淺議橋梁結構健康監測系統

王蘭 王明

盡管(截止到2006年)我們國家現有橋梁已經達到了50萬余座，但是有些地方的橋梁管理者對現有橋梁的管理仍然是“被動式”的，也就是當橋梁發生安全事故的時候才對橋梁進行維護(檢測和加固)。這種被動式的管理不可避免的會帶來橋梁安全事故的頻繁發生，如近幾年的重慶彩虹橋、宜賓小南門橋、蘇州堰月橋以及遼寧盤錦的田莊臺橋等塌橋事故。隨著橋梁管理理念的發展和橋梁檢測、健康監測以及評估方法的進步，使得變“被動式”的橋梁管理為“主動式”橋梁安全管理成為可能。

“主動式”的橋梁管理核心是建立橋梁維護管理制度，定期對橋梁進行檢測(對重大橋梁安裝橋梁結構健康監測系統，對其進行“實時檢測”)，及時了解橋梁的安全狀況，并采取相應的修理措施，避免安全事故的發生。

1 橋梁結構健康監測系統基本框架

一個較為完整的橋梁結構健康監測系統一般包括以下四個子系統:傳感器系統、數據采集與傳輸系統、數據處理與控制系統和橋梁健康評估系統。

1.1 傳感器系統

一般橋梁結構健康監測系統選用的傳感器包括兩大類:一類是監測橋梁荷載(系統輸入)的傳感器，一類是監測橋梁結構反應(系統輸出)的傳感器。

監測橋梁荷載的傳感器包括以下幾種:溫度計、風速儀、空氣溫濕度計和汽車動態稱重系統等;監測橋梁結構響應的傳感器包括以下幾種:應變計、加速度計、GPS、傾角儀、位移計、錨索計等。

根據不同的橋梁結構形式和工程預算的約束，不同的工程可以選擇不同的傳感器種類和數量。傳感器系統設計主要是傳感器種類和數量的選擇，重點是傳感器布點優化設計。

1.2 數據采集與傳輸系統

數據采集設備一般包括五種:1)通用采集儀器，主要采集電類傳感器信號，一般可針對具體的項目進行特殊設計。2)光纖光柵解調儀，光纖傳感器是近些年來興起的傳感器種類，對于橋梁監測系統光纖應變計和溫度計得到了日益廣泛的應用，采集光纖傳感器信號使用光纖光柵解調儀。3)振弦采集儀，對于振弦原理設計的傳感器必須用振弦采集設備，如錨索計等。4)GPS接收機，GPS數據采集由專門的系統設備完成，GPS天線通過同軸電纜連接至相應的GPS接收機。5)動態稱重主機，WIM系統的數據通過高速稱重主機接收壓電傳感器和地感線圈的信號來進行采集。

數據傳輸包括三個層次:1)從傳感器到采集設備的局部傳輸網絡;2)從采集設備到橋頭交換機二級傳輸網絡;3)從橋頭交換機到監控中心的骨干傳輸網絡。數據采集與傳輸系統主要是與傳感器匹配的采集儀器的選擇、通道數和采集頻率的確定，以及數據傳輸方案的設計。

1.3 數據處理與控制系統

在結構健康監測系統中，對系統監測數據的處理根據處理方式、處理內容以及處理順序的不同分為數據預處理和數據后處理。系統的數據處理功能由數據庫服務器與工控機共同來完成。

數據采集系統中的原始監測數據的預處理是在各子系統采集儀上完成，包括通用數據采集儀、光纖解調儀、GPS接收機、WIM稱重主機。預處理后的數據經橋頭交換機通過光纖傳回監控中心，監控中心的工控機接收預處理后的數據并實時顯示。

經預處理后的數據實時的傳輸至監控中心，在各工控機中通過數據處理軟件進行數據后處理，由于數據后處理涉及更為復雜的處理方式，因此有時可能需要進行人機交互的數據處理方式。

1.4 橋梁結構健康評估系統

橋梁結構健康監測系統直接目的是為了橋梁結構評估。橋梁結構評估包括兩個層次:一個層次是基于對監測數據的分析判定橋梁上是否發生了病害，并確定病害大致位置，輔以人工檢查確定病害程度和性質。第二個層次是在上述病害下橋梁是否安全，是否需要維修加固。第一個層次是橋梁損傷識別的研究范疇;第二個層次一般有基于可靠度理論的分項系數評估方法和基于精細有限元分析的力學方法。橋梁健康評估系統是橋梁健康監測系統的核心。橋梁健康評估系統主要功能是根據采集的數據和分析結果對橋梁承載能力進行評估，為橋梁維護提供決策依據。

