橋梁健康監測系統發展回顧

王明俊，王 湛，陳炳聰，呂仰檳，曾鑫彬

（1.廣州市中心區交通項目領導小組辦公室，廣東 廣州510030；2.廣州大學，廣東 廣州510006；3.廣州市市政集團有限公司，廣東 廣州510000）

0 引言

橋梁健康監測系統是以科學的監測理論與方法作為基礎，采用各種適宜的監測手段獲取數據，為橋梁結構設計方法、計算假定、結構模型分析提供驗證；對橋梁結構的性能指標、特性進行分析，及早預見、發現和處理橋梁結構安全隱患和缺陷，診斷結構突發和累計損傷發生的位置與程度，并對癥狀后果的可能性進行判斷與預測。通過對橋梁結構健康狀態的監測與評估，系統在各種氣候、交通條件下和橋梁運營狀況異常時提供預警信號，為橋梁維護、維修與管理措施提供依據；橋梁工作者采取及早的措施，防止橋梁坍塌、局部破壞，保障和延長橋梁的使用壽命。進入21 世紀后的十余年中，我國越來越多的橋梁安裝了橋梁健康監測系統，積累了大量經驗，采集了海量數據，系統功能不斷完善與增強。本文對國內外橋梁健康監測系統的建設和發展進行綜述。

1 橋梁健康監測系統的特點

1.1 系統的監測內容

系統設計者針對不同的橋型和結構特點，量身定做橋梁健康監測系統。一般情況下，系統的監測內容包含變形、位移、構應力、裂縫、環境、索力、動力性能等。隨著機電技術的不斷發展，越來越多的手段得到應用與發展，傳感器的類型主要為電阻式、振弦式、光纖光柵式等，傳輸模式以TCP/IP、BNC、RS485 式為主。各種測量方法的比較見表1。

1.2 系統評估分析方法

目前橋梁安全評估的分析方法主要有常規綜合法、層次分析法、可靠度理論、振動模態方法、模糊理論等。

1.3 系統優點

橋梁健康監測系統優點：

（1）可以節省人力物力，避免檢查盲點；

（2）具有整體性，能夠提供整體全面的結構健康監測；

（3）不會影響正常交通的運行；

（4）周期短，具有時效性；

（5）不僅能夠監控和評估結構狀態，其反饋的信息也可使結構設計方法和相應的規范標準得到改進，還可能成為橋梁研究的“現場實驗室”。

1.4 系統存在的問題

橋梁健康監測系統還不太完善，存在以下不足：

（1）系統的費用較高，約占橋隧總造價的1%；

（2）系統設計缺乏統一標準，系統規模差異性較大；

（3）所用的技術多種多樣，未形成統一的數據接口和格式，兼容性和擴展性較差；

（4）多數監測系統是獨立運行的“單機版”，各橋系統獨立運作，所采集信息不能共享；

（5）系統本身的使用壽命難以得到保證，電子設備的耐久性遠低于結構壽命，傳感器和其他硬件更換時影響數據采集的連續性；

（6）系統在運營過程中儀器設備保護措施不完善，耐久性能不足，儀器設備過早報廢，導致部分數據缺失；

（7）系統獲取了海量數據，但是未有效及時處理，分析人員缺乏足夠的橋梁知識，造成數據災難。

2 國內外典型案例

隨著大跨度橋梁的相繼建成，人們對這些大型重要橋梁的安全性、耐久性與正常使用功能日漸關注和重視。橋梁健康監測系統和智能控制技術相繼運用到這些大型橋梁中，國內外從20 世紀80年代中后期開始建立各種規模的橋梁健康監測系統[2]。美國威斯康辛州一座已有65 年歷史的提升式橋（Michigan Street Bridge）在橋上安裝了世界上第一套全橋遠程監測系統；我國自20 世紀90 年代起對部分大橋建立長期監測系統，如香港青馬大橋。虎門大橋、徐浦大橋、江陰長江大橋等在施工階段已安裝健康監測用的傳感設備，以運用在運營期間的實時監測。以下針對典型案例展開論述。

表1 各種測量方法的比較[1]

