大跨度橋梁結構健康監測系統

蔡 明

（深圳市市政設計研究院有限公司，廣東 深圳 518029）

0 引言

近二、三十年來，隨著橋梁工程領域內設計、施工技術和材料等方面的理論和工藝的突飛猛進，在世界范圍內斜拉橋的發展也是引人矚目。在中國，千米級的大跨斜拉橋也相繼誕生。大跨橋梁的迅猛發展和近幾十年來橋梁工程領域內的輕重不同的破壞事故引起了管理者和橋梁工程界所有人士對斜拉橋施工和運營期間安全性、耐久性和正常使用功能的關注。

傳統的橋梁結構健康狀況的評估是通過人工目測檢查或者借助于便攜式儀器測量所得到的信息而進行的。由于這些傳統的檢查方法需要大量的人力、物力和財力，主觀性強，難于量化，影響正常交通，周期長，實時性差等缺點和限制，無法直接有效地應用于斜拉橋的健康狀況檢查和評估，所以大跨橋梁結構的健康監測系統應運而生[1,2]。

現代大跨橋梁結構的健康監測系統是現代先進監測技術、數據分析和處理技術、健康診斷技術和傳統人工檢查方法的合理結合。隨著傳感器、數據傳輸、計算機軟硬件、信號處理和分析、以及人工智能的迅猛發展，基于計算機自動的、連續的、和實時在線的大型橋梁結構的健康監測系統得到了廣泛深入的發展和應用。

本文主要闡述了大型橋梁健康監測系統的發展、健康監測系統的概念、組成、健康監測系統的設計和健康監測系統的理論發展等內容。

1 橋梁健康監測系統的發展

20世紀80年代中后期各種規模的健康監測系統開始了建立。例如：英國在總長為522 m的三跨變截面連續鋼箱梁橋Foyle橋上布設傳感器，監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，同時監測環境風和溫度場，該系統是最早安裝的較為完整的監測系統之一，它實現了實時監測、實時分析和數據網絡共享。建立健康檢測系統的典型的橋梁還有挪威的主跨為530 m的Sharnsundet斜拉橋[3]、美國主跨為440 m的Sunshine Skyway Bridge斜拉橋、丹麥主跨為1 624 m的Great Belt East懸索橋[4]、英國主跨為194 m的Flintshire獨塔斜拉橋[5]以及加拿大的Confederation Bridge[6]等。我國自20世紀90年代起也陸續在一些大型重要的橋梁上建立了不同規模的健康監測系統，如：20世紀90年代香港的青馬大橋、汀九橋和汲水門橋，內地的上海徐浦大橋、江陰長江大橋等[7-8]；21世紀的有內地的東海大橋[9]、杭州灣大橋[10]、潤揚大橋[11-12]、千米級斜拉橋蘇通大橋[13]、湛江海灣大橋[14-15]等；香港的千米級斜拉橋昂船洲大橋等。

從以上健康監測系統的發展的簡要敘述可以看出，健康監測系統在世界范圍內越來越成為保障大跨橋梁健康的重要的甚至是唯一的手段，使大跨橋梁結構的健康狀況的在線、實時和長期的監測和評估成為可能。這是被一直延續采用了七八十年的傳統的橋梁結構檢測手段所無法實現的。

2 大跨橋梁結構健康監測系統

2.1 大跨橋梁結構健康監測系統的概念

隨著現代化橋梁結構健康監測系統的逐步發展，大跨橋梁結構的健康監測系統的概念越來越清晰地呈現在眾多研究和使用者的面前：大跨橋梁健康監測系統，是一個以橋梁結構為平臺，應用現代傳感、通訊、和網絡技術，優化組合結構監測、環境監測、交通監測、設備監測、損傷識別、整體性能評估、綜合報警、信息網絡分析處理、和橋梁養護管理各功能子系統為一體的綜合監測系統。其可以實現對結構整體損傷的長期跟蹤監測，達到對局部、短期損傷技術的有益補充，從而極大地延拓了橋梁檢測領域的內涵，提高了預測評估的可能性。

