桥梁健康监测讲义

桥梁健康监测第一节绪论随着桥梁分析理论、施工技术、材料性能的迅速开展，桥梁跨度越来越大。斜拉桥跨度已到达890m〔日本多多罗大桥〕，连接江苏南通与苏州的苏通大桥主桥斜拉桥跨度超过1080m；悬索桥跨度已到达1991m〔日本明石大桥〕，国内润扬大桥为1490m，江阴大桥为1385m，钢拱桥最大跨度为上海卢浦大桥〔550m〕，钢管混凝土拱桥为巫峡长江大桥〔460m〕。桥梁结构越来越柔，跨径越来越大，不仅要求精确严密的计算与施工技术，而且对桥梁建成后的平安养护提出了更高的要求。大型桥梁的生命过程一般包括规划与论证、设计、施工、运营管理以及养护维修等几个阶段，以往人们往往主要只关注设计与施工阶段，由于投资巨大、重要性突出，大型桥梁的总体规划也日益受到重视。虽然合理、保守的设计是结构平安的根本保证，但是限于当前对于大型复杂结构的认识程度及许多不定时或不可预测因素，比方超期服役、腐蚀、疲劳、撞击、爆炸、地震、洪水、飓风等自然灾害，人们难以进行预测与控制，为了确保大型复杂结构特别是大型桥梁的使用平安与耐久性，时时了解其健康状况是非常重要的。大型桥梁在建成后，缺乏科学监测与管理对桥梁状态的影响日益突出，国内如广州海印桥的局部斜拉索因锈蚀而突然断裂，济南黄河公路大桥的斜拉索也发生严重锈蚀而被迫提早更换，宜宾小南门金沙江拱桥吊杆断裂造成人车坠入江中；辽宁盘锦田台庄大桥挂梁突然落下，坠入辽河。在国外，大型桥梁的突然倒塌与破坏事故也屡见不鲜，如1994年韩国汉城圣水大桥在上班时刻跨中央断塌50m，造成32人死亡，17人重伤的重大事故；2007年7月，美国明尼苏达州首府横跨运河的大桥在交通顶峰期间突然坍塌，造成8人死亡，100余人受伤的重大事故。在西方兴旺国家，大规模的交通根底设施建设高潮已经成为过去，目前主要任务和重点是大量路桥的维修、加固和改造。根据美国土木工程师协会〔ASCE〕2004年公布的调查结果：美国有35％的桥梁在结构或使用上存在缺陷或老化，未来20年内治理桥梁病害、维修加固桥梁的开支预期将到达9000亿美元。以福建省为例，由于桥梁老化、超载、设计与施工存在缺陷、损伤、自然灾害以及监测与养护管理不力等原因，危桥数量不断增长。根据福建省1999年的桥梁普查结果，专养公路桥梁总数和危桥数量分别为7169/139座，危桥已占公路桥梁总数的2.6%；2002年的普查说明：危桥总数已达186座，比1999年增长了33.8%。据2005年福建省全省国、省道桥梁普查结果：截止2005年12月份，全省桥梁〔高速公路桥梁除外〕总共有11601座、560863延米〔其中特大桥47座，205554.4延米；大桥847座，205554.3延米；中桥2156座，121029.8延米；小桥8551座，152350.3延米〕；其中危桥有587座，23274延米，比2002年增长了215.6%。一些大型桥梁，如福州洪塘大桥、漳州郭坑大桥、福州闽江二桥、三明下洋桥、连江解放大桥等国省道桥梁的病害就曾经比拟严重地影响了当地交通和经济的开展。现在每年用于危、旧桥梁改造加固的费用在飞快增长，而且还远远不能满足实际需求。然而，在当前的桥梁养护工作中存在许多缺乏：(1)工作效率低。桥梁的检查主要是有技术人员到桥梁现场定期检查，查看一座桥梁需花费一个人半天或一天的时间，工作效率低，不适合现代大量桥梁养护护理的要求。(2)准确性差。目前现有桥梁评估体系主要有交通部公路科学研究开发的中国公路桥梁管理系统〔ChinaBridgeManagementSystem〕,该系统在我国的公路桥梁养护管理上得到了广泛的应用，但是其桥况数据根本上以人工采集为主，需通过检查人员到桥梁现场进行目视检查获得外部现状，通过各种外部特征来综合判断桥梁状况。由于技术人员用肉眼检查桥梁的现状，工作中存在随意性，在桥梁病害尺度的把握上存在着人为差异，而对于肉眼无法看出的危险情况那么又无法准确的把握，使得通过该系统的评价结论的准确性较差。(3)养护费用高。桥梁养护的经费主要用于桥梁的加固、改造，由于缺乏预防性养护的投入，造成“出现大病后花大钱治”的现状。(4)平安性低。由于桥梁的数量巨大，而技术人员和设备的有限，导致无法对运营中的所有〔或大局部〕桥梁进行有效的桥况评估，时常遗漏一些危桥的重要信息而发生车毁人亡的事故。对于近二十年建成的大型桥梁，大局部建立了以收缴过桥费为主要职能的桥梁管理机构，但是健康监测、养护与维修得不到应有的重视，往往是在出现问题后才亡羊补牢。对于存在缺陷或平安隐患的桥梁，全部予以更换不仅需要大量的资金而且要封闭交通，一般来说是缺乏取的一种方式；由于资金有限，也不可能一次性全部进行加固改造，需要区分轻重缓急，需要对桥梁状态作出科学准确的评判。由于大型桥梁的复杂性，传统的人工检测方法由于其滞后性、效率低，造成桥梁管理本钱的提高与资源配置的不合理，已跟不上桥梁开展需求，也不符合经济运作的规律。在这种情况下，建立桥梁健康监测与平安评定系统〔目前的硬件技术水平与软件已经使之成为可能〕，能够大大提高检测效率，实时掌握桥梁状态变化，评价桥梁的承载能力和使用功能，以及桥梁的平安可靠性，其意义主要有：〔1〕及时把握桥梁结构运营阶段的工作状态，识别结构损伤以及评定结构的平安、可靠性与耐久性；〔2〕为运营、维护、管理提供决策依据，可以使得既有桥梁的技术改造决策更加科学、改造技术方案的设计更加合理、经济；〔3〕验证桥梁设计建造理论与方法，完善相关设计施工技术规程，提高桥梁设计水平和平安可靠度，保障结构的使用平安，具有重要的社会意义、经济价值和广泛的应用前景。在欧美、日本等一些兴旺国家与地区，桥梁工程的重点已由新桥建设逐步转到既有桥梁的健康监测、状态评估和养护、维修、加固与改造等方面，公布了基于结构可靠性理论和概率思想的旧桥评估标准和规程，并且把桥梁承载能力的评估纳入桥梁管理系统范畴。桥梁管理系统包括桥梁健康监测、损伤诊断与识别、状态评估与承载力退化、可靠性与耐久性评估、使用寿命预测、加固改造技术、新型改性材料等等方面，严格科学标准管理，已经取得比拟显著的经济效益。我国正处于大规模的土木工程和根底设施建设时期，许多世界瞩目的跨海桥梁工程与根底设施已经规划或正在建设之中。我国大量公路和铁路工程建设和平安运行的需求为桥梁工程健康监测及其集成系统的研究、开发与应用提供了广阔的平台和前所未有的机遇。第二节桥梁健康监测的研究与应用现状一、桥梁健康监测的根本概念Housner等〔1997〕的结构健康监测的定义为：“在现场进行结构特性，包括结构响应的无损检测和分析，用来检测由损坏或损伤引起的变化”。这一定义也有缺乏之处。当研究人员试图对健康监测的无损评估进行综合，其重点在于数据收集而不在于评估。人们确实切需要是采用一种有效方法来收集服役结构的数据并进行处理，以评估关键的性能测量，如使用性、可靠性和耐久性。因此，Housner，etal.〔1997〕所做的定义必须修改，结构健康监测可以定义为：“在现场进行结构特性，包括结构响应的无损检测和分析，其目的是：如果有损伤，那么进行损伤识别、确定损伤的位置、估计损伤的严重程度并评价损伤对结构影响后果”〔图1〕。总而言之，一个结构健康监测系统必须同时能够进行结构损伤检测和状况评估。结构健康监测研究可以分为如下四个水平层次：〔Ⅰ〕检测损伤的存在，〔Ⅱ〕确定损伤的位置，〔Ⅲ〕估计损伤程度，〔Ⅳ〕确定损伤的影响以及预测剩余的疲劳寿命。进行水平〔Ⅲ〕的工作要求改良结构模型和分析、局部的物理检查和传统的无损评估技术。进行水平〔Ⅳ〕的工作要求局部位置的材料构成信息、材料老化的研究、破坏机理和高性能的计算。在过去的20年，随着仪器的改良和对复杂结构动力学的认识，在系统检测和土木结构评估方面，土木工程结构的健康监测和损伤评估已变得更为实用。土木工程和航天航空工程、机械工程有明显的差异，比方桥梁结构以及其它大多数土木结构，尺寸大、质量重，具有较低的自然频率和振动水平，低振幅，而且桥梁结构的动力响应极容易受到非结构构件等的影响，这些变化往往被误解为结构的损伤；而且钢筋混凝土桥中模型的不确定性水平比单独一根梁或一个空间桁架模型的相应值要高得多，这一切使得桥梁这类复杂结构的损伤评估具有极大的挑战性。