桥梁检测与监测技术的发展趋势

欧阳歆泓 ，徐一超 ，3

（1.在役长大桥梁安全与健康国家重点实验室，江苏 南京 210012；2.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210012；3.东南大学，江苏 南京 210096）

伴随着现代化建设的不断推进，我国交通运输行业蓬勃发展，桥梁结构作为交通线路的咽喉，近年来取得了举世瞩目的成绩。目前，中国桥梁总数已超过百万，而大量建设中的超大跨度、超大难度的跨江越海大桥仍在继续挑战工程的极限。但桥梁建成只是其发挥作用的起点，只有保证安全与健康才能充分发挥其作用。桥梁检测与监测技术是保障桥梁安全运营的关键，其依靠现场检测与实时监测获取桥梁结构的损伤状况与动力特征，从而分析桥梁的实际承载状况[1-2]。但随着工程应用的不断增多，现阶段桥梁检测与监测技术的瓶颈也日益突出，其中最主要的问题可概括为以下四个方面：（1）理念瓶颈。设计阶段缺乏对桥梁养护中检测与监测需求的考虑。（2）标准体系瓶颈。标准的建立未能跟上工程发展的实际需求。（3）方法、工具与装备瓶颈。现有技术与设备未能适应复杂多变的检测与监测环境。（4）数据分析瓶颈。海量多源的数据堆积，未能得到充分有效利用。随着社会经济的发展，政府、企业及社会公众对桥梁安全与健康的关注度日益提高，这对检测与监测结果的真实性、可靠性与有效性提出了更高的要求。因此，急需解决上述瓶颈，推动桥梁检测与监测技术向“低成本、高精度、短时延”发展。文章介绍和总结了现阶段桥梁检测与监测技术发展现状与技术瓶颈，并针对目前研究所存在的不足，指出了桥梁健康检测与监测技术的发展趋势和研究方向，希望能为桥梁检测与监测研究的工程技术人员提供参考。

1 桥梁检测与监测技术的发展瓶颈

1.1 理念瓶颈

精细化、全寿命的设计理念是欧美发达国家在桥梁设计中的主导思想，强调在结构设计阶段应充分考虑桥梁养护、检修等情况，为相关工作预留空间或设置构造措施。目前国内的桥梁设计中总体缺乏对桥梁养护阶段的考虑，导致在桥梁检测与监测中难以做到“可达、可检、可修”，更别说“易达、易检、易修”，这反映了当前桥梁设计中全局性理念的缺失。例如，在国内，除了跨江、跨海的大型、特大型桥梁设计有专门的检修通道，其他类型桥梁一般没有相应的检修通道，缺乏对桥梁易检测性的考虑[3]。检修通道的缺乏，给桥梁检测与监测工作带来了很大的难度，部分区域难以到达，从而难以进行有效的检测与监测。若采用桥梁检测车进行检查，一方面占用车道、影响交通；另一方面也增加了检测工作的经济投入，与桥梁检测“低成本”的发展目标相矛盾。

1.2 方法、工具与装备瓶颈

检测与监测中所采用方法、设备的合理性和有效性是确保桥梁健康评估结果准确性的关键保障。目前，桥检车与无人机是进行检测的常用设备，但桥检车工作时不仅影响道路交通，而且存在较高的安全隐患；而无人机在操控的便利性、续航能力、噪声测试等方面也存在较大的问题，这些问题始终未能得到完善的解决[4]。另外，桥墩、基础等构件常常需要水下检测，而目前水下检测主要依靠潜水员水下摸排及观察。一方面，潜水员检测效果受光照、水质等因素影响较大；另一方面，潜水员往往不是桥梁工程师，难以对水下观测结果做出直接判断，需要再次进行行业术语转换，然后判断结构的损伤程度，二次转换过程必然会导致部分信息丢失，不够准确，从而降低了检测的效率。

在无损检测方面，目前所能采用的手段尚不完善，存在大量难检项目。例如，对桥梁缆索的腐蚀断丝检测仍大量采用开窗法进行，否则无法观察内部情况，而这又对缆索护套造成了损伤。同时，混凝土中的实际预应力检测、孔道压浆密实度检测等也一直很难取得突破性进展。

现场试验是用来评价桥梁承载力的重要手段，但传统荷载试验方法费时费力，对交通影响大，成本代价高。试验检测过程数据录入虽然实现了信息化，但操作不便、实际效率很低。另外，现行健康监测系统虽在通信和数据存储上的发展已能满足需求，未来5G的应用也会加速提升性能，但在数据采集与获取方面存在着传感器使用寿命远小于桥梁设计使用年限，点式传感器的信号与结构损伤之间的逻辑性和联系性较弱，监测系统的实施安装缺少行业标准等系列问题。

