大跨度橋梁健康監測與狀態評估研究展望

吳來義 丁幼亮 王高新

(1.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北 武漢 430050； 2.東南大學土木工程學院，江蘇 南京 210096)

大跨度橋梁健康監測與狀態評估研究展望

吳來義1丁幼亮2王高新2

(1.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北 武漢 430050； 2.東南大學土木工程學院，江蘇 南京 210096)

針對大跨度公路、鐵路橋梁的特點，介紹了國內外大跨度鐵路、公路橋梁健康監測與狀態評估進展，對現有的橋梁健康監測系統進行了評價，總結了目前橋梁健康監測存在的不足，并展望了大跨度公路、鐵路橋梁健康監測的發展方向。

大跨度，公路橋梁，鐵路橋梁，健康監測

1 橋梁健康監測的意義

交通運輸是一個國家的經濟命脈，而公路和鐵路則是使交通運輸能夠暢通無阻的重要載體，“經濟要發展，交通必先行”，已成為全社會的基本共識。自從20世紀80年代起，我國已持續進行了大規模的交通基礎設施建設，完成了數萬億的投資。公路和鐵路的建設規模和運營里程已經名列世界前茅，作為公路和鐵路大動脈連接的關鍵結點——橋梁，更是取得了舉世矚目的成就。截至2013年年底，我國公路橋梁已達73.1萬座，鐵路橋梁已超過6.5萬座，均為世界第一。

雖然我國橋梁工程實踐已取得了輝煌的成就，但是橋梁設計、管理水平和安全評定方法等相關基礎理論的研究與世界發達國家相比還存在一定的差距。跨越式發展也暴露出了諸多問題，如設計過于超前、施工技術運用及新材料不夠成熟，重建設、輕基礎理論研究，使一大批橋梁存在先天的結構性缺陷。因此，采取有效的手段和安全措施來保障大跨橋梁結構的安全性、適用性、完整性和耐久性，已迫在眉睫[1]。

2 大跨度公路橋梁健康監測研究與應用現狀

早在20世紀50年代，橋梁的健康運營與監測管理已經受到重視，但迫于當時的儀器設備和計算機技術水平，一體化的智能橋梁健康監測系統并未成為現實；隨著科學技術水平的發展，監測儀器及系統的逐漸成熟，橋梁結構的大空間大跨度使得業內對橋梁健康監測的研究日趨火熱。國外橋梁結構健康監測系統的實施應用可以追溯到20世紀80年代，英國對總長522 m的連續鋼構Foyle橋安裝了長期監測儀器和自動數據采集系統，是最早的較為完整的健康監測系統，主要監測研究車輛荷載、風和溫度環境荷載對大橋動力響應的影響[2]。美國對威斯康辛有65年歷史的提升式橋Michigan Street橋安裝了世界上第一套全橋遠程健康監測系統，用于監測即將達到設計壽命周期的該橋梁裂縫擴展情況，與此同時對佛羅里達州的Sunshine Skyway橋安裝了500多個傳感器[3]。瑞士在Siggenthal混凝土橋的建設過程中預安裝由58個光纖應變傳感器、8個溫度傳感器和2個傾角儀組成的健康監測系統，主要監測施工過程中和以后運營期的屈曲、變形和位移[4]。丹麥在20世紀90年代曾對總長1 726 m的Faroe跨海斜拉橋進行施工階段及運營首年的監測，目的是檢查關鍵的設計參數，監測施工危險階段以及獲取開發監控維護系統所必需的監測數據，另外在主跨1 624 m的Great Belt East懸索橋上安裝健康系統，并嘗試把極端記錄與正常記錄分開處理以期縮小數據存量。挪威在主跨530 m的Skarnsnde斜拉橋上安裝健康監測系統來對風、加速度、傾斜度、應變、溫度、位移進行全自動監測[5]。