获得数据信号处理结构系统和材料传感器/鼓励器，无损评估计术鼓励获得数据信号处理结构系统和材料传感器/鼓励器，无损评估计术鼓励监测破坏位置和严重程度破坏位置和严重程度建模识别建模识别模拟或计算模拟或计算模型修正诊断模型修正估计剩余强度估计剩余强度预计使用年限预计使用年限维修/维护措施维修/维护措施可靠度分析和估计可靠度分析和估计寿命周期分析评估寿命周期分析图1结构健康监测系统的根本组成二、桥梁健康监测研究现状1桥梁监测传感器研究现状随着交通事业的开展，现代桥梁检测技术也取得了很大进步，主要包括以下几个方面：〔1〕雷达与红外热象仪检测技术：使用雷达、红外热象仪、激光光学、超声波和其它一些心得技术手段可在仅仅一天之内就能准确地测量成百上千公里路面或几十座桥的桥面；〔2〕光纤传感器监测技术：光纤传感器具有大面积检测能力，在较长时期内能提供可靠、精确和长期的检测结果，安装了这种监测系统后，任何结构存在的问题都可以较早地被发现，以便采取必要的修复措施，从而保证结构使用的连续平安性，使结构的性能得到最正确管理，并减少使用费用。到目前为止，光纤传感器已用于许多工程，典型的工程有加拿大caleary建设的一座名为beddingtontail的一双跨公路桥内部应变状态监测；美国winooski的一座水电大坝的振动监测；国内工程有重庆渝长高速公路上的红槽房大桥监测和芜湖长江大桥长期监测与平安评估系统等。建于山东滨州黄河大桥健康监测系统使用了96个FBG应变温度仪，2个风速仪，39个加速度传感器和4个GPS定位器；〔3〕无线电检测与评估系统：目前，一种全无〔电〕源的、廉价的感应器开发出来，满足了测量桥梁疲劳的长期需要。这种感应器贴在桥上并且与桥梁一起承受应变。它由一个特殊的应变增幅装置和两个预先裂开的样片合成一个整体去测量裂缝长度；〔4〕自感应检测技术：公路桥梁的自感应检测技术的应用是广泛的。目前，美国已经设计、制造了一种廉价的位移感应器，用于翼墙的监测，已经进行两年多了，十分有效；一种新型埋入式锈蚀感应器已经在美国联邦公路局的参与下开发出来了。这种感应器可以浇筑在混凝土中，在混凝土中测量钢筋锈蚀的比率、混凝土的导电率、氯离子浓度等。目前桥梁的维修自动化需要的根本信息，被当作美国根底研究和开发的重点，这必须由感应和测量的高科技技术来提供；〔5〕智能混凝土a.损伤自诊断混凝土:自诊断混凝土具有压敏性和温敏性等自感应功能。目前常用的材料组分有：聚合类、碳类、金属类和光纤，其中最常用的是碳类、金属类和光纤。碳纤维智能混凝土可以对建筑物内部和周围环境变化的实时监控，也可以实现对大体积混凝土的温度自监控以及用于热敏元件和火警报警器等，还可应用于公路路面、机场跑道等处的化雪除冰，钢筋混凝土结构中的钢筋阴极保护，住宅及养殖场的电热结构等；b.自调节智能混凝土:自调节智能混凝土具有电力效应和电热效应等性能。混凝土结构除了正常负荷外，还希望它在受台风、地震等自然灾害期间，能够调整承载能力和减缓结构振动，但因混凝土本身是惰性材料，要到达自调节的目的，必须复合具有驱动功能的组件材料，如：形状记忆合金〔sma〕和电流变体〔er〕等；c.自修复智能混凝土：自愈合混凝土就是模仿生物组织，对受创伤部位自动分泌某种物质，而使创伤部位得到愈合的机能，在混凝土传统组分中复合特性组分〔如含有粘结剂的液芯纤维或胶囊〕在混凝土内部形成智能型仿生自愈合神经网络系统，模仿动物的这种骨组织结构和受创伤后的再生、恢复机理。采用粘结材料和基材相复合的方法，使材料损伤破坏后，具有自行愈合和再生功能，恢复甚至提高材料性能的新型复合材料。自诊断、自调节和自修复混凝土是智能混凝土研究的初级阶段，它们只具备了智能混凝土的某一根本特征，是一种智能混凝土的简化形式，因此有人也称之为机敏混凝土，目前人们正致力于将2种以上功能进行组装的所谓智能组装混凝土材料的研究。智能混凝土具有广阔的应用前景，但作为一种新型的功能材料，如果投入实际工程，还有很多问题需要进一步地研究：如碳纤维混凝土的电阻率稳定性、电极布置方式、耐久性等；光纤混凝土的光纤传感阵列的最优排布方式；自愈合混凝土的修复粘结剂的选择等。〔6〕GPS全球定位系统：可以直接测量三维的空间运动；〔7〕其他新技术：对桥梁结构的承载能力的“非侵入式”检测也是桥梁工程界的迫切需求。美国联邦公路局将激光检测系统用于检测桥梁的承载能力。另一项新技术是“智能桥梁支座”，通过它可以收集到许多必不可少的桥梁工作信息。智能支座能通过支座上的活载和恒载的分布发现并判断出桥梁结构体系的工作状况。局部智能传感器应该是一个方向，但是局部的监测指标往往难以反映结构的整体性态，如何将局部监测指标与结构整体性之间建立合理的关系是其中的关键问题，因此，必须开展分布式传感器的健康诊断策略。虽然目前已有不少可以应用的检测评价方法，但有些技术仍需进一步完善才能到达普遍应用的阶段。特别是为随时了解桥梁结构的工作状态，确保其长期使用性能，必须使用永久的监测设备。因此，桥梁结构的长期监测与诊断技术目前变得越来越重要了。桥梁检测工作者们还需继续努力，研究与开发出更加实用方便的桥梁检测技术与监测设备。2土木工程测试技术研究现状桥梁由完好至破坏是一个逐渐损伤演变过程，桥梁结构承载力的降低，直接源于结构损伤的存在。对桥梁结构损伤部位进行检测的方法有很多种，过去和现在最常用的方法是人工肉眼检查，但人工检测的效率很差，有很大的局限性，当结构的某些部位无法用肉眼进行检测时，结构的损伤情况也就无法检测到。继而开展的桥梁局部检测技术是各局部的局部状态为检测内容，它通过对结构局部部位进行集中检测，实现对结构缺陷部位的精确定位、检查，甚至定量分析，局部检测主要依赖无损检测技术，包括目检法、压痕法、回弹法、染色法、超声脉冲法、回弹－超声综合法、振动弹性系数与对数衰减率法、红外线法、射线法、光线传感法、同位素法、电阻率法、自然电位法、泄漏测定法、磁粒子法、磁场扰动法、模式识别法等等。绝大多数技术成功地应用于检查一定部件的裂缝位置、焊接缺陷、腐蚀磨损、松弛或失稳等，实际检测中经常声发射法、以脉冲回波法为主的超声波检测技术、射线检测、电磁涡流技术等几种技术联合使用来评价结构状态。美国联邦高速公路管理局〔FHWA〕曾资助一个大型的关于高速公路桥的无损评估新技术研究和开展的工程。该工程有两个主要目标，其一是开展新的工具和技术以解决特殊的问题，其二是开展桥梁状态的定量评估技术用于支持桥梁管理，并研究将定量的状态信息引入桥梁管理系统有何好处。他们希望开展的新技术能快速、有效且定量的测量桥梁整体参数，如塑性和承载力。很明显，几种无损评估技术的结合可以用来帮助评估系统的状态，它们对于获得用于桥梁评估的资料库是非常重要的。众所周知，桥梁结构内部损伤，将导致结构整体力学特性的变化，而局部(Local)损伤检测方法无法对桥梁的整体工作状态进行监测。桥梁整体检测那么是以桥梁的整体状态如振动特性、挠度、索力等为检测对象，通过对结构根本状况的连续监测或定期检测，实现结构整体状态的检测与评估。利用结构整体检测进行结构损伤识别的方法有：静力检测法、动力检测法以及混合法。静态法识别效果好，所需数据较易测得，但测量时要阻断交通，人为施加荷载，现场工作量大，而且无法做到适时监控。动态法可以监测由风、活载等自然因素激发桥梁产生的振动信息，加工成一些理性识别指标，诊断桥梁损伤，而且现场工作量小，可做到适时监控。但是由于关系到模态识别，对测量仪器及识别方法的精度有较高要求。混合法是希望借助一些比拟容易获得的静态观测数据来改善静力法的精度，但实际效果并不显著。由于结构的健康监测对于检测方法自动化以及分析结构整体状态的要求，现在多数研究者把注意力放在了动力检测方法的研究上，大致可以分为动力指纹分析法、模型修正与系统识别法、遗传算法、小波分析法和神经网络法。