橋梁結構的健康監測系統的主要功能和目的是為了讓橋梁結構在施工和運營期間的承載能力、運營狀態、安全性和耐久性得以實時在線的掌握。

除此而外，通過橋梁健康監測系統而獲得的實際結構的動靜力行為來驗證橋梁結構的理論模型、計算假定等具有重要意義。事實上，現在國內外一些重要大跨橋梁結構在建立健康監測系統時都強調利用監測的信息來驗證結構的設計。橋梁健康監測信息反饋于結構設計的更深遠的意義在于：結構設計方法與應用的規范標準等可能得以改進。對橋梁在各種交通條件和自然環境下的真實行為的理解以及對環境荷載的合理建模是將來實現橋梁“虛擬”設計的基礎。

還有，盡管大跨橋梁結構在抗風、抗震領域內的研究成果及新材料新工藝的出現不斷推動著大跨橋梁的發展，但是大跨度橋梁的設計依然存在著眾多的未知和假定，超大跨度橋梁的設計也存在許多需要研究的問題；同時，大跨橋梁結構的健康監測和評估技術的深入研究和發展也需要結合現場實驗和調查，而實時、在線的健康監測系統則恰好為這些問題和研究提供了“現場實驗室”和最真是的信息。

總之，大跨橋梁結構的健康監測系統的概念具有著越來越廣的涵義。但是，如上所述，結構健康監測和評估（Structural health monitoring and evaluation）才是大跨橋梁結構健康監測系統（Structural Health Monitoring System）的主要行為。而這些主要行為通常是通過將被指定了橋梁等級標準（也就是監測和/或評估標準）的物理模型（physics-based model）和測量模型(measurementbased model)的數值結果與/或推導結果間的相關性分析來展開實現的。物理模型（physics-based model）通常是指基于結構的設計和施工信息通過有限元分析工具建立起來的，通常被應用于離線（off-time）的結構健康評估工作；而測量模型（measurement-based model）是指通過對健康檢測系統所測得的數據用統計分析工具進行統計分析而建立起來的模型，它們一般被應用于實時（real-time）的結構健康監測工作。實時結構健康監測工作和離線的結構健康評估工作的主要行為見圖1。

2.2 大跨橋梁結構健康監測系統的組成

大跨橋梁結構的實時、在線健康監測系統的組成有著眾多大同小議的敘述。最為廣泛的兩種敘述為：健康監測系統由5個子系統組成：傳感器系統、數據采集和傳輸系統、數據處理和控制系統、結構健康評估系統、檢查維護系統；健康監測系統一般由硬件系統和軟件系統兩大部分組成。硬件系統對于大跨橋梁結構來說，包括對結構環境荷載、運營荷載等進行測量的傳感器及其數據采集傳輸設備和對結構響應進行測量的傳感器及其數據采集和傳輸設備；軟件系統則通過硬件系統得到的數據，對采樣數據進行分析、歸納和推斷，進行結構的損傷識別、損傷定位、和損傷程度的標定和評估，對整個結構系統的安全狀態和存在的隱患做出較準確的評價，如需維修，提出相應的維修決策；如果橋梁損傷導致結構不能繼續使用，提出相應的重建決策。

從信息學的角度來說，橋梁健康監測的過程就是通過測試從數據信號中提取有關信息，對結構進行認識的過程。數據處理和控制系統包括對數據進行預處理、二次處理、后處理、數據儲存、數據顯示及數據共享等工作。數據預處理主要是：對原始數據進行統計運算，計算設定時段內的最大、最小值、均值、方差、標準差、變化幅值等，計算結果作為初級預警的輸入，并用以判定信號是否正常；對原始數據進行去噪等。數據的二次處理是指對數據的幅域分析顯示、頻域分析顯示、時域分析顯示、頻度計數分析顯示、傅立葉分析等，以便判別結構監測數據的發展趨勢及變化特征值，作為評估結構性能的依據。數據的后處理是指對監測數據的高級分析，如：實時模態分析、橋梁特征量與環境因素之間的相關性分析等。由于需占用較長的計算時間，所以這一分析過程需要離線進行。