2.1 國內案例

2.1.1 香港青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋健康監測系統

青馬大橋和相鄰的汲水門大橋是通往香港新機場的重要通道。青馬大橋是世界上最長的公路/鐵路懸索吊橋，全長2200 m，主跨度1377 m，塔高206 m。汲水門大橋為斜拉吊橋，全長820 m，主跨度430 m，塔高150 m。汀九大橋為三塔斜拉吊橋，塔高分別為170 m、194 m 和158 m，全長1177 m，主跨度為448 m 和475 m。青馬控制區原有橋梁監測傳感器多達774 個，包括風速計、氣象傳感器、動力稱量系統、加速度計、位移傳感器、應變標尺和水平儀七大類用以監測。但由于原有的傳統監測手段在監測橋梁振動位移方面都有一些顯著缺點，不能對衡量大橋是否正常運營的大橋主梁和索塔軸線空間位置進行準確測量評估。青馬控制區橋梁是早期使用GPS 進行監測的系統之一。其優點如下：直接獲取三維絕對位置；實時計算并顯示三維位移；全天候、24 h 連續進行高采樣率（20 Hz）觀測；系統數據傳輸采用光纖網絡，運作效率提升，極大降低系統維護工作成本；對原有監測系統進行獨立檢核[3-4]。

2.1.2 廣州鶴洞大橋健康監測系統

鶴洞大橋位于廣州市海珠區和荔灣區之間的珠江后航道上，全橋總長2300 m，主橋長648 m，為雙塔雙索面復合斜拉橋，主跨為360 m 鋼- 混疊合梁，采用空間扇形索面，主跨索間距9.5 m，密索體系。該系統在邊跨混凝土截面布置9 個應力傳感器，GPS 測試天線安裝在兩個塔頂和跨中，與基準測站連成局域網，可同時在線實時監測，測試精度可達毫米級；拾振器布置在跨中截面和主跨四分點截面的上下游側，共六個監測位置；所有采集信號由位于東西塔和跨中的三個工作站負責采集，所有采集數據由光纖環網匯集到現場服務器進行儲存[5]。其健康監測系統將計算機及網絡通信、傳感器新技術、自動化監測技術與橋梁工程的最新研究成果相結合，在可靠實用的前提下進行一定的技術創新[6]（見圖1）。

圖1 鶴洞大橋健康監測系統

2.1.3 東莞水道特大橋健康監測系統

東莞水道特大橋位于東莞市環城路西五環路跨東莞水道路段。大橋全長750 m，由主橋、引橋兩部分組成。其中主橋采用三孔（50+280+50）m 飛鳥式中承式鋼管混凝土系桿拱橋。鋼管混凝土拱橋主要受力結構是鋼管混凝土拱肋，拱肋鋼管和混凝土的損傷直接影響整個結構的安全，吊桿和主梁等結構的狀態也影響到橋梁的安全性能和使用性能[7]。大橋共安裝了130 臺（個）監測元件、5 個采集站、5 臺服務器、1 個監控室，導線總長約21000 m[8]（見圖2）。

圖2 東莞水道特大橋健康監測系統

2.1.4 杭州灣跨海大橋結構健康與安全監測系統

杭州灣大橋首次在橋梁監測領域提出采用環網的通信方式來克服系統的易干擾性，使得監測系統在數據傳輸上更加穩定、可靠，開發了現代化的信息監測管理系統對橋梁進行監測和管理，建立一個電子信息化的檔案和信息平臺。系統采用了基于橋梁結構靜動力響應的評估方法，這能更加全面地反映橋梁結構的真實狀況。而且該系統提出了以靜力內力狀態識別和動力損傷識別相結合的理論，從而一方面能夠從整體上把握大橋的內力狀態，另一方面能夠從局部上識別大橋的損傷狀態，兼顧了整體和局部、實用性和科研性[9]。

2.2 國外典型案例

2.2.1 意大利墨西拿海峽大橋健康監測系統

意大利墨西拿海峽大橋為主跨3300 m 的超長跨徑懸索橋。墨西拿海峽大橋的監控系統由操作控制中心的1 個中央主機服務器、15 個數據采集和處理單元以及1 個傳感器網絡組成。該系統模塊化，具有靈活性，可以在項目完成后以及橋梁使用壽命期間進行更改和完善。墨西拿海峽大橋計劃在3301 個位置安裝便攜式傳感器，其中2999 個測試數據將被整合到系統永久數據流中，并根據具體工程情況額外安裝178 個傳感器，并安裝了光纖傳感器。該類傳感器具有靈活性，所以在通常的主纜上安裝光纖傳感器具有較大的可行性。光纖傳感器的安裝是通過已創建光纖光柵的光纖鏈涂裝特殊涂料實現的，但是這項技術目前尚未成熟，因此通過墨西拿海峽大橋的建設發展并應用[10]。

