大型桥梁健康监测概念与监测设计

Word版本，下载可自由编辑大型桥梁健康监测概念与监测设计20世纪桥梁工程领域的成就不仅体现在预应力技术的进展和大跨度索支承桥梁的建筑以及对超大跨度桥梁的探究，而且反映于人们对桥梁结构实施智能控制和智能监测的设想与努力。近20年来桥梁抗风、抗震领域的讨论成绩以及新材料新工艺的开发推进了大距度桥梁的进展；同时，随着人们对大型重要桥梁平安性、耐久性与正常使用功能的日渐关注，桥梁健康监测的讨论与监测系统的开发应运而生。因为桥梁监测数据可以为验证结构分析模型、计算假定和设计办法提供反馈信息，并可用于深化讨论大跨度桥梁结构及其环境中的未知或不确定性问题，因此，桥梁设计理论的验证以及对桥梁结构和结构环境未知问题的调查与讨论扩充了桥梁健康监测的内涵。本文结合近十年来桥梁健康监测的讨论情况以及大跨度桥梁工程的讨论与进展，较系统地阐述桥梁健康监测的内涵，并由此探讨监测系统设计的有关问题。

一、桥梁健康监测系统与理论进展简况

1.监测系统

80年月中后期开头建立各种规模的桥梁健康监测系统。例如，英国在总长522m的三跨变高度延续钢箱梁桥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分享。建立健康监测系统的典型桥梁还有挪威的Skarnsundet斜拉桥通常测量结构各种响应的传感装置猎取反映结构行为的各种记录；

除监测结构本身的状态和行为以外，还强度对结构环境条件的监测和记录分析；同时，试图利用桥梁在正常车辆与风载下的动力响应来建立结构的指纹，并藉此开发实时的结构整体性与平安性评估技术；

在通车运营后延续或间断地监测结构状态，力求猎取的大桥结构信息延续而完整。某些桥梁监测传感器在桥梁施工阶段即开头工作并用于监控施工质量；

监测系统具有迅速大容量的信息采集、通讯与处理能力，并实现数据的网络分享。

这些特点使得大跨度桥梁健康监测区分于传统的桥梁检测过程。另外需要指出的是，桥梁健康监测的对象已不再局限于结构本身：一些重要辅助设施的工作状态也已纳入长久监测的范围。

2.理论讨论

十多年来，桥梁健康监测理论的讨论主要集中于结构整体性评估和损伤识别。因为基于振动信息的整体性评估技术在航天、机械等领域的深化讨论和运用，这类技术被用于土木结构中除无损检测技术以外的最重要的整体性评估办法并得到广泛的讨论。人们致力于基于振动测量值的整体性评估办法讨论的另一个缘由是，结构振动信息可以在桥梁运营过程中通过环境振动法获得，因此这一办法具有实时监测的潜力。

结构整体性评估办法可以归结为模式识别法、系统识别法以及神经网络办法三大类。结构模态参数常被用作结构的指纹特征，也是系统识别办法和神经网络法的主要输入信息。另外，基于结构应变模态、应变曲率以及其他静力响应的评估办法也在不同程度上显示了各自的检伤能力.然而，尽管某些整体性评估技术已在一些容易结构上有胜利的例子，但还不能牢靠地应用于复杂结构。妨碍这一技术进入有用的缘由主要包括：①结构与环境中的不确定性和非结构因素影响；②测量信息不完备；③测量精度不足和测量信号噪声；④桥梁结构赘余度大并且测量信号对结构局部损伤不敏感。

另外，从评估办法上，目前对大跨度桥梁的平安评估基本上仍然沿袭常规中小桥梁的定级评估办法，是一种主要围绕结构的外观状态和正常使用性能举行的定性、粗浅的平安评价。

二、桥梁健康监测新概念

桥梁健康监测的基本内涵即是利用对桥梁结构状态的监控与评估，为大桥在特别气候、交通条件下或桥梁运营情况严峻异样时触发预警信号，为桥梁维护潍修与管理决策提供依据和指导。为此，监测系统对以下几个方面举行监控：

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；

桥梁重要非结构构件和附属设施的工作状态；

结构构件耐久性；

大桥所处环境条件；等等。

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迅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。

然而，桥梁结构健康监测不仅仅只是为了结构状态监控与评估。因为大型桥梁的力学和结构特点以及所处的特定环境，在大桥设计阶段彻低把握和预测结构的力学特性和行为是十分困难的。大跨度索交承桥梁的设计依靠于理论分析并过风洞、振动台模拟实验预测桥梁的动力性能并验证其动力平安性。然而，结构理论分析常基于抱负化的有限元离散模型，并且分析时常以无数假定条件为前提。在举行风洞或振动台实验时对大桥的风环境和地面运动的模拟也可能与真切桥位的环境不全相符。因此，利用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通过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，结构设计办法与相应的规范标准等可能得以改进；并且，对桥梁在各种交通条件和自然环境下的真切行为的理解以及对环境荷载的合理建模是未来实现桥？“虚拟设计的基础。

