把好橋梁結構“平安脈”

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在第十屆國際纜索承重橋梁運營機構會議舉辦期間，筆者有幸采訪了蘇交科集團股份有限公司檢測研究院總工、在役長大橋梁安全與健康國家重點實驗室主任張宇峰，采訪內容包括橋梁結構健康監測系統的運用現狀、重要性分析、存在問題等。現摘編部分內容，供高速公路行業同仁借鑒參考。

養護單位正在對“江西公路第一橋”鄱陽湖大橋進行安全性監測。余玉華 攝

鏈接：【專家簡介】張宇峰

張宇峰，工學博士，研究員級高級工程師，蘇交科集團股份有限公司檢測研究院總工，在役長大橋梁安全與健康國家重點實驗室主任。主要從事橋梁施工控制、檢測、健康監測與狀態評估等科研工作，主持了蘇通長江公路大橋、馬鞍山長江公路大橋等70余座大橋的結構健康監測系統的設計與實施工作，50余座大橋的施工監測監控工作，數百座橋梁的檢測、試驗、評價、加固與維修工作。

【受訪者單位簡介】蘇交科集團股份有限公司

蘇交科集團股份有限公司成立于1978年，是國內首家上市的工程咨詢企業，也是目前中國民營企業唯一入選“國際工程設計公司225強”“全球工程設計公司150強”雙百強榜單的企業。公司共有員工8000余人，其中，中高級人才超過30%，形成了一支包括“333高層次人才培養工程”中青年科技領軍人才、享受國務院特殊津貼專家、全國百名優秀工程師、“新世紀十百千人才工程”第一層次等高層次人才在內、專業配置齊全、結構合理的科研創新隊伍。

從碎片到系統，橋梁監測不容忽視

1940年，美國塔可馬(Tacoma)懸索橋發生風毀事故后，人們逐漸意識到橋梁結構健康監測的重要性，但由于科技水平有限，早期的監測手段比較落后，且未被很好地運用到具體工程中。直到20世紀80年代中后期，歐美一些國家開始明確提出橋梁結構健康監測的新思路和概念，并先后在許多重要的大跨度橋梁上建立了結構監測系統，如丹麥的大貝爾特橋、日本的明石海峽大橋等。

20世紀90年代以后，我國交通基礎設施建設進入高速發展階段，橋梁建設技術飛速發展，與此同時，國內的專家學者紛紛開始進行橋梁健康監測的研究。據不完全統計，目前我國跨徑300米以上的斜拉橋、懸索橋中至少有140座已安裝了結構健康監測系統，超過300座常規橋梁也已安裝了結構健康監測系統。

從采集到處理，告別人工省時省力

從本質上看，橋梁結構健康監測系統相當于人體的神經感知系統，主要是通過在橋梁主要部位設置傳感器，然后利用有線或無線網絡將采集的數據傳回后方計算機，最后經過相關軟件及人工輔助分析對數據做出判斷。與傳統的人工檢測相比，橋梁結構健康監測系統的優勢顯而易見。

精準分析病害成因

眾所周知，橋梁伸縮縫裝置是橋梁中最易破損且難以維修的部位。經過研究發現，通過橋梁結構監測系統可以找出常規檢測無法發現的病因。以江陰長江公路大橋伸縮縫修復項目為例，2003年，江陰長江公路大橋伸縮縫出現損壞后，管理單位在梁端安裝了標尺，并安排工作人員定期檢查，但一直未找到病害成因。2005年，江蘇省交通科學研究院有限公司（現蘇交科集團股份有限公司）對大橋的結構健康監測系統進行了升級改造，并在梁端安裝了拉繩式位移計，通過實時采集梁端位移數據及對比分析，最終找到了伸縮縫損害的原因。

異常事件快速報警

結構健康監測系統可以較為全面地把握橋梁建設及服役全過程的受力與損傷情況，并對地震、臺風、船撞等造成的突發性損傷進行報警，提醒相關人員及時采取措施進行處置。同時，該功能對橋梁的日常管養也具有重要意義，以橋面溫度監測為例，當鋼橋面溫度臨近60攝氏度時，應及時采取降溫措施。在傳統橋梁養護中，工作人員需要前往現場，利用溫度測槍檢測，工作環境惡劣且存在較大的安全風險。有了橋梁結構健康監測系統后，在辦公室就可以實時掌握橋面的溫度。

