大跨度桥梁结构健康监测系统

蔡 明

（深圳市市政设计研究院有限公司，广东 深圳 518029）

0 引言

近二、三十年来，随着桥梁工程领域内设计、施工技术和材料等方面的理论和工艺的突飞猛进，在世界范围内斜拉桥的发展也是引人瞩目。在中国，千米级的大跨斜拉桥也相继诞生。大跨桥梁的迅猛发展和近几十年来桥梁工程领域内的轻重不同的破坏事故引起了管理者和桥梁工程界所有人士对斜拉桥施工和运营期间安全性、耐久性和正常使用功能的关注。

传统的桥梁结构健康状况的评估是通过人工目测检查或者借助于便携式仪器测量所得到的信息而进行的。由于这些传统的检查方法需要大量的人力、物力和财力，主观性强，难于量化，影响正常交通，周期长，实时性差等缺点和限制，无法直接有效地应用于斜拉桥的健康状况检查和评估，所以大跨桥梁结构的健康监测系统应运而生[1,2]。

现代大跨桥梁结构的健康监测系统是现代先进监测技术、数据分析和处理技术、健康诊断技术和传统人工检查方法的合理结合。随着传感器、数据传输、计算机软硬件、信号处理和分析、以及人工智能的迅猛发展，基于计算机自动的、连续的、和实时在线的大型桥梁结构的健康监测系统得到了广泛深入的发展和应用。

本文主要阐述了大型桥梁健康监测系统的发展、健康监测系统的概念、组成、健康监测系统的设计和健康监测系统的理论发展等内容。

1 桥梁健康监测系统的发展

20世纪80年代中后期各种规模的健康监测系统开始了建立。例如：英国在总长为522 m的三跨变截面连续钢箱梁桥Foyle桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风和温度场，该系统是最早安装的较为完整的监测系统之一，它实现了实时监测、实时分析和数据网络共享。建立健康检测系统的典型的桥梁还有挪威的主跨为530 m的Sharnsundet斜拉桥[3]、美国主跨为440 m的Sunshine Skyway Bridge斜拉桥、丹麦主跨为1 624 m的Great Belt East悬索桥[4]、英国主跨为194 m的Flintshire独塔斜拉桥[5]以及加拿大的Confederation Bridge[6]等。我国自20世纪90年代起也陆续在一些大型重要的桥梁上建立了不同规模的健康监测系统，如：20世纪90年代香港的青马大桥、汀九桥和汲水门桥，内地的上海徐浦大桥、江阴长江大桥等[7-8]；21世纪的有内地的东海大桥[9]、杭州湾大桥[10]、润扬大桥[11-12]、千米级斜拉桥苏通大桥[13]、湛江海湾大桥[14-15]等；香港的千米级斜拉桥昂船洲大桥等。

从以上健康监测系统的发展的简要叙述可以看出，健康监测系统在世界范围内越来越成为保障大跨桥梁健康的重要的甚至是唯一的手段，使大跨桥梁结构的健康状况的在线、实时和长期的监测和评估成为可能。这是被一直延续采用了七八十年的传统的桥梁结构检测手段所无法实现的。

2 大跨桥梁结构健康监测系统

2.1 大跨桥梁结构健康监测系统的概念

随着现代化桥梁结构健康监测系统的逐步发展，大跨桥梁结构的健康监测系统的概念越来越清晰地呈现在众多研究和使用者的面前：大跨桥梁健康监测系统，是一个以桥梁结构为平台，应用现代传感、通讯、和网络技术，优化组合结构监测、环境监测、交通监测、设备监测、损伤识别、整体性能评估、综合报警、信息网络分析处理、和桥梁养护管理各功能子系统为一体的综合监测系统。其可以实现对结构整体损伤的长期跟踪监测，达到对局部、短期损伤技术的有益补充，从而极大地延拓了桥梁检测领域的内涵，提高了预测评估的可能性。

桥梁结构的健康监测系统的主要功能和目的是为了让桥梁结构在施工和运营期间的承载能力、运营状态、安全性和耐久性得以实时在线的掌握。

除此而外，通过桥梁健康监测系统而获得的实际结构的动静力行为来验证桥梁结构的理论模型、计算假定等具有重要意义。事实上，现在国内外一些重要大跨桥梁结构在建立健康监测系统时都强调利用监测的信息来验证结构的设计。桥梁健康监测信息反馈于结构设计的更深远的意义在于：结构设计方法与应用的规范标准等可能得以改进。对桥梁在各种交通条件和自然环境下的真实行为的理解以及对环境荷载的合理建模是将来实现桥梁“虚拟”设计的基础。