橋梁結構的健康評估系統時橋梁結構健康監測系統的核心。結構健康評估主要以損傷識別的方法進行。結構健康狀態評估系統又分為在線評估和離線評估兩部分。在線評估主要是對實時采集的監測數據進行基本的統計分析、趨勢分析，設立預警系統，給出結構的初步安全狀態評估；離線評估主要是對各種監測數據（包括其他系統、日常管養信息等）進行綜合的高級分析，離線評估需采用有限元分析、模態分析等方法進行。

為了定量化了解構件的受力狀態和損傷、以及損傷對結構的整體性能的影響，需要建立一個適合損傷分析、監測的三維有限元模型，模型的建立應該以最終的成橋狀態構造為基礎和以獨立的結構構件為分析單元。通過準確精細的有限元分析模型，可以對各類損傷做細致的模型，從而實現損傷識別和狀態評估。

可以看出，不論如何定義健康監測系統的組成，其本質都是一致的。從大跨橋梁結構的健康監測系統的組成可以看出，橋梁健康監測和評估的主要內容包括：健康監測系統硬件系統的研究，即：傳感器類型和位置的確定、傳感器信號的收集和傳輸設備的確定和布置；由健康監測系統硬件系統所收集的數據的分析與處理研究，即：如何把直接測量所得到的原始數據進行分析，排除噪聲、儀器誤差等的影響，去除病態數據，從而得到各種可靠數據；橋梁結構健康評估和損傷診斷研究，即：通過橋梁健康監測判斷橋梁的健康狀況，識別可能損傷的位置和程度，提出相應的維修或者重建方案。

圖1 大跨橋梁結構健康監測系統：實時監測和離線評估行為示意流程圖

3 大跨橋梁結構健康監測系統的設計和監測內容

3.1 大跨橋梁結構健康監測系統的監測內容

大跨橋梁結構的健康監測內容通常要根據監測的目的和橋梁結構的類型來定。一般來說，大跨橋梁結構的監測內容應該包括：（1）橋梁結構所處環境的監測，如：大氣溫度、風向風速、腐蝕、橋墩基礎沖刷狀況、地脈動等；對環境因素的監測可以確定環境施加于橋梁結構的荷載；（2）橋梁結構的運營荷載的監測，如：公路車輛和/或火車車輛等；對運營荷載的監測可以判斷橋梁結構在運營過程中是否超載，也可以對運營荷載模型建立清晰的概念；（3）對結構特性的監測，如：結構靜力影響系數，結構動力特性等；（4）結構靜動態響應的監測，如：結構整體結構的幾何變形，關鍵構件和部位的應力變化及分布，鋼構件的疲勞狀況，斜拉索的索力等。

根據對環境荷載、運營荷載和結構靜動力反應的測量數據進行合理的處理和統計分析后，可以建立和得到環境荷載與結構整體或者局部、運營荷載與結構整體或者局部之間的統計關系模型，也就是所謂的基于測量的模型（measurementbased model）。而這些模型是大跨橋梁實時在線健康監測的基礎。而針對這些監測內容的測量數據也是基于物理模型（physics-based model）離線健康評估和損傷識別的基礎。

