的建造以及對超大跨度橋梁的探索，而且反映于人們對橋梁結(jié)構(gòu)實施智能控制和智能監(jiān)測的設想與努力。近20年來橋梁抗風、抗震領(lǐng)域的研究成果以及新材料新工藝的開發(fā)推動了大距度橋梁的發(fā)展；同時，隨著人們對大型重要橋梁安全性、耐久性與正常使用功能的日漸關(guān)注，橋梁健康監(jiān)測的研究與監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)應運而生。由于橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)可以為驗證結(jié)構(gòu)分析模型、計算假定和設計方法提供反饋信息，并可用于深入研究大跨度橋梁結(jié)構(gòu)及其環(huán)境中的未知或不確定性問題，因此，橋梁設計理論的驗證以及對橋梁結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)環(huán)境未知問題的調(diào)查與研究擴充了橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)涵。本文結(jié)合近十年來橋梁健康監(jiān)測的研究狀況以及大跨度橋梁工程的研究與發(fā)展，較系統(tǒng)地闡述橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)涵，并由此探討監(jiān)測系統(tǒng)設計的有關(guān)問題。

　　一、橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)與理論發(fā)展簡況

　　1.監(jiān)測系統(tǒng)

　　80年代中后期開始建立各種規(guī)模的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。例如，英國在總長522m的三跨變高度連續(xù)鋼箱梁橋Foyle橋上布設傳感器，監(jiān)測大橋運營階段在車輛與風載作用下主梁的振動、撓度和應變等響應，同時監(jiān)測環(huán)境風和結(jié)構(gòu)溫度場。該系統(tǒng)是最早安裝的較為完整的監(jiān)測系統(tǒng)之一，它實現(xiàn)了實時監(jiān)測、實時分析和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡共享。建立健康監(jiān)測系統(tǒng)的典型橋梁還有挪威的Skarnsundet斜拉橋（主跨530m、美國主跨440m的Sunshine Skyway Bridge斜拉橋、丹麥主跨1624m的Great Belt East懸索橋、英國主跨194m的Flintshire獨塔斜拉橋[4]以及加拿大的Confederatiot Bridge橋[5].我國自90年代起也在一些大型重要橋梁上建立了不同規(guī)模的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，如香港的青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋，內(nèi)地的上海徐浦大橋以及江陰長江大橋等[6~8].

　　從已經(jīng)建立的監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測目標、功能以及系統(tǒng)運行等方面看，這些監(jiān)測系統(tǒng)具有以下一些共同特點：

　　（1）通常測量結(jié)構(gòu)各種響應的傳感裝置獲取反映結(jié)構(gòu)行為的各種記錄；

　�。�2）除監(jiān)測結(jié)構(gòu)本身的狀態(tài)和行為以外，還強度對結(jié)構(gòu)環(huán)境條件（如風、車輛荷載等）的監(jiān)測和記錄分析；同時，試圖通過橋梁在正常車輛與風載下的動力響應來建立結(jié)構(gòu)的"指紋"，并藉此開發(fā)實時的結(jié)構(gòu)整體性與安全性評估技術(shù)；

　�。�3）在通車運營后連續(xù)或間斷地監(jiān)測結(jié)構(gòu)狀態(tài)，力求獲取的大橋結(jié)構(gòu)信息連續(xù)而完整。某些橋梁監(jiān)測傳感器在橋梁施工階段即開始工作并用于監(jiān)控施工質(zhì)量；

　�。�4）監(jiān)測系統(tǒng)具有快速大容量的信息采集、通訊與處理能力，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡共享。

　　這些特點使得大跨度橋梁健康監(jiān)測區(qū)別于傳統(tǒng)的橋梁檢測過程。另外需要指出的是，橋梁健康監(jiān)測的對象已不再局限于結(jié)構(gòu)本身：一些重要輔助設施的工作狀態(tài)也已納入長期監(jiān)測的范圍（如斜拉索振動控制裝置等）。

　　2.理論研究

　　十多年來，橋梁健康監(jiān)測理論的研究主要集中于結(jié)構(gòu)整體性評估和損傷識別。由于基于振動信息的整體性評估技術(shù)在航天、機械等領(lǐng)域的深入研究和運用，這類技術(shù)被用于土木結(jié)構(gòu)中除無損檢測技術(shù)以外的最重要的整體性評估方法并得到廣泛的研究。人們致力于基于振動測量值的整體性評估方法研究的另一個原因是，結(jié)構(gòu)振動信息可以在橋梁運營過程中利用環(huán)境振動法獲得，因此這一方法具有實時監(jiān)測的潛力。

