大跨度橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)

蔡 明

（深圳市市政設(shè)計(jì)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(lǐng)域內(nèi)設(shè)計(jì)、施工技術(shù)和材料等方面的理論和工藝的突飛猛進(jìn)，在世界范圍內(nèi)斜拉橋的發(fā)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(fā)展和近幾十年來橋梁工程領(lǐng)域內(nèi)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(yùn)營期間安全性、耐久性和正常使用功能的關(guān)注。

傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)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(jìn)行的。由于這些傳統(tǒng)的檢查方法需要大量的人力、物力和財(cái)力，主觀性強(qiáng)，難于量化，影響正常交通，周期長，實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)和限制，無法直接有效地應(yīng)用于斜拉橋的健康狀況檢查和評估，所以大跨橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[1,2]。

現(xiàn)代大跨橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)是現(xiàn)代先進(jìn)監(jiān)測技術(shù)、數(shù)據(jù)分析和處理技術(shù)、健康診斷技術(shù)和傳統(tǒng)人工檢查方法的合理結(jié)合。隨著傳感器、數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)算機(jī)軟硬件、信號處理和分析、以及人工智能的迅猛發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)自動(dòng)的、連續(xù)的、和實(shí)時(shí)在線的大型橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)得到了廣泛深入的發(fā)展和應(yīng)用。

本文主要闡述了大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展、健康監(jiān)測系統(tǒng)的概念、組成、健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和健康監(jiān)測系統(tǒng)的理論發(fā)展等內(nèi)容。

1 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展

20世紀(jì)80年代中后期各種規(guī)模的健康監(jiān)測系統(tǒng)開始了建立。例如：英國在總長為522 m的三跨變截面連續(xù)鋼箱梁橋Foyle橋上布設(shè)傳感器，監(jiān)測大橋運(yùn)營階段在車輛與風(fēng)載作用下主梁的振動(dòng)、撓度和應(yīng)變等響應(yīng)，同時(shí)監(jiān)測環(huán)境風(fēng)和溫度場，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(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測、實(shí)時(shí)分析和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享。建立健康檢測系統(tǒng)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(dú)塔斜拉橋[5]以及加拿大的Confederation Bridge[6]等。我國自20世紀(jì)90年代起也陸續(xù)在一些大型重要的橋梁上建立了不同規(guī)模的健康監(jiān)測系統(tǒng)，如：20世紀(jì)90年代香港的青馬大橋、汀九橋和汲水門橋，內(nèi)地的上海徐浦大橋、江陰長江大橋等[7-8]；21世紀(jì)的有內(nèi)地的東海大橋[9]、杭州灣大橋[10]、潤揚(yáng)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(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展的簡要敘述可以看出，健康監(jiān)測系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)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(jié)構(gòu)的健康狀況的在線、實(shí)時(shí)和長期的監(jiān)測和評估成為可能。這是被一直延續(xù)采用了七八十年的傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)檢測手段所無法實(shí)現(xiàn)的。

2 大跨橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 大跨橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的概念

隨著現(xiàn)代化橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的逐步發(fā)展，大跨橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)的概念越來越清晰地呈現(xiàn)在眾多研究和使用者的面前：大跨橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，是一個(gè)以橋梁結(jié)構(gòu)為平臺，應(yīng)用現(xiàn)代傳感、通訊、和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，優(yōu)化組合結(jié)構(gòu)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、交通監(jiān)測、設(shè)備監(jiān)測、損傷識別、整體性能評估、綜合報(bào)警、信息網(wǎng)絡(luò)分析處理、和橋梁養(yǎng)護(hù)管理各功能子系統(tǒng)為一體的綜合監(jiān)測系統(tǒng)。其可以實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)整體損傷的長期跟蹤監(jiān)測，達(dá)到對局部、短期損傷技術(shù)的有益補(bǔ)充，從而極大地延拓了橋梁檢測領(lǐng)域的內(nèi)涵，提高了預(yù)測評估的可能性。

橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能和目的是為了讓橋梁結(jié)構(gòu)在施工和運(yùn)營期間的承載能力、運(yùn)營狀態(tài)、安全性和耐久性得以實(shí)時(shí)在線的掌握。

除此而外，通過橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)而獲得的實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜力行為來驗(yàn)證橋梁結(jié)構(gòu)的理論模型、計(jì)算假定等具有重要意義。事實(shí)上，現(xiàn)在國內(nèi)外一些重要大跨橋梁結(jié)構(gòu)在建立健康監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)都強(qiáng)調(diào)利用監(jiān)測的信息來驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。橋梁健康監(jiān)測信息反饋于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的更深遠(yuǎn)的意義在于：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等可能得以改進(jìn)。對橋梁在各種交通條件和自然環(huán)境下的真實(shí)行為的理解以及對環(huán)境荷載的合理建模是將來實(shí)現(xiàn)橋梁“虛擬”設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

還有，盡管大跨橋梁結(jié)構(gòu)在抗風(fēng)、抗震領(lǐng)域內(nèi)的研究成果及新材料新工藝的出現(xiàn)不斷推動(dòng)著大跨橋梁的發(fā)展，但是大跨度橋梁的設(shè)計(jì)依然存在著眾多的未知和假定，超大跨度橋梁的設(shè)計(jì)也存在許多需要研究的問題；同時(shí)，大跨橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測和評估技術(shù)的深入研究和發(fā)展也需要結(jié)合現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和調(diào)查，而實(shí)時(shí)、在線的健康監(jiān)測系統(tǒng)則恰好為這些問題和研究提供了“現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)室”和最真是的信息。

總之，大跨橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)的概念具有著越來越廣的涵義。但是，如上所述，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和評估（Structural health monitoring and evaluation）才是大跨橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)（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(biāo)準(zhǔn)（也就是監(jiān)測和/或評估標(biāo)準(zhǔn)）的物理模型（physics-based model）和測量模型(measurementbased model)的數(shù)值結(jié)果與/或推導(dǎo)結(jié)果間的相關(guān)性分析來展開實(shí)現(xiàn)的。物理模型（physics-based model）通常是指基于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工信息通過有限元分析工具建立起來的，通常被應(yīng)用于離線（off-time）的結(jié)構(gòu)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(tǒng)所測得的數(shù)據(jù)用統(tǒng)計(jì)分析工具進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析而建立起來的模型，它們一般被應(yīng)用于實(shí)時(shí)（real-time）的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測工作。實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測工作和離線的結(jié)構(gòu)健康評估工作的主要行為見圖1。

2.2 大跨橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成

大跨橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)、在線健康監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)由5個(gè)子系統(tǒng)組成：傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)健康評估系統(tǒng)、檢查維護(hù)系統(tǒng)；健康監(jiān)測系統(tǒng)一般由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。硬件系統(tǒng)對于大跨橋梁結(jié)構(gòu)來說，包括對結(jié)構(gòu)環(huán)境荷載、運(yùn)營荷載等進(jìn)行測量的傳感器及其數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備和對結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行測量的傳感器及其數(shù)據(jù)采集和傳輸設(shè)備；軟件系統(tǒng)則通過硬件系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)，對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、歸納和推斷，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的損傷識別、損傷定位、和損傷程度的標(biāo)定和評估，對整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的安全狀態(tài)和存在的隱患做出較準(zhǔn)確的評價(jià)，如需維修，提出相應(yīng)的維修決策；如果橋梁損傷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不能繼續(xù)使用，提出相應(yīng)的重建決策。

