摘要：大型橋梁健康監(jiān)測力求對(duì)結(jié)構(gòu)整體行為的實(shí)時(shí)監(jiān)控和對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的智能化評(píng)估。同時(shí)，對(duì)大跨度橋梁設(shè)計(jì)理論與力學(xué)模型的驗(yàn)證以及對(duì)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)環(huán)境中未知或不確定性問題的調(diào)查與研究也正融入橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)涵。本文首先簡要地總結(jié)十多年來橋梁健康監(jiān)測的研究狀況，然后較系統(tǒng)地闡述橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的新概念，并從橋梁工程發(fā)展的角度探討大型橋梁監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有關(guān)問題，以期為監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：健康監(jiān)測監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測項(xiàng)目橋梁

　　20世紀(jì)橋梁工程領(lǐng)域的成就不僅體現(xiàn)在預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展和大跨度索支承橋梁的建造以及對(duì)超大跨度橋梁的探索，而且反映于人們對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)施智能控制和智能監(jiān)測的設(shè)想與努力。近20年來橋梁抗風(fēng)、抗震領(lǐng)域的研究成果以及新材料新工藝的開發(fā)推動(dòng)了大距度橋梁的發(fā)展；同時(shí)，隨著人們對(duì)大型重要橋梁安全性、耐久性與正常使用功能的日漸關(guān)注，橋梁健康監(jiān)測的研究與監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)運(yùn)而生。由于橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)可以為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)分析模型、計(jì)算假定和設(shè)計(jì)方法提供反饋信息，并可用于深入研究大跨度橋梁結(jié)構(gòu)及其環(huán)境中的未知或不確定性問題，因此，橋梁設(shè)計(jì)理論的驗(yàn)證以及對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)環(huán)境未知問題的調(diào)查與研究擴(kuò)充了橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)涵。本文結(jié)合近十年來橋梁健康監(jiān)測的研究狀況以及大跨度橋梁工程的研究與發(fā)展，較系統(tǒng)地闡述橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)涵，并由此探討監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有關(guān)問題。

一、橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)與理論發(fā)展簡況

　　1．監(jiān)測系統(tǒng)

　　80年代中后期開始建立各種規(guī)模的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。例如，英國在總長522m的三跨變高度連續(xù)鋼箱梁橋Foyle橋上布設(shè)傳感器，監(jiān)測大橋運(yùn)營階段在車輛與風(fēng)載作用下主梁的振動(dòng)、撓度和應(yīng)變等響應(yīng)，同時(shí)監(jiān)測環(huán)境風(fēng)和結(jié)構(gòu)溫度場。該系統(tǒng)是最早安裝的較為完整的監(jiān)測系統(tǒng)之一，它實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測、實(shí)時(shí)分析和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享。建立健康監(jiān)測系統(tǒng)的典型橋梁還有挪威的Skarnsundet斜拉橋（主跨530m）［2］、美國主跨440m的SunshineSkywayBridge斜拉橋、丹麥主跨1624m的GreatBeltEast懸索橋［3］、英國主跨194m的Flintshire獨(dú)塔斜拉橋[4]以及加拿大的ConfederatiotBridge橋[5]。我國自90年代起也在一些大型重要橋梁上建立了不同規(guī)模的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，如香港的青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋，內(nèi)地的上海徐浦大橋以及江陰長江大橋等[6~8]。

　　從已經(jīng)建立的監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測目標(biāo)、功能以及系統(tǒng)運(yùn)行等方面看，這些監(jiān)測系統(tǒng)具有以下一些共同特點(diǎn)：

　　（1）通常測量結(jié)構(gòu)各種響應(yīng)的傳感裝置獲取反映結(jié)構(gòu)行為的各種記錄；

　　（2）除監(jiān)測結(jié)構(gòu)本身的狀態(tài)和行為以外，還強(qiáng)度對(duì)結(jié)構(gòu)環(huán)境條件（如風(fēng)、車輛荷載等）的監(jiān)測和記錄分析；同時(shí)，試圖通過橋梁在正常車輛與風(fēng)載下的動(dòng)力響應(yīng)來建立結(jié)構(gòu)的"指紋"，并藉此開發(fā)實(shí)時(shí)的結(jié)構(gòu)整體性與安全性評(píng)估技術(shù)；

　　（3）在通車運(yùn)營后連續(xù)或間斷地監(jiān)測結(jié)構(gòu)狀態(tài)，力求獲取的大橋結(jié)構(gòu)信息連續(xù)而完整。某些橋梁監(jiān)測傳感器在橋梁施工階段即開始工作并用于監(jiān)控施工質(zhì)量；

　　（4）監(jiān)測系統(tǒng)具有快速大容量的信息采集、通訊與處理能力，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享。

　　這些特點(diǎn)使得大跨度橋梁健康監(jiān)測區(qū)別于傳統(tǒng)的橋梁檢測過程。另外需要指出的是，橋梁健康監(jiān)測的對(duì)象已不再局限于結(jié)構(gòu)本身：一些重要輔助設(shè)施的工作狀態(tài)也已納入長期監(jiān)測的范圍（如斜拉索振動(dòng)控制裝置[4]等）。

