淺談大跨橋梁結構健康監測及損傷識別

【摘 要】簡要回顧了大跨橋梁健康監測的發展歷程。結合深圳灣大橋健康監測系統，介紹了橋粱健康監測系統的組成、監測內容、功能及特點。重點對橋梁結構常用的狀態評估方法進行了介紹了比較。最后闡述了健康監測領域今后的主要研究問題和發展方向。

【關鍵詞】橋梁健康監測；損傷；光纖光柵；傳感系統；狀態評估

Shallow talk big across bridge structure health monitor and hurt identify

Bai Hua

(Hulunbeier City audit a bureau Hailaer Inner Mongolia 021008)

【Abstract】Synopsis review big across bridge health monitor of development process.Combine Shenzhen gulf big bridge health monitor system， introduction bridge Liang health constitute of monitor system， monitor contents， function and characteristics.The point carried on introduction comparison to the in common use appearance valuation method of the bridge structure.End elaborate health monitor realm aftertime of main research problem and development direction.

【Key words】Bridge health monitor;Hurt;Fiber optic light grid;Spread feeling system;Appearance valuation

1. 前言

隨著大跨度橋梁設計的輕柔化以及結構形式與功能的日趨復雜化，大橋的安全運營成為關系到一個國家的交通、經濟發展、軍事乃至人民生命財產安全的重要問題。由于大型橋梁工程往往具有投資大、設計周期和使用年限長、工作環境惡劣，易受周圍大氣、溫度、濕度及天氣的影響而發生劣化以及長期承受動荷載等特點，因而對橋梁結構進行長期的健康監測及狀態評估就顯得非常必要。大型橋梁的健康監測技術也因此成為橋梁工程學科研究和發展的一個重要領域［1-4］。隨著計算機技術、通訊技術及各類傳感技術的發展而發展起來的大型橋梁健康監測系統。力求對橋梁結構進行整體行為的實時監控和結構狀態的智能化評估。在結構經過長期使用或遭遇突發災害之后，通過測定其關鍵性能指標， 獲取反映結構狀況的信息， 分析其是否受到損傷。如果受到損傷，還要分析其可否繼續使用以及剩余壽命等。這對確保橋梁的運營安全，及早發現橋梁病害，延長橋梁的使用壽命起著積極的作用

2. 國內外發展狀況

隨著經濟技術的發展，特別是交通網絡的迅速發展，橋梁建設的形式和功能更加復雜多樣化。加之跨度也愈來愈大，以及建橋的巨大投資和它在國民經濟發展中的重要作用，橋梁的健康監測和安全評估工作已愈來愈受到人們的重視。各項重大工程結構中，橋梁結構健康監測得到了最廣泛、最深入和最系統的研究與發展。國外橋梁結構健康監測系統的應用可以追溯到20世紀80年代，當時英國對北愛爾蘭的新Foyle橋安裝了長期監測儀器和自動數據采集系統，以校驗大橋的設計并測量和研究車輛、風和溫度荷載對大橋動力響應的影響［5］。此后，隨著現代傳感技術、計算機技術與通訊技術、信號分析與處理技術及結構分析理論的迅速發展，許多國家都開始在一些新建和既有大型橋梁中建立結構健康監測系統。我國橋梁結構健康監測系統的研究與應用始于20世紀90年代，依托我國大規模基礎建設的背景，橋梁結構健康監測系統在我國得到了廣泛的應用。與世界其他國家相比，我國橋梁結構健康監測系統具有數量多、橋梁規模大的特點。

從目前國內外主要我國橋梁結構健康監測系統的監測目標、系統功能及系統運營等方面來看，目前國內外我國橋梁結構健康監測系統的研究與應用已取得了許多可喜的成果與進展，主要反映在［6~9］：

2.1 通過測量結構各種響應的傳感裝置，能夠獲取反映結構行為的記錄，并在橋梁通車運行后連續或間斷地監測結構狀態，力求獲取橋梁結構連續、完整的信息；有的新建橋梁監測系統從施工監控開始，力求連續、完整的記錄結構信息。

