关键词:桥梁；健康监测；理论探讨
随着人们对桥梁安全性、耐久性与正常使用功能的日渐关注，桥梁健康监测的研究与监测系统的开发应运而生。桥梁健康监测是以科学的监测理论与方法为基础，采用各种适宜的检验、检测手段获取数据，为桥梁结构设计方法、计算假定、结构模型分析提供验证；对结构的主要性能指标和特性进行分析，及早预见、发现和处理桥梁结构安全隐患和耐久性缺陷，诊断结构突发和累计损伤发生位置与程度，并对发生后果的可能性进行判断与预测。通过对桥梁健康状态的监测与评估，为桥梁在各种气候、交通条件下和桥梁运营状况异常时发出预警信号，为桥梁维护、维修与管理措施提供依据，并通过及时采取措施达到防止桥梁坍塌、局部破坏，保障和延长桥梁使用寿命之目的。
1、桥梁健康监测概况
桥梁健康监测不是传统意义上的桥梁检测技术的简单改进，而是运用现代传感与通信技术，实时监测桥梁运营阶段在各种环境条件下的结构响应与行为，获取反映结构状况和环境因素的各种信息，由此分析结构健康状态、评估结构的可靠性，为桥梁养护管理决策提供科学依据。同时，健康监测对于验证与改进结构设计理论与方法、开发与实现各种结构控制技术以及深入研究大型桥梁结构的未知问题具有重要意义。
1.1世界各国先后建立桥梁健康监测系统
80年代中后期，各种规模的桥梁健康监测系统逐渐开始建立。如，英国在总长522ｍ的三跨变高度连续钢箱梁桥Foyle桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时，监测环境风和结构温度场。该系统是最早安装的较为完整的监测系统之一，它实现了实时监测、实时分析和数据网络共享。我国自90年代起在一些大型重要桥梁上建立了不同规模的结构监测系统，如香港的青马大桥、汲水门大桥，上海的徐浦大桥以及江阴长江大桥等。
1.2 桥梁健康监测系统特点
从已经建立的桥梁监测系统的监测目标、功能以及系统运行等方面看，这些监测系统具有以下一些共同特点：①通过安装在结构上的各种响应传感装置的测量，获取反映结构行为的各种记录；②除监测桥梁结构本身的状态和行为以外，还对结构环境条件(如风、车辆荷载等)的监测和记录分析；同时，通过桥梁在正常车辆与风载下的动力响应来建立结构的“指纹”，并借此开发实时的结构整体性与安全性评估技术；③在通车运营后连续或间断地监测结构状态，力求获取的桥梁结构信息连续而完整。某些桥梁监测传感器在桥梁施工阶段即开始工作并用于监控施工质量；④监测系统具有快速大容量的信息采集、通讯与处理能力，并实现数据的网络共享。这些特点使得大跨度桥梁健康监测区别于传统的桥梁检测技术。
2、桥梁健康监测的内涵
2.1 监控与评估
监控与评估是桥梁健康监测的基本内涵，即是通过对桥梁结构状态的监控与评估，为桥梁在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导。与传统的检测技术不同，大型桥梁健康监测不仅要求在测试上具有快速大容量的信息采集与通讯能力，而且力求对结构整体行为的实时监控和对结构状态的智能化评估。为此，监测系统应对以下几个方面进行监控：①桥梁结构在正常环境与交通条件下运营的物理与力学状态；②桥梁重要非结构构件(如支座)和附属设施(如振动控制元件)的工作状态；③结构构件耐久性；④大桥所处环境条件等等。
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2.2 设计验证