3.2 大跨橋梁結構健康監測系統的設計

大跨橋梁結構健康監測系統的設計首先應該遵循“簡潔、實用、性能可靠、經濟合理”的原則，在滿足大橋養護管理和運營需要的同時兼顧考慮設計驗證和科研實驗的需求。根據具體的橋梁結構類型確定合理的監測內容和監測點。數據的采集和傳輸系統應該是自動、連續的，并且可在特殊情況下進行特殊采集和人工干預，系統具有實時的自診斷功能和時間同步功能。而數據的處理和控制系統則首先具有合理、高效的預處理和二次處理功能，為離線的后處理打下很好的基礎。密切結合各大橋的管理和養護維修要求，設計合理的橋梁健康評估和損傷識別系統，以對橋梁的整體健康狀況和構件的非正常表現做出診斷，并找出根源，及早發現災難性破壞的隱患。設計合理的檢查維護系統。香港某大跨斜拉橋健康監測系統的布置見圖2。

圖2 某斜拉橋的健康監測系統布置圖

對于該鋼混疊合梁斜拉橋而言，在環境溫度荷載、風荷載和運營期間車輛荷載的作用下，其整體和局部的靜動力反應是設立健康監測系統的主要內容。具體而言，橋道系兩端的縱橋向位移、兩中跨的豎向位移、塔頂的三向位移、塔頂斜拉索的集中錨固區、斜拉索在橋道系上的錨固區、跨中截面鋼梁的應力及分布、塔與橋道系相連接處、斜拉索的振動等都是需要監測的重點。所以，從圖2可以看出，為實現對環境溫度和結構的監測，分別在右邊中跨截面和中塔上兩個不同標高的截面上設置了測量大氣溫度和構件溫度的83個溫度傳感器；為了實現對風的監測，分別在三個塔頂各設一個、兩個中跨截面各設一對共7個風速計來測量風速和風向；為了實現對橋梁結構動力特性的監測，分別在橋道系沿縱向、塔頂和縱向穩定斜拉索上設置了共45個加速計，測量各測點不同方向的加速度；為了實現對運營車輛荷載的監測，在右側引橋上接近引橋與斜拉橋橋道連接處的橫截面內設置了weigh-in-motion系統，實現對每個車道車輛類型、數目、軸重、總重等信息的收集，該weigh-in-motion的位置沒有在圖二中標識出來；為了實現對橋道系兩端的縱橋向位移進行監測，在兩端分別設置了一個位移功能變換器；為了實現對塔頂和橋道兩中跨處的位移監測，分別在三個塔頂各設一個、在兩個橋道中跨截面各設一對共7個GPS;為了實現對橋梁結構中一些重要截面和構件的應力變化和分布的監測，特別是為了評價橋道系鋼梁的疲勞損傷和剩余疲勞壽命，在橋道系的右中跨橫截面、近中塔的橫截面、兩端的搖軸支座上分別設置了共88個動態應變傳感器；共有3個數據采集站設置于該橋梁結構上。

該健康監測系統的數據處理和分析系統以及健康評估系統則設立在大橋附件的大橋管理中心大樓。該系統所收集的數據包括通過各傳感器所獲得的原始數據和經過預處理的推導數據，在進行數據的二次處理和后處理時，可根據不同的需要確定數據分析是應該從原始數據出發還是從經過預處理的數據出發。而該健康監測系統的二次數據處理、高級數據處理和結構健康評估都是離線工作。

4 大跨橋梁結構健康監測理論發展

大型橋梁結構現場監測用儀器及監測系統的組成是國內外橋梁健康監測系統研究的熱點。由于大型橋梁結構工作所處的環境一般都比較惡劣，容易遭受大風、地震、大雨、及日曬等惡劣環境因素的侵襲，所以現場監測系統的組成及儀器，應該能夠適應橋梁健康監測環境的要求和考驗。大型橋梁結構的受力狀態以及所處的外部環境均較復雜，要求健康監測系統的傳感器能夠較全面地獲取橋梁結構的環境荷載、局部性態、整體性態等信息。橋梁結構健康監測系統的應用經驗證明，現階段的大部分傳感器都存在著磨損、疲勞問題，即安裝使用幾年或者一段時間后，收集的信號數據就顯示出由于傳感器的磨損而產生的影響。還有就是各類傳感器的使用壽命幾乎都不可能與橋梁結構的服役壽命相同，所以存在在橋梁結構服役期間多次更換傳感器的可能，有些傳感器是橋梁結構在建造的過程中就埋設的，其更換工作是很難以實現的。所以現階段傳感器的繼續研究是有很大必要的。