2.2.2 日本明石海峽大橋健康監測系統

日本明石海峽大橋是主跨為1991 m 的三跨雙鉸懸索橋，作為日本大跨徑橋梁健康監測現狀的代表性案例，明石海峽大橋的動態監測尤為突出。大橋安裝的傳感器配置設備包括地震儀、風速計、加速度計、速度計、GPS、梁邊位移計、溫度計以及調諧質量阻尼器（TMD）位移計。采用高精度的雙頻GPS 接收機對大橋進行實時動態監測，用以預估將來橋梁在遭受強烈臺風和地震侵襲時可能會發生的不正常的位移[11]。

2.2.3 土耳其伊茲米特灣跨海大橋健康監測系統

伊茲米特灣大橋主橋是跨度為（650+1550+650）m 的三跨懸索橋。該橋的監測系統所用傳感器為石英傳感器，與傳統傳感器相比，具有優秀的線性、隔離橫向力、靈敏度一致和對氣候不敏感（無須溫度補償）等優勢。而且該傳感器方便快速安裝，可鑲嵌在公路中，避免過高的維護費用，從經濟性上看，該傳感器精度穩定、壽命長；從靈活性上看，動態量程寬，可模塊式全覆蓋路面設計[12]。

3 總結國內外橋梁健康監測系統的特點

3.1 我國橋梁健康監測系統的特點

在我國，很多橋梁已經安裝了橋梁監測系統，部分橋梁系統經過一段時間的運行，根據橋梁管理部門的要求進行了升級。還有一些監測系統，則是由于橋梁健康監測系統的設計和實施趨于規范化的成果。目前我國橋梁健康監測系統都有如下特點：

（1）健康監測系統的設計理念越來越側重于為橋梁的養護管理提供支撐，在監測內容和技術與測試數據處理和評價之間找到了平衡點；

（2）健康監測系統本身的耐久性受到了重視，傳感器和其他硬件具有可更換性；

（3）不同大橋的監測系統都有大橋本身的特色，立足于高起點、高目標，充分利用現代高新技術，將計算機及網絡通信、傳感器新技術、自動化監測技術與橋梁工程的最新研究成果相結合，在可靠實用的前提下進行一定的技術創新[13]。

3.2 國外橋梁健康監測系統的特點

國外橋梁健康監測系統的發展比較早，美國威斯康辛州提升式橋安裝了世界上第一套全橋遠程監測系統，世界橋梁系統無論是在設計理念還是在系統核心技術和材料上，發展都比較成熟。總結下來，國外橋梁健康監測系統有以下特點：

（1）系統發展成熟，側重于新型技術在重要工程中的研發，如待建設的意大利墨西拿海峽大橋系統，將會極大地發展光纖傳感器技術的研究和開發；

（2）大跨度橋梁的變形量測技術成熟，如高精度的GPS 系統；

（3）側重傳感器系統和數據傳輸系統的耐久性，盡可能與大跨橋梁大于50 a 甚至到100 a 的設計壽命相匹配。

4 系統發展前景

從研究現狀和實際應用來看，橋梁健康監測系統的評估內容基本統一，評估理論日趨成熟。通過對傳感器的革新和自動遠程監控技術的更新換代，橋梁健康監測與安全評價系統正向簡單易裝、經濟可行、持久可靠的方向發展。隨著5G 時代的到來，建議健康監測人工巡檢中引入AR（虛擬現實）技術輔助檢測，引入VR（虛擬現實）技術進行專家會診評估。

5 結 語

橋梁健康監測系統是由傳統的橋梁檢測衍生出來的主要針對大型橋梁的一種管理方法，已經在世界上得到廣泛應用與研究。本文在論述橋梁健康監測系統應用優缺點的基礎上，詳細分析國內外大跨橋梁結構健康監測系統應用現狀，總結指出各大橋梁系統的特色，希望能為橋梁健康監測系統的發展提供一些思路。