　　結(jié)構(gòu)整體性評估方法可以歸結(jié)為模式識別法、系統(tǒng)識別法以及神經(jīng)網(wǎng)絡方法三大類。結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)常被用作結(jié)構(gòu)的指紋特征，也是系統(tǒng)識別方法和神經(jīng)網(wǎng)絡法的主要輸入信息。另外，基于結(jié)構(gòu)應變模態(tài)、應變曲率以及其他靜力響應的評估方法也在不同程度上顯示了各自的檢傷能力.然而，盡管某些整體性評估技術(shù)已在一些簡單結(jié)構(gòu)上有成功的例子，但還不能可靠地應用于復雜結(jié)構(gòu)。阻礙這一技術(shù)進入實用的原因主要包括：①結(jié)構(gòu)與環(huán)境中的不確定性和非結(jié)構(gòu)因素影響；②測量信息不完備；③測量精度不足和測量信號噪聲；④橋梁結(jié)構(gòu)贅余度大并且測量信號對結(jié)構(gòu)局部損傷不敏感。

　　另外，從評估方法上，目前對大跨度橋梁的安全評估基本上仍然沿襲常規(guī)中小橋梁的定級評估方法，是一種主要圍繞結(jié)構(gòu)的外觀狀態(tài)和正常使用性能進行的定性、粗淺的安全評價。

　　二、橋梁健康監(jiān)測新概念

　　橋梁健康監(jiān)測的基本內(nèi)涵即是通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評估，為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁運營狀況嚴重異常時觸發(fā)預警信號，為橋梁維護濰修與管理決策提供依據(jù)和指導。為此，監(jiān)測系統(tǒng)對以下幾個方面進行監(jiān)控：

　　橋梁結(jié)構(gòu)在正常環(huán)境與交通條件下運營的物理與力學狀態(tài)；

　　橋梁重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（加支座）和附屬設施（如振動控制元件）的工作狀態(tài)；

　　結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性；

　　大橋所處環(huán)境條件；等等。

　　與傳統(tǒng)的檢測技術(shù)不同，大型橋梁健康監(jiān)測不僅要求在測試上具有快速大容量的信息采集與通訊能力，而且力求對結(jié)構(gòu)整體行為的實時監(jiān)控和對結(jié)構(gòu)狀態(tài)的智能化評估。

　　然而，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測不僅僅只是為了結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)控與評估。由于大型橋梁（尤其是斜拉橋、懸索橋）的力學和結(jié)構(gòu)特點以及所處的特定環(huán)境，在大橋設計階段完全掌握和預測結(jié)構(gòu)的力學特性和行為是非常困難的。大跨度索交承橋梁的設計依賴于理論分析并過風洞、振動臺模擬試驗預測橋梁的動力性能并驗證其動力安全性。然而，結(jié)構(gòu)理論分析�；�于理想化的有限元離散模型，并且分析時常以很多假定條件為前提。在進行風洞或振動臺試驗時對大橋的風環(huán)境和地面運動的模擬也可能與真實橋位的環(huán)境不全相符。因此，通過橋梁健康監(jiān)測所獲得的實際結(jié)構(gòu)的動靜力行為來驗證大橋的理論模型、計算假定具有重要的意義。事實上，國外一些重要橋梁在建立健康監(jiān)測系統(tǒng)時都強調(diào)利用監(jiān)測信息驗證結(jié)構(gòu)的設計。

　　橋梁健康監(jiān)測信息反饋于結(jié)構(gòu)設計的更深遠的意義在于，結(jié)構(gòu)設計方法與相應的規(guī)范標準等可能得以改進；并且，對橋梁在各種交通條件和自然環(huán)境下的真實行為的理解以及對環(huán)境荷載的合理建模是將來實現(xiàn)橋？“虛擬設計"的基礎。