2.2 監測內容全面，除了監測結構本身的狀態和行為（應力、位移、傾角、加速度、動力特性等）以外，還強調對環境條件（風、地震、溫度、車輛荷載等）的監測和記錄分析，同時試圖通過橋梁正常車輛與風荷載下的動力效應來建立結構的總體監測樣本，并借此開發實時的結構整體性與安全性評估技術。

2.3 監測儀器多樣、先進，監測功能不斷完善，很多監測系統都具有快速大容量的信息采集、通訊與處理能力，并實現網絡共享。另外，一些重要設施的工作狀態，例如斜拉索振動控制裝置等也納入長期監測的范圍。

2.4 橋梁結構損傷診斷理論與方法的研究取得了一定的進展，開發了各種基于頻率、陣型、陣型曲率、應變陣型等改變量的損傷檢測和定位技術，在處理方法上探尋了MAC（模態保證標準）法、COMAC(坐標模態保證標準)法、柔度矩陣法、矩陣振動修正法、非線性迭代法等。這些方法各具特色，在局部的范圍內取得里積極的效果。近年來，更多的研究者致力于采用智能算法和先進信號分析來發展結構損傷診斷方法，例如神經網絡方法、模糊數學方法、小波變形方法、Hilber-Huang變換方法和信息融合技術等。

2.5 發展了包括可靠度理論、層次分析法、模糊理論、神經網絡、遺傳算法以及專家系統等多種橋梁結構狀態評估方法，并且初步應用于橋梁結構健康監測系統中［10］。

傳統的橋梁檢測方法主要依賴于動靜載試驗和檢測人員的現場目測。輔以混凝土硬度實驗、超聲波探測、腐蝕作用實驗等多種檢測手段。進入20世紀90年代，隨著現代傳感與通信技術的發展，無損檢測技術更是出現了前所未有的發展勢態，先后涌現出一大批新的檢測方法和檢測手段，使無損檢測技術向著智能化、快速化、系統化的方向發展。近年來，致力于橋梁檢測，研究人員提出了許多成功的方法對橋梁進行非破壞性評估。一些新的方法被廣泛應用于橋梁檢測，如利用相干激光雷達測試橋梁下部結構的撓度，利用全息干涉儀和激光斑紋測量橋體表面的變形狀態，利用雙波長遠紅外成像檢測橋梁混凝土層的損傷，利用磁漏攝動檢測鋼索、鋼梁和混凝土內部的鋼筋等等。隨著振動實驗模態分析技術的發展，運用振動測試數據進行結構動力模型修正理論得到了充分的發展，為橋梁結構的安全檢測開啟事了新的途徑。 基于振動模態分析技術，人們研究發現，結構的動力響應是整體狀態的一種度量，當結構的質量、剛度和阻尼特性發生變化時，選用結構振動模態作為權數，對結構損傷前后的模態變化量進行加權處理，從而實現對單元損傷的識別和有效定位。

3. 健康監測系統在大跨度橋梁中的應用 

隨著現代傳感技術、計算機與通訊技術、信號分析與處理技術及結構振動分析理論的迅速發展，大型橋梁結構健康監測與安全評價技術，近年來已成為國內外工程界和學術界關注的熱點。

3.1 從實際應用來看，通過對傳感器的革新和自動遠程監控技術的更新換代，橋梁結構健康監測與安全評價系統正向簡單易裝、經濟可行、持久可靠的方向發展， 并已在或將在包括江陰大橋、南京二橋、南京三橋、潤揚大橋和蘇通大橋在內的世界許多大橋中得到應用。從目前監測系統規模和技術水平來看，香港新機場干線上的青馬大橋( 懸索橋) 、 汲水門大橋(斜拉橋)和汀九大橋(斜拉橋)裝備了目前世界上技術最先進、規模最大的實時監測系統。3.2 從發展趨勢來看，橋梁結構健康監測與安全評價系統已開始成為大橋建設工程的一部分，香港目前正在興建的昂船洲大橋和深圳西部通道大橋結構健康監測系統均與主體工程一同招標。包含1271個各類傳感器的昂船洲大橋結構健康監測系統，建成后，將會是世界上最具規模的大橋實時監測系統。可以預計，橋梁結構健康監測與安全評價系統將在橋梁管理中發揮越來越大的作用，一個橋梁數字化時代正在來臨。