各种方法在桥梁损伤识别中的实际应用不尽如人意。主要有以下几个几点：〔1〕结构动力特性受非结构构件、环境因素以及边界条件等的影响较大；〔2〕限于经济上的原因，通常只能对少数自由度进行测量；〔3〕结构刚度、变形等的局部变化一般高阶模态会比拟敏感，而这些模态又往往难以准确测量甚至根本无法测出。局部与整体检测方法是相辅相成的。局部检测能发现桥梁结构的局部缺陷，并进行精确的检查和量化，通过采取适当的维修措施，防止局部缺陷的进一步开展造成对桥梁整体质量和平安性的危害。对结构整体平安状态的监测可用于指导对局部损伤的识别和定位，能够及时掌握桥梁结构整体工作状态的变化，从而使人们对桥梁的力学性能、平安性能有一个整体上的概念，便于维修养护策略的制订和资金的分配，从而提高检测工作的效率。最近开展起来的包含多项检测内容、集成了远程通信与控制的健康监测系统能够实现对桥梁状态的实时健康监测，它对桥梁的健康状态评估显然能起更积极的作用。3传感器的优化布设、系统集成与数据传输网络技术研究现状结构的征状是由采集信号分析获得的，因此信号采集技术是结构损伤识别的前提。信号采集技术包括信号的采集和放大，传感器的类型、安装位置、数量以及数据的获取、存储等。此外还应考虑采集数据的时间间隔，数据的标准化问题，测量过程的不确定性以及数据的净化问题。由于被检测桥梁的庞大和复杂，传感器的类型和数目相当多，如何确定传感器的最优布置点是研究的热点。目前采用的方法主要有：基于经验和基于结构自由度的缩聚法；针对振动模态的有效独立法；清华大学在青马大桥健康监测中采用了遗传算法寻找加速度传感器的最优布点；西南交通大学也探索了静载作用下桥梁应变测量传感器优化布设。但各种方法只是在局部问题中有效，目前尚缺乏有效的传感器优化布设评估标准。各种算法依据各自的评估目标，尽管各方法在形式和理论上有一点联系，但对同一结构在相同条件下，不同算法得出的结论往往并不相同。信息传感器的优化布设还是监测结构经济性的考虑，因此关于传感器布点理论的探讨和验证值得深入研究。4桥梁结构健康监测数据管理与控制技术研究对于现有的国内外局部科研机构开发的健康监测系统，由于采用了专用的数据线，因此整个监测系统的费用昂贵，不适宜我国目前的实际需求。而国内目前所进行的定时检测或事后检测的方式，又会带来巨大的人力、物力的浪费和平安隐患。因此开发一套便捷的桥梁健康监测系统，使之能真正做到：既能行之有效、又能经济可靠，而且又能对桥梁实行实时在线监测的健康监测系统就非常迫切紧要。近年随着公共线路的数字化传输和移动的不断普及，公用线路的数据传输速度、数字通信能力和无线移动通信能力得到了迅速的开展。因此，不采用专用数据线而采用数字通信网络线作为方便的数据传输媒介，在其根底上新开发的桥梁监测系统将会带来遥控监测技术上的创新，使得数据传输更为便携和低廉。5桥梁损伤识别技术的研究现状桥梁损伤诊断和识别应该包含四个方面：(a)损伤是否存在及损伤原因；(b)损伤位置识别；(c)损伤程度识别；(d)损伤对桥梁受力性能的影响有多大。目前尚没有一个损伤指标能够全面地、敏感地反映桥梁的损伤状态，这是因为桥梁工程和航空航天工程、机械工程相比有很大的区别，比方桥梁的体积大、质量重，具有较低的自然频率和振动水平，其动力响应非常容易受到不可预见的环境状态、非结构构件等的影响，这些变化往往被误认为是结构的损伤，从而使得桥梁损伤诊断具有极大的挑战性。主要的损伤指标有：共振频率、频率响应函数、振型、振型曲率、模态应变能、模态柔度、阻尼比和能量传递比、Ritz向量等等；结构损伤识别或诊断的方法主要有〔1〕基于动力参数的识别；〔2〕基于静力参数的识别；〔3〕子结构方法识别；〔4〕统计分析识别；〔5〕神经网络识别；〔6〕小波变换识别、时间序列模型等等，绝大局部损伤指标和损伤识别方法仅适用于实验室模型，可供实桥损伤识别的实用方法不多。目前桥梁损伤诊断从单纯的依赖其动力响应到综合利用无损检测与静动载测试信息；从单纯的模态识别到实验和理论模型修正，乃至神经网络方法；考虑测试传感器的优化布置、充分利用有限的实验测试信息；从单一损伤指标诊断到多损伤指标诊断等等方向开展，这样可以克服各自方法的缺点并相互检查，与损伤检测的复杂性相适应。用于无损评估的有限元模型修正方法可以分为如下几大类：模态柔度法、最优矩阵修正法、灵敏度矩阵修正法、特征结构分配法、测量刚度改变法和综合模态参数法等，所有这些有限元模型修正技术要求用户选择一系列量测模态与相应有限元模型的模态相匹配。通常，只有结构的前几阶模态用于有限元模型修正，因为这些模态是识别较好的模态。然而，在一些情况下，对应高阶频率的模态在结构损伤定位方面非常关键，因此有必要在有限元模型修正中包括这些模态。作为损伤结果，许多频率较低的模态并没有显著改变，它们只会增加计算量而对确定损伤的位置没有明显奉献。模态数量是有限的，不仅是由于计算工作压力，还由于高次修正问题内在的病态和统计偏差。由于这些局限性，选择最能反映结构损伤的系统标准是很重要的。主要涉及到修正参数的选取、目标函数确实定和优化算法的选择等方面。传统的模型修正方法仍存在许多问题，特别是：〔1〕既有的桥梁有限元模型修正主要建立在确定性〔deterministic〕分析框架内，而实桥健康监测数据和结构模型都具有强烈的不确定性〔uncertainty〕，采用确定性分析方法处理本质不确定性的桥梁结构健康监测和平安评价，会导致理论方法和实际应用的矛盾，这正是目前基于模型的损伤识别技术很难应用于实桥的主要原因之一；〔2〕目前工程上采用的基于灵敏度分析的参数挑选方法是根据计算参数在某设计点处的灵敏度进行挑选,该方法只是计算了特征量的局部灵敏度，具有很大的局限性；没有在整个设计空间上挑选对特征量有显著影响的设计参数，计算效率较低，模型的预测预报效果不太理想；〔3〕传统的模型修正技术主要针对线性、低频系统，很难适用于冲击、爆炸、碰撞、耦合和随机性强的土木工程振动等非线性问题，以及计算和试验中含有明显不确定性的系统，因此传统的模型修正技术亟待开展。从20世纪90年代以来，以确定性思想为根底的模型修正开始向统计学方面开展，主要应用Bayes模型修正和随机有限元模型修正方法，而基于统计分析原理的结构健康诊断不确定性方法的研究,有望成为解决大型土木工程结构健康诊断问题的一般方法。系统化的有限元模型确认〔Modelvalidation—MV〕最早出现在美国能源部的专项研究方案中，它是建立在概率数理统计、模糊数学和区间估计等信息理论的根底之上的，近年来在航空航天、力学、机械工程等领域受到日益重视。模型确认的定义是：对结构系统进行从构件到整体系统的分层建模和确认试验,对系统中的不确定性进行量化和传递分析,对有限元模型在设计空间的响应预报精度进行评价和确认，在此根底上基于统计方法进行模型修正,为进一步的应用提供精确可信的有限元模型和响应计算方法。所以有限元模型确认的研究目标主要有两个：一是结合有限的试验及分析，获得精确可信确实定性有限元模型；二是获得进行下一步的响应预报所需要的计算参数。模型修正用来使模型计算结果与已有试验数据协调一致，换句话说,对原有计算模型的参数进行修正,使之能正确重现试验结果,而并非确定模型预示结果的精度。模型确认与模型修正不同,其根本思想是：在进行局部试验并考虑不确定性的根底上，对模型计算结果进行预测。模型确认引入了分级修正的概念，进一步提高了修正精度；同时引入了基于快速运行模型，可以和商用有限元软件接口，减少直接有限元分析〔FEA〕求解灵敏度的工作量，有效解决局部最优问题，使得修正技术易于应用。假设不考虑结构系统中计算与试验的随机误差和参数误差，不考虑对实验验证范围以外进行预报，只对模型的主要参数进行校准，结构的模型确认就简化为模型修正。因此模型修正是模型确认的一个特例,模型确认是模型修正的开展。