　　還應看到，橋梁健康監(jiān)測帶來的將不僅是監(jiān)測系統(tǒng)和對某特定橋梁設計的反思，它還可能并應該成為橋梁研究的"現(xiàn)場實驗室".盡管橋梁抗風、抗震領(lǐng)域的研究成果以及新材料新工藝的出現(xiàn)不斷推動著橋梁的發(fā)展，但是，大跨度橋梁的設計中還存在很多未知和假定，超大跨度橋梁的設計也有許多問題需要研究。同時，橋梁結(jié)構(gòu)控制與健康評估技術(shù)的深入研究與開發(fā)也需要結(jié)構(gòu)現(xiàn)場試驗與調(diào)查。橋梁健康監(jiān)測為橋梁工程中的未知問題和超大跨度橋梁的研究提供了新的契機。由運營中的橋梁結(jié)構(gòu)及其環(huán)境所獲得的信息不僅是理論研究和實驗室調(diào)查的補充，而且可以提供有關(guān)結(jié)構(gòu)行為與環(huán)境規(guī)律的最真實的信息。另外，橋梁振動控制與健康評估技術(shù)的開發(fā)與應用性也需要現(xiàn)場試驗與調(diào)查。

　　綜上所述，大型橋梁健康監(jiān)測不只是傳統(tǒng)的橋梁檢測加結(jié)構(gòu)評估新技術(shù)，而是被賦予了結(jié)構(gòu)監(jiān)控與評估、設計驗證和研究與發(fā)展三方面的意義。

　　三、健康監(jiān)測系統(tǒng)設計

　　1.監(jiān)測系統(tǒng)設計準則

　　從表1給出的兩座大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的測點布置情況可以看出，兩個監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測項目與規(guī)模存在很大差異。這種差異除了橋型和橋位環(huán)境因素外，主要是因為對各監(jiān)測系統(tǒng)的投資額和（或）建立各個系統(tǒng)的目的（或者說是對系統(tǒng)的功能要求）不同。因此，橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的設計實際上有意或無意地遵循著某些準則。

　　顯然，監(jiān)測系統(tǒng)的設計應該首先考慮建立該系統(tǒng)的目的和功能。上節(jié)所述的橋梁健康監(jiān)測三方面的意義也正是橋梁健康監(jiān)測的目的和功能所在。對于特定的橋梁，建立健康監(jiān)測系統(tǒng)的目的可以是橋梁監(jiān)控與評估，或是設計驗證，甚至以研究發(fā)展為目的；也可以是三者之二甚至全部。一旦建立系統(tǒng)的目的確定，系統(tǒng)的監(jiān)測項目就可以基本上確定。另外，監(jiān)測系統(tǒng)中各監(jiān)測項目的規(guī)模以及所采用的傳感儀器和通信設備等的確定需要考慮投資的限度。因此在設計監(jiān)測系統(tǒng)時必須對監(jiān)測系統(tǒng)方案進行成本一效益分析。成本-效益分析是建立高效、合理的監(jiān)測系統(tǒng)的前提。

　　根據(jù)功能要求和成本一效益分析可以將監(jiān)測項目和測點數(shù)設計到所需的范圍，可以最優(yōu)化地選擇并安裝系統(tǒng)硬件設施。因此，功能要求和效益-成本分析是設計橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的兩大準則。

　　2.監(jiān)測項目

　　不同的功能目標所要求的監(jiān)測項目不盡相同。絕大多數(shù)大跨度橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測項目都是從結(jié)構(gòu)監(jiān)控與評估出發(fā)的，個別也兼顧結(jié)構(gòu)設計驗證甚至部分監(jiān)測項目以橋梁問題的研究為目的。文獻通過對國內(nèi)多座運營中的斜拉橋進行大量病害調(diào)查與檢測分析，提出了用于斜拉橋狀態(tài)監(jiān)控與評估的頗具代表性的監(jiān)測項目。

　　如果監(jiān)測系統(tǒng)考慮具有結(jié)構(gòu)設計驗證的功能，那就要獲得較多結(jié)構(gòu)系統(tǒng)識別所須要的信息。因此，對于大跨度余支承橋梁，須要較多的傳感器布置于橋塔、加勁梁以及纜索/拉索各部位，以獲得較為詳細的結(jié)構(gòu)動力行為并驗證結(jié)構(gòu)設計時的動力分析模型和響應預測。另外，在支座、擋塊以及某些連結(jié)部位須安設傳感器拾取反映其傳力、約束狀況等的信息。

