关于我国建造大跨桥结构健康监测系统的反思 - 52监测网

摘要： 本文根据桥梁结构健康监测系统必须能进行实时监测这一点，强调了动测法和识别累积损伤是桥梁结构健康监测系统的关键技术。并指出国内研究桥梁结构健康监测系统关键技术的人少，却又设计、建造不少不能用的‘桥梁结构健康监测系统’，导致桥梁结构健康监测系统的名声变坏。本文探讨了其中的原因。本文还讨论了桥梁结构健康监测系统中的模态识别和损伤识别的特殊性，实时监测与封桥试验的区别，和桥梁结构健康监测系统与人工检查及桥梁管理系统的关系，并指出传感器最优布点对桥梁结构健康监测系统的重要性，GPS在桥梁结构健康监测系统中的局限性，以及桥梁结构健康监测系统完工时真正的工作才刚刚开始。最后，本文指出：目前迫切需要精选少量有代表性的特大桥建造高质量的桥梁结构健康监测系统，而应当停止盲目建造廉价的‘桥梁结构健康监测系统’。

由于我国桥梁损坏事故频繁，国内近年来出现了建造桥梁结构健康监测系统的热潮。对在刊物上发表桥梁结构健康监测系统的论文来说，几年前就已进入报告研究成果的阶段[1]，这两年还发表国外文献述评，反映出这些作者在国内本领域的落后状态。但目前桥梁结构健康监测系统在国外还只是处于研究阶段，涉及的偏于基础性的技术问题很多，也很难，许多关键问题远没有解决[1]。因此，国外还没有形成成熟的技术，所以国外也还没有建成真正意义上的桥梁结构健康监测系统，国外大跨桥的结构健康仍然要靠人工检查维护。虽然大跨桥本身已经有了成熟的设计施工技术，但是桥梁结构健康监测系统并没有。国内在健康监测系统核心技术，特别是损伤识别的研究方面与国外差距较大。而且在建造这种系统方面又形成一种状态：主管桥梁结构健康监测系统的班子不了解桥梁结构健康监测系统基本概念，也不知道桥梁结构健康监测系统涉及哪些技术，更不知道国内外哪些单位掌握这些技术；而做了深入研究的班子没机会参与设计桥梁结构健康监测系统；国外许多大学和公司发表了大量研究论文和报告，但被选择承担江阴桥桥梁结构健康监测系统的英国Strainstall公司，却从来没在桥梁结构健康监测领域发表过任何有点分量的研究成果，显然，选择这家公司设计建造这个系统是个错误。

鉴于上述情况，有必要对桥梁结构健康监测系统正名，使我国这一领域的研究、建设尽早走入正轨。此外，损伤识别的目的是剩余承载力评定。这个重要问题涉及：精确分析模型，包括二维和三维有限单元的应用，和结构可靠度理论的应用。由于篇幅的限制，作者将另文专门讨论这个问题。

桥梁结构损伤可以分为两类：突发事件（强烈地震、爆炸、撞船等）引起的损伤，和逐渐发展的累积损伤。前者的发生时间甚至损伤位置是已知的，因此可以立即临时封桥，在有限时间内完成检查、维修和加固，而封桥状态下的损伤检查是成熟的常规技术，我国已经做了几十年，没有什么根本性的困难（尽管技术上有发展的余地）。累积损伤则不然，累积损伤的初期并不危及安全，发展到一定程度后桥梁结构的抗力降低到一定限值，就会引起重大事故，我国近几年的塌桥事故多属于这种损伤。但事先不可能知道在什么时候抗力降低到某个限值，而桥梁结构在露天工作，并承受疲劳荷载，所以累积损伤（疲劳、锈蚀）是桥梁的重要损伤形式。如果用封桥检查的办法对付累积损伤，则桥梁永远处于封桥状态，根本不能用。对付累积损伤的传统办法是人工检查。对普通桥梁，全桥人工检查的周期不会太长，人工检查有把握保证桥梁的安全。但对特大桥，全桥人工检查的周期长达十年以上（美国金门桥用先进设备喷漆，一个周期要一年，我国武汉长江大桥人工涂漆，一个周期要三年，损伤检查要比喷漆困难得多，全桥检查的周期也要长得多），因此难以保证桥梁结构的安全。用桥梁结构健康监测系统对桥梁进行实时监测正是在这个前提下提出的。因此，桥梁结构健康监测系统首先是针对特大桥，其次其核心任务是在正常交通状态下连续地识别缓慢发展的累积损伤。

