大跨度桥梁健康监测与状态评估研究展望

吴来义 丁幼亮 王高新

(1.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 430050； 2.东南大学土木工程学院，江苏 南京 210096)

大跨度桥梁健康监测与状态评估研究展望

吴来义1丁幼亮2王高新2

(1.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 430050； 2.东南大学土木工程学院，江苏 南京 210096)

针对大跨度公路、铁路桥梁的特点，介绍了国内外大跨度铁路、公路桥梁健康监测与状态评估进展，对现有的桥梁健康监测系统进行了评价，总结了目前桥梁健康监测存在的不足，并展望了大跨度公路、铁路桥梁健康监测的发展方向。

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1 桥梁健康监测的意义

交通运输是一个国家的经济命脉，而公路和铁路则是使交通运输能够畅通无阻的重要载体，“经济要发展，交通必先行”，已成为全社会的基本共识。自从20世纪80年代起，我国已持续进行了大规模的交通基础设施建设，完成了数万亿的投资。公路和铁路的建设规模和运营里程已经名列世界前茅，作为公路和铁路大动脉连接的关键结点——桥梁，更是取得了举世瞩目的成就。截至2013年年底，我国公路桥梁已达73.1万座，铁路桥梁已超过6.5万座，均为世界第一。

虽然我国桥梁工程实践已取得了辉煌的成就，但是桥梁设计、管理水平和安全评定方法等相关基础理论的研究与世界发达国家相比还存在一定的差距。跨越式发展也暴露出了诸多问题，如设计过于超前、施工技术运用及新材料不够成熟，重建设、轻基础理论研究，使一大批桥梁存在先天的结构性缺陷。因此，采取有效的手段和安全措施来保障大跨桥梁结构的安全性、适用性、完整性和耐久性，已迫在眉睫[1]。

2 大跨度公路桥梁健康监测研究与应用现状

早在20世纪50年代，桥梁的健康运营与监测管理已经受到重视，但迫于当时的仪器设备和计算机技术水平，一体化的智能桥梁健康监测系统并未成为现实；随着科学技术水平的发展，监测仪器及系统的逐渐成熟，桥梁结构的大空间大跨度使得业内对桥梁健康监测的研究日趋火热。国外桥梁结构健康监测系统的实施应用可以追溯到20世纪80年代，英国对总长522 m的连续钢构Foyle桥安装了长期监测仪器和自动数据采集系统，是最早的较为完整的健康监测系统，主要监测研究车辆荷载、风和温度环境荷载对大桥动力响应的影响[2]。美国对威斯康辛有65年历史的提升式桥Michigan Street桥安装了世界上第一套全桥远程健康监测系统，用于监测即将达到设计寿命周期的该桥梁裂缝扩展情况，与此同时对佛罗里达州的Sunshine Skyway桥安装了500多个传感器[3]。瑞士在Siggenthal混凝土桥的建设过程中预安装由58个光纤应变传感器、8个温度传感器和2个倾角仪组成的健康监测系统，主要监测施工过程中和以后运营期的屈曲、变形和位移[4]。丹麦在20世纪90年代曾对总长1 726 m的Faroe跨海斜拉桥进行施工阶段及运营首年的监测，目的是检查关键的设计参数，监测施工危险阶段以及获取开发监控维护系统所必需的监测数据，另外在主跨1 624 m的Great Belt East悬索桥上安装健康系统，并尝试把极端记录与正常记录分开处理以期缩小数据存量。挪威在主跨530 m的Skarnsnde斜拉桥上安装健康监测系统来对风、加速度、倾斜度、应变、温度、位移进行全自动监测[5]。