文章以斜拉橋中斜拉索損傷識別的方法及其適用性為例分析大跨度結構健康監測的應用。

對于斜拉橋而言，斜拉索是關鍵受力構件，斜拉索的受力狀態直接影響到斜拉橋的受力狀態。然而斜拉索銹蝕乃至斷絲的病害卻時有發生，且其斷絲的隱蔽性較強。隨著近20年來國內斜拉橋的修建，斜拉索已由過去的砂漿包裹發展成為以熱擠PE防護的平行鋼絲索和多層防護的鋼絞線斜拉索為主流的斜拉索體系。然而盡管斜拉索廠家對斜拉索提出30～50年的壽命指標，但目前國內已有數座斜拉橋在建成不到15年內就進行換索的案例。由于斜拉索的銹蝕斷絲等損傷必然導致索力及結構內力狀態的改變，嚴重時甚至導致結構的整體破壞，因此加強對斜拉索的監測或檢測是十分必要的。

近十幾年來，越來越多重要的大型橋梁上開始構建橋梁結構健康監測系統，希望通過對大橋運營環境和關鍵力學指標的實時監測達到掌控大橋安全狀態的目的。考慮到斜拉索的損傷必然導致斜拉索索力的變化及重分布;而斜拉索索力的變化也必然反映到橋面的撓度變化上。目前國內外許多學者的研究方向都放在探究先進的索力及撓度監測方法上。文獻［11］中北京中交公路規劃設計院有限公司的梁柱，李娜，鄭春等人就是以深港西部通道深圳灣公路大橋為例，采用拉索損傷敏感性分析方法，探討基于主梁撓度及索力監測的斜拉索損傷識別方法的具體應用及其適用性。深圳灣公路大橋為獨塔單索面鋼箱梁斜拉橋，塔梁固結體系，橋跨布置為180m+90m+75m。鋼箱梁頂板寬38 .6m，底板寬28.75m，梁高4.1269m。索塔為鋼筋混凝土斜塔，單箱單室截面，承臺以上塔高139.053m。斜拉索非對稱布置，全橋共12對斜拉索，采用直徑為7mm的低松弛高強平行鋼絲斜拉索，標準強度為1670MPa，拉索編號依次為S01～S12，H01～H12，結構如圖1所示。

3.3 文獻中了解到斜拉橋張拉時的索力主要由張拉千斤頂的油壓表讀數進行控制，而橋梁運營期間的索力監測目前主要有以下幾種方法：

(1)壓力傳感器測定法。

(2)加速度傳感器測振法。

(3)激光測振法。

(4)EM 磁通量索力計。

(5)筋式光纖光柵智能拉索。

運營期間的主梁撓度監測目前可采用的方法有測量機器人、激光撓度儀、GPS定位系統、開放連通管液位測量、封閉連通管壓力測量等。封閉連通管壓力測量法對傳感器及連通管路安裝要求較高，對液體質量要求高，是目前斜拉橋撓度監測較適用的方法。通過實驗得出基于主梁撓度及索力監測的損傷識別效果與監測設備的測試精度息息相關，當采用較高精度的測試方法及設備時，該方法對一定程度的拉索損傷識別是有效的。對其他結構形式的斜拉橋，也可運用此方法進行拉索損傷敏感性分析，為索力傳感器及撓度測點的優化布設提供指導。4. 大跨橋梁結構健康監測技術在我國的應用中存在的問題

上述研究和實踐應用成果，雖已極大地推動了結構健康監測與安全評價技術的發展， 但隨著監測技術的不斷發展和完善以及在實際工程中的應用實踐，亦發現尚存在較多急需解決的問題：