虽然模型确认的许多研究工作已经展开，但该方法尚处在初始起步阶段，大量深入、细致的研究工作尚待结合特定的学科和工程应用背景积极展开[17，26]，仍有大量关键问题有待研究和突破，这些关键问题主要有：(1)参数筛选与试验设计；(2)不确定性传递和量化分析；(3)高阶多项式响应面拟合和基于响应面的模型修正；(4)测试/分析相关性研究与统计假设检验等等。7桥梁健康监测海量数据挖掘所谓数据挖掘技术就是从大量的、不完备的、模糊和随机以及多噪音的数据中提取规律性的、人们事先未知的，但又是潜在有用的并且最终可理解的信息和知识的非平凡过程，所挖掘的知识的类型包括模型、规律、规那么、模式、约束等，它包括从数据库中发现知识、数据分析、数据融合以及决策支持等几个方面。数据挖掘常用的技术包括非线性预测模型、决策树、关联规那么挖掘、遗传算法等，数据挖掘具有自动预测趋势和行为，关联、聚类、概念描述和偏差检验等功能。数据挖掘技术具有如下特点：〔a〕数据挖掘技术特别适用于处理随机性强、噪音干扰大和海量的数据。由于海量监测数据中包含很多不确定性因素，数据挖掘可通过放宽对模型的假设来进行仿真，防止传统的建立精确数学模型的困难；〔b〕由于监测数据的连续性，数据挖掘可以利用历史上各个阶段数据与当前的数据的比拟分析来预测桥梁的未来响应和性能，识别可能潜在的类型损伤；〔c〕数据挖掘可以从大量监测数据中区分不同环境因素之间以及同类环境因素对结构静动力特性的影响，从而有可能将环境腐蚀损伤与应力损伤分别进行识别，克服现有基于振动的损伤识别方法的缺乏，真正实现大型复杂桥梁的实桥损伤诊断；〔d〕数据挖掘技术的计算效率高，结果表达方式丰富多采。目前数据挖掘技术在机械故障诊断等领域进行了初步尝试，但在土木工程特别是桥梁工程健康监测领域的研究和应用那么报道很少，桥梁工程实时健康监测的数据具有数据量大、数据种类多、数据质量差、噪音强等特点，在问题定义与建模、算法选择、经验参与等方面还有大量的工作要做。8结构健康监测系统的设计指南和标准的研究现状目前国内外均缺少结构健康监测系统的设计标准。针对不同形式的结构，健康监测系统设计标准应满足如下要求：详细规定监测系统的组成；对监测的力学和性能参数做出具体的要求；对传感器的类型、性能和布置准那么做出规定；提供相应的损伤识别方法；建立结构健康状态的评定标准。三、桥梁健康监测系统1健康监测方法1.1基于动力的健康监测方法目前研究中的大局部桥梁结构健康监测方法，集中于使用动力响应来检测和定位损伤，因为这些方法是整体的检测方法，可以对大型的结构系统进行快速的检测。这些基于动力学的方法可以分为如下四类：①空间域方法，②模态域方法，③时域方法，和④频域方法。其中空间域方法根据质量、阻尼和刚度矩阵的改变来检测和确定损伤位置；模态域方法根据自振频率、模态阻尼比和模态振型的改变来检测损伤；在频域方法中，模态参数如自振频率、阻尼比和振型等是确定的，从非线性自回归移动平均模型估计出光谱分析逆动力问题和广义频率响应函数被用于非线性系统的识别。在时域方法中，系统参数通过在一定时间内采样的数据来确定；如果结构系统的特性在外部荷载作用下随时间改变，那么有必要确定由时域方法得出的系统动力特性在时间上的改变。进一步地，可以使用四种域中提出的任何动力响应，采用与模态无关或与模态相关的方法进行损伤检验。文献资料显示：模态无关的方法可以检测出损伤的存在而无需大量的计算，但在确定损坏位置时并不精确；另一方面，模态相关的方法比与模态无关的方法相比：通常在确定损伤位置上更加精确且只需更少的传感器，但该方法要求有恰当的结构模型和大量的计算。虽然时域方法使用传统的振动测量仪器得到的原始时域数据，这些方法要求某些结构信息和大量的计算，且具有个案特性。此外，频域方法和模态域方法使用转换的数据，但转换存在误差和噪音。而且，在空间域方法中，质量和刚度矩阵的建模与修正还存在问题且难以精确。将两三种方法结合起来检测和评估结构的损伤具有很强的开展趋势。例如，几位研究者将静载测试和模型测试的数据结合起来评估损伤，这样可以克服各自方法的缺点并相互检查，与损伤检测的复杂性相适应。1.2联合静动力的健康监测方法静力参数〔位移与应变等〕是根据静力荷载如在桥上缓慢移动的车辆引起的变形进行量测。在许多情况下，施加静力荷载比动力荷载更为经济，对于状况评估，许多应用只需要单元刚度。在这些情况下，静力测试和分析即简单又经济。通常的桥梁监测中都需要监测静态应变〔和动态应变〕、静力位移〔和动挠度〕以及相应的环境温度、湿度和风荷载。既然自振频率、振型和结构系统的静力响应都是结构参数的函数，这些参数可通过比拟数学模型预测的静动力特性和试验确定的静动力特性值得到。损伤开展的结果之一是局部刚度的减小，从而导致一些响应的改变；因此，对损伤检测和评估，综合结构静动力特性的监测是非常必要的。根据这一思想，结合静态应变、静态位移与动力响应〔即振型或模态柔度等〕来确定损伤位置和识别损伤程度，几种算法综合起来用于改良参数识别的灵敏度和提高解答过程的可靠度，静力和动力响应被用来校准识别的置信度水平。联合静动力的损伤识别通常需要进行有限元模型修正，因为有限元模型的误差可能比损伤的变化要大，所以有限元模型必须先用测得的模态特性和试验数据进行校准；只有有限元模型是可靠的，有限元方法模态修正的结果才是可靠的。其他的方法包括统计损伤识别、神经网络识别方法、子结构损伤识别、基于小波变换的损伤识别等等，但是目前大多只停留在实验室简单模型或数值模型，用于真正实桥的损伤识别和健康诊断还有很长的路要走。2桥梁健康监测的应用先进的桥梁健康监测系统主要包括各类软硬件系统，其中各类高性能智能传感元件、信号采集与通讯系统〔包括无线传感网络〕、综合监测数据的智能处理与动态管理系统、结构实时损伤识别、定位与模型修正系统、结构健康诊断、平安预警与可靠性预测系统是关键局部。美国八十年代中后期开始在多座桥梁上布设监测传感器，监测环境荷载、结构振动和局部应力状态，用于监视施工质量、验证设计假定和评定服役平安状态，比方1987年在佛罗里达的SunshineSkywey桥安装了500个传感器来证实设计假定，监测施工质量以及在运转过程中的状态。1987年，英国在总长522m的三跨变高度连续刚箱梁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。香港青马大桥为桥长2160米、主跨1337米的公路、铁路两用选索桥，是连接香港新机场的重要交通枢纽。由于香港经常遭受台风的袭击，同时公路和铁路两用桥的特点使得施加在结构上的荷载特别大，为了保障桥梁的健康运行，建设过程中在桥梁上安装了规模较大的结构健康监测系统。该系统包括风、车辆和温度等荷载和环境作用监测系统，风荷载有安装在桥面板和主塔塔顶的6个风速仪测量，车辆荷载采用地秤进行监测，同时在桥面板和主塔安装了115个温度传感器；结构的整体响应主要采用加速度传感器、位移传感器、水平测距仪和GPS系统测量，在桥面和主索上安装了12个单向加速度传感器、3个双向加速度传感器和2个三向加速度传感器，在桥面板和主塔安装了2个位移传感器和9个水平测距仪；局部响应主要通过埋设的应变进行测量，应变片在桥面板和主塔时光内工粘贴了110个应变计；除上述传感器系统外，在该桥上还配置了相应的数据采集、传输和处理系统。该系统能对桥梁的主塔、缆索、缆索锚头、吊杆、桥面格架和桥体支座的平安状况进行实时监测。近五年的观测显示作用于桥梁上的风，温度和交通荷载远低于结构设计荷载，监测得到的桥梁关键部位的应变位移反响也远低于设计值，因此认为桥梁一直处于健康状态。除青马大桥外，香港的另外两座大型斜拉桥-KapShunMun和TingKau桥上都安装了健康监测系统，这三座桥梁的传感器总数达900个〔Lauetal，1999〕。美国休斯顿的FredHartman大桥是另一较为典型的安装监测系统的大跨度斜拉桥。FredHartman大桥横跨HoustonShip河连接Baytown和LaPerte，由三跨组成，中间跨为381米，两边跨均为147米，桥面宽48米，桥面采用混凝土预应力，钢桁架支撑，锥形桥塔，一个锥形面内24根斜拉桥，索在桥面上的间距为15米，共192根斜拉索。