從信息學(xué)的角度來說，橋梁健康監(jiān)測的過程就是通過測試從數(shù)據(jù)信號中提取有關(guān)信息，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行認(rèn)識的過程。數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)包括對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、二次處理、后處理、數(shù)據(jù)儲存、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)共享等工作。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是：對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)運(yùn)算，計(jì)算設(shè)定時(shí)段內(nèi)的最大、最小值、均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、變化幅值等，計(jì)算結(jié)果作為初級預(yù)警的輸入，并用以判定信號是否正常；對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪等。數(shù)據(jù)的二次處理是指對數(shù)據(jù)的幅域分析顯示、頻域分析顯示、時(shí)域分析顯示、頻度計(jì)數(shù)分析顯示、傅立葉分析等，以便判別結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢及變化特征值，作為評估結(jié)構(gòu)性能的依據(jù)。數(shù)據(jù)的后處理是指對監(jiān)測數(shù)據(jù)的高級分析，如：實(shí)時(shí)模態(tài)分析、橋梁特征量與環(huán)境因素之間的相關(guān)性分析等。由于需占用較長的計(jì)算時(shí)間，所以這一分析過程需要離線進(jìn)行。

橋梁結(jié)構(gòu)的健康評估系統(tǒng)時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心。結(jié)構(gòu)健康評估主要以損傷識別的方法進(jìn)行。結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評估系統(tǒng)又分為在線評估和離線評估兩部分。在線評估主要是對實(shí)時(shí)采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行基本的統(tǒng)計(jì)分析、趨勢分析，設(shè)立預(yù)警系統(tǒng)，給出結(jié)構(gòu)的初步安全狀態(tài)評估；離線評估主要是對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)（包括其他系統(tǒng)、日常管養(yǎng)信息等）進(jìn)行綜合的高級分析，離線評估需采用有限元分析、模態(tài)分析等方法進(jìn)行。

為了定量化了解構(gòu)件的受力狀態(tài)和損傷、以及損傷對結(jié)構(gòu)的整體性能的影響，需要建立一個(gè)適合損傷分析、監(jiān)測的三維有限元模型，模型的建立應(yīng)該以最終的成橋狀態(tài)構(gòu)造為基礎(chǔ)和以獨(dú)立的結(jié)構(gòu)構(gòu)件為分析單元。通過準(zhǔn)確精細(xì)的有限元分析模型，可以對各類損傷做細(xì)致的模型，從而實(shí)現(xiàn)損傷識別和狀態(tài)評估。

可以看出，不論如何定義健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成，其本質(zhì)都是一致的。從大跨橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成可以看出，橋梁健康監(jiān)測和評估的主要內(nèi)容包括：健康監(jiān)測系統(tǒng)硬件系統(tǒng)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(shè)備的確定和布置；由健康監(jiān)測系統(tǒng)硬件系統(tǒng)所收集的數(shù)據(jù)的分析與處理研究，即：如何把直接測量所得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，排除噪聲、儀器誤差等的影響，去除病態(tài)數(shù)據(jù)，從而得到各種可靠數(shù)據(jù)；橋梁結(jié)構(gòu)健康評估和損傷診斷研究，即：通過橋梁健康監(jiān)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(yīng)的維修或者重建方案。

圖1 大跨橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)：實(shí)時(shí)監(jiān)測和離線評估行為示意流程圖

3 大跨橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和監(jiān)測內(nèi)容

3.1 大跨橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容

大跨橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測內(nèi)容通常要根據(jù)監(jiān)測的目的和橋梁結(jié)構(gòu)的類型來定。一般來說，大跨橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測內(nèi)容應(yīng)該包括：（1）橋梁結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的監(jiān)測，如：大氣溫度、風(fēng)向風(fēng)速、腐蝕、橋墩基礎(chǔ)沖刷狀況、地脈動(dòng)等；對環(huán)境因素的監(jiān)測可以確定環(huán)境施加于橋梁結(jié)構(gòu)的荷載；（2）橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營荷載的監(jiān)測，如：公路車輛和/或火車車輛等；對運(yùn)營荷載的監(jiān)測可以判斷橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)營過程中是否超載，也可以對運(yùn)營荷載模型建立清晰的概念；（3）對結(jié)構(gòu)特性的監(jiān)測，如：結(jié)構(gòu)靜力影響系數(shù)，結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性等；（4）結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)響應(yīng)的監(jiān)測，如：結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)的幾何變形，關(guān)鍵構(gòu)件和部位的應(yīng)力變化及分布，鋼構(gòu)件的疲勞狀況，斜拉索的索力等。