还有，尽管大跨桥梁结构在抗风、抗震领域内的研究成果及新材料新工艺的出现不断推动着大跨桥梁的发展，但是大跨度桥梁的设计依然存在着众多的未知和假定，超大跨度桥梁的设计也存在许多需要研究的问题；同时，大跨桥梁结构的健康监测和评估技术的深入研究和发展也需要结合现场实验和调查，而实时、在线的健康监测系统则恰好为这些问题和研究提供了“现场实验室”和最真是的信息。

总之，大跨桥梁结构的健康监测系统的概念具有着越来越广的涵义。但是，如上所述，结构健康监测和评估（Structural health monitoring and evaluation）才是大跨桥梁结构健康监测系统（Structural Health Monitoring System）的主要行为。而这些主要行为通常是通过将被指定了桥梁等级标准（也就是监测和/或评估标准）的物理模型（physics-based model）和测量模型(measurementbased model)的数值结果与/或推导结果间的相关性分析来展开实现的。物理模型（physics-based model）通常是指基于结构的设计和施工信息通过有限元分析工具建立起来的，通常被应用于离线（off-time）的结构健康评估工作；而测量模型（measurement-based model）是指通过对健康检测系统所测得的数据用统计分析工具进行统计分析而建立起来的模型，它们一般被应用于实时（real-time）的结构健康监测工作。实时结构健康监测工作和离线的结构健康评估工作的主要行为见图1。

2.2 大跨桥梁结构健康监测系统的组成

大跨桥梁结构的实时、在线健康监测系统的组成有着众多大同小议的叙述。最为广泛的两种叙述为：健康监测系统由5个子系统组成：传感器系统、数据采集和传输系统、数据处理和控制系统、结构健康评估系统、检查维护系统；健康监测系统一般由硬件系统和软件系统两大部分组成。硬件系统对于大跨桥梁结构来说，包括对结构环境荷载、运营荷载等进行测量的传感器及其数据采集传输设备和对结构响应进行测量的传感器及其数据采集和传输设备；软件系统则通过硬件系统得到的数据，对采样数据进行分析、归纳和推断，进行结构的损伤识别、损伤定位、和损伤程度的标定和评估，对整个结构系统的安全状态和存在的隐患做出较准确的评价，如需维修，提出相应的维修决策；如果桥梁损伤导致结构不能继续使用，提出相应的重建决策。

从信息学的角度来说，桥梁健康监测的过程就是通过测试从数据信号中提取有关信息，对结构进行认识的过程。数据处理和控制系统包括对数据进行预处理、二次处理、后处理、数据储存、数据显示及数据共享等工作。数据预处理主要是：对原始数据进行统计运算，计算设定时段内的最大、最小值、均值、方差、标准差、变化幅值等，计算结果作为初级预警的输入，并用以判定信号是否正常；对原始数据进行去噪等。数据的二次处理是指对数据的幅域分析显示、频域分析显示、时域分析显示、频度计数分析显示、傅立叶分析等，以便判别结构监测数据的发展趋势及变化特征值，作为评估结构性能的依据。数据的后处理是指对监测数据的高级分析，如：实时模态分析、桥梁特征量与环境因素之间的相关性分析等。由于需占用较长的计算时间，所以这一分析过程需要离线进行。

桥梁结构的健康评估系统时桥梁结构健康监测系统的核心。结构健康评估主要以损伤识别的方法进行。结构健康状态评估系统又分为在线评估和离线评估两部分。在线评估主要是对实时采集的监测数据进行基本的统计分析、趋势分析，设立预警系统，给出结构的初步安全状态评估；离线评估主要是对各种监测数据（包括其他系统、日常管养信息等）进行综合的高级分析，离线评估需采用有限元分析、模态分析等方法进行。

为了定量化了解构件的受力状态和损伤、以及损伤对结构的整体性能的影响，需要建立一个适合损伤分析、监测的三维有限元模型，模型的建立应该以最终的成桥状态构造为基础和以独立的结构构件为分析单元。通过准确精细的有限元分析模型，可以对各类损伤做细致的模型，从而实现损伤识别和状态评估。

可以看出，不论如何定义健康监测系统的组成，其本质都是一致的。从大跨桥梁结构的健康监测系统的组成可以看出，桥梁健康监测和评估的主要内容包括：健康监测系统硬件系统的研究，即：传感器类型和位置的确定、传感器信号的收集和传输设备的确定和布置；由健康监测系统硬件系统所收集的数据的分析与处理研究，即：如何把直接测量所得到的原始数据进行分析，排除噪声、仪器误差等的影响，去除病态数据，从而得到各种可靠数据；桥梁结构健康评估和损伤诊断研究，即：通过桥梁健康监测判断桥梁的健康状况，识别可能损伤的位置和程度，提出相应的维修或者重建方案。