4.1 缺乏同一標準，系統規模差異性過大。

4.2 傳感器選型與布設合理性有待商榷。

4.3健康監測系統本身的使用壽命難以得到保證。

4.4 環境影響及測量噪聲難以消除，降低了監測數據的可靠性。

4.5 測量數據的不完整性，帶來分析困難。

4.6 海量數據處理困難，淹沒真實信息。

4.7 結構健康狀況評價尚不完備。

4.8 相關系統的有機結合尚待加強［12-13］。

因此，我們有必要加強研究，更進一步優化監測技術、完善健康監測及安全評價理論。

5. 大跨度橋梁健康監測技術的發展趨勢及方向 

鑒于，橋梁健康監測與狀態評估系統的研究尚處于基礎性的探索階段， 距離實用性的系統目標尚有很大的差距。橋梁健康監測帶來的將不僅是監測系統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“ 現場實驗室”。盡管橋梁抗風、抗震領域的研究成果以及新材料新工藝的出現不斷推動著橋梁的發展，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，橋梁結構控制與健康評估技術的深入研究與開發也需要結合現場試驗與調查。橋梁健康監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，由運營中的橋梁結構及其環境所獲得的信息不僅是理論研究和實驗室調查的補充，而且可以提供有關結構行為與環境規律的最真實的信息。另外，橋梁振動控制與健康評估技術的開發與應用也需要現場試驗與調查［14］。

6. 大跨橋梁健康監測需要進一步研究的問題

最基本的問題在于以目前的測試水準，僅能較準確測量結構的低頻響應， 而低頻響應多為結構的整體模態，對整體響應貢獻小的局部，即使在整體模態中有所反映，但由于量值過小，往往也容易淹沒在噪聲、誤差和不確定因素引起的擾動之中，故除非出現非常精確的測試技術或結構產生嚴重的損傷才可能對局部損傷進行診斷。實際上不同類型、部位的結構損傷對結構各階模態的影響程度有極大的不同。尋找特定結構形式不同損傷對其動力模態的敏感因素，并盡可能排除噪聲對結果判斷的影響，有可能在一定程度上推進此技術的實用化進程。達成這一目的可從兩方面人手：一、降低噪聲和不確定性因素的影響，即對其進行量化，就工程應用而言，利用概率統計信息來表征，是合理且可行的。二、提高橋梁損傷診斷方法的靈敏度，對已往的經驗及測試資料的分析，有限元數值模擬都有助于尋找特定橋型的損傷敏感特征。另外，需要進一步研究的問題還有：

6.1 利用振動模態測試分析技術和系統識別理論，結合大型橋梁結構自身的特點，探索適用于大型土木工程結構的模型修正方法。

6.2 尋求通用的損傷量化指標。在基于振動的故障診斷和預測中，要求不論信號的來源和頻段， 經過信號處理后，即可根據識別出的信號來判斷結構是否處于損傷狀態。因此，應該設計一種損傷尺度，將結構損傷程度進行分級量化。

6.3 新型傳感器和激振器的研制。瓶型傳感器的使用，使得原本沒有生命的橋梁被賦予了自感知和自診斷的能力。其中包括光纖傳感器、壓電傳感器、形狀記憶合金傳感器以及微型激振器等。

6.4 傳感器的最優布置技術。結構模型試驗和在線監測都需要對傳感器的最優布置技術進行研究。

6.5 大型復雜結構的各種非線性因素，使得神經網絡和遺傳算法在結構的健康檢測和診斷方面具有良好的應用前景。小波分析具有刻畫信號局部特征的“數學顯微鏡”功能，在數據的處理方面具有非常明顯的優勢［15-21］。7. 結束語

國內外橋梁、土木、機械等各領域的科學家提出了許多檢測和分析方法進行橋梁的安全性能評估和預報. 可以相信，隨著大型結構健康監測和安全評估的理論和技術水平的不斷完善與提高，大跨橋梁結構健康監測系統必將為大跨橋梁的正常運營和維護提供可靠、先進的技術手段，從而確保大跨橋梁的安全性和耐久性［15］。隨著計算機和科學技術的快速發展，人工智能將廣泛地運用在各類橋梁結構的檢測試驗和分析上，為橋梁結構的施工質量性能做出更準確的評價.同時，學科交叉的現象日益普遍，特別是將一些高新技術的最新研究成果應用于橋梁無損檢測技術的研究，必將推動該技術的飛速發展。



參考文獻

［1］ Gethin Wyn Roberts， Xiaolin Meng， Alan Henry Dodson. Integrating a Global Positioning System and Accelerometers to Monitor the De?ection of Bridges［J］.Journal of surveying engineering ? ASCE / MAY 2004.

