公路桥梁健康监测与安全预警研究简述

李思阳

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

桥梁在建造和使用过程中，由于受到环境、有害物质的侵蚀，车辆、风、地震、疲劳、人为因素等作用，以及材料自身性能的不断退化，导致结构各部分产生不同程度的损伤和劣化。近年来，陆续地出现了一些重大桥梁事故。这些事故与很多因素有关，其中缺乏行之有效的监测措施和必要的维修、养护措施是重要原因之一。这些触目惊心的事故使得人们对现代桥梁的质量和寿命也逐渐关注起来。随着现代传感技术、计算机网络与通讯技术、信号采集与分析技术领域的飞速发展，对桥梁结构安全预警系统的研究在近些年来已经成为国内外工程界和学术界关注的热点[1]。

1 公路桥梁健康监测研究

1.1 桥梁健康监测系统研究现状

桥梁健康监测的基本内涵即是通过对桥梁结构状况的监控与评估，为桥梁在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况异常严重时发出预警信号，为桥梁的养护维修和管理决策提供依据与指导[2]。桥梁健康监测系统是一个多学科、多组成、多功能的系统，以桥梁检测/监测为基础，辅以信号处理、结构分析、损伤识别、可靠性评估等多种手段，对结构进行健康与安全评估，达到安全预警的目标。桥梁健康监测为桥梁工程中的未知问题和超大跨度桥梁的研究提供了新的契机[3]。

近二十年来，对于桥梁结构健康监测理论的研究主要集中在结构的整体性评估和损伤识别上。尽管在一些简单的结构上，一些整体性评估技术已经取得了成功，但这并不能令研究人员放心地将该技术应用于大型复杂结构。原因主要几点：

(1)结构与环境中的随机性和非结构因素的干扰。

(2)监测信息不完备。

(3)测试方式的单一性。

(4)测量精度难以保证且测量信号易受到外界干扰。

(5)桥梁结构超静定次数高且测量信号对结构损伤敏感度低。

1.2 桥梁健康监测系统数据库

桥梁健康监测系统的数据库也称为桥梁信息管理系统，其主要的作用和功能简言之就是记录桥梁信息并便于桥梁做日常检查、养护、管理。系统包含桥梁基本数据库管理功能，桥梁损伤评价系统以及桥梁维修管理计划优化系统。3个系统相辅相成，且各自独立使用，系统使用者根据不同对象的检测需要可从任意系统开始执行程序。

数据库系统包含桥梁基本信息系统(设计、施工、环境、地理位置等)，桥梁检查记录系统和维修加固记录系统。

(1)桥梁基本信息系统：该系统储存了海量的桥梁基本信息数据用于对桥梁做日常管理。通过该系统可以检索和浏览桥梁的基本数据。这些存储在系统的海量数据可以为损伤、检查、维修、加固评价以及制订维修管理计划提供支持。

(2)检查记录系统：该系统把各种检测得到数据(应力、应变、位移、环境变化)制作成图片、图表等形式，按时间顺序记录存档这些信息，实时监测桥梁的是否收到损伤。

(3)维修、加固记录系统：当桥梁曾经受过维修、加固时，该系统会记录该类数据并制作成文档。系统收集的数据包括以各类形式记录的工程内容，可以作为今后如何经济有效维修加固桥梁的可靠依据。

2 公路桥梁安全预警研究

2.1 公路桥梁安全预警监测内容与体系研究

鉴于目前公路桥梁管养任务繁重，传统的人工养护显然已经难以适应当前的形势。桥梁工程师们也一直在探讨并研究“自动化”的桥梁检测评定与养护决策体系。主要针对大型桥梁的“健康监测系统”已经有一定研究成果，但存在难以适用于中小跨径桥梁、系统建设费用高、维护困难等问题。在此，在传统的桥梁检查技术的基础上，研究适合公路上数量占据绝对优势的中小跨径桥梁的“安全预警监测内容与评判体系”。