2 对于发展瓶颈的突破建议

2.1 准确把握技术趋势

如何保障桥梁的安全性、耐久性和使用功能已成为目前桥梁工程界的巨大挑战。桥梁工程技术发展以建设为主向建设与养护并重转型。随着对桥梁的结构要求、服役要求以及长期性能要求的提高，桥梁检测与监测及其相关的病害诊断与分析技术的研究将呈现出新的趋势，主要表现为深入化、集成化、标准化与智能化四大特征。

（1）深入化。结构损伤机理研究将逐步从微观向宏观、从短期向长期、从单因素向多因素耦合拓展。

（2）集成化。无损检测装备与养护维修装备的小型化、专业化、集成化程度将日益提高；健康监测系统中传感、采集与传输设备的高度集成将是大势所趋；依托BIM平台，设计、施工、检测、监测、养护、维修的信息将高度集成融合。

（3）标准化。不仅是传统意义上的检测、监测、养护动作和质量评定方法的标准化，还包括数据互联互通的信息标准化。

（4）智能化。随着机理研究的日益深入、数据积累的日益增多、信息融合的日益加强，以及大数据分析、云计算、机器学习等技术的进步，桥梁养护智能化研究将受到关注，结构病害的早期识别、趋势推演、检测评分自动进行、安全风险自动排序、养护资金智能优化配置、桥梁寿命预测将成为可能。

2.2 实现重点技术突破

在桥梁检测中，目前大量采用近距离人工观测或接触式仪器检测，风险高且需投入大量的人员与资金，而且部分关键部位由于位置隐蔽往往难以得到有效的检查，从而导致桥梁检测合格但实际承载能力严重受损的情况出现。因此，应大力发展非接触性的表观病害检测，提升隐蔽部位、难检部位的检测能力和检测效率，提升现场记录的自动化和信息化水平。例如，研发基于深度学习的病害识别技术，通过计算机视觉自动提取病害的特征，实现病害高精度识别；研发基于磁致伸缩导波的无损性拉吊索断丝检测技术，对于断丝截面损失情况进行精准化评估；研发准静态快速荷载试验技术，缩短荷载试验时间并减小试验成本，同时精准评价桥梁的承载力状况；研发同步压缩变换瞬时频率算法，有效提取重车通过时索承桥的索力极值，为超载报警和突发事件的安全评估做出及时预判；研发更高精度、高频率的位移测量技术，如长标距的光纤传感、微波干涉雷达等技术。只有不断突破现有技术的瓶颈，才能够不断提高桥梁检测的效率，准确评估桥梁状态。

在桥梁状态实时监测方面，目前普遍存在传感器寿命低，点式布置传感器难以反映全桥的损伤状况以及缺乏现场实施、评定与维护标准等几方面的问题。同时，对于海量的监测数据，自动化处理程度仍有待提高，且耦合数据分离始终存在困难。此外，在分析评估中，目前总体停滞于构件级评估，而全桥评估发展缓慢，对于结构健康状态的预警与评估指标也有待进一步优化。基于上述因素，应进一步加强耐久性高、生产成本低且易更换的传感器的研发与应用，同时推广分布式传感器的应用，加强传感器对结构全局状态的捕捉，并建立健全传感器采集标准，推进传感设备布设与运营维护的规范化。此外，在数据处理与状态评估方面，充分利用云计算、人工智能技术推进数据处理自动化与智能化，并研发时空数据融合计算，推进检测监测一体化大数据分析，建立桥梁健康状态时空演化模型。综合发展传感设备与监测系统管理制度，并面向自动化、智能化发展桥梁数据分析技术，从而实现现有桥梁健康监测技术瓶颈的突破。

3 结束语

随着中国桥梁的不断建设发展，巨大的存量和增量为桥梁健康和安全带来了巨大挑战，同时也为桥梁检测与监测技术的实践和创新带来了巨大机遇。文章详细阐述了现阶段桥梁检测与监测技术的发展瓶颈，同时指出了可能的突破方法和手段。随着人工智能、5G通信、大数据以及云计算的发展和普及，未来桥梁的检测和监测发展趋势可以归纳为以下几个方面：（1）从破坏性检测向无损检测转变；（2）从人工检测向机械智能检测转变；（3）数据采集方式从人工记录向系统自动采集转变；（4）从周期性检测、检查向实时数据监测转变；（5）检测手段从现场实操向智能感知转变；（6）检测装置从临时性设备向长期性预埋传感器转变；（7）检测评估从少量抽样数据研判向大数据分析转变。