桥梁健康监测研究进展综述

桥梁健康监测研究进展综述摘要：随着中国交通运输行业的不断发展，既有桥梁受环境与自身寿命的影响，需要在运营过程中定期进行管理与养护。文章对现阶段桥梁检测和监测技术的研究发展进行概括总结，包括模态参数识别方法、频域和时域方法的对比以及结构状态识别和损伤评估的最新研究进展。同时，针对当前面临的机遇和挑战对未来桥梁的检测和监测发展趋势进行预测，以期为桥梁检测和监测方向的研究人员和工程技术人员提供参考。关

键

词：桥梁；健康监测；检测；综述中图分类号：O319.56

文献标志码：A

桥梁健康监测系统通过对桥梁结构状态的监控与评估，为大桥在特殊气候、交通条件下或者运营情况严重异常触发预警信号，为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导[1]。一个典型的健康监测系统通常是由三个主要部分组成：传感器系统、数据处理系统（包括数据收集、传输和存储）和健康评价系统（损伤识别），其核心的结构是损伤识别[2]。就笔者看来，桥梁健康监测系统是在一定的效益—成本准则下，完成预设既定功能目标的方法。桥梁健康监测理论研究主要针对于结构整体性评估和损伤识别。其中整体性评估包括模式识别法、系统识别法和神经网络法[3]，损伤识别方法包括模型修正法、遗传算法、神经网络、支持向量机等有模型的损伤识别方法和动力指纹分析法、小波变换、HHT法等无模型的损伤识别方法[4]。本文主要综述上述理论方法中的结构模态参数识别（又称系统识别法）和结构状态识别与损伤评估，因为这两大方面是近期桥梁健康监测领域的主要研究进展方向。1

结构状态识别对于桥梁结构状态，可以通过多种途径对桥梁进行评估，其采用数据的来源通常可以分为两类：1）各项检查、局部监测和荷载实验数据；2）健康监测数据。分别为现行规范桥梁评估方法和基于健康监测数据的评估方法，而基于健康监测数据的评估方法指对健康监测系统获取的信息进行计算分析，对结构的健康和安全状态作出评价，以避免发生具有渐变性质的重大安全事故，同时为桥梁的日常管理及正常维护提供参考。在温度荷载及效应对桥梁结构性能与状态影响方面，Zhou等[5]基于健康监测数据分析了大跨度斜拉桥时变温差对结构梁长、挠度变化的影响机制，通过平面几何和有限元方法分析了变温荷载下的结构响应模态及温度效应敏感性简化公式，该简化公式可为大跨桥梁的温度效应分析提供支撑。为解决结构响应与温度荷载之间存在的时滞效应问题，Yang等[6]提出了基于傅里叶级数展开拟合的相移方法，有效地减小了结构温度热响应的滞后回线面积，增强了结构响应数据与温度变化间的相关性，提高了系统评估预警的时效性和可靠性。在风致桥梁结构响应评估方面，Xu等[7]提出了基于风致脉动压力正交分解和子结构有限元模型的大跨度分体式钢箱梁斜拉桥抖振应力分析方法。Ye等[8]基于西堠门大桥结构健康监测数据计算了风场特征值，并分析了湍流强度、阵风因子、平均风特征三者之间的关系，进一步分析了台风“海葵”、“灿鸿”等对桥梁结构的风致响应。当前，极端风环境及恶劣天气频发，极端风环境作用下的桥梁安全性评估是当前研究热点，特别在极端非平稳风速下，桥梁结构响应及安全性评估是当前亟需解决的基础科学问题。2

损伤评估结构损伤识别的方法可以分为局部法和整体法，局部法依靠无损检测技术对特定构件进行精确的检测、查找、描述缺陷部位。它包括声波或超声波方法、磁场方法、雷达成像、射线法、涡流以及温度场等方法，以上方法均要求事先知道损伤的近似位置或损伤的部位可以接近[4]，这就限制了局部法的应用。损伤整体识别方法多是基于结构振动的损伤识别方法，其优点是可以利用环境的激励引起结构自身的振动，进而测得结构的动力响应。在桥梁运营过程中，结构构件可能受损失效，轻则堵塞交通、影响正常使用，重则引起桥梁整体性能恶化、缩短全桥的运营使用寿命。近年来，公路或铁路大跨桥梁伸缩缝过早失效的现象越来越多，因此关于伸缩缝磨损状态评估与剩余寿命预测的相关研究一直备受关注。Hu[9]对大跨度悬索桥进行了长期监测，揭示了伸缩缝纵向运动的机理和响应特性，最终证明：1）温度变化导致伸缩缝纵向运动的波动现象，纵向位移的均方根与温度呈显著的线性关系；2）伸缩缝纵向位移中的高频分量主要因车辆和环境激励引起；3）车辆激励引起的桥梁动力响应对伸缩缝的累积纵向位移起主导作用。然而，确定性模型无法解释监测数据中的不确定性，因此Ni[10]提出了一种利用结构健康监测数据表征桥梁温度与伸缩缝位移之间回归模式的贝叶斯概率方法，该方法能够考虑监测数据中包含的不确定性，量化模型误差和预测不确定性，对伸缩缝的健康状况进行评价，并在损伤概率超过某一阈值时提出损伤报警。拉索是缆索支撑桥梁(即斜拉桥、悬索桥、系杆拱桥及其组合形式)安全的关键，因此拉索张力实时监测是该类桥梁状态监测和损伤诊断的必要环节。既有研究已基本实现了通过拉索振动信号来识别索力，但关于索力瞬时变化的监测一直悬而未决；为解决此问题，Zhang[11]提出利用拉索加速度响应的同步压缩短时傅里叶变换来识别斜拉桥拉索的瞬时张力，然后通过与现有方法进行了比较，采用数值方法证明了该算法在表征拉索瞬时张力方面的优点。Hou[37]利用某大跨斜拉桥累积一年的健康监测数据，对比分析了索力时变特征与GPS位移响应的趋势(即索力的变化滞后于GPS位移)，结果发现：桥梁结构承受的实际荷载统计特性与设计值有所不同，实际荷载的离散性通常大于设计荷载的离散性；目前基于荷载性能函数的包络线设计偏保守，应适当降低结构的可靠性指标，以利于结构的优化。3

结

语“桥梁模态自动化识别”研究依然是桥梁健康监测领域的研究重点，结构的整体动力特性仍是不容忽视的监测部分。此外，桥梁结构的状态监测与损伤评估取得了较大研究进展。随着中国桥梁的不断建设发展，巨大的存量和增量为桥梁健康和安全带来了巨大挑战，同时也为桥梁检测与监测技术的实践和创新带来了巨大机遇。随着人工智能、5G通信、大数据以及云计算的发展和普及，未来桥梁的检测和监测发展趋势可以归纳为以下几个方面：1）从破坏性检测向无损检测转变；2）从人工检测向机械智能检测转变；3）数据采集方式从人工记录向系统自动采集转变；4）从周期性检测、检查向实时数据监测转变；5）检测手段从现场实操向智能感知转变；6）检测装置从临时性设备向长期性预埋传感器转变；7）检测评估从少量抽样数据研判向大数据分析转变。参考文献(References)：[1]张启伟．大型桥梁健康监测概念与监测系统设计[J]．同济大学学报(自然科学版)，2001(01):65-69.[2]宋来健，王景全．土木工程结构损伤识别研究进展[A]．中国土木工程学会．中国土木工程学会2018年学术年会论文集[C]．中国土木工程学会：中国土木工程学会,2018:12.[3]ZHOUY,SUNLM.Insightsintotemperature