为了降低斜拉索的振动和监测桥梁的平安状况，美国JohnsHopkins大学的Johns和Main在斜拉索上安装了粘治阻尼器，同时安装了健康监测系统。监测系统包括安装在桥面板水平位置的2个三向风速计和安装在南塔顶部的1个螺旋叶片风速仪，环境监测传感器包括2个雨水量测计，温度计和气压计，记录外界环境条件的改变；结构整体响应采用加速度传感器和位移传感器测量，在桥面板上安装了4个单向和1个双向加速度计，在斜拉索上安装了19个两向加速度计和8个位移传感器；此外，还在安装粘滞阻尼器的索上安装了力传感器，以监测阻尼器的阻尼力。数据采集系统采用了4极点的Bessel滤波器，其截止频率为10Hz，数据采样频率为40Hz，每次连续现场采集5分钟，并将采集的数据保存到硬盘上，之后通过远距离传输技术进行数据通讯和系统控制，其中2700组数据是在第一年监测到的。数据处理主要采用统计方法和频谱分析方法。统计分析时，将5分钟的采样数据按照1分钟作为1个样本，统计分析该桥反映的均值、方差、最小值和最大值、偏斜和峰态，并将有关的结果存入有关的数据库中。通过对监测数据的频谱分析，发现该桥的振动包括旋涡振动、风雨振和桥面与索之间的相互作用引起的参数振动和横向激振。通过对斜拉索振动数据进行频率分析，研究了安装粘滞阻尼器对索的阻尼和振动频率的影响。上海徐浦大桥综合监测系统中实施的实时自动监测工程包括：车辆荷载监测〔1个车道〕、温度监测〔20点〕、挠度监测〔5点〕、桥梁振动监测〔16点〕、应变监测〔20点〕、斜拉索振动与索力监测〔4根斜拉索〕等，其他工程由桥梁管理部门进行的日常检测作为补充。其他典型实例包括如山东东营黄河公路大桥、哈尔滨松花江大桥、广东虎门大桥、江阴长江大桥、芜湖长江大桥、上海卢浦大桥等。润扬长江大桥、苏通大桥等特大型桥梁在施工阶段已开始传感器的安装，一方面用于施工监控，另外考虑长期的健康监测，便于未来运营期间的实时监测与预警。国内外安装健康监测系统的主要桥梁参见表1。桥梁综合监测技术随着现代检测技术和计算机通信技术的开展而不断进步，越来越趋向于智能化、实时化、自动化、网络化。智能化〔smart〕是通过开发和应用高性能智能传感设备，进行自感知、自适应、自诊断、自愈合和智能传输测试的物理量，包括智能感应材料传感器、光纤传感器、钠米混凝土传感器等等。实时化(on-line)是综合监测与评估的根本目标，能及时掌握桥梁工作状态，彻底消除人工检测的滞后性和低效性。通过监测资料的积累，更有可能判别桥梁平安性能、使用性能和资金使用效率之间的最优化临界点，预测桥梁健康状态的开展趋势，防止重大事故的出现和资源的浪费。自动化(automatic)是实现桥梁实时监测的根底，不仅包括监测设备等硬件上的自动化，还应包括对数据处理条件的自动判别。由于综合监测中数据量十分庞大，尽管目前计算机海量存储技术已得到飞速开展，对于如桥梁振动这种监测工程而言。从实际工程应用和本钱角度来看，仍不可能做到对一天24小时的数据进行存储和记录，需通过软件设置一定的触发条件，从大量监测数据中选择需要局部进行整理、记录和分析。网络化(internet)是信息时代的特征，桥梁实时监测系统的网络化可以实现监测数据的共享，以便各地专家对桥梁状态的评估。辅以现代计算机通信及远程控制方法，更可实现对远离城市桥梁的自动实时监测，实现良好的社会效益和经济效益。目前我国的桥梁建设技术已到达世界领先水平，桥梁建设事业得到了前所未有的开展，特大型桥梁投资巨大，随着大型桥梁的不断建成，如何做好桥梁的运营、养护，随时了解桥梁结构的健康情况，及时对桥梁的平安进行评价已成为管理者日益需要和迫切希望解决的课题。我国目前在测试技术、智能控制技术、电子与计算机技术、通讯与系统集成等方面已经取得明显进步。此外，无线通信及无线网络技术的开展提供了建立无线桥梁健康监测系统的可能性，可以大大降低系统中布线的复杂性，实现远程监测更为方便。但目前光纤传感器及采集系统、无线通讯系统较为昂贵，有待无线通信技术的进一步开展及其本钱的进一步降低。表1桥梁健康监测系统局部应用实例序号桥名通车时间结构类型跨度〔m〕健康监测系统信息建立健康监测时间地点1汀九大桥1998斜拉桥127+475+448+1277个风速仪，83个温度传感器，45个加速度计，88个应变计，2个位移传感器，6个动态称重仪，5个GPS，在线监测系统。1998香港2青马大桥1997悬索桥主跨：1377风速仪，温度传感器，应变计，加速度计，位移传感器，GPS，动态称重仪，水平传感器，摄相机，在线监测系统。1997香港3汲水门大桥1997斜拉桥主跨：430风速仪，温度传感器，应变计，加速度计，位移传感器，GPS，动态称重仪，水平传感器，摄相机，在线监测系统。1997香港4深圳西部通道大桥在建设中斜拉桥主跨：210风速仪，温度传感器，应变计，加速度计，位移传感器，GPS，动态称重仪，侵蚀传感器，摄相机，气压计，湿度计，雨量计，在线监测系统。在建设中香港5昂船州大桥在建设中斜拉桥主跨：1018风速仪，温度传感器，应变计，加速度计，位移传感器，GPS，动态称重仪，EM传感器，侵蚀传感器，光纤传感器，倾角仪，摄相机，气压计，湿度计，雨量计，在线监测系统。在建设中香港6江阴大桥1999斜拉桥369+1385+309风速仪，温度传感器，应变计，加速度计，位移传感器，GPS，光纤传感器，在线监测系统。1999江苏7南京长江大桥1968钢桁桥主跨：160风速仪，温度传感器，应变计，加速度计，位移传感器，地震仪，动态称重仪，在线监测系统。/江苏8南京长江二桥2001斜拉桥主跨：268风速仪，温度传感器，应变计，加速度计，位移传感器，地震仪，动态称重仪，磁弹性测力仪，湿度计。/江苏9润杨南汊桥2000悬索桥主跨：1490风速仪，温度传感器，应变计，加速度计，位移传感器，GPS。/江苏10润杨北汊桥/悬索桥主跨：460风速仪，温度传感器，应变计，加速度计，位移传感器。/江苏11苏通大桥在建设中斜拉桥主跨：1088风速仪，温度传感器，应变计，加速度计，位移传感器，GPS，动态称重仪，侵蚀传感器，磁弹性测力仪，光纤传感器，倾角仪，湿度计，摄相机，在线监测系统。在建设中江苏12南京长江三桥2005斜拉桥主跨：648应变计，位移传感器，加速度计，离线监测系统。2005江苏13铜陵长江大桥1995斜拉桥主跨：432风速仪，温度传感器，加速度计，倾角仪。2002安徽14芜湖大桥2000斜拉桥主跨：312温度传感器，应变计，加速度计，位移传感器，光纤传感器，水平传感器。2002安徽15虎门大桥1998悬索桥主跨：888应变计，GPS，倾角仪，水平传感器。1998广东16湛江海湾大桥2002斜拉桥主跨：480风速仪，温度传感器，应变计，加速度计，位移传感器，GPS，磁弹性测力仪，倾角仪，地震仪，湿度计。2004广东17徐浦大桥1997斜拉桥主跨：590温度传感器，应变计，加速度计，动态称重仪，水平传感器。1999上海18卢浦大桥2003拱桥主跨：550温度传感器，应变计，加速度计，水平传感器。2003上海19大佛寺大桥2001斜拉桥主跨：450温度传感器，应变计，加速度计，光纤传感器，水平传感器，在线监测系统。2003重庆20广洋岛大桥在建设中连续刚构桥115+200+115FBG温度传感器，FBG应变计，智能混凝土应变计。在建设中重庆21滨州黄河大桥2005斜拉桥主跨：300风速仪，温度传感器，加速度计，GPS，磁弹性测力仪，在线监测系统。2004山东22东营黄河大桥2005连续刚构桥115+210+220+210+1151300个FBG温度传感器和应变计，离线监测系统2005山东23茅草街大桥在建设中拱桥主跨：368风速仪，加速度计，FBG温度传感器，FBG应变计。在建设中湖南24峨边大渡河桥1992拱桥主跨：140SmartFBGtiedandsuspender,soundemission,离线监测系统2005四川25钱江四桥2004拱桥主跨：580磁弹性测力仪，风速仪，温度传感器，加速度计。2004浙江26松花江大桥2004斜拉桥主跨：365风速仪，加速度计，GPS，FB-G温度传感器，FBG应变计，离线监测系统。2004黑龙江27呼兰河大桥

