桥梁监测的概述

一、桥梁健康监测的意义

桥梁作为路网的重要环节，其健康状况的好坏直接影响路网的运行能力。近年来我国的交通事业发展迅速，带动了我国桥梁事业的建设；交通量的增长，超载车的频繁出现，桥梁年久失修或施工质量等原因，导致了许多桥梁坍塌事故，给国家和人民造成了巨大的经济损失。例如2012年8月24日，哈尔滨阳明滩大桥引桥坍塌，造成3人死亡5人受伤，更重要的是其通车还不足一年。所以，如在桥梁建设初期就建立桥梁的健康监测与安全评估系统，实时监测运行中的桥梁，并做出相应评估，可以避免许多事故的发生。所以桥梁健康监测是保证现代桥梁安全运营的必要手段和重要环节。

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图1桥梁健康监测系统组成

健康监测的思想来源于航空航天工程，通过监测航空航天器械的工作状态，获知其运行是否安全。随着桥梁建造规模的不断扩大，建造数量的陆续增多，以及桥梁在路网中的重要性的提升，桥梁健康监测的工作正在桥梁工程领域如火如荼的展开。桥梁健康监测是综合结构监测、环境监测、交通监测、设备检测、损伤诊断、结构评估、损伤预警和桥梁养护管理等功能于一体的多功能综合系统。

桥梁健康监测及安全评估，是一个跨学科、多领域、复杂化的综合技术。桥梁健康监测系统的开发包括工程结构、结构动力学、传感器技术、信号处理技术、电子通信技术、数据分析处理技术、材料学、模态识别、决策理论等多个学科、多个领域的高端的技术和知识。桥梁健康监测不但扩展了桥梁检测的含义，同时添加、增强了预测与评估的可靠性。

桥梁健康监测系统的出现主要有三方面的原因：第一，路网中相当大一部分桥梁的服役期已不短，且存在很大的安全隐患；第二，继续使用原有的桥梁管理方法管理桥梁，已不能满足日益增长的交通量对桥梁的要求；第三，需要养护的桥梁越来越多，而我国经济实力有限。

桥梁健康监测的作用主要体现在三个方面：第一，对桥梁结构的工作状态进行监测与评估；第二，对现有桥梁的设计理论进行验证；第三，改进现有的设计规范，促进桥梁的研究与发展。

二、桥梁健康监测研究现状

（1）国外研究现状

20世纪50年代以来，桥梁坍塌事故不断发生，并造成了严重的生命财产损失。这引起了越来越多的桥梁工作者的注意，所以从事桥梁安全研究工作的学者越来越多，并且在桥梁健康监测领域取得了不小的成就。1969年，Lifshith和Rotem所写的论文被视为桥梁健康监测领域的第一篇论文，论文通过阐述桥梁结构的动力响应来监测和评估结构的健康状态[6]。1971年，美国率先建立了桥梁检测的国家标准，BNIS。BNIS对检测方法的细节、检测时间间隔和检测人员的资质都给出了统一的指导意见[7]。20世纪80年代中后期，桥梁检测手段和监测技术有了进一步的发展，对桥梁安全性和耐久性的重视程度大大提高，在许多大型桥梁上配置安装了不同形式、不同功能的检测工具和监测设备。例如，丹麦GreatBeltEast悬索桥的桥梁健康监测系统就是一套比较典型的监测系统，该系统监测的内容包括主缆、吊杆和索夹的应力；桥面箱梁的加速度、应力，支撑处的位移；下部结构的腐蚀监测、桥墩的倾角、桥塔混凝土应变以及基础的土质监测、气候监测等[8]。90年代，光纤技术在土木工程上的应用，促进了桥梁健康监测的发展。瑞士Samuelvurp等应用光纤传感器对Versoix桥进行实时监测。

近年来关于桥梁健康监测的研究取得了丰硕的成果，众多学者撰写了大量的研究论文，研究内容主要包括智能传感器、传感器优化布置、无线数据传输、损伤识别方法、桥梁健康状态评估、桥梁生命周期管理养护等。国际上以桥梁健康监测为主题的研究会议陆续召开，如国际健康监测研讨会、欧洲健康监测研讨会、新型结构健康监测研讨会等会议。国际模态会议、欧洲智能结构和材料会议、国际结构控制会议等会议也都有关于桥梁结构健康监测与损伤识别的专题研究会议。