2 橋梁結構健康監測系統國內外應用現狀

20世紀60年代以來，由于發達國家橋梁嚴重退化，安全事故不斷發生和事故后果的嚴重性，工程技術人員對橋梁結構監測展開了積極的探索。一方面是橋梁管理系統的研究，美國、英國、日本、加拿大和德國等一些發達國家最先開發了基于計算機的橋梁管理系統，美國從20世紀60年代起就開始使用橋梁管理系統，建成了大量的數據庫，以便對橋梁進行科學管理。另一方面是監測系統的研究，到90年代國內外許多大型橋梁安裝了健康監測系統，如日本的明石海峽大橋、丹麥的Great Belt和中國的江陰橋等。

中國香港的青馬大橋、汀九橋和汲水門橋三座橋梁同時安裝了風與結構健康監測系統WASHMS(Wind And Structural Health Monitoring System)，為便于集中管理，相關部門建立了一個整體監控中心，三座橋梁共用一套整體的數據處理與控制系統和結構健康評價系統，三座橋梁的數據采集與傳輸作業的控制在監控中心統一進行，其各自的采集數據也在監控中心進行統一的數據處理和結構分析。昂船洲橋梁結構健康監測系統(SCB-WASHMS)也設計了專用的數據傳輸線路，將實時監測數據傳送到青馬控制區上述三個監測系統的監控中心。

近年來，我國的一些大型橋梁也設計安裝了結構健康監測系統，如廣東虎門大橋、重慶大佛寺橋、海口世紀大橋、南京三橋、江陰大橋和潤揚長江大橋，以及蘇通長江大橋結構健康監測系統等。與國外相比，我國的這些橋梁結構健康監測系統在工程規模、實施水平和系統功能的完善上存在著不小的差距，具體表現在以下四個方面:

1)這些所安裝的監測系統不是按結構損傷識別的功能要求來設計的，對其關鍵內容，如傳感器的布置、阻尼及非經典阻尼的測量、模態精度與損傷識別能力間的關系、采樣率、結構的剩余承載力評定等基本上沒有考慮，因而基本上沒有進行結構損傷識別的能力。這些監測系統所采集的數據主要是各種荷載參數，雖然也量測了少量結構動靜態應力和變形，但不符合損傷識別的要求。

2)到目前為止，雖然已經建成了一些監測系統，但尚未見到國內公開發表的實際橋梁安全監測系統的監測數據和對數據的分析結果，更未見到這些分析結果對結構設計的改進作用。

3)橋梁監測系統要求所有的傳感器在數據采集上具有嚴格的時間同步，這樣監測的數據才有分析比較的價值，而目前國內很多系統還沒達到這種最基本的要求。

4)大多數橋梁監測系統設計都是根據橋梁竣工驗收試驗的內容設計的，基本沒有原始的動力指紋測試內容。而沒有原始的動力指紋測試就談不上真正意義上的結構健康監測。

另一方面國內一些有實力的單位在橋梁健康監測方面也開展了基礎性的科研工作，取得一系列重要成果如:1)國家攀登B項目“重大土木與水利工程安全性與耐久性的基礎研究”。2)國家重點基礎研究發展規劃(973)項目“災害環境下重大工程安全性的基礎研究”中子課題“考慮功能蛻化的重大工程結構在災害作用下破壞過程模擬與控制方法”(項目編號:2002CB412709)。3)中國香港青馬、汀九、汲水門大橋風與結構健康監測系統(WASHMS)研究。這些新的研究成果可以用來指導新建的橋梁結構健康監測系統的設計和數據分析工作。

3 橋梁結構健康監測系統的意義

橋梁結構健康監測系統的主要作用包括:1)設計驗證，確保橋梁安全;2)及時發現橋梁損傷;3)為橋梁維護管理提供技術依據;4)輔助橋梁日常交通管理。

［1］ 袁萬誠，崔 飛，張啟偉.橋梁健康監測與狀態評估的現狀與發展［J］.同濟大學學報，1999，27(2):93-95.

［2］ Farrar CR，Worden K.An introduction to Structural Healthmonitoring［J］.Phil Trans R Soc A，2007，365(1851):73-75.

［3］ 曲立杰.鋼筋混凝土橋梁的檢測方法探討［J］.山西建筑，2009，35(5):290-291.