檢測與監測為何如此重要？

文 張宇峰 楊迪

“一橋飛架南北，天塹變通途”，橋梁之力，橋梁之美，何其讓人驚嘆。然而，橋梁和人一樣，也會有“生老病死”。只有通過科學的檢測與監測，才能及時、準確掌握橋梁技術狀態，保證其安全健康。

改革開放以來，我國橋梁建設取得了飛速發展，橋梁數量在2011年便已超過美國，成為世界第一橋梁大國。1990年至2018年間，我國新增橋梁總數占全世界的47%，年均新增公路橋梁2.57萬座。目前，我國已有超過87萬座公路橋梁，超過20萬座鐵路橋梁。

在跨徑排名世界前十的斜拉橋、懸索橋中，我國已“霸占”了一半以上的席位，蘇通長江公路大橋、港珠澳大橋等一批世界級橋梁的建成，更彰顯了我國橋梁建設的輝煌成就，它們代表著當今世界橋梁建設的先進水平，標志著我國從橋梁建設大國向世界橋梁建設強國轉變，如今，橋梁已成為我國最靚麗的國家名片之一。

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結構健康監測技術發展歷史

文 同濟大學橋梁工程系教授、國際橋梁與結構協會副主席 孫利民

結構監測概念古已有之，中國古塔上安裝的鈴鐺就兼具結構強烈晃動時提醒游人撤離的預警功能。另外，中國的監測傳感技術也源遠流長，漢代的古籍中就有對大氣溫度和風速、風向測量的記載。

1969年，Lifshitz和Rotem所寫的論文被視為闡述現代結構健康監測理念——通過動力響應監測評估結構健康狀態的第一篇論文。

1987年，英國在總長522米的三跨連續鋼箱梁橋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，該系統是最早安裝的較為完整的健康監測系統之一。其后，挪威的Skamsundet斜拉橋、丹麥的Faroe跨海斜拉橋和主跨1624米的Great Belt East懸索橋、加拿大的Confederation連續剛構橋、日本的明石海峽大橋等大跨橋梁上也都相繼安裝了監測系統。

1997年，我國香港的青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋等三座大橋上安裝了風和結構監測系統。隨后，內地的東海大橋、虎門大橋、徐浦大橋、江陰長江大橋等橋梁上也建立了不同規模的結構監控系統。

輕則“減壽”，重則垮塌：橋梁傷病不得不防

橋梁建成通車只是實現其生命價值的起點，只有保證健康與安全，才能發揮其應有的作用。在服役期內，載荷疲勞效應、環境腐蝕和材料老化等因素的耦合作用，都將不可避免地導致橋梁結構損傷累積和抗力衰減，從而降低其抵抗災變的能力，這些損傷如不能及時發現并得到修復，輕則將影響行車安全，縮短橋梁使用壽命，重則將導致橋梁突然破壞甚至垮塌。

在應急管理部和交通運輸部組織的全國重點橋梁檢查和調研中，健康監測系統的建設和運行情況是一項重要檢查指標。由此可見，健康監測技術正日益受到國家和社會的重視，其發展應用也有望迎來突破性的進展。

要保證運營期橋梁的安全與健康，首先要準確把握橋梁當前的技術狀態及發展趨勢。從歐美發達國家經驗與教訓來看，經濟高速發展期間建成的橋梁，往往存在技術力量稀釋、搶趕工期等問題，所以普遍存在嚴重隱患；與此同時，通常橋梁在建成20到30年后，也將進入病害多發期。在役長大橋梁安全與健康國家重點實驗室收集了國內447座橋梁垮塌的案例，從其中184座有公開資料標明事故成因的案例來看，49%是由于運營期人為因素及管養不足所造成的。

目視檢查是橋梁檢測最傳統的方法，我國橋梁養護規范中，對橋梁進行技術狀況等級評定所依據的主要參數大多來自于目視檢查。

安全形勢，明顯好轉：事故呈現“低齡”特點

資料顯示，我國當前橋梁平均橋齡僅為18.2年（美國為43.2年），尚未進入高齡、高危期，普遍還很“年輕”，而且隨著近年來橋梁領域標準體系與管理制度建設日趨完善，設計、施工與管養技術快速發展，監管力度不斷加強，危舊橋加固改建速度不斷加快，公路橋梁的安全形勢已發生較明顯好轉。“十二五”期間，我國公路橋梁總數以年均3.6%的幅度逐年增長，危橋數量卻以年均4.45%的幅度不斷減少，橋梁安全事故總體處于下降態勢。

然而，值得重視的是，西南交大學者對我國70起橋梁事故進行分析的結果顯示，從開通到出現事故的平均時間僅為25年（低于同期對世界181座橋梁分析得出的29年這一平均時間）；在役長大橋梁安全與健康國家重點實驗室對我國100座運營期事故橋梁進行的統計分析也表明，發生事故時橋齡≥50年的不到15%，事故橋梁平均壽命僅為29.36年。