设计验证是桥梁健康监测的又一作用。由于大桥(尤其是斜拉桥、悬索桥)的力学和结构特点以及所处的特定环境，在大桥设计阶段完全掌握和预测结构的力学特性和行为是非常困难的。通过桥梁健康监测所获得的实际结构的动静力行为来验证大桥的理论模型、计算假定具有重要的意义。事实上，国外一些重要桥梁在建立健康监测系统时，都强调利用监测信息验证结构的设计。桥梁健康监测信息反馈于结构设计的更深远的意义在于，结构设计方法与相应的规范标准等可能得以改进。
2.3 研究与发展
桥梁健康监测带来的将不仅是监测系统和对某特定桥梁设计的反思，它还可能并应该成为桥梁研究的“现场实验室”。尽管桥梁理论的研究成果以及新材料新工艺的出现不断推动着桥梁的发展，但是在大跨度桥梁的设计中还存在很多未知和假定。桥梁健康监测为桥梁工程中的未知问题和超大跨度桥梁的研究提供了新的契机。由运营中的桥梁结构及其环境所获得的信息，不仅是理论研究和实验室调查的补充，而且可以提供有关结构行为与环境规律的最真实的信息。
3、桥梁健康监测系统的设计准则
3.1 功能要求
桥梁监测系统的设计，首先应考虑建立该系统的目的和功能。对于特定的桥梁，建立健康监测系统的目的可以是桥梁监控与评估，或是设计验证，甚至以研究发展为目的。一旦建立系统的目的确定了，系统的监测项目就可以基本上确定。监测项目不同的功能目标所要求的监测项目不尽相同，绝大多数大跨度桥梁监测系统的监测项目都是从结构监控与评估出发的。如果监测系统考虑具有结构设计验证的功能，那就要获得较多结构系统识别所需要的信息，因此对于大跨度索支承桥梁需要较多的传感器布置于桥塔、加劲梁以及缆索(拉索)各部位,以获得较为详细的结构行为特性。
3.2 效益～成本分析
桥梁监测系统中各监测项目的规模，以及所采用的传感仪器和通信设备等的确定，需要考虑投资的限度。因此，在设计桥梁监测系统时必须对监测系统方案进行成本～效益分析。根据功能要求和成本～效益分析，可以将桥梁监测项目和测点数设计到所需的范围，可以最优化地选择并安装系统硬件设施。
4、桥梁健康监测的现状与发展方向
桥梁健康监测系统对桥梁结构评估主要有三个方面：承载能力、营运状态和耐久能力。承载能力是有关大桥结构或构件的极限强度、稳定性能等，其评估目的是要找出大桥结构的实际安全储备，以避免桥梁发生灾难性的损毁；营运状态评估与桥梁结构或其构件在日常荷载工作下的变形、裂缝、振动等有关，其评估结果有助于合理安排养护维修；耐久能力的评估则专注于大桥的损伤及其成因以及其对材料物理特性的影响。
桥梁健康监测综系统在桥梁设计阶段提前考虑并做出健康监测设计十分重要。设计人员可依据桥型设计理论和结构特点、四新技术的应用等方面采用适宜的监测理论、方法与手段，做出符合桥梁特点和系统的监测设计。桥梁健康监测设计与桥梁设计同时形成，可及时、妥善地将相关监测软、硬件在施工、运营过程予以配备与设置，使得监测系统的准备与运行工作做的更加充分、科学。
5、结语
我国的桥梁结构健康监测尚处初期阶段，随着桥梁结构健康监测工作的深入开展，在远距离监测、提高系统可靠性、完善数据处理和分析理论等方面还需要提高和完善，目前尚无现成的性能和数据评估方面的规范。因此，探索并形成稳定、可靠的监测系统、明确各项参数指标、科学获取与处理监测数据、形成监测规范等工作是桥梁结构健康监测今后的发展与努力方向。
参考文献
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〔3〕周建庭等著.大中型桥梁加固新技术〔M〕.北京：人民交通出版社，2010：4～11
论文作者:杨修志,刘明成,鞠炳祥
论文发表刊物:《科技中国》2017年7期
论文发表时间:2017/10/11
标签：桥梁论文; 结构论文; 健康论文; 监测系统论文; 大桥论文; 状态论文; 目的论文; 《科技中国》2017年7期论文;