图1 大跨桥梁结构健康监测系统：实时监测和离线评估行为示意流程图

3 大跨桥梁结构健康监测系统的设计和监测内容

3.1 大跨桥梁结构健康监测系统的监测内容

大跨桥梁结构的健康监测内容通常要根据监测的目的和桥梁结构的类型来定。一般来说，大跨桥梁结构的监测内容应该包括：（1）桥梁结构所处环境的监测，如：大气温度、风向风速、腐蚀、桥墩基础冲刷状况、地脉动等；对环境因素的监测可以确定环境施加于桥梁结构的荷载；（2）桥梁结构的运营荷载的监测，如：公路车辆和/或火车车辆等；对运营荷载的监测可以判断桥梁结构在运营过程中是否超载，也可以对运营荷载模型建立清晰的概念；（3）对结构特性的监测，如：结构静力影响系数，结构动力特性等；（4）结构静动态响应的监测，如：结构整体结构的几何变形，关键构件和部位的应力变化及分布，钢构件的疲劳状况，斜拉索的索力等。

根据对环境荷载、运营荷载和结构静动力反应的测量数据进行合理的处理和统计分析后，可以建立和得到环境荷载与结构整体或者局部、运营荷载与结构整体或者局部之间的统计关系模型，也就是所谓的基于测量的模型（measurementbased model）。而这些模型是大跨桥梁实时在线健康监测的基础。而针对这些监测内容的测量数据也是基于物理模型（physics-based model）离线健康评估和损伤识别的基础。

3.2 大跨桥梁结构健康监测系统的设计

大跨桥梁结构健康监测系统的设计首先应该遵循“简洁、实用、性能可靠、经济合理”的原则，在满足大桥养护管理和运营需要的同时兼顾考虑设计验证和科研实验的需求。根据具体的桥梁结构类型确定合理的监测内容和监测点。数据的采集和传输系统应该是自动、连续的，并且可在特殊情况下进行特殊采集和人工干预，系统具有实时的自诊断功能和时间同步功能。而数据的处理和控制系统则首先具有合理、高效的预处理和二次处理功能，为离线的后处理打下很好的基础。密切结合各大桥的管理和养护维修要求，设计合理的桥梁健康评估和损伤识别系统，以对桥梁的整体健康状况和构件的非正常表现做出诊断，并找出根源，及早发现灾难性破坏的隐患。设计合理的检查维护系统。香港某大跨斜拉桥健康监测系统的布置见图2。

图2 某斜拉桥的健康监测系统布置图

对于该钢混叠合梁斜拉桥而言，在环境温度荷载、风荷载和运营期间车辆荷载的作用下，其整体和局部的静动力反应是设立健康监测系统的主要内容。具体而言，桥道系两端的纵桥向位移、两中跨的竖向位移、塔顶的三向位移、塔顶斜拉索的集中锚固区、斜拉索在桥道系上的锚固区、跨中截面钢梁的应力及分布、塔与桥道系相连接处、斜拉索的振动等都是需要监测的重点。所以，从图2可以看出，为实现对环境温度和结构的监测，分别在右边中跨截面和中塔上两个不同标高的截面上设置了测量大气温度和构件温度的83个温度传感器；为了实现对风的监测，分别在三个塔顶各设一个、两个中跨截面各设一对共7个风速计来测量风速和风向；为了实现对桥梁结构动力特性的监测，分别在桥道系沿纵向、塔顶和纵向稳定斜拉索上设置了共45个加速计，测量各测点不同方向的加速度；为了实现对运营车辆荷载的监测，在右侧引桥上接近引桥与斜拉桥桥道连接处的横截面内设置了weigh-in-motion系统，实现对每个车道车辆类型、数目、轴重、总重等信息的收集，该weigh-in-motion的位置没有在图二中标识出来；为了实现对桥道系两端的纵桥向位移进行监测，在两端分别设置了一个位移功能变换器；为了实现对塔顶和桥道两中跨处的位移监测，分别在三个塔顶各设一个、在两个桥道中跨截面各设一对共7个GPS;为了实现对桥梁结构中一些重要截面和构件的应力变化和分布的监测，特别是为了评价桥道系钢梁的疲劳损伤和剩余疲劳寿命，在桥道系的右中跨横截面、近中塔的横截面、两端的摇轴支座上分别设置了共88个动态应变传感器；共有3个数据采集站设置于该桥梁结构上。

该健康监测系统的数据处理和分析系统以及健康评估系统则设立在大桥附件的大桥管理中心大楼。该系统所收集的数据包括通过各传感器所获得的原始数据和经过预处理的推导数据，在进行数据的二次处理和后处理时，可根据不同的需要确定数据分析是应该从原始数据出发还是从经过预处理的数据出发。而该健康监测系统的二次数据处理、高级数据处理和结构健康评估都是离线工作。