我國橋梁結構健康監測系統研究與應用起步相對較晚，依托我國20世紀90年代大規模基礎設施建設的大環境，橋梁結構健康監測系統在我國得到了快速發展和較廣泛的應用。中國江蘇潤揚大橋[6]懸索橋為單跨雙鉸簡支鋼箱梁橋，為中國第一，世界第三，主跨1 490 m；斜拉橋(176 m+406 m+176 m)為雙塔雙索面型鋼箱梁橋，2005年建成通車。作為我國規模空前的特大型橋梁，對其建設和營運期間的健康監測、狀態評估以及各種極端自然環境影響下的損傷預測和評估具有重要的實用價值和現實意義。該系統的監測項目包括纜索系統(斜拉索、主纜和吊桿)的振動響應、鋼箱梁溫度場及響應(應變、振動)、交通荷載狀況、橋址風環境以及索塔的振動響應等。

3 大跨度鐵路橋梁健康監測研究與應用現狀

高速鐵路從2008年起陸續投入運營，高速鐵路的運營密度及高速度、安全性、舒適性等特性對高速鐵路橋梁結構的靜、動力性能提出了更高的要求。因此高速鐵路橋梁在設計施工中有剛度較大、整體性好、縱向剛度大、減振性能和橫向位移控制要求高等特點，所以高速鐵路橋梁多采用小跨度的簡支梁或連續梁[7]。但由于跨河、越江和跨峽谷的需要，大跨度高速鐵路橋梁也越來越多。據不完全統計，建成和擬建的100 m以上跨度的高速鐵路橋梁在200座以上。我國大跨度高速鐵路橋梁的代表作是武廣客運專線的天興洲長江大橋和京滬高速鐵路的南京大勝關長江大橋。

隨著高速鐵路橋梁服役時間的增長，橋梁結構長期處在復雜的自然環境作用下，受到材料老化、環境侵蝕、列車荷載的疲勞效應，橋梁結構的安全性和耐久性將不可避免地發生退化，這必然影響結構的安全運營，進而抵抗自然災害甚至正常環境作用的承載能力下降；與此同時，關鍵截面構件損傷擴展很快，極端情況下可能引發災難性的突發事故，造成重大的社會影響，建立針對高速鐵路橋梁的健康監測系統有其重要的實用價值及現實意義。

高速鐵路橋梁結構的健康監測系統應用可以追溯到20世紀90年代，Fuhr等在Vermont大學附近的一座鐵路橋梁埋入光纖束和光纜，以監測該鐵路橋梁在列車經過時的振動情況，從而了解該橋的工作情況[8]。中國香港青馬大橋是主跨1 377 m的公鐵兩用懸索橋，香港路政署在橋上安裝了溫度計、應變計、風速風向儀、位移計、GPS、加速度計、地震儀、動態地磅等傳感器。鄭州黃河公鐵兩用橋梁健康監測系統共布置69個傳感器，對橋梁狀態進行健康監測、狀態評估和損傷預警[9]。南京長江大橋為公鐵兩用特大橋，南京長江大橋安裝了包括溫度計、應變計、加速度計、風速儀、軌道衡、地震儀等150多個傳感器的健康監測系統，確保大橋的安全運營和大橋的健康狀態[10]。目前國內外高速鐵路橋梁結構健康監測系統主要是針對公鐵兩用橋梁，且多為大跨徑懸索橋和斜拉橋。高速鐵路橋梁結構自身特性以及高速行車的安全性與舒適性要求都給高速鐵路橋梁結構健康監測提出更高的要求[11,12]。