對于健康監測系統中的數據處理和分析技術，也一直伴隨著傳感器的發展。信號分析和處理的方法很多，其中以傅立葉變換最為經典，它將信號從時域變換到頻域，將原始信號分解為一組正交三角函數的加權組合。后來又陸續出現了短時傅立葉變換（STFT）和Wigner-Vill變換、小波分析、Hilbert-Huang變換（HHT）和數據挖掘理論的信號分析和處理方法。正由于各種信號處理和分析技術都有各自的局限性和適用范圍，才導致了新的信號處理和分析方法和技術的不斷出現，也推動著數據處理和分析方法和技術的不斷發展。

二十多年來，橋梁健康監測理論的研究主要集中于橋梁結構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在航天、機械等領域內的深入研究和應用，該類技術被作為土木結構中除無損檢測技術外的最重要的整體性評估方法，并得到廣泛的繼續研究[16-19]。眾多研究者致力于基于振動測量數據的整體性評估方法的研究的另一重要原因是結構振動信息可在橋梁運營過程中利用環境振動法獲得，因此該方法具有實時監測的潛力，也成為了大型橋梁健康監測的重要手段和方法。相反，大跨橋梁進行全面的靜力響應檢測在技術上和經濟上都難以實現，也會影響橋梁的正常運營，并且靜力響應往往不能很好的反映橋梁整體工作性能和損傷狀況，而是更多的反映橋梁的局部構件的工作性能和損傷情況。

橋梁結構整體性評估方法越來越成為橋梁工程界眾多研究者所熱衷的課題。迄今為止橋梁結構整體性評估方法可以歸結為三類：模態識別法、系統識別法、神經網絡法。橋梁結構的模態參數經常被用作結構的指紋特征，也是系統識別和神經網絡法的主要輸入信息。另外，基于結構應變模態、應變曲率、及其他靜力響應的評估方法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已在一些簡單的結構上有成功的例子，但還不能可靠地應用于大跨度的、結構復雜的橋梁工程上。阻礙這些技術成功、高效地應用于大跨度橋梁結構的原因是：結構與環境中的不確定性和非結構因素的影響；測量信心相對于整個結構而言還是有限的；測量信息的噪聲的影響；以及橋梁結構贅余度大并且測量信號對局部損傷不敏感等。

5 結論與展望

從理論意義上來說，健康監測系統是大型和特大型橋梁運營、管理和養護智能化的關鍵技術，是集傳感技術、信號收集和傳輸技術、數據處理分析技術、結構健康評估技術、大型橋梁結構動靜力分析理論和技術、各種環境荷載模型的建立技術、計算機技術、隨機過程分析技術等于一身的龐大、復雜系統。正是由于這些相關的技術在各自的領域內也正處于發展之中，導致橋梁健康監測系統的不完善。特別是健康監測系統在土木工程中的應用尚為初步階段，還有很長的路來達到大型橋梁結構健康監測系統功能的完善。

另外，從應用方面來看，基于眾多研究和使用者在大跨橋梁結構健康監測系統的工作經驗，現在大家普遍認為，雖然近二十年來幾乎所有的國內外大跨橋梁結構都設計和安裝了實時、在線的健康監測系統，并且由健康監測系統收集的數據也可以說是海量的，迄今為止還沒有成熟的大型橋梁結構健康監測的運營系統，也就沒有真正完全實現設立大型橋梁結構健康監測系統的目的和初衷。

但是，因為大型橋梁結構健康監測系統的研究工作的持續展開必將為重大、重點工程的結構安全和正常工作提供科學的理論依據、技術導引和監控措施，所以結構健康監測系統是當前國內外土木工程學科的熱點研究領域，并且在相當長的一段時間內都會如此。