［2］ Wong K Y．Chart WYK，Man KL. The use of structural heath montoring syste-min operation ＆maintenance of cable supported bridges ［ A］.In :one Day Annual Seminar Structural Symposium 2000 Highwayand rail way Structures ［ C］.HongKong，2000.108～133.

［3］ A.E.Aktan ， D.F. Farhey，eta1．Condition assessment for bridge management［ J ］.ASCE Infrastruct Systems ，1996。2(3)108一l17.

［4］ 李愛群，繆長青，李兆霞等．潤揚長江大橋結構健康監測系統研究［J］，東南大學學報，2003，33(5):544-548.

［5］Brownjohn J M W ，Moyo P，Omenzetter P et al. Lessons from montoring the performance of highway bridges. Structural Control and Health Monitoring，2005，12（3~4）：227~244.

［6］邢紹紅，王紅亞.橋梁健康監測研究發展現狀［J］.湖北省:浠水縣公路段湖北4382002，麻城市公路段，湖北麻城 438300 .

［7］ Han L，Newhook J P，Mufti A A.Sometime practical issues in remote structural health monitoring. Proceeding of SPIEP-The International Society for Optical Engineering，Nondestructive Evaluation and Health Monitoring of Aerospace Materials，Composites，and Civil Infrastructure IV，San Diego，CA，2005.

［8］ Ko J M，Ni Y Q. Technology developments in structural health monitoring of large-scale bridges. Engineering Structures，2005，27（12）：1715~1725.

［9］ Aktan A E，Helmicki A J，Hunt V J，Instrumentation and intelligence issues in bridge health monitoring. Proceeding of SPIE-The International Society for Optical Engineering，Smart Structures and Materials 1995:Smart Systems for Bridges，Structures，and Highway，San Diego，CA，1995.

［10］ 李愛群，丁幼量.工程結構損傷預警理論及其應用［M］.北京:科學出版社，2007.

［11］梁柱，李娜，鄭春.基于橋梁健康監測系統的斜拉索損傷識別［J］.鐵道建筑.2008.

［12］ Doebling S W， Farrar C R ， Prime M B. A Summary Review of Vibration based Damage Identification method ［ J ］ . The Shock and Vibration Digest， 1998 ，30(2) :91 - 105.

［13］ Sohn H ， Farrar C R ， Hemez F M. A Review of Structural Health Monitoring Literature: 1996 - 2001 ［R］ . Los Alamos National Laboratory Report， LA2139762MS，2004.

［14］ 魏新良，王震洪.橋梁健康監測技術發展現狀及趨勢分析［J］.鐵道工程學報.2008.9.

［15］楊玉冬，王浩，李愛群.大跨橋梁結構健康監測和狀態評估研究進展［J］江蘇建筑.2005.2.

［16］孫汝蛟，孫利民，孫智.FBG傳感技術在大型橋梁健康監測中的應用［J］.同濟大學學報.2008.

［17］ 許建軍，任俊建.橋梁健康實時監測系統的設計與實現［J］.市政建設行業應用.2007.9.

［18］ 張連振，黃 僑，鄭一峰，王宗林. 橋梁結構損傷識別理論的研究進展［J］.哈爾濱工業大學學報.2005.10.［19］ 宋軍，唐偉，劉琦.橋梁結構損傷識別的發展與研究［J］.甘肅科技.2008.9.

［20］ 施洲，蒲黔輝，李曉斌.橋梁結構應力與變形監測方法及其精度分析［J］. 四川建筑科學研究.2008.8.

［21］ 周奎，王琦，劉衛東，張簡. 土木工程結構健康監測的研究進展綜述［J］.工業建筑.2009.