2000连续刚构桥主跨：40FBG温度传感器，FBG应变计，离线监测系统。2000黑龙江28牛头山大桥2002连续刚构桥主跨：4212个FBG温度传感器和应变计，离线监测系统。2002黑龙江29海沧大桥1999悬索桥主跨：648风速仪，温度传感器，位移传感器，GPS1999福建30舟山西堠门大桥在建设中悬索桥主跨：1650风速仪，加速度计，温度传感器，GPS，位移传感器，FBG应变传感器，应变计，摄相机，气压计，湿度计，侵蚀传感器，雨量计，地震仪，动态称重仪。在建设中浙江31坝陵河大桥在建设中悬索桥主跨：1088风速仪，加速度计，温度传感器，GPS，位移传感器，应变计，摄相机，气压计，湿度计，地震仪，倾角仪，EM传感器，动态称重仪。在建设中贵州32杭州湾大桥在建设中斜拉桥主跨：448在安装中在建设中浙江33东海大桥2005斜拉桥主跨：420风速仪，加速度计，温度传感器，GPS，位移传感器，应变计，摄相机，EM传感器，侵蚀传感器，洋流测定仪，波动测定仪，水压测定仪。2005上海34马桑溪长江大桥在建设中斜拉桥主跨：500光纤传感器，温度、湿度、加速度计，图像感知系统重庆35天津永和大桥在建设中斜拉桥主跨：270风速仪，加速度计，温度传感器，GPS，应变计，摄相机，EM传感器，动态称重仪，水平传感器。天津36八尺门大桥2003连续刚构桥90+2×170+90温度传感器、动应变传感器，动位移传感器，加速度传感器等2006福建37下白石大桥2003连续刚构桥145+2×260+145温度传感器、动应变传感器，动位移传感器，加速度传感器等2006福建38新原高速公路小沟特大桥连续刚构桥55+5×100+55光纤光栅应变传感器，温度传感器，动态称重传感器，光电液位挠度传感系统，压电式传感器。山西39郑州黄河大桥1960组合结构71×40.7永磁传感器，振动传感器，加速度传感器，电涡流位移传感器，温度传感器，雨水传感器，水位传感器，车号识别系统2000郑州40招宝山大桥2001斜拉桥主跨：258风速仪，温度传感器，应变传感器，位移传感器，GPS，加速度传感器。2001浙江41青岛海湾桥在建设中拱桥+斜拉桥+悬索桥两主跨：2605个风速仪，2个温度传感器，应变传感器，倾斜仪，位移传感器，13个GPS，150个加速度传感器。山东42上海长江大桥在建设中斜拉桥主跨：7305个风速仪，54个温度传感器，107个应变传感器，位移传感器，16个GPS，14个加速度传感器上海四桥梁健康监测的主要研究方向与研究内容1土木工程新型传感器和测试新技术与应用针对重大工程结构长期健康监测的特殊环境和要求，研制结构局部性态〔如应力、应变、裂纹、疲劳等〕、整体性态〔如位移、速度、加速度等〕和一些环境作用〔如温度、压力、车辆荷载等〕监测的智能传感元件和无线传感网络，主要研究内容如下：智能传感元件、监测性能与信号采集系统：研究光纤光栅应变和温度交叉敏感耦合机理；针对钢结构和钢筋混凝土结构，分别研究光纤光栅金属封装应变传感器和树脂基纤维封装应变传感器及其应变传递特性、大应变监测性能和耐久性；探索结构大应变、局部损伤分布式定位和可能定量监测的其它光纤传感系统，如基于普通光纤传感器及其时域反射计的结构损伤定位与定量监测系统〔opticaltimedomainreflectometer，OTDR〕等。针对钢结构焊缝和钢筋混凝土结构裂缝损伤，研究压电薄膜和压电陶瓷裂缝/裂纹监测传感元件、监测信号与损伤特征的关系及其多裂缝的耦合影响、传感元件的耐久性和与机体的融合性能、以及监测信号采集系统。针对钢结构疲劳损伤突出的问题，研究改善疲劳寿命电阻丝〔箔〕传感元件的监测性能和耐久性能、探讨累积电阻与疲劳损伤的关系及其应变幅值与循环周数的耦合影响、监测信号采集系统；研究基于疲劳寿命电阻丝〔箔〕的金属构件疲劳累积损伤评价和剩余寿命预测方法。机敏混凝土、碳纤维膜/片/筋及其传感系统：研究完善碳纤维、纳米及其混合填料水泥浆〔机敏水泥浆〕的制备，研制开发机敏水泥浆应力/应变传感器；研究传感器的感知特性及其环境温度、湿度、收缩徐变的影响和可能的补偿方法、长期感知稳定性和耐久性、电极设置与信号采集系统；研究机敏水泥浆应力/应变传感器与混凝土机体的界面效应、监测应力应变的效果。研究碳纤维、混杂纤维树脂基或改性树脂基膜/片/筋〔机敏碳纤维膜/片/筋〕的感知特性及其环境温度、湿度、收缩徐变的影响和可能的补偿方法、长期感知稳定性与耐久性、电极设置与信号采集系统；研究机敏碳纤维膜/片/筋传感器与混凝土机体或钢结构外表的界面效应、监测应力应变的效果。多功能无线传感器及其网络系统：研究无线加速度传感节点/网络、无线应变传感节点/网络以及多种类传感器集成节点/网络；研究无线传感网络局部数据处理方法以及数据在节点和节点以及节点和基站之间的数据通讯和传输方法；研究无线传感器组网以及网络优化设计方法。桥梁结构非接触检测系统研制及应用：包括雷达与红外热象仪检测技术；图象扫描、成像分析与识别技术等。2传感器的优化布设技术、系统集成与数据传输网络技术2.1传感器的优化布设技术结构易损性分析与局部性态监测测点优化方法：依据不同技术方案，研究最小测点获取最多模态振型、信号空间相关测点选择、信息矩阵秩最小法、模态动能法等的差异，选择最优的传感器优化布置理论。结构整体性态监测测点优化方法：进一步地研究基于遗传算法和神经网络技术的传感器布置算法，确定最优的传感器优化布置技术方案。2.2系统集成与数据传输网络技术研究重大工程结构长期健康监测的数据集中采集、实时处理、管理和交换以及实时损伤识别与平安评定、现场或远程健康监测的硬软件集成系统。基于分布式网络的数据采集系统集成技术：研究开发结构健康监测的大规模监测数据集中采集实时处理的先进总线集成系统、数据网络管理系统、多用户查询和软件应用的数据交换方法；研究开发适用于不同传感元件、不同数据采集系统、不同数据管理系统、不同应用软件平台的结构健康监测集成系统。多结构健康监测的集成系统网：以大跨度桥梁为典型结构，研究基于地理信息系统〔GIS〕的多桥梁结构健康监测系统的集成方法和集成系统网。3桥梁结构健康检测数据管理与控制技术研究重大工程结构性态响应和损伤变量等多参数、多传感元件监测数据的融合、实时处理、远程有线和无线传输的智能化方法。主要研究内容有：多参量、多传感元件监测数据智能处理方法：研究多参量、多传感元件监测数据的融合方法；研究动态监测信息的噪声形成机理与噪声识别方法，开展基于现代信息处理技术的噪声过滤技术；研究动态监测信息的时域、频域、时频域实时处理方法和远程传输的数据压缩方法。监测数据的远程传输方法研究：研究多参量、多传感元件监测数据的分类集成和传输、分区域集成和传输的递阶集成与传输方法；研究开发多参量、多传感元件监测数据递阶集成与传输的有线和无线传输系统〔包括硬软件集成系统〕。基于动态数据库的数据管理和控制技术研究:主要研究基于动态数据库的数据查询、历史记录管理、特征值统计分析〔峰谷值、平均值、方差统计〕、不同类型数据的相干分析等等。基于数据挖掘技术的桥梁监测实时数据挖掘与控制。4桥梁平安预警技术及结构健康状态评估技术研究基于监测信息的重大工程结构实时损伤推断与定位、实时模型修正与平安评定的理论和方法、以及结构平安预警的多水平准那么，建立典型重大工程结构损伤识别与平安评定的标准试验模型，为重大工程结构的健康监测与平安预警提供理论、方法和统一的检验平台。主要研究内容如下：4.1结构实时损伤推断、定位与模型修正的理论和方法环境时变作用模型研究。〔a〕研究昼夜温差变化与季节温差变化的幅值及其循环作用的次数，研究温度对连续刚构桥梁静动力特性的影响；(b)预应力对超静定结构动力特性的影响目前还没有明确的结论，对于既有桥梁结构，预应力随时间而变化的，需要研究预应力效应变化及其对桥梁动力特性的影响。