桥梁结构健康监测系统长期监测累积损伤时，有两个要求：一是丝毫不能影响正常交通，否则与封桥试验无异，二是尽可能在早期就测出累积损伤。这两个要求既限制了桥梁结构健康监测系统的测试方法，也使桥梁结构健康监测系统的损伤识别成为当今国际上的重大难题。第一个要求导致根本不能用静力法进行测试，因为一方面任何静力荷载都会减少桥梁支承交通荷载的能力，另一方面，通车时桥梁结构的形状在不断变化，不存在静止的变形。这样，桥梁结构健康监测系统不得不采用动测，但第一个要求对动测也有严格的限制：不能用有加载装置（激振器）的动测（例如航空航天器常用的多种高精度的MIMO、SIMO法），因为特大桥的大质量要求巨大的激振器，这不可能不影响交通。这迫使桥梁结构健康监测系统不得不采用脉动测试。由于特大桥不可能进行实验室试验，只能进行现场试验，所以干扰大，精度差。特大桥脉动激振力不可测，地脉动作用在基础，脉动风则作用在全桥每点的所有方向。最大的脉动激振力来自车辆，竖向激振力作用在每个行驶中的车轮，横桥向激振力来自变换车道的车轮，顺桥向激振力来自加速或减速的车轮，它们时刻在变，有极强的随机性。于是，不使用输入数据，只靠输出数据的脉动测试精度自然低于有输入的测试。

第二个要求形成了桥梁结构健康监测系统的关键技术。现有的最先进的动测法也只勉强能测出刚度变化20％以上的损伤，这是完全不够的。提高动测探伤的灵敏度成为国际前沿难题，涉及模态识别、损伤识别、计算机软硬件技术、光和电子技术的多领域的问题，近期内不大可能完全解决。

传统上探测桥梁结构损伤靠人工检查，但由于对特大桥人工检查太慢，所以想出了用先进的计算机技术和测试技术组成桥梁结构健康监测系统来改进人工检查。但由于目前自动损伤识别的灵敏度太低，结构健康监测系统远不能取代人工检查。所以，即使安装了桥梁结构健康监测系统的桥，也仍然需要严密的人工检查。我国现行人工检查技术还不能适应特大桥的需要，比如各类钢结构构件的损伤检查还没有可行的标准。因此，发展和建立适合我国的特大桥人工检查制度体系比建造桥梁结构健康监测系统更重要，这包括各级别的检查（日常检查、主要检查、重点检查、全面检查）的内容、手段、检查表格、评分标准、时间间隔等。也就是说，需要一个完整的特大桥的桥梁管理系统（BMS）。这个系统应能归纳结构退化模型，归纳各类维修费用模型，并优化检修制度[2,3,4,5]。如果说 BMS是用计算机技术提升桥梁管理技术水平的第一个层次，则结构健康监测系统则是在更高层次上提升桥梁管理的技术水平。

由于特大桥桥梁结构健康监测系统只能靠实时监测，因此其方法与必须在封桥状态下工作的桥梁检查和成桥验收试验根本不同。后者主要靠静力加载试验，而桥梁结构健康监测系统只能靠动测。动测不但所用设备根本不同，考虑因素不同（如采样率、频带宽度等），而且需要复杂的结构动力学知识。特别是由于脉动测试精度差，所以需要特殊的模态识别和损伤识别技术，这种技术在理论上的难度远甚于以结构抗震为目的的结构动力学。此外封桥状态下工作的桥梁检查和成桥验收试验的设备和线路都是一次性的，不必考虑稳定性和耐久性，但设备和线路的稳定性和耐久性对桥梁结构健康监测系统却是非常重要的。