先天不足，后期缺養：老齡進程加速推進

考慮到我國上世紀80年代和90年代初修建的橋梁已開始大量進入重大維修養護期，管養壓力與安全風險必然逐年加大，且當前一些橋梁在運營過程中已暴露出“先天不足”“后期缺養”等問題，系統地提升橋梁服役性能和安全保障能力已刻不容緩。

對比美國橋梁發展來看，其大規模建設期為上世紀50年代到70年代；1950年時，美國橋齡在30年以上的橋梁占比為17.5%，到1970年，這個數字已發展為37.7%，其工作重心也開始逐步轉向管養。2016年，美國橋齡在30年以上的橋梁占比為62.3%，其90%的經費已用于養護維修，僅有10%的經費用于新建。

2014年，我國橋齡在30年以上的橋梁占比為18.4%，根據當前建設情況和相關規劃推測，2034年，這一占比將增加為42.4%；2044年，將增加為62.7%。對比中美30年以上橋齡的橋梁占比可以發現，美國該比例從18%增長到60%，用了約60年，而中國只要大約30年，從這個角度來看，中國橋梁老齡化正在加速到來。

傳統模式，難當重任：技術研究走向“四化”

隨著橋梁數量增加、橋齡日增，橋梁管養壓力與資金缺口必然日益增大，以人工檢查、經驗決策和糾正式養護為特點的傳統管養模式，將越來越難以滿足現代橋梁管養需求，為實現提質、增效、降本的橋梁養護本質需求，必然要求橋梁管養模式逐步轉向以精準決策和預防性養護為特色的智慧管養模式。而要實現智慧管養，首先必須準確掌握橋梁的技術狀態，先進的檢測與監測技術，就是精準掌握橋梁技術狀態，進而保證橋梁安全與健康的重要手段。

隨著中國橋梁的不斷建設發展，巨大的存量和增量為橋梁健康和安全帶來了嚴峻的挑戰，但同時也為橋梁檢測與監測技術的實踐和創新帶來了前所未有的機遇。

隨著對橋梁的結構要求、服役要求、以及長期性能要求的提高，對橋梁檢測與監測及其相關的病害診斷與分析技術的研究呈現出新的趨勢，主要表現為深入化、集成化、標準化、智能化四大特征：

深入化

結構損傷機理研究正逐步從微觀向宏觀、從短期向長期、從單因素向多因素耦合拓展。

圖1 我國100座運營期橋梁發生事故時橋齡分布統計圖

集成化

無損檢測裝備與養護維修裝備的小型化、專業化、集成化程度正日益提高；健康監測系統中傳感、采集與傳輸設備的高度集成將是大勢所趨；依托BIM平臺，設計、施工、檢測、監測、養護、維修的信息將高度集成融合。

近年來，推進“平安百年品質工程”的創新發展正成為交通行業的共同愿景。“平安百年“，顧名思義，必然要求一座大橋在其整個設計壽命中都健康安全，為此，科學檢測、監測的重要性不言而喻。

標準化

不僅是傳統意義上的檢測、監測、養護管理措施和質量評定方法的標準化，也包括為實現數據互聯互通而快速推進的信息標準化工作。

智能化

云平臺、大數據、物聯網和移動通訊技術的快速發展，已為橋梁檢測與健康監測技術提供了重要技術支撐，隨著機理研究日益深入，數據積累日益增多，信息融合日益加強，以及大數據分析、云計算、機器學習等技術的進步，橋梁管養智能化研究正日益受到關注，檢測與監測技術正在逐步融合，結構病害的早期識別、趨勢推演、自動檢測評分、安全風險自動排序、養護資金智能優化配置、橋梁壽命預測等都將成為可能。

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我國大跨度橋梁健康監測系統概況

文 同濟大學橋梁工程系教授、國際橋梁與結構協會副主席 孫利民

目前，我國300米以上跨徑的斜拉橋、懸索橋中，至少有140座已安裝了結構健康監測系統。一般特點如下：

一般來說，一個大跨度橋梁的健康監測系統由少則50個、多則300個以上的傳感器測點組成，其費用約占到橋梁總造價的0.5～2.0%；

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，偏重監測內容和技術，而那些輕視測試數據處理和評價的設計方案，則越來越不易被橋梁業主所接受；

健康監測系統本身的耐久性受到重視，傳感器和其他硬件應具有可更換性，并且更換時不能影響到數據采集的連續性；

成橋后的結構健康監測系統與施工控制的監測系統相結合，監測數據內容可前伸到施工階段；

結構狀態評估子系統和評估軟件的水平有所提高，更注重橋梁專家對橋梁結構健康監測結果分析評估的介入。