复杂结构损伤的子结构、分散化识别方法：针对大型拉索式桥梁结构等具有明显子结构特征〔如拉索、桥面和桥塔等相对独立又有机联系的子结构体系〕的重大工程结构，研究结构局部损伤、子结构损伤和分散化损伤推断——分析和识别及其两者相结合的方法；研究以局部信息为先验知识和以整体信息为先验知识的结构损伤识别的信息融合方法。基于非物理模型的结构损伤识别方法：采用现代信号处理技术和人工智能方法，研究基于非物理模型的结构损伤识别方法，主要包括小波包变换分析方法、Hilbert-Huang变换分析方法、神经网络方法等，建立小波包能量谱等结构损伤指纹；研究非物理模型的结构损伤特征与有物理模型的结构损伤特征的关系与相互转化的条件和方法。结构模型修正的理论与方法：在结构损伤推断与定位的根底上，研究结构模型修正的优化目标函数和约束条件；研究子结构模型修正方法，从单元到单元、整体到单元的模型修正方法，基于局部和整体性态变量一致性的结构模型修正方法，以及概率模型修正方法。4.2结构健康状态评定的理论与方法结构平安评定的荷载标准：桥梁评估显然不同于桥梁设计，设计荷载标准是基于统计分析综合得到的，而实桥实际经历的荷载显然不同于预期的设计荷载，可能发生超载，还有不同轴重的概率分布和交通流量等。因此制定桥梁评估的荷载标准就显得特别重要。研究基于环境条件监测的结构极值环境作用；研究结构设计使用期和后续服役期的随机环境荷载等概率超越准那么以及以此为准那么的结构平安评定荷载标准；研究地震、强风和海浪等具体的评定荷载标准。典型重大工程结构累积损伤与抗力衰减的关系：针对大型拉索式桥梁结构以及固定式钢质导管架海洋平台结构，研究结构关键构件累积损伤的规律、结构构件和整体性能退化规律和抗力衰减模型。结构实时平安评定：结合典型重大工程结构，研究易损性构件和重要性构件与结构失效模式和相应极限承载能力的关系；研究结构重分析和极限承载能力分析的高效快速方法，以及基于当前监测确定的极限环境作用和极限强度模板映射的结构实时平安评定方法；研究基于当前结构损伤状况和评定荷载标准下的结构平安评定方法。桥梁剩余使用寿命预测。由于影响既有桥梁剩余寿命的因素很多，包括混凝土的碳化、钢筋锈蚀、超载运营等等，各个影响因素之间互相影响，目前针对既有公路桥梁的抗力衰减模型虽有一定的参考资料，但是超载导致的疲劳损伤和钢筋导致的锈蚀等多因素耦合的桥梁抗力衰减模型还有待进一步的研究。(a)开展适宜的桥梁系统抗力模型，主要内容有：定义适宜的极限状态、定义适宜的桥梁材料和部件抗力系数、在既有经验根底上建立目标平安性指标和桥梁系统抗力模型。(b)研究结构主导失效模式发生概率的计算方法与识别技术；研究基于荷载与抗力随机变量先验知识的重要抽样方法和结构整体抗力与荷载效应极限状态的结构体系可靠度预测方法。4.3结构平安预警的多水平准那么结构预警水平决策：结合典型重大工程结构，研究结构的失效机理、失效模式和最小平安余度；根据结构不同状态的功能，研究结构多级平安预警水平设立准那么、标准和基于损伤过程控制的阀值调整方法。基于先验知识的结构平安预警方法：研究根据结构易损性分析、结构失效路径和临界状态、损伤指纹的结构平安预警方法，研究快速预测结构灾变响应的理论与方法。建立长大桥梁平安预警系统。5桥梁健康监测与桥梁养护管理的决策模型一定要探索桥梁健康监测与桥梁养护管理的有机结合点，将健康监测纳入桥梁管理系统的范畴，这是未来桥梁健康监测的开展大方向。侧重于桥梁生命周期内的养护维修策略，结合桥梁健康监测与能力预测，提出桥梁养护维修决策模型，推荐加固维修方案比拟并推荐优化的加固技术方案，将研究成果应用于具体桥梁工程的加固改造设计与施工，第三节大跨预应力连续刚构桥健康监测系统一、下白石大桥简介下白石大桥〔图2〕属于国家干线高速公路沈海线〔闽〕福鼎至宁德高速公路上的一座特大型桥梁，主桥上部结构为跨径145m＋2260m＋l45m的预应力混凝土连续刚构，桥梁全长810米。整个主桥处于坚曲线范围内，竖曲线半径R＝52000米．桥面纵坡变坡点在桩号K125＋400.00处，两侧坡度分别为0.9％和-0.3％,主桥中点桥面标高设计为45.173米，桥面两侧设2％的单向横坡。主桥桥面宽24.50米，分为上下行两幅，在主桥主墩处用四道横梁连接起来，每幅桥箱梁采用单箱单室截面，箱梁顶板宽12.00米，底板宽6.00米，桥梁定面设单向横坡；墩顶处箱粱高为14.00米，各跨跨中以及现浇梁段高均为4.20米，该桥支座采用KPZ系列盆式橡胶支座。该桥设计荷载为汽超-20、挂一120，无人群荷载，于2003年7月建成通车。通车3年以后，经过检查发现桥梁存在明显的下挠、支座伸缩变形过大、水下桩根底冲刷露筋、箱梁开裂等病害。期望通过长期实时监测和分析，监测桥梁运营状态的根本信息，对运营过程中出现的异常情况进行预警或者报警，从而实现对桥梁结构的平安运营状态进行评估，科学地实施桥梁预防性养护。图2下白石大桥二、监测目的建立一套稳定可靠、实时采集分析传输的健康监测系统，为大桥的长期平安运营和养护提供强有力的技术支持。建立远程控制监测系统，通过远程网络及时了解大桥的运行情况及各测点的特征值和预处理结果。通过大量的特征值和实时采集数据的分析，建立一套完整的评估和预警系统。为大桥的结构损伤提供可靠的数据，为桥梁养护部门对大桥的养护、维修提供必要的信息。为类似结构的桥梁的监测和养护提供珍贵经验，推进桥梁监测的开展。三、健康监测系统总体方案3.1系统主要设计思路为了便于系统的管理和维护，将加速度、动位移、应力等多种参数测试集成在一个系统中，以测试断面为单元，采用模块化设计。测试信号经过数据采集后多通道合成，采用光纤进行数字化传输数据，解决现场采集数据的长距离高速不间断传输难题，采用了星型传输结构的系统同时保证了各个测试断面采集子站的电系统独立性，增强测试系统抗干扰能力，采集子站的局部故障不会扩散到整个系统的其他局部，便于系统维护。系统设备布置方案采用数据采集箱，安放于测试断面距各测点最近，使得传感器输出的微弱信号传输距离最短，减少干扰及信号传输线路；采集控制器、主控计算机和预处理计算机安放在桥的中心位置，保证与各采集子站通讯传输距离最短，减少光纤长度，便于安装，节约本钱。主控计算机控制现场各采集箱完成桥梁各种静、动态响应信号的采集、预处理和存储，在监控中心可以实时观测桥梁的振动，位移和应力状况，并且可以通过人工定期到现场取数，将采集到的数据带回处理分析。预处理计算机对测试数据进行实时分析，并且通过远程网络将实时分析的特征值传输到远端的数据中心。3.2监测的主要内容〔1〕实时监测内容〔采样频率200Hz〕桥梁静动态应力监测，包括主梁控制截面混凝土应力监测等；桥梁振动特性监测，包括桥面竖向、横向、纵向与扭转振动特性〔包括各向振动频率、阻尼比、振型和振动强度等〕及其变异监测；桥梁竖向、横桥向动位移监测等。〔2〕定期监测内容桥梁定期线型监测〔半年一次〕支座纵横向位移监测〔采样时间间隔5分钟〕；桥梁工作环境监测，包括桥梁环境温度、湿度监测等〔采样时间间隔5分钟〕；根据下白石大桥健康监测的根本思路、监测要求、连续刚构桥的特点以及传感器的选择原那么，用于下白石大桥健康监测的仪器类型和数量如表2。表2下白石大桥监测传感器选型序号监测工程传感器型号数量〔个〕主要性能指标1主梁应变WFLM-60-11〔东京测器研究所〕62栅长60mm；灵敏度系数1.96±1％；1/4桥路方式；应变计电阻120R。