桥梁结构健康监测系统用动测进行损伤识别一般分两步：先进行模态识别，然后进行损伤识别。此外，由于模态参数与环境之间有密切关系，所以桥梁结构健康监测系统也应当具备环境测试功能，特别是异常荷载的报警功能，但这些方面要比自动损伤识别容易得多。

由于缆索支承桥梁固有的非线性和非经典阻尼性质，以及脉动法输入的非平稳性和非白噪声性质，目前我国桥梁测试界普遍采用的频域识别（FRF函数法）法精度太差。多种时域识别法有更高的精度和效率，如RD函数法、ERA法等[6,7]。但这些方法对使用者有很高的理论要求。这些方法识别出的模态参数的误差分析，在国际上还是空白。我国桥梁工程界在模态识别方面与国际差距更大，迄今国内连起码的桥梁动力试验的标准都没有，关于需要多少个测点、需要测多少阶模态、要不要与分析模型的结果对比、满足什么条件的模态参数才是合乎要求的，以及对阻尼分布不均匀的桥梁要不要测复振型等全无规定。这个状态距离设计桥梁结构健康监测系统的要求甚远。

大量研究证明：直接用自振频率或振型识别损伤是失败的，因为两者对损伤不敏感。人们进而发现：把它们加以处理，组成各类损伤识别指标（结构指纹）则会显著提高对损伤的灵敏度。目前发现的比较灵敏的损伤识别指标是模态柔度矩阵、曲率模态、模态应变能比等[8,9]，它们比自振频率或振型灵敏20－400倍，但目前仍不够灵敏。

静力损伤识别法有时使用反分析来识别损伤，用测得的变形和荷载确定刚度矩阵中的系数。但由于其方程数少于未知量数，属于不适定问题，需要使用优化条件（某个量最小），而这个条件没有物理意义。由于这个方法理论上没有真解，所以永远不知道误差多大。用在动力问题上问题就更大了。

国内近来热衷于ANN法，实际上这个方法从来没有解决过一个实际损伤识别问题。一个ANN的能力取决于其训练样本，样本的质量完全限制了ANN的解题能力。我国目前的研究完全用有限元分析模型来训练ANN。而越是精细的分析模型，问题就越多。工程经验表明：凡是分析模型准确的构件都不会出现问题，分析模型中越是不准确的部位，越可能发生问题。所以用有限元分析模型训练的ANN在损伤识别方面基本上是废物。于是，我国目前的ANN研究只集中于改变神经元层数、改变神经元节点数，调整权重系数，调整传输系数。这些都是四则运算，属于小学生能做的事。这可能是ANN对那么多人有吸引力的原因。而如何采集实际有损桥梁反应的样本、采集的样本量多大才够、采集的代价多大、需要采集多长时间、以及采集到样本的可能性，却没有人讨论。这反映研究者的目的不是在应用，而是为发表论文。这种论文大量发表就形成泡沫科技。

总之，目前最靠得住的损伤识别方法还是损伤识别指标这个方法。但它也有根本性的矛盾：模态反应刚度，是力－变形曲线的斜率，但结构安全性与强度直接相关，强度则对应力变形曲线的最大值。裂缝集中在几点，对一根构件的总刚度影响小，锈蚀则分布在较大的一片，对刚度影响较大，因此，用基于模态参数的损伤识别指标识别锈蚀损伤要比裂缝损伤灵敏些。根本上说，不懂动测、不懂损伤识别的人不可能设计出真正的桥梁结构健康监测系统。