4 大跨桥梁结构健康监测理论发展

大型桥梁结构现场监测用仪器及监测系统的组成是国内外桥梁健康监测系统研究的热点。由于大型桥梁结构工作所处的环境一般都比较恶劣，容易遭受大风、地震、大雨、及日晒等恶劣环境因素的侵袭，所以现场监测系统的组成及仪器，应该能够适应桥梁健康监测环境的要求和考验。大型桥梁结构的受力状态以及所处的外部环境均较复杂，要求健康监测系统的传感器能够较全面地获取桥梁结构的环境荷载、局部性态、整体性态等信息。桥梁结构健康监测系统的应用经验证明，现阶段的大部分传感器都存在着磨损、疲劳问题，即安装使用几年或者一段时间后，收集的信号数据就显示出由于传感器的磨损而产生的影响。还有就是各类传感器的使用寿命几乎都不可能与桥梁结构的服役寿命相同，所以存在在桥梁结构服役期间多次更换传感器的可能，有些传感器是桥梁结构在建造的过程中就埋设的，其更换工作是很难以实现的。所以现阶段传感器的继续研究是有很大必要的。

对于健康监测系统中的数据处理和分析技术，也一直伴随着传感器的发展。信号分析和处理的方法很多，其中以傅立叶变换最为经典，它将信号从时域变换到频域，将原始信号分解为一组正交三角函数的加权组合。后来又陆续出现了短时傅立叶变换（STFT）和Wigner-Vill变换、小波分析、Hilbert-Huang变换（HHT）和数据挖掘理论的信号分析和处理方法。正由于各种信号处理和分析技术都有各自的局限性和适用范围，才导致了新的信号处理和分析方法和技术的不断出现，也推动着数据处理和分析方法和技术的不断发展。

二十多年来，桥梁健康监测理论的研究主要集中于桥梁结构整体性评估和损伤识别。由于基于振动信息的整体性评估技术在航天、机械等领域内的深入研究和应用，该类技术被作为土木结构中除无损检测技术外的最重要的整体性评估方法，并得到广泛的继续研究[16-19]。众多研究者致力于基于振动测量数据的整体性评估方法的研究的另一重要原因是结构振动信息可在桥梁运营过程中利用环境振动法获得，因此该方法具有实时监测的潜力，也成为了大型桥梁健康监测的重要手段和方法。相反，大跨桥梁进行全面的静力响应检测在技术上和经济上都难以实现，也会影响桥梁的正常运营，并且静力响应往往不能很好的反映桥梁整体工作性能和损伤状况，而是更多的反映桥梁的局部构件的工作性能和损伤情况。

桥梁结构整体性评估方法越来越成为桥梁工程界众多研究者所热衷的课题。迄今为止桥梁结构整体性评估方法可以归结为三类：模态识别法、系统识别法、神经网络法。桥梁结构的模态参数经常被用作结构的指纹特征，也是系统识别和神经网络法的主要输入信息。另外，基于结构应变模态、应变曲率、及其他静力响应的评估方法在不同程度上显示了各自的检伤能力。然而，尽管某些整体性评估技术已在一些简单的结构上有成功的例子，但还不能可靠地应用于大跨度的、结构复杂的桥梁工程上。阻碍这些技术成功、高效地应用于大跨度桥梁结构的原因是：结构与环境中的不确定性和非结构因素的影响；测量信心相对于整个结构而言还是有限的；测量信息的噪声的影响；以及桥梁结构赘余度大并且测量信号对局部损伤不敏感等。

5 结论与展望

从理论意义上来说，健康监测系统是大型和特大型桥梁运营、管理和养护智能化的关键技术，是集传感技术、信号收集和传输技术、数据处理分析技术、结构健康评估技术、大型桥梁结构动静力分析理论和技术、各种环境荷载模型的建立技术、计算机技术、随机过程分析技术等于一身的庞大、复杂系统。正是由于这些相关的技术在各自的领域内也正处于发展之中，导致桥梁健康监测系统的不完善。特别是健康监测系统在土木工程中的应用尚为初步阶段，还有很长的路来达到大型桥梁结构健康监测系统功能的完善。

另外，从应用方面来看，基于众多研究和使用者在大跨桥梁结构健康监测系统的工作经验，现在大家普遍认为，虽然近二十年来几乎所有的国内外大跨桥梁结构都设计和安装了实时、在线的健康监测系统，并且由健康监测系统收集的数据也可以说是海量的，迄今为止还没有成熟的大型桥梁结构健康监测的运营系统，也就没有真正完全实现设立大型桥梁结构健康监测系统的目的和初衷。

但是，因为大型桥梁结构健康监测系统的研究工作的持续展开必将为重大、重点工程的结构安全和正常工作提供科学的理论依据、技术导引和监控措施，所以结构健康监测系统是当前国内外土木工程学科的热点研究领域，并且在相当长的一段时间内都会如此。