还应看到，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，它还可能并应当成为桥梁讨论的现场试验室.尽管桥梁抗风、抗震领域的讨论成绩以及新材料新工艺的浮现不断推进着桥梁的进展，但是，大跨度桥梁的设计中还存在无数未知和假定，超大跨度桥梁的设计也有许多问题需要讨论。同时，桥梁结构控制与健康评估技术的深化讨论与开发也需要结构现场实验与调查。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讨论提供了新的契机。由运营中的桥梁结构及其环境所获得的信息不仅是理论讨论和试验室调查的补充，而且可以提供有关结构行为与环境逻辑的最真切的信息。另外，桥梁振动控制与健康评估技术的开发与应用性也需要现场实验与调查。

综上所述，大型桥梁健康监测不只是传统的桥梁检测加结构评估新技术，而是被给予了结构监控与评估、设计验证和讨论与进展三方面的意义。

三、健康监测系统设计

1.监测系统设计准则

从表1给出的两座大型桥梁健康监测系统的测点布置状况可以看出，两个监测系统的监测项目与规模存在很大差异。这种差异除了桥型和桥位环境因素外，主要是由于对各监测系统的投资额和建立各个系统的目的不同。因此，桥梁监测系统的设计实际上故意或无意地遵从着某些准则。

明显，监测系统的设计应当首先考虑建立该系统的目的和功能。上节所述的桥梁健康监测三方面的意义也正是桥梁健康监测的目的和功能所在。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，甚至以讨论进展为目的；也可以是三者之二甚至所有。一旦建立系统的目确实定，系统的监测项目就可以基本上确定。另外，监测系统中各监测项目的规模以及所采纳的传感仪器和通信设备等确实定需要考虑投资的限度。因此在设计监测系统时必需对监测系统计划举行成本一效益分析。成本-效益分析是建立高效、合理的监测系统的前提。

按照功能要求和成本一效益分析可以将监测项目和测点数设计到所需的范围，可以最优化地挑选并安装系统硬件设施。因此，功能要求和效益-成本分析是设计桥梁健康监测系统的两大准则。

2.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动身的，个别也兼顾结构设计验证甚至部分监测项目以桥梁问题的讨论为目的。文献利用对国内多座运营中的斜拉桥举行大量病害调查与检测分析，提出了用于斜拉桥状态监控与评估的颇具代表性的监测项目。

假如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必要的信息。因此，对于大跨度余支承桥梁，必要较多的传感器布置于桥塔、加劲梁以及缆索/拉索各部位，以获得较为具体的结构动力行为并验证结构设计时的动力分析模型和响应预测。另外，在支座、挡块以及某些连结部位须安设传感器拾取反映其传力、约束情况等的信息。

目前，某些监测系统以开发结构整体性与平安性评估技术为目的之一。结合桥梁问题讨论的监测系统虽不多见，但有的系统也有监测项目是专为讨论服务的。与理论讨论相关的监测项目可以按照待讨论问题的性质来确定。从目前桥梁工程的进展情况看，以下几方面的问题可以借助桥梁健康监测举行深化讨论或论证。

抗风方面：包括风场特性观测、结构在自然风场中的行为以及抗风稳定性。

抗震方面：包括讨论各种场地地面运动的空间与时光变化、土-结构互相作用、行波效应、多点激励对结构响应的影响等。利用对墩顶与墩底应变、变形及加速度的监测建立恢复力模型对桥梁的抗震分析具有重要的意义。

结构整体行为方面：包括讨论结构在强风、强地面运动下的非线性特性，桥址处环境条件变化对结构动力特性、静力状态的影响等。这对于进展基于监测数据的整体性评估办法十分重要。

结构局部问题：例如边界、联接条件，钢梁焊缝疲劳及其他疲劳问题，结合梁结合面的破坏机制，等等。索支承桥梁缆索和吊杆的振动与减振、局部损伤机制等也值得进一步观看讨论。

耐久性问题：桥梁结构中的耐久性问题尚有许多问题必要深化讨论。缆索与吊杆的腐蚀、锈蚀问题尤须重视。

基础：大直径桩的采纳也带来一些设计问题，直接套用原先用于中等直径桩的计算办法不很合理。借助大型桥梁监测系统调查大直径桩的变形逻辑、讨论桩的承载力问题，也是设计部门的需要。

四、小结

桥梁结构健康监测不只是传统的桥梁检测技术的容易改进，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，猎取反映结构情况和环境因素的各种信息，由此分析结构健康状态、评估结构的牢靠性，为桥梁的管理与维护决策提供科学依据。同时，大型桥梁结构健康监测对于验证与改进结构设计理论与办法、开发与实现各种结构控制技术以及深化讨论大型桥梁结构的未知问题具有重要意义。因此，健康监测为桥梁工程的进展开拓了新的空间。

大型桥梁健康监测三方面的意义反映了从事桥梁维护管理、设计询问和理论讨论不同领域人员所关注的问题。监测系统的设计应以功能要求和效益－成本分析为基本准则。此外，监测系统的设计应当利用布点优化分析，并且考虑到系统实施中的十分重要的通信问题。

对于大跨度斜拉桥、悬索桥而言，整体性评估只