根據(jù)對環(huán)境荷載、運(yùn)營荷載和結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力反應(yīng)的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的處理和統(tǒng)計(jì)分析后，可以建立和得到環(huán)境荷載與結(jié)構(gòu)整體或者局部、運(yùn)營荷載與結(jié)構(gòu)整體或者局部之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)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(shí)時(shí)在線健康監(jiān)測的基礎(chǔ)。而針對這些監(jiān)測內(nèi)容的測量數(shù)據(jù)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(chǔ)。

3.2 大跨橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

大跨橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先應(yīng)該遵循“簡潔、實(shí)用、性能可靠、經(jīng)濟(jì)合理”的原則，在滿足大橋養(yǎng)護(hù)管理和運(yùn)營需要的同時(shí)兼顧考慮設(shè)計(jì)驗(yàn)證和科研實(shí)驗(yàn)的需求。根據(jù)具體的橋梁結(jié)構(gòu)類型確定合理的監(jiān)測內(nèi)容和監(jiān)測點(diǎn)。數(shù)據(jù)的采集和傳輸系統(tǒng)應(yīng)該是自動(dòng)、連續(xù)的，并且可在特殊情況下進(jìn)行特殊采集和人工干預(yù)，系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)的自診斷功能和時(shí)間同步功能。而數(shù)據(jù)的處理和控制系統(tǒng)則首先具有合理、高效的預(yù)處理和二次處理功能，為離線的后處理打下很好的基礎(chǔ)。密切結(jié)合各大橋的管理和養(yǎng)護(hù)維修要求，設(shè)計(jì)合理的橋梁健康評估和損傷識別系統(tǒng)，以對橋梁的整體健康狀況和構(gòu)件的非正常表現(xiàn)做出診斷，并找出根源，及早發(fā)現(xiàn)災(zāi)難性破壞的隱患。設(shè)計(jì)合理的檢查維護(hù)系統(tǒng)。香港某大跨斜拉橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的布置見圖2。

圖2 某斜拉橋的健康監(jiān)測系統(tǒng)布置圖

對于該鋼混疊合梁斜拉橋而言，在環(huán)境溫度荷載、風(fēng)荷載和運(yùn)營期間車輛荷載的作用下，其整體和局部的靜動(dòng)力反應(yīng)是設(shè)立健康監(jiān)測系統(tǒng)的主要內(nèi)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?shù)娜蛭灰?、塔頂斜拉索的集中錨固區(qū)、斜拉索在橋道系上的錨固區(qū)、跨中截面鋼梁的應(yīng)力及分布、塔與橋道系相連接處、斜拉索的振動(dòng)等都是需要監(jiān)測的重點(diǎn)。所以，從圖2可以看出，為實(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫度和結(jié)構(gòu)的監(jiān)測，分別在右邊中跨截面和中塔上兩個(gè)不同標(biāo)高的截面上設(shè)置了測量大氣溫度和構(gòu)件溫度的83個(gè)溫度傳感器；為了實(shí)現(xiàn)對風(fēng)的監(jiān)測，分別在三個(gè)塔頂各設(shè)一個(gè)、兩個(gè)中跨截面各設(shè)一對共7個(gè)風(fēng)速計(jì)來測量風(fēng)速和風(fēng)向；為了實(shí)現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的監(jiān)測，分別在橋道系沿縱向、塔頂和縱向穩(wěn)定斜拉索上設(shè)置了共45個(gè)加速計(jì)，測量各測點(diǎn)不同方向的加速度；為了實(shí)現(xiàn)對運(yùn)營車輛荷載的監(jiān)測，在右側(cè)引橋上接近引橋與斜拉橋橋道連接處的橫截面內(nèi)設(shè)置了weigh-in-motion系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對每個(gè)車道車輛類型、數(shù)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(biāo)識出來；為了實(shí)現(xiàn)對橋道系兩端的縱橋向位移進(jìn)行監(jiān)測，在兩端分別設(shè)置了一個(gè)位移功能變換器；為了實(shí)現(xiàn)對塔頂和橋道兩中跨處的位移監(jiān)測，分別在三個(gè)塔頂各設(shè)一個(gè)、在兩個(gè)橋道中跨截面各設(shè)一對共7個(gè)GPS;為了實(shí)現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)中一些重要截面和構(gòu)件的應(yīng)力變化和分布的監(jiān)測，特別是為了評價(jià)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(shè)置了共88個(gè)動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器；共有3個(gè)數(shù)據(jù)采集站設(shè)置于該橋梁結(jié)構(gòu)上。

