橋梁健康監測技術發展現況

段東

摘 要：橋梁的承載能力和健康狀態與其在外力作用下引起的扭曲、撓曲、位移等有關。橋梁健康監測系統作為結構監測的重要部分，在橋梁實際運行中占據了重要地位。首先簡述了橋梁的典型病害及產生原因;其次針對產生原因列舉了目前普遍應用的監測技術，并指出各技術的作用原理和處理方法;接著指出了監測系統在實際工程中的應用，說明了在監測系統下橋梁的運行狀況;最后展望了監測技術的應用前景，可為研究橋梁健康監測技術理論與工程應用提供參考。

關鍵詞：橋梁病害;監測技術;工程應用

0 引言

橋梁自人類文明開始就已存在，其經歷了漫長的發展，為人們的生活提供了很大的便利。目前關于橋梁修建的技術已經相當成熟，各類規范也相對全面。但是，運輸壓力隨著人口的增長不斷提高，橋梁建造的難度相應也越來越大。尤其是地勢陡峭或跨度較大的地區，對橋梁的安全性、耐久性以及可維護性有了更高的要求。如何能實時、有效的地監測和評價橋梁在各種環境下的健康狀態，是一個值得分析和解決的問題。

目前，國內外學者建立了各種橋梁健康監測系統并取得了豐富的成果[1]。縱觀國內外橋梁健康監測系統的應用，GPS系統、超聲波技術、光纖傳感器以及光纖陀螺儀等技術均有所應用及發展[2]。本文基于前人研究的成果與結論，將橋梁的健康監測技術進行總結，并且闡述其今后的發展趨勢，為監測技術的理論研究、實際工程的應用提供依據。

1 典型病害及產生原因

病害是使橋梁損壞、失效甚至坍塌的主要原因之一。為使橋梁更加符合安全性、適應性以及耐久性的要求，確定病害類型是解決問題的第一步。橋梁病害有內因和外因兩個大的方面。其中內因為構成橋梁的材料自身存在收縮、材料間的化學反應、溫度變化等，例如環境的變化會產生細小的裂縫;外因則為雨水、空氣的侵蝕，車輛、船舶等物件的撞擊以及一些不可控的人為因素;施工不當也會形成蜂窩、麻面、空洞、剝落等病害。這些病害誘因有些是可控的，有些是不可控的。對于可控因素，后期加強監測和管理就會減少橋梁的病害。不同地區因經濟情況、地勢條件以及技術水平的不同監測方式會有所不同。

2 監測類型與原理

2.1 GPS監測系統

GPS監測系統是應用衛星進行實時導航檢測，從而形成全球范圍的監測系統。GPS系統于20世紀80年代末由美方建成的，其有全天候、自動定位、全球范圍內以及定位精準、速度快的特點。定位方式分為單點絕對定位和差分相對定位兩大類。

以江陰大橋為例，GPS監測系統應用于大橋時具體實現方法是：將監測數據通過光纖信息網及時反饋給監測中心數據處理室，應用數據處理、信號分析以及評價系統等分析軟件將數據坐標進行轉換，從而形成動態數據坐標，進而形成大橋動態變化圖像。

2.2 光纖傳感器監測系統

2.2.1 計算公式

光纖布拉格光柵是一種以光纖為媒介的新型材料。其作用原理是光柵周期變化量與反方向耦合模的有效折射率決定了光纖光柵的波長光譜，因此任何參數的改變都會導致波長的變化，其計算公式如下：

（1）

應變、溫度、加速度引起光柵波長變化的計算公式分別為：

（2）

?（3）

（4）

最終可推得由光柵表示的位移公式為：

（5）

其中（1）～（5）式中各符號的含義見文獻[4]。

2.2.2 監測內容

光纖傳感器主要通過測試橋梁的受力特性、幾何變化和振動形式。具體為車輛在橋面上的行進的豎、橫向加速度;橋面在活荷載、溫度變化等荷載作用下引起的應力、應變曲線，以及分析橋梁結構整體和局部最不利應力位置和大小與疲勞應力幅值;橋梁結構豎向、橫向前3階自振頻率、陣型以及阻尼比;溫度變化、混凝土收縮及徐變等因素引起的橋梁軸線位置的改變。具體見表1。

3 發展現狀及工程應用

目前關于橋梁健康監測系統在實際工程中應用十分廣泛。已有的監測技術有神經脈絡仿生和紅外線熱像儀;機械法、電測法和光干涉法;雷達和超聲波法;GPS、光纖法等。

貴州高速公路懸索橋因山丘多且溝谷跨度大，為滿足安全性、適用性及耐久性便應用了健康監測系統。系統從環境荷載、幾何變形、結構內力以及動力響應四個方面進行監測。將GPS和光纖光柵技術結合起來，利用傳感器將A，B橋分別進行監測。在監測系統的監測下A橋已正常工作6年，B橋傳感器安裝時間較短，但目前各數據穩定。

象山港大橋為雙塔雙索面鋼箱梁5跨連續版漂浮斜拉橋，根據該橋的結構特點，基于有限元計算分析結果以及橋梁的養護需求，對橋梁進行一系列的監測。具體監測項目有：橋梁典型的荷載、代表性構件控制截面的變形狀況、關鍵構件的應變及溫度、懸索的受力監測與動力荷載效應。

4 存在問題及措施

目前橋梁監測主要存在四個主要問題：第一，對于橋梁尤其是大型橋梁很難做到長期監測，并且監測設備維護成本極高;第二，用于計算監測數據的軟件不完善，導致大量的原始數據不能及時、有效的被利用;第三，現行的橋梁結構安全狀態缺少一個統一標準，大部分都是對橋梁的正常使用狀態和橋梁的外觀變化進行監測;第四，監測的核心技術仍被壟斷[5]。

對于監測過程中存在的以上問題，研發出適用和可靠的損傷辨識指標是研究的重點。另外加強橋梁施工過程中的規范管理，控制人為因素從而降低橋梁病害發生的概率。忽略不可控因素后將計算方法通過已有工程監測數據進行優化，致力尋找一個最佳的監測方式，并將要求的狀態進行統一規定。

5 結論

橋梁作為城市發展重要的載體之一，其安全性的保障尤為重要。針對橋梁監測提出了高穩定性、實時遠程控制、安裝便捷、高速傳輸等新要求，關于橋梁健康監測系統將會有以下的發展：

（1）優化監測技術，從而降低監測與維護成本;

（2）完善數據處理方法，將其公式化、規范化，從而將監測數據及時使用;

（3）推動監測技術發展并推出其標準規范，將橋梁的監測變成一個整體。

參考文獻：

[1]原琨，李楊.超聲波技術在橋梁內部鋼筋健康監測的研究[J].綠色科技，2016（6）：143-145+150.

[2]柏格文.光纖陀螺儀在橋梁健康監測系統中的應用分析[J].科學咨詢（科技·管理），2017（12）：36-37.

[3]和永軍，繆應鋒，劉華.北斗和GPS系統在病害影響下橋梁健康監測中的應用[J].云南大學學報（自然科學版），2017，39（S1）：52-57.

[4]郭玲，朱茂之.光纖光柵傳感器在城軌橋梁監測中的設計與應用[J].山西建筑，2014，40（21）：160-162.

[5]吳學林.橋梁健康監測系統構成及發展[J].南方農機，2018，49（14）：112.