“蛙人”攜帶專業檢測設備潛入江中，為橋梁進行基礎結構體檢，為橋梁的維修、養護等提供重要數據。芮毅 攝

輔助常規試驗檢測

以江陰長江公路大橋運營期開展的荷載試驗為例，在此次荷載試驗中，橋梁結構健康監測系統為試驗提供了環境影響觀測，對相近的測點進行了數據檢驗，還補充了部分測點的數據，并通過連續觀測估算了變形測量誤差。與此同時，還利用荷載試驗封橋的機會，完成了對大橋主要指標的影響線測定，為大跨徑橋梁運營期狀態快速評定提供了思路。

指導未來橋梁設計

“我們收集了2005年到2012年15次臺風期間，江陰長江公路大橋、潤揚長江公路大橋、蘇通長江公路大橋的監測數據，建立了基于長期實測的江蘇沿海地區強臺風譜?！睆堄罘逭f，“與通用譜相比，它具有更好的擬合性，有助于準確分析3座大跨徑索承橋在臺風作用下的損傷情況，對類似大橋的抗風設計具有重要的指導意義。”

當前，橋梁結構健康監測系統的應用范圍已經從特大跨徑橋梁向常規橋梁拓展，可以預見，未來橋梁結構健康監測系統在橋梁管理中的作用會更加突出。“橋梁健康監測是典型的跨學科工程，涉及統計分析、通訊、傳感、信號處理、軟件可視化與橋梁結構等十幾個專業，因此，在構建橋梁結構健康監測系統時要解決許多技術瓶頸?！睆堄罘逭f。

傳感器方面

現在使用的傳感器在精度、穩定性、耐久性方面已經有很大提升，但距離工程界的期望仍有一定差距，提高傳感器使用壽命或降低傳感器價格是今后要解決的核心問題；分布式傳感技術、區域傳感技術及相應的分析理論體系能夠解決有限傳感器數量與損傷隨機性之間的矛盾，為及時發現損傷、大幅降低系統造價提供可能，也是近期及今后的研究熱點之一。

養護人員正在檢測橋梁運行情況。鐘曉亮 攝

數據采集與傳輸方面

近年來，橋梁數據的采集精度快速提高，傳感與采集環節呈現日益集成化的趨勢，同時，通訊技術的快速發展使得健康監測數據的實時傳輸能力大幅提高，從當前情況來看，數據采集與傳輸方面的技術瓶頸已基本突破。如何在不大幅增加成本的前提下，提高無線傳輸的穩定性、同步性，將會成為今后重點研究的問題。

數據存儲與處理方面

隨著電子存儲技術的發展，海量數據的存儲問題已經不再是制約橋梁結構健康監測技術發展的瓶頸。但對于先進技術帶來的海量數據，結構工程領域傳統的數據處理過程和理解方式，已經無法與在線狀態監測系統的數據獲取能力相匹配，因此，如何從源源不斷的在線數據中獲取結構狀態信息，是目前結構健康監測和狀態評價技術能否發揮實際作用的關鍵所在；此外，如何在高噪聲環境下分離信號，并將數據以可視化形式展示給橋梁工程師，同樣是今后必須要解決的難題。

狀態評估方面

目前，利用現有技術可實現對直接監測構件的評估，如在橋索上設置振動等傳感器，評估其安全性能是否良好。在間接構件評估及多參數的全橋評估方面，很多方法已經被理論和實驗證明，并運用到了日常評估中，但傳統方法抗噪聲干擾能力差，如果現場噪聲較大便無法正常識別，對于現場環境復雜、影響因素多源的橋梁檢測而言，具有非常大的影響。近年來，快速發展的人工智能與計算機仿真技術為間接構件評估提供了強大的技術支持，未來的發展值得期待。

“為破解上述技術難題，近年來我們積極與科研院校開展合作。在分布式傳感領域，通過與東南大學的合作，提高了分布式光纖監測系統的采樣頻率和測量精度，構建了區域傳感技術體系，利用傳感器就可以對裂縫、應變、位移等進行測量，并對結構動力特性進行計算分析，實現了一專多能；與中國人民解放理工大學合作開發的柔性導電涂料技術，可以對0.05毫米以上的裂紋進行開裂報警……”在采訪過程中，張宇峰分享了近年來團隊在橋梁結構健康監測技術方面的探索。

舒運平 攝