我国桥梁结构健康监测系统研究与应用起步相对较晚，依托我国20世纪90年代大规模基础设施建设的大环境，桥梁结构健康监测系统在我国得到了快速发展和较广泛的应用。中国江苏润扬大桥[6]悬索桥为单跨双铰简支钢箱梁桥，为中国第一，世界第三，主跨1 490 m；斜拉桥(176 m+406 m+176 m)为双塔双索面型钢箱梁桥，2005年建成通车。作为我国规模空前的特大型桥梁，对其建设和营运期间的健康监测、状态评估以及各种极端自然环境影响下的损伤预测和评估具有重要的实用价值和现实意义。该系统的监测项目包括缆索系统(斜拉索、主缆和吊杆)的振动响应、钢箱梁温度场及响应(应变、振动)、交通荷载状况、桥址风环境以及索塔的振动响应等。

3 大跨度铁路桥梁健康监测研究与应用现状

高速铁路从2008年起陆续投入运营，高速铁路的运营密度及高速度、安全性、舒适性等特性对高速铁路桥梁结构的静、动力性能提出了更高的要求。因此高速铁路桥梁在设计施工中有刚度较大、整体性好、纵向刚度大、减振性能和横向位移控制要求高等特点，所以高速铁路桥梁多采用小跨度的简支梁或连续梁[7]。但由于跨河、越江和跨峡谷的需要，大跨度高速铁路桥梁也越来越多。据不完全统计，建成和拟建的100 m以上跨度的高速铁路桥梁在200座以上。我国大跨度高速铁路桥梁的代表作是武广客运专线的天兴洲长江大桥和京沪高速铁路的南京大胜关长江大桥。

随着高速铁路桥梁服役时间的增长，桥梁结构长期处在复杂的自然环境作用下，受到材料老化、环境侵蚀、列车荷载的疲劳效应，桥梁结构的安全性和耐久性将不可避免地发生退化，这必然影响结构的安全运营，进而抵抗自然灾害甚至正常环境作用的承载能力下降；与此同时，关键截面构件损伤扩展很快，极端情况下可能引发灾难性的突发事故，造成重大的社会影响，建立针对高速铁路桥梁的健康监测系统有其重要的实用价值及现实意义。

高速铁路桥梁结构的健康监测系统应用可以追溯到20世纪90年代，Fuhr等在Vermont大学附近的一座铁路桥梁埋入光纤束和光缆，以监测该铁路桥梁在列车经过时的振动情况，从而了解该桥的工作情况[8]。中国香港青马大桥是主跨1 377 m的公铁两用悬索桥，香港路政署在桥上安装了温度计、应变计、风速风向仪、位移计、GPS、加速度计、地震仪、动态地磅等传感器。郑州黄河公铁两用桥梁健康监测系统共布置69个传感器，对桥梁状态进行健康监测、状态评估和损伤预警[9]。南京长江大桥为公铁两用特大桥，南京长江大桥安装了包括温度计、应变计、加速度计、风速仪、轨道衡、地震仪等150多个传感器的健康监测系统，确保大桥的安全运营和大桥的健康状态[10]。目前国内外高速铁路桥梁结构健康监测系统主要是针对公铁两用桥梁，且多为大跨径悬索桥和斜拉桥。高速铁路桥梁结构自身特性以及高速行车的安全性与舒适性要求都给高速铁路桥梁结构健康监测提出更高的要求[11,12]。

4 研究与展望

通过布设全套的高效有效的健康监测系统，可以获取桥梁结构的所有变形响应，并在桥梁运营后连续实时地反映出结构的状态。除了监测桥梁结构本身的状态和响应以外，还应注重对环境条件的监测与分析。随着研究的不断深入，研究者们逐渐认识到桥梁结构系统本身和外在荷载存在着显著的不确定性因素，而结构监测系统实时采集的各类监测数据则正好体现了运营状态下结构所经历的随机性、多样性和复杂性信息。结构安全监测数据具备4V特征，Volume(大量)、Velocity(高速)、Variety(多样)、Value(价值)，是一种特殊的“大数据”。为了充分利用桥梁海量监测数据，研究和发展了多种数据挖掘与分析方法，建立了桥梁结构荷载、环境作用、结构响应等监测数据的统计建模方法，初步揭示了桥梁结构在温度、风、车辆荷载等时变环境作用下的静、动力特性的变化规律。例如，基于温度长期监测数据研究了桥梁结构的温度变化特征，采用统计学方法得到了桥梁关键构件温度以及温差作用的概率统计模型；开展了大跨桥梁桥址区风环境的长期监测，利用参数估计方法建立了持续风特征参数的统计分析模型；利用动态车辆称重技术研究了桥梁疲劳车辆荷载的统计分析模型；研究了钢桥焊接细节在温度和车辆荷载作用下疲劳应变时程曲线的变化规律，建立了焊接细节疲劳荷载效应与温度以及车流量的统计相关模型。