　　目前，某些監(jiān)測系統(tǒng)以開發(fā)結(jié)構(gòu)整體性與安全性評估技術(shù)為目的之一。結(jié)合橋梁問題研究的監(jiān)測系統(tǒng)雖不多見，但有些系統(tǒng)也有監(jiān)測項目是專為研究服務的。與理論研究相關(guān)的監(jiān)測項目可以根據(jù)待研究問題的性質(zhì)來確定。從目前橋梁工程的發(fā)展狀況看，以下幾方面的問題可以借助橋梁健康監(jiān)測進行深入研究或論證。

　　抗風方面：包括風場特性觀測、結(jié)構(gòu)在自然風場中的行為以及抗風穩(wěn)定性。

　　抗震方面：包括研究各種場地地面運動的空間與時間變化、土-結(jié)構(gòu)相互作用、行波效應、多點激勵對結(jié)構(gòu)響應的影響等。通過對墩頂與墩底應變、變形及加速度的監(jiān)測建立恢復力模型對橋梁的抗震分析具有重要的意義。

　　結(jié)構(gòu)整體行為方面：包括研究結(jié)構(gòu)在強風、強地面運動下的非線性特性，橋址處環(huán)境條件變化對結(jié)構(gòu)動力特性、靜力狀態(tài)（內(nèi)力分布、變形）的影響等。這對于發(fā)展基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的整體性評估方法非常重要。

　　結(jié)構(gòu)局部問題：例如邊界、聯(lián)接條件，鋼梁焊縫疲勞及其他疲勞問題，結(jié)合梁結(jié)合面（包括剪力鍵）的破壞機制，等等。索支承橋梁纜（拉）索和吊桿的振動與減振、局部損傷機制等也值得進一步觀察研究。

　　耐久性問題：橋梁結(jié)構(gòu)中的耐久性問題尚有許多問題須要深入研究。纜（拉）索與吊桿的腐蝕、銹蝕問題尤須重視。

　　基礎：大直徑樁的采用也帶來一些設計問題，直接套用原先用于中等直徑樁的計算方法不很合理。借助大型橋梁監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)查大直徑樁的變形規(guī)律、研究樁的承載力問題，也是設計部門的需要。

　　四、小結(jié)

　�。�1）橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測不只是傳統(tǒng)的橋梁檢測技術(shù)的簡單改進，而是運用現(xiàn)代傳感與通信技術(shù)，實時監(jiān)測橋梁運營階段在各種環(huán)境條件下的結(jié)構(gòu)響應與行為，獲取反映結(jié)構(gòu)狀況和環(huán)境因素的各種信息，由此分析結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)、評估結(jié)構(gòu)的可靠性，為橋梁的管理與維護決策提供科學依據(jù)。同時，大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測對于驗證與改進結(jié)構(gòu)設計理論與方法、開發(fā)與實現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)控制技術(shù)以及深入研究大型橋梁結(jié)構(gòu)的未知問題具有重要意義。因此，健康監(jiān)測為橋梁工程的發(fā)展開辟了新的空間。

　�。�2）大型橋梁健康監(jiān)測三方面的意義反映了從事橋梁維護管理、設計咨詢和理論研究不同領(lǐng)域人員所關(guān)注的問題。監(jiān)測系統(tǒng)的設計應以功能要求和效益－成本分析為基本準則。此外，監(jiān)測系統(tǒng)的設計應該通過布點優(yōu)化分析，并且考慮到系統(tǒng)實施中的非常重要的通信問題。

　�。�3）對于大跨度斜拉橋、懸索橋而言，整體性評估只是結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評估的一部分，不可能僅通過整體性評估來解釋橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。同時，大跨度橋梁的力學特點決定其安全評估的概念上和方法上不同于常規(guī)的中小橋梁。

　�。�4）在跨度橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評估的目的是控制大橋運營風險及支持減災決策。因此結(jié)合橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的安全評估，應該可以通過獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)評估橋梁結(jié)構(gòu)的基本狀態(tài)和結(jié)構(gòu)行為。定期或在偶發(fā)事件（如地震）發(fā)生后識別結(jié)構(gòu)的損傷和關(guān)鍵部位的變化，并且對大橋結(jié)構(gòu)生命期各階段的承載能力和抗風、抗震能力作出客觀的定量的評估。