特大桥构件多，自由度多。有限元分析模型往往有成千上万个自由度。桥梁结构健康监测系统需要高质量的传感器，有限的经费不容许安装这麽多个传感器。于是所测的振型是不完全振型，用不完全振型建立的损伤识别指标也是不完全指标。于是需要研究怎样用这些不完全指标有效地识别损伤。这就是传感器最优布点问题——最高效率地使用有限的传感器[10]。尽管国外有大量这方面的论文，但目前国内外特大桥桥梁结构健康监测系统的传感器布点全没有经过优化。

近来我国在桥梁结构健康监测系统方面兴起了GPS热。GPS的优点是：可测量大范围绝对位移；在大雾、暴雨中可工作。但缺点是低灵敏度，和低采样率（只能测低频分量，测不出塔墩振型），和高成本（测点少，测不出振型）。GPS目前的性能：静态灵敏度：±1mm，采样率1 Hz; 动态灵敏度：水平±5mm, 竖向±10mm，最高采样率20Hz, 国外可达50Hz，但对华禁运。

GPS的这些限制导致它不能测非振幅点，也不能测高于20 Hz发振动分量。一个振型是由振幅点、非振幅点和节点组成的，脉动振型振幅小，非振幅点位移更小，因此GPS是测不出振型的。所以不可能用来进行损伤识别。既便测出了最大位移幅，也不知道有没有损伤，又说明什么？至多在位移超过一个限值时可以报警。过分注重GPS也是一部分人静力学思维的结果。

桥梁结构健康监测系统在现场工作，环境恶劣，光电设备使用寿命本来就比结构构件短，因此不但必须使用高性能、高质量的元器件，还要考虑备用元器件，和维修更换容易。所以造价会很高。花这样多的钱，特大桥值得，普通桥根本不值得。试图建造低价桥梁结构健康监测系统就是白扔钱。在目前阶段我国不宜普遍建造桥梁结构健康监测系统，但精选个别几座代表性的大桥建造高质量的桥梁结构健康监测系统却是必要的。因为它们提供了高水平的研究试验平台。因为由于研究经费的限制，我国有关研究连模型试验都做不起。这极大地阻碍着我国桥梁结构健康监测系统的研究进展。一座大桥的风洞模型试验尚且要几百万，而且其结果与实际的出入还很大。有了高质量的桥梁结构健康监测系统，就可以随时做足尺全桥试验，从而大大加速我国桥梁结构健康监测系统整个领域的研究。但有两点要注意：

一是一个桥梁结构健康监测系统的建成并非工作的结束。这个系统老化速度高于桥梁结构的老化速度，因此需要一支受过专业训练的维护队伍，而且还需要一支数据处理和研究数据并发现问题的研究队伍。这需要长期的经费支持。没有这两支队伍，建成的桥梁结构健康监测系统终成废物。

桥梁结构健康监测系统必须能进行实时监测，与封桥试验有根本不同，因此静力试验法根本不能用于桥梁结构健康监测系统。于是动测法和识别累积损伤是桥梁结构健康监测系统的关键技术。国内对桥梁结构健康监测系统关键技术的研究少，却又设计、建造不少‘桥梁结构健康监测系统’，而这些桥梁结构健康监测系统根本不能用。桥梁结构健康监测系统中的模态识别不得不用精度差但不需输入的脉动法。目前损伤识别指标相对更适合桥梁结构健康监测系统的损伤识别。目前桥梁结构健康监测系统技术水平还不能取代人工检查。安装了桥梁结构健康监测系统的桥梁仍然需要人工检查。我国迫切需要完善特大桥的人工检查标准，及相应的桥梁管理系统。传感器最优布点对桥梁结构健康监测系统十分重要，GPS在桥梁结构健康监测系统中有局限性。桥梁结构健康监测系统完工时真正的研究工作才刚刚开始。目前迫切需要精选少量有代表性的特大桥建造高质量的桥梁结构健康监测系统，而应当停止盲目建造廉价的‘桥梁结构健康监测系统’。