2主桥线型LeicaTCA-2003全站仪1静态测量精度：1mm+2ppm动态测量精度；5mm+2ppm3竖向、横向和纵向加速度941BA型〔哈工力所〕31最大量程：±20m/s2；灵敏度：0.3Vs2/m；分辨率：5×10－6m/s2；4竖向和横向动位移941BX型〔哈工力所〕14最大量程：±150mm；灵敏度：1.0V/m；分辨率：1×10－6m频响：0.25～80Hz〔+1~－3db〕5箱内外温度半导体温度计BGK3700〔北京基康〕16测量范围：-50℃～～150℃；灵敏度:±0.5%F.S；分辩率:0.034℃；阻值变化范围：55.6～201.1K6支座位移纵向SW-30(哈工力所)4最大可测位移：±30cm；灵敏度：0.01V/cm/V；分辨率：0.2mm；线性度：≤横向SW-10(哈工力所)4最大可测位移：±10cm；灵敏度：0.05V/cm/V；分辨率：0.2mm数量合计132监测测点布置参见附件一，各类传感器安装及保护参见下列图3。3.3监测系统的主要特点分布式数据采集系统，光纤传输数据，采集子站与总控制器的扩展距离可达数公里；防尘机箱最大限度满足野外及恶劣环境的使用；断电自动恢复和错误报告功能；以工控机为根底的硬件和软件环境,实时显示监测结果；中文视窗WinNT/2000/XP操作系统下32位采样和分析软件；每台计算机最多可控制512个测点；每通道独立放大器，大大提高了系统抗干扰能力；前置调理器，增加系统抗干扰能力；直流供桥，自动平衡，平衡结果保存对意外断电具有恢复功能；星型结构保证系统的相对独立；全桥系统多参数、多测点并行全同步采样；网络采集，实现采集分析自动控制。(a)普通应变计和光纤应变计(b)加速度传感器(c)动位移传感器(d)传感器防护盒(e)拉线位移传感器(f)箱外温度传感器图3传感器的安装和防护四、系统各工程技术指标4.1在线监测系统数据采集器技术指标应变测试技术指标输入阻抗:1MΩ∥40PF；输入保护:输入信号大于±5V(DC或AC峰值)时,输入全保护；输入方式:DC差分(1/4桥方式)；可接入的信号:应变传感器信号；满度值:±500με；系统准确度:小于0.5％(F.S)(预热半小时后测量)；系统稳定度:0.05％/h(同上)；线性度:满度的0.1％；失真度:不大于0.5％；最大信号带宽:DC～10Hz；噪声:不大于2μV(输入短路,在最大增益和最大带宽时折算至输入端)；共模抑制(CMR):不小于100dB；共模电压(DC或AC峰值):小于±4V、DC～60Hz；时间漂移:小于3μV/小时(输入短路,预热1小时后,恒温,在最大增益时折算至输入端)；温度漂移:小于1μV/℃(在允许的工作温度范围内,输入短路,在最大增益时折算至输入端)；滤波器滤波方式:模拟虑波；滤波器截止频率:28Hz；滤波器阻带衰减:约-24dB/oct；滤波器平坦度(分析频率范围内):小于±0.1dB；供桥电压:2V；适用应变计电阻值:120Ω；平衡范围:±10000με(应变计阻值误差±2％)；通道隔离度:90dB；A/D分辨率:14位A／D转换器；每测点采样速率：1Hz,2Hz,5Hz,10Hz,20Hz，50Hz,100Hz，200Hz；电源:220V±10％〔AC〕；50Hz±2％；最大功率30W；加速度测试技术指标输入阻抗:1MΩ∥40PF；输入保护:输入信号大于±5V(DC或AC峰值)时,输入全保护；输入方式:DC单端；可接入的信号:941BA信号；满度值:±1g；系统准确度:小于0.5％(F.S)(预热半小时后测量)；系统稳定度:0.05％/h(同上)；线性度:满度的0.1％；失真度:不大于0.5％；最大信号带宽:DC～40Hz；噪声:不大于2μV(输入短路,在最大增益和最大带宽时折算至输入端)；共模抑制(CMR):不小于100dB；共模电压(DC或AC峰值):小于±4V、DC～60Hz；时间漂移:小于3μV/小时(输入短路,预热1小时后,恒温,在最大增益时折算至输入端)；温度漂移:小于1μV/℃(在允许的工作温度范围内,输入短路,在最大增益时折算至输入端)；滤波器滤波方式:模拟虑波；滤波器截止频率:60Hz；滤波器阻带衰减:约-24dB/oct；滤波器平坦度(分析频率范围内):小于±0.1dB；通道隔离度:90dB；A／D分辨率:14位A／D转换器；每测点采样速率：1Hz,2Hz,5Hz,10Hz,20Hz,50Hz,100Hz,200Hz；电源:220V±10％〔AC〕；50Hz±2％；最大功率30W。动位移测试技术指标输入阻抗:1MΩ∥40PF；输入保护:输入信号大于±5V(DC或AC峰值)时,输入全保护；输入方式:DC单端；可接入的信号:941BD信号；满度值:±100mm；系统准确度:小于0.5％(F.S)(预热半小时后测量)；系统稳定度:0.05％/h(同上)；线性度:满度的0.1％；失真度:不大于0.5％；最大信号带宽:DC～10Hz；噪声:不大于2μV(输入短路,在最大增益和最大带宽时折算至输入端)；共模抑制(CMR):不小于100dB；共模电压(DC或AC峰值):小于±4V、DC～60Hz；时间漂移:小于3μV/小时(输入短路,预热1小时后,恒温,在最大增益时折算至输入端)；温度漂移:小于1μV/℃(在允许的工作温度范围内,输入短路,在最大增益时折算至输入端)；滤波器滤波方式:模拟虑波；滤波器截止频率:15Hz；滤波器阻带衰减:约-24dB/oct；滤波器平坦度(分析频率范围内):小于±0.1dB；通道隔离度:90dB；A／D分辨率:14位A／D转换器；采样速率：1Hz,2Hz,5Hz,10Hz,20Hz，50Hz,100Hz,200Hz；电源:220V±10％〔AC〕；50Hz±2％；最大功率30W。4.2在线监测系统采集控制器技术指标与计算机的接口方式：IEEE-1394与数据采集器的通讯方式：FC-SC光纤通讯电源：220V±10％〔AC〕；50Hz±2％；最大功率60W。外型尺寸：标准2U机箱工作环境：置于密封防尘效劳器标准机柜〔带玻璃观察口〕中数据采集箱参见下列图4。图4监测系统数据采集箱4.3在线监测系统远程收发控制模块技术指标接口方式：RS232通讯条件：收发双方必须接入网络，通讯方式：借助公用网，利用MODEM拨号进行远程数据传输电源：9~~36V〔DC〕；MODEM自带外型尺寸：通用外置调制解调器标准五、系统单元模块的连接下白石大桥健康监测硬件系统的构成参见下列图5。5.1数据采集器与采集控制器之间的连接数据采集器与采集控制器之间是通过多模光缆进行连接的。而在数据采集器的内部，是从采集器的底板上引出一根信号线〔带7芯接头〕，然后连接至采集箱内部右下方的光纤转换器的H接头〔在前面的局部已对此进行过详细的描述〕。而光纤转换器那么是通过带有光纤接头的光缆连接至控制器的。具体接法：把带有标识A的光纤接入白色接头内，带有标识B的光纤接入黑色接头内，在连接时要特别注意，必须轻拔轻插，并保证光纤接头不要沾到灰尘等脏物，也不可用手触摸，以免接头损坏或被弄脏后影响甚至中断正常的通讯。5.2采集控制器与下机位采样计算机之间的连接采集控制器与下机位采样计算机之间是通过IEEE-1394来实现连接通讯的，它控制了整个系统的数据采集，传输，处理及保存工作，是系统连接重至关重要的一个环节。5.3静态采集系统与下机位采样计算机之间的连接静态采集箱之间采用485通讯线串联的方式，每个机箱都有扩展输入和扩展输出2个DB-9的通讯接口，在信号线靠近计算机的位置引出一根通讯线，连接到485转232的转接卡上，然后再接入计算机，以实现数据传输与通讯控制功能。5.4采样计算机与显示计算机之间的连接采样计算机与显示计算机连接示意图如下列图6所示：图5下白石大桥健康监测系统构成图6采样计算机与显示处理计算机连接值得注意的是：在以太网光纤转换器连接到光纤终端盒时要注意连接的顺序问题，其连接的原那么为：桥上的转换器的RXD〔接收数据〕接口对应中控室转换器的TXD〔发送数据〕接口，桥上的转换器的TXD接口对应中控室转换器的RXD接口，转换器的RXD与TXD的指示灯都亮表示通讯正常。实际采集计算机〔下位机〕与处理计算机〔上位机〕如下列图7所示。图7(a)采集计算机图7(b)处理计算机5.5远程控制网络的连接远程控制网络连接示意图如下8所示：图8监控室与远程办公室网络连接远程控制是通过调