桥梁结构健康监测

桥梁结构健康监测的概念

　　交通是社会的经济命脉，桥梁是交通的咽喉，交通不畅会制约社会的经济发展，所以保障桥梁的功能性、耐久性，尤其是安全性至关重要。为保证桥梁安全运行、避免严重事故发生，对桥梁结构进行健康监测应运而生，桥梁结构健康监测是以科学的监测理论与方法为基础，采用各种适宜的检验、检测手段获取数据，为桥梁结构设计方法、计算假定、结构模型分析提供验证;对结构的主要性能指标和特性进行分析，及早预见、发现和处理桥梁结构安全隐患和耐久性缺陷，诊断结构突发和累计损伤发生位置与程度，并对发生后果的可能性进行判断与预测。通过对桥梁结构健康状态的监测与评估，为桥梁在各种气候、交通条件下和桥梁运营状况异常时发出预警信号，为桥梁维护、维修与管理措施提供依据，并通过及时采取措施达到防止桥梁坍塌、局部破坏，保障和延长桥梁的使用寿命的目的。

　　2 桥梁结构健康监测系统

　　2.1 检测内容

　　数据采集与测量的内容主要为：变形(沉降、位移、倾斜)、应力、动力特性、温度、外观检测等。

　　2.1.1变形监测采取适宜的测量手段，对桥梁主体结构关键部位的沉降、位移、倾斜量进行监测。常用监测变形的方法有：导线测量法、几何水准测量法、GPS测定三维位移量法、自动极坐标实时差分测量法和自动全站仪三维坐标非接触量测等。

　　2.1.2应力监测 桥梁运营状态中主体结构的应力变化是由于主体结构的外部条件和内部状态变化引起的。外部条件主要有动荷载、气候、侵蚀、撞击和其他突发事件的作用等，而内部状态有混凝土的收缩徐变、温度变化及预应力损失等。应力监测数据可以定量性地反映出桥梁主体结构的内应力变化和性能变化情况。

　　2.1.3 动力特性监测

　　桥梁结构的动力特性与桥梁结构的刚度、质量、阻尼值及其分布有关，动力监测是在桥面无任何交通荷载以及桥址附近无规则振源的条件下进行，主要对桥梁结构由桥址处风荷载、水流等随机荷载激振引起的微小振动响应进行测定。检测项目主要为：主体结构的自振频率、振型等。桥梁结构动力检测方法主要有：固有频率、应变模态、模态置信度判据、柔度矩阵、小波分析、遗传算法等。

　　2.1.4温度监测

　　通过对整桥温度场的监测，可以设法消除温度变化对某些监测过程或传感器本身的测量精度的影响;可以了解桥梁结构在某种温度场下的结构变形、内力变化等情况。

　　2.1.5 表观检测

　　表观检测的主要内容为：桥梁混凝土裂缝、强度、碳化深度、外观质量检测、钢梁及金属结构外观及腐蚀检测及支座、桥面铺装、伸缩缝、锚端连接等部位、部件的损坏情况观察等。

　　2.1.6 其他监测项目

　　2.1.6.1　新方法、新仪器、新设备、新理论应用监测;

　　2.1.6.2 规范等改变导致桥梁使用等级改变的结构监测;

　　2.1.6.3 为获取监测数据而设置的传感元器件和配备的仪表、设备、装置的校准性监测等;

　　2.2 数据传输

　　稳定可靠的数据采集和传输对于保证监测系统的长期运行有着重要意义，同时是获取有效、可靠的监测数据的前提，要注重并做好以下几项关键性工作：

　　2.2.1 数据采传输的同步是桥梁结构监测系统的关键性技术问题，是数据处理、分析和桥梁健康评估的基本前提条件。做到挠度、振动等子系统各点采集的时间同步性尤为重要。

　　2.2.2 关于数据采集节点设备和传输链路的合理配置与优化。影响数据采集节点设备和传输链路可靠性的因素相当复杂，必须研究设计重点考虑系统合理的配置和优化。

　　2.2.3　关于系统数据采集过程中单点故障问题。系统需要具有单点故障不影响控制网络其他部分的功能。

　　2.2.4 关于检测系统自身故障的自检与报警。系统能够识别和检查出传感器故障、电流回路泄漏、对不可信信号电平的捕获和子系统故障等，并能在系统主机上给出相应的报警信息。

　　2.2.5 关于数据可靠性检验的问题。系统具有能够对所监测数据进行自检、互检和标定的功能，是保障原始数据可靠性的重要手段。

　　2.2.6 关于实现远程监控的问题。通过因特网技术可以使桥梁管理者或桥梁专家在异地对系统实现远程监控和数据分析，是桥梁结构健康监测系统的新需求。

　　2.3 数据分析处理和控制

　　数据分析处理与控制是指对获得的数据信息进行收集、整理、加工、存贮及传播等一系列活动的总和。它的基本环节是进行数据的组织、存贮、检查和维护等工作。这些工作是数据处理的中心问题，一般称之为数据管理。二十世纪六、七十年代以来，数据管理技术提高到了数据库阶段，计算机中的数据及数据的管理统一的由数据库系统来完成。数据库系统的目标是：解决数据冗余问题;实现数据独立性;实现数据共享;并解决由于数据共享而带来的数据完整性、安全性及并发控制等一系列问题。

　　3 桥梁结构健康监测的现状与发展方向

　　桥梁结构健康监测系统对桥梁结构评估主要有三个方面：承载能力、营运状态和耐久能力。承载能力是有关大桥结构或构件的极限强度、稳定性能等，其评估目的是要找出大桥结构的实际安全储备，以避免桥梁发生灾难性的损毁。营运状态评估与桥梁结构或其构件在日常荷载工作下的变形、裂缝、振动等有关，其评估结果有助于合理安排养护维修。耐久能力的评估则专注于大桥的损伤及其成因以及其对材料物理特性的影响。

　　目前的桥梁结构监测系统中存在着监测项目种类不足和个别项目的规模又过于庞大的情况。在监测数据的管理方面，没有一个较为完善的数据存储与管理系统，大量的监测数据得不到妥善的处理与利用。并且，现有的桥梁结构监测和状态评估系统大多属于单一的监测系统或者是单一的管理系统。

　　桥梁结构健康监测综合评估系统在桥梁设计阶段予以提前考虑并做出桥梁结构健康监测设计有着十分重要的积极意义：设计人员可依据桥型设计理论和结构特点、四新技术的应用等方面采用适宜的监测理论、方法与手段，做出符合桥梁特点和系统的监测设计。桥梁结构健康监测设计与桥梁设计同时形成可及时、妥善地将相关监测软、硬件在施工、运营过程予以配备与设置，使得监测系统的准备与运行工作做的更加充分与科学。

　　我国的桥梁结构健康监测尚处初期阶段，随着桥梁结构健康监测工作的深入开展，在远距离监测、提高系统可靠性、完善数据处理和分析理论等方面还需要提高和完善，目前尚无现成的性能和数据评估方面的规范，因此探索并形成稳定、可靠的监测系统、明确各项参数指标、科学获取与处理监测数据、形成监测规范等工作是桥梁结构健康监测今后的发展与努力方向。