該健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)以及健康評估系統(tǒng)則設(shè)立在大橋附件的大橋管理中心大樓。該系統(tǒng)所收集的數(shù)據(jù)包括通過各傳感器所獲得的原始數(shù)據(jù)和經(jīng)過預(yù)處理的推導(dǎo)數(shù)據(jù)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)的二次處理和后處理時(shí)，可根據(jù)不同的需要確定數(shù)據(jù)分析是應(yīng)該從原始數(shù)據(jù)出發(fā)還是從經(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)出發(fā)。而該健康監(jiān)測系統(tǒng)的二次數(shù)據(jù)處理、高級數(shù)據(jù)處理和結(jié)構(gòu)健康評估都是離線工作。

4 大跨橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測理論發(fā)展

大型橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)場監(jiān)測用儀器及監(jiān)測系統(tǒng)的組成是國內(nèi)外橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)。由于大型橋梁結(jié)構(gòu)工作所處的環(huán)境一般都比較惡劣，容易遭受大風(fēng)、地震、大雨、及日曬等惡劣環(huán)境因素的侵襲，所以現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)的組成及儀器，應(yīng)該能夠適應(yīng)橋梁健康監(jiān)測環(huán)境的要求和考驗(yàn)。大型橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)以及所處的外部環(huán)境均較復(fù)雜，要求健康監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器能夠較全面地獲取橋梁結(jié)構(gòu)的環(huán)境荷載、局部性態(tài)、整體性態(tài)等信息。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)證明，現(xiàn)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(shí)間后，收集的信號數(shù)據(jù)就顯示出由于傳感器的磨損而產(chǎn)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(jié)構(gòu)的服役壽命相同，所以存在在橋梁結(jié)構(gòu)服役期間多次更換傳感器的可能，有些傳感器是橋梁結(jié)構(gòu)在建造的過程中就埋設(shè)的，其更換工作是很難以實(shí)現(xiàn)的。所以現(xiàn)階段傳感器的繼續(xù)研究是有很大必要的。

對于健康監(jiān)測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)，也一直伴隨著傳感器的發(fā)展。信號分析和處理的方法很多，其中以傅立葉變換最為經(jīng)典，它將信號從時(shí)域變換到頻域，將原始信號分解為一組正交三角函數(shù)的加權(quán)組合。后來又陸續(xù)出現(xiàn)了短時(shí)傅立葉變換（STFT）和Wigner-Vill變換、小波分析、Hilbert-Huang變換（HHT）和數(shù)據(jù)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(shù)都有各自的局限性和適用范圍，才導(dǎo)致了新的信號處理和分析方法和技術(shù)的不斷出現(xiàn)，也推動(dòng)著數(shù)據(jù)處理和分析方法和技術(shù)的不斷發(fā)展。