尽管国内外学者针对桥梁监测系统和对监测数据分析与应用取得了丰硕的成果，但是这些研究工作大多仅是针对桥梁环境荷载以及结构响应开展分析，尚不能完全揭示结构服役性能的长期变化规律。其中很重要的原因是缺乏基于长期荷载作用和结构响应信息的桥梁结构抗力参数反演方法，对桥梁结构抗力模型中的关键参数的长期演变规律研究甚少。缺乏抗力模型的研究，就无法准确地对结构服役性能进行评价。因此，目前对于桥梁监测海量数据的分析仍然停留在问题的表面，亟需建立桥梁结构长期变形、疲劳、耐久性和承载力等服役性能的识别方法。

[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,2001,29(1):65-69.

[2] Brownjohn J M W,Moyo P,Omenzetter P,et al.Lessons from monitoring the performance of highway bridges[J].Structural Control and Health Monitoring,2005,12(3):227-244.

[3] 张启伟.桥梁结构模型修正与损伤识别[D].上海：同济大学博士学位论文,1999.

[4] Inaudi D.Monitoring of a concrete arch bridge during construction[J].Smart Structures and Materials,San Diego,2002(1):4696-5017.

[5] Myroll F,Dibiagio E.Instrumentation for Monitoring the Skarnsunder Cable-Stayed Bridge[J].Strait Crossing 94,Krokeborg,Balkema,Rotterdam,1994(2):54-65.

[6] 李爱群,缪长青,李兆霞.润扬长江大桥结构健康监测系统研究[J].东南大学学报(自然科学版),2003,33(5):544-548.

[7] 卢 状,胡若邻.高速铁路桥梁长期健康监测探讨[J].建筑监督检测与造价,2011(6)：19-20.

[8] Fuhr P L,Huston D R,Ambrose T P，et al.Stress monitoring of concrete using embedded optical fiber sensors[J].Journal of Structural Engineering,1993,119(7):2263-2269.

[9] 李松报.基于桥梁健康监测系统的郑州黄河公铁两用桥的桥梁养护管理体系的构建[J].铁道标准设计,2009(8):58-62.

[10] 何旭辉,陈政清,黄方林,等.南京长江大桥安全监测和状态评估的初步研究[J].振动与冲击,2003,22(1):75-78.

[11] 魏召兰.高速铁路大型桥梁结构健康监测与状态评估研究[D].成都:西南交通大学,2012.

[12] 赵 虎.基于动力参数的高速铁路桥梁多层次损伤识别与性能评定[D].成都:西南交通大学,2010.

Research prospects of long-span bridge health monitoring and status assessment

Wu Laiyi1Ding Youliang2Wang Gaoxin2

(1.ChinaRailwayMajorBridgeReconnaissance&DesignGroupCo.,Ltd,Wuhan430050,China；2.SchoolofCivilEngineering，SoutheastUniversity，Nanjing210096,China)

In this paper, the current situations of long-span highway and railway bridges health monitoring and status assessment are introduced based on the characteristics of highway and railway bridges. It evaluates current bridge health monitoring system. The shortage of current health monitoring system is summarized. Furthermore, directions of development in this area are proposed.

long-span， highway bridge， railway bridge， health monitoring

2015-04-05

吴来义(1973- )，男，工程师； 丁幼亮(1979- )，男，博士，研究员； 王高新(1987- )，男，在读博士

1009-6825(2015)17-0158-02

U446.2

A