（2）国内研究现状

我国在桥梁健康监测领域的研究和应用工作开始的比较晚，20世纪90年代初开始根据不同桥梁的具体要求建设不同规模、不同配套设备的桥梁健康监测系统，尤其是在重大规模的桥梁和结构形式复杂的桥梁上。如1998年安装完成的香港青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥的桥梁实时安全监测系统，是世界上规模较大的桥梁健康监测系统。1999年完成的上海徐浦大桥桥梁结构状况综合监测系统，综合考虑了系统的代表性和日后系统扩充的方便性，以及监测数据的实际意义[10]。广东的十大地标之一的虎门大桥在施工期间就预埋安装了应变传感器元件，为大桥的安全使用提供了保障[11]。2005年建成的润扬长江大桥，是当时在建规模最大的索支承体系桥梁，悬索桥跨度中国第一，世界第三。作为我国建桥史上的特大型桥梁，其健康状况的好坏关系重大，对大桥进行实时监测，及时发现损伤，并做出准确的评估，对大桥的正常运转意义重大。

表1.香港三座大桥传感器类型及数量表

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表2润扬大桥安全健康监测系统传感器数量表

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许多运营的桥梁在我国公路、铁路路网中发挥着不可替代的作用，比如说南京长江大桥、武汉长江大桥、包头黄河大桥等等。对这些运营多年的桥梁进行健康监测，是保证路网正常运行的必要手段。我国自行设计建造的首座特大公路、铁路两用桥，南京长江大桥，其健康监测系统由传感器系统、信号采集系统、信号处理系统三部分组成[13]。我国经济的迅猛发展，带动了我国的桥梁建设事业，对桥梁的健康监测的重视程度也不断提高，关于桥梁健康监测的研究、研讨会议不断召开，例如：2007年，第九届全国振动理论及应用学术会议，就公路桥梁健康与安全监测系统进展的讨论；2008年，第二届“测绘科学前沿技术论坛”，就小波变换在大跨度桥梁动态监测噪声消除中的应用的讨论；等等。作为一门学科综合性强、知识应用面广、知识挖掘度深的研究，桥梁健康监测涉及的是一个新领域、一门新技术，我国的研究学者在不断的进行深入与细致的研究。各大院校的合作攻关，在桥梁健康监测领域取得了丰硕的研究成果，例如：清华大学和香港理工大学联手研究的桥梁安全监测系统，就被安装在广东十大地标之一的虎门大桥上；同济大学开发的安全监测系统，则被安装在上海徐浦大桥上，等等。

三、桥梁健康监测的特点

我国经济的飞速发展，带动了各省市的建设步伐，一大批城市桥梁，公路桥梁，以及铁路桥梁的修建，使人们开始将关注的目光投到桥梁的健康状况上。如何管理如此众多的桥梁，是摆在桥梁管理者面前的一个艰巨的任务。我国依然处在社会主义初级阶段，在经济实力方面与西方发达国家还有很大的差距，如何使有限的资金发挥其最大的作用，是桥梁健康监测所要达到的主要目的。桥梁分布范围广、数量多，每座桥梁具有自身的特点；桥梁运营状况各有不同，所以各自面临的问题也因此而不一样，从而使得桥梁健康监测具有以下特点:

1研究范围广：桥梁健康监测是一个涉及学科广泛、应用技术众多的综合性研究项目；2工程数量大：主要体现在桥梁数量、传感器数量、监测数据量等方面上；

3资金范围窄：我国现阶段桥梁的管理、养护资金有限；4结构类型多：主要体现在桥梁形式、监测数据的种类多样性等方面。

四、现有桥梁监测系统的不足

桥梁健康监测系统的研究工作在近几年取得了一些成就，但依然不能满足科学全面监测桥梁的要求，还有许多研究工作需要进一步开展，尤其在基础性研究方面需要开展更多的研究工作。总结现有的桥梁健康监测系统，其不足主要体现在六个方面：

1测量精度不够高；

2传感器未实现优化布置；

3桥梁结构性能的改变对结构指纹的改变不敏感；

4数据的处理不够科学；

5桥梁监测结果的评估方法不够完善；

6单桥监测，未实现系统化。

五、小结

通过阅读大量国内外健康监测，特别是桥梁健康监测领域的研究文献，对健康监测的发展、研究现状有了进一步的了解，更加明确了进行桥梁健康监测研究的重要性。我国虽然已在许多重要性的桥梁上安装了桥梁健康监测系统，并且取得了一定的成功；但是随着我国经济的不断发展，更多的桥梁需要安装桥梁健康监测系统，如何使用最少的资金解决最多的问题，如何建立通用性的桥梁健康监测系统，如何更加准确的对桥梁健康做出评价，是桥梁健康监测必须解决的问题。

文章来源：知乎用户，搬砖大咖