二十多年來，橋梁健康監(jiān)測理論的研究主要集中于橋梁結(jié)構(gòu)整體性評估和損傷識別。由于基于振動(dòng)信息的整體性評估技術(shù)在航天、機(jī)械等領(lǐng)域內(nèi)的深入研究和應(yīng)用，該類技術(shù)被作為土木結(jié)構(gòu)中除無損檢測技術(shù)外的最重要的整體性評估方法，并得到廣泛的繼續(xù)研究[16-19]。眾多研究者致力于基于振動(dòng)測量數(shù)據(jù)的整體性評估方法的研究的另一重要原因是結(jié)構(gòu)振動(dòng)信息可在橋梁運(yùn)營過程中利用環(huán)境振動(dòng)法獲得，因此該方法具有實(shí)時(shí)監(jiān)測的潛力，也成為了大型橋梁健康監(jiān)測的重要手段和方法。相反，大跨橋梁進(jìn)行全面的靜力響應(yīng)檢測在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都難以實(shí)現(xiàn)，也會影響橋梁的正常運(yùn)營，并且靜力響應(yīng)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(gòu)件的工作性能和損傷情況。

橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)整體性評估方法可以歸結(jié)為三類：模態(tài)識別法、系統(tǒng)識別法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)經(jīng)常被用作結(jié)構(gòu)的指紋特征，也是系統(tǒng)識別和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的主要輸入信息。另外，基于結(jié)構(gòu)應(yīng)變模態(tài)、應(yīng)變曲率、及其他靜力響應(yīng)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(shù)已在一些簡單的結(jié)構(gòu)上有成功的例子，但還不能可靠地應(yīng)用于大跨度的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的橋梁工程上。阻礙這些技術(shù)成功、高效地應(yīng)用于大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的原因是：結(jié)構(gòu)與環(huán)境中的不確定性和非結(jié)構(gòu)因素的影響；測量信心相對于整個(gè)結(jié)構(gòu)而言還是有限的；測量信息的噪聲的影響；以及橋梁結(jié)構(gòu)贅余度大并且測量信號對局部損傷不敏感等。

5 結(jié)論與展望

從理論意義上來說，健康監(jiān)測系統(tǒng)是大型和特大型橋梁運(yùn)營、管理和養(yǎng)護(hù)智能化的關(guān)鍵技術(shù)，是集傳感技術(shù)、信號收集和傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)處理分析技術(shù)、結(jié)構(gòu)健康評估技術(shù)、大型橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)靜力分析理論和技術(shù)、各種環(huán)境荷載模型的建立技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、隨機(jī)過程分析技術(shù)等于一身的龐大、復(fù)雜系統(tǒng)。正是由于這些相關(guān)的技術(shù)在各自的領(lǐng)域內(nèi)也正處于發(fā)展之中，導(dǎo)致橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的不完善。特別是健康監(jiān)測系統(tǒng)在土木工程中的應(yīng)用尚為初步階段，還有很長的路來達(dá)到大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)功能的完善。

另外，從應(yīng)用方面來看，基于眾多研究和使用者在大跨橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的工作經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)在大家普遍認(rèn)為，雖然近二十年來幾乎所有的國內(nèi)外大跨橋梁結(jié)構(gòu)都設(shè)計(jì)和安裝了實(shí)時(shí)、在線的健康監(jiān)測系統(tǒng)，并且由健康監(jiān)測系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)也可以說是海量的，迄今為止還沒有成熟的大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的運(yùn)營系統(tǒng)，也就沒有真正完全實(shí)現(xiàn)設(shè)立大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的目的和初衷。

但是，因?yàn)榇笮蜆蛄航Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究工作的持續(xù)展開必將為重大、重點(diǎn)工程的結(jié)構(gòu)安全和正常工作提供科學(xué)的理論依據(jù)、技術(shù)導(dǎo)引和監(jiān)控措施，所以結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是當(dāng)前國內(nèi)外土木工程學(xué)科的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，并且在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)都會如此。