对于常规跨径的公路桥，桥梁安全预警监测系统应该结合具体的桥梁特点，优化监测内容与测点布置，归纳起来通常对以下几个方面进行监测。

(1) 桥梁结构动态响应：如对结构动态应力、动态位移、振动加速度等。

(2) 桥梁结构的长期准静态几何变位：如墩台变形或基础沉降等。

(3) 桥梁环境参数：如测量地脉动、风向、风速和温度等。

(4) 通行桥梁的荷载参数：如车辆轴重。

(5) 桥梁特定构件：如吊杆力、支座反力或位移、裂缝扩展等。

2.2 公路桥梁安全预警监测评估体系

在公路桥梁安全预警监测评估系统中，需要在监测数据和检测数据的基础上，结合桥梁既有的信息如数据库、专家知识库、桥梁运营现状条件等，依靠尽可能少的监测数据构建相应的评估指标并与桥梁相应的评估阈值体系进行对比分析，能够对桥梁的运营安全性等做出准确的评估。安全预警监测评估体系主要涉及评价指标的构建、评价方法、评价指标阈值3个主要内容。当监测中的数据超出相应阈值时，应及时启动桥梁安全预警。

桥梁运营安全性评估层次桥梁运营安全性评估分监测与检测数据的直接评估、监测与检测数据随时间的变化量评估两个层次。直接评估是将某一时段实测结果数据，将其与理论计算值或相应的规范限值等进行对比分析，判断桥梁结构承载能力、行车适用性及耐久性等。随时间的变化量评估，是将多次监测与检测的结果同初始值对比，分析其变化量是否超越对应的均方差限值等，并用以判断桥梁结构承载能力、行车适用性的劣化情况。中小跨径桥梁综合评定流程图如图1所示。

图1 中小跨径桥梁综合评定流程

2.3 公路桥梁安全预警监测方法与理论

采用高灵敏度传感器等测记桥跨结构的微幅振动响应信号，再实施信号处理分析出结构的模态参数，以随机环境荷载为激振的动力测试方法也称为脉动法。外加荷载激振方法主要有：强迫正弦激振法、冲击激振、行车荷载激振等。而在实际的桥梁动荷载试验中，通常以载重车辆以一定的速度通行桥面，在指定位置跳车、刹车激振，测试桥梁结构的各类动力时程响应，并可以从车辆激振的余振信号中提取结构的模态参数和结构的阻尼比。动力测试系统原理如图2所示。

图2 动力测试系统原理

在桥梁结构的安全预警监测系统与养护辅助决策系统性能评定中，同样需要对桥梁实施激振，而考虑到现场的条件并减少人工作业等。因此，监测中的激振主要是考虑桥梁自然使用状态下的环境荷载以及桥上通行荷载为激振源，更适合数量庞大的桥梁“自动化”管养。

2.4 公路桥梁安全预警测点优化布置

在实际梁的动力测点布置中，根据上述理论分析结果，并结合实际桥梁的情况，在桥梁的纵向，具体的测试截面布置方法如下。

(1)简支梁：可按照4分跨的间距布置测点，测点并包含支座处的测点。跨度相对较大或精度要求较高简支梁可按6分跨布置。

(2)连续梁： 2跨连续梁可参照简支梁2跨同时布置。3跨及以上时，较大跨径的主跨可按照8分跨的间距布置测点，边跨按8分跨的间距布置测点，测点并包含各墩顶处的测点。跨度相对较小或精度要求并较高连续梁主跨可按4分跨或6分跨布置。

(3)拱桥：自振特性测点可根据跨度的大小，可按照8分跨的间距布置测点，测点并包含拱脚处的测点。跨度相对较大或精度要求较高简支梁可按16分跨布置。

对于每个截面，测点布置中，自振测点应考虑竖向与横向各一个测点；其他动态测点应不少于3个，以保证测点的可对比性。

3 结论

桥梁数量越来越庞大，随着时间的推移桥梁病害越来越显著，威胁公路交通安全，传统的养护维修工作已经难以适应目前的形势。在既有“桥梁健康监测系统”的基础上，结合传统的桥梁检测技术，提出适合公路上数量占据绝对优势的中小跨径桥梁的“安全预警监测内容与评判体系”。在该系统中，以“自动化”的桥梁监测为主，辅以人工检测，并基于有关技术实现桥梁检测、评估及辅助决策信息化管理。在基于现场动态测试的桥梁结构运营安全性评估中，提出以动测参数直接评定、参数变化量评定以及综合评定的方法，再结合人工检测评定结果，实现桥梁性能准确评定。