4 研究與展望

通過布設全套的高效有效的健康監測系統，可以獲取橋梁結構的所有變形響應，并在橋梁運營后連續實時地反映出結構的狀態。除了監測橋梁結構本身的狀態和響應以外，還應注重對環境條件的監測與分析。隨著研究的不斷深入，研究者們逐漸認識到橋梁結構系統本身和外在荷載存在著顯著的不確定性因素，而結構監測系統實時采集的各類監測數據則正好體現了運營狀態下結構所經歷的隨機性、多樣性和復雜性信息。結構安全監測數據具備4V特征，Volume(大量)、Velocity(高速)、Variety(多樣)、Value(價值)，是一種特殊的“大數據”。為了充分利用橋梁海量監測數據，研究和發展了多種數據挖掘與分析方法，建立了橋梁結構荷載、環境作用、結構響應等監測數據的統計建模方法，初步揭示了橋梁結構在溫度、風、車輛荷載等時變環境作用下的靜、動力特性的變化規律。例如，基于溫度長期監測數據研究了橋梁結構的溫度變化特征，采用統計學方法得到了橋梁關鍵構件溫度以及溫差作用的概率統計模型；開展了大跨橋梁橋址區風環境的長期監測，利用參數估計方法建立了持續風特征參數的統計分析模型；利用動態車輛稱重技術研究了橋梁疲勞車輛荷載的統計分析模型；研究了鋼橋焊接細節在溫度和車輛荷載作用下疲勞應變時程曲線的變化規律，建立了焊接細節疲勞荷載效應與溫度以及車流量的統計相關模型。

盡管國內外學者針對橋梁監測系統和對監測數據分析與應用取得了豐碩的成果，但是這些研究工作大多僅是針對橋梁環境荷載以及結構響應開展分析，尚不能完全揭示結構服役性能的長期變化規律。其中很重要的原因是缺乏基于長期荷載作用和結構響應信息的橋梁結構抗力參數反演方法，對橋梁結構抗力模型中的關鍵參數的長期演變規律研究甚少。缺乏抗力模型的研究，就無法準確地對結構服役性能進行評價。因此，目前對于橋梁監測海量數據的分析仍然停留在問題的表面，亟需建立橋梁結構長期變形、疲勞、耐久性和承載力等服役性能的識別方法。

[1] 張啟偉.大型橋梁健康監測概念與監測系統設計[J].同濟大學學報,2001,29(1):65-69.

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

[3] 張啟偉.橋梁結構模型修正與損傷識別[D].上海：同濟大學博士學位論文,1999.

[4] Inaudi D.Monitoring of a concrete arch bridge during construction[J].Smart Structures and Materials,San Diego,2002(1):4696-5017.

[5] Myroll F,Dibiagio E.Instrumentation for Monitoring the Skarnsunder Cable-Stayed Bridge[J].Strait Crossing 94,Krokeborg,Balkema,Rotterdam,1994(2):54-65.

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

[7] 盧 狀,胡若鄰.高速鐵路橋梁長期健康監測探討[J].建筑監督檢測與造價,2011(6)：19-20.

[8] Fuhr P L,Huston D R,Ambrose T P，et al.Stress monitoring of concrete using embedded optical fiber sensors[J].Journal of Structural Engineering,1993,119(7):2263-2269.

[9] 李松報.基于橋梁健康監測系統的鄭州黃河公鐵兩用橋的橋梁養護管理體系的構建[J].鐵道標準設計,2009(8):58-62.

[10] 何旭輝,陳政清,黃方林,等.南京長江大橋安全監測和狀態評估的初步研究[J].振動與沖擊,2003,22(1):75-78.

[11] 魏召蘭.高速鐵路大型橋梁結構健康監測與狀態評估研究[D].成都:西南交通大學,2012.

[12] 趙 虎.基于動力參數的高速鐵路橋梁多層次損傷識別與性能評定[D].成都:西南交通大學,2010.

Research prospects of long-span bridge health monitoring and status assessment

Wu Laiyi1Ding Youliang2Wang Gaoxin2

(1.ChinaRailwayMajorBridgeReconnaissance&DesignGroupCo.,Ltd,Wuhan430050,China；2.SchoolofCivilEngineering，SoutheastUniversity，Nanjing210096,China)

In this paper, the current situations of long-span highway and railway bridges health monitoring and status assessment are introduced based on the characteristics of highway and railway bridges. It evaluates current bridge health monitoring system. The shortage of current health monitoring system is summarized. Furthermore, directions of development in this area are proposed.

long-span， highway bridge， railway bridge， health monitoring

2015-04-05

吳來義(1973- )，男，工程師； 丁幼亮(1979- )，男，博士，研究員； 王高新(1987- )，男，在讀博士

1009-6825(2015)17-0158-02

U446.2

A