　　2．理論研究

　　十多年來，橋梁健康監(jiān)測理論的研究主要集中于結(jié)構(gòu)整體性評(píng)估和損傷識(shí)別。由于基于振動(dòng)信息的整體性評(píng)估技術(shù)在航天、機(jī)械等領(lǐng)域的深入研究和運(yùn)用，這類技術(shù)被用于土木結(jié)構(gòu)中除無損檢測技術(shù)以外的最重要的整體性評(píng)估方法并得到廣泛的研究【1，7，9～11】。人們致力于基于振動(dòng)測量值的整體性評(píng)估方法研究的另一個(gè)原因是，結(jié)構(gòu)振動(dòng)信息可以在橋梁運(yùn)營過程中利用環(huán)境振動(dòng)法獲得，因此這一方法具有實(shí)時(shí)監(jiān)測的潛力。

　　結(jié)構(gòu)整體性評(píng)估方法可以歸結(jié)為模式識(shí)別法、系統(tǒng)識(shí)別法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法三大類【1】。結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)常被用作結(jié)構(gòu)的指紋特征，也是系統(tǒng)識(shí)別方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的主要輸入信息。另外，基于結(jié)構(gòu)應(yīng)變模態(tài)、應(yīng)變曲率以及其他靜力響應(yīng)的評(píng)估方法也在不同程度上顯示了各自的檢傷能力[10]。然而，盡管某些整體性評(píng)估技術(shù)已在一些簡單結(jié)構(gòu)上有成功的例子，但還不能可靠地應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)。阻礙這一技術(shù)進(jìn)入實(shí)用的原因主要包括：①結(jié)構(gòu)與環(huán)境中的不確定性和非結(jié)構(gòu)因素影響；②測量信息不完備；③測量精度不足和測量信號(hào)噪聲；④橋梁結(jié)構(gòu)贅余度大并且測量信號(hào)對(duì)結(jié)構(gòu)局部損傷不敏感。

　　另外，從評(píng)估方法上，目前對(duì)大跨度橋梁的安全評(píng)估基本上仍然沿襲常規(guī)中小橋梁的定級(jí)評(píng)估方法，是一種主要圍繞結(jié)構(gòu)的外觀狀態(tài)和正常使用性能進(jìn)行的定性、粗淺的安全評(píng)價(jià)。

二、橋梁健康監(jiān)測新概念

　　橋梁健康監(jiān)測的基本內(nèi)涵即是通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評(píng)估，為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁運(yùn)營狀況嚴(yán)重異常時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號(hào)，為橋梁維護(hù)濰修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。為此，監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行監(jiān)控：

　　·橋梁結(jié)構(gòu)在正常環(huán)境與交通條件下運(yùn)營的物理與力學(xué)狀態(tài)；

　　·橋梁重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（加支座）和附屬設(shè)施（如振動(dòng)控制元件）的工作狀態(tài)；

　　·結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性；

　　·大橋所處環(huán)境條件；等等。

　　與傳統(tǒng)的檢測技術(shù)不同，大型橋梁健康監(jiān)測不僅要求在測試上具有快速大容量的信息采集與通訊能力，而且力求對(duì)結(jié)構(gòu)整體行為的實(shí)時(shí)監(jiān)控和對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的智能化評(píng)估。

　　然而，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測不僅僅只是為了結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)控與評(píng)估。由于大型橋梁（尤其是斜拉橋、懸索橋）的力學(xué)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及所處的特定環(huán)境，在大橋設(shè)計(jì)階段完全掌握和預(yù)測結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和行為是非常困難的。大跨度索交承橋梁的設(shè)計(jì)依賴于理論分析并過風(fēng)洞、振動(dòng)臺(tái)模擬試驗(yàn)預(yù)測橋梁的動(dòng)力性能并驗(yàn)證其動(dòng)力安全性。然而，結(jié)構(gòu)理論分析常基于理想化的有限元離散模型，并且分析時(shí)常以很多假定條件為前提。在進(jìn)行風(fēng)洞或振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)時(shí)對(duì)大橋的風(fēng)環(huán)境和地面運(yùn)動(dòng)的模擬也可能與真實(shí)橋位的環(huán)境不全相符。因此，通過橋梁健康監(jiān)測所獲得的實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜力行為來驗(yàn)證大橋的理論模型、計(jì)算假定具有重要的意義。事實(shí)上，國外一些重要橋梁在建立健康監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)都強(qiáng)調(diào)利用監(jiān)測信息驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

　　橋梁健康監(jiān)測信息反饋于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的更深遠(yuǎn)的意義在于，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等可能得以改進(jìn)；并且，對(duì)橋梁在各種交通條件和自然環(huán)境下的真實(shí)行為的理解以及對(duì)環(huán)境荷載的合理建模是將來實(shí)現(xiàn)橋?quot;虛擬設(shè)計(jì)"的基礎(chǔ)。

　　還應(yīng)看到，橋梁健康監(jiān)測帶來的將不僅是監(jiān)測系統(tǒng)和對(duì)某特定橋梁設(shè)計(jì)的反思，它還可能并應(yīng)該成為橋梁研究的"現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)室"。盡管橋梁抗風(fēng)、抗震領(lǐng)域的研究成果以及新材料新工藝的出現(xiàn)不斷推動(dòng)著橋梁的發(fā)展，但是，大跨度橋梁的設(shè)計(jì)中還存在很多未知和假定，超大跨度橋梁的設(shè)計(jì)也有許多問題需要研究。同時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)控制與健康評(píng)估技術(shù)的深入研究與開發(fā)也需要結(jié)構(gòu)現(xiàn)場試驗(yàn)與調(diào)查。橋梁健康監(jiān)測為橋梁工程中的未知問題和超大跨度橋梁的研究提供了新的契機(jī)。由運(yùn)營中的橋梁結(jié)構(gòu)及其環(huán)境所獲得的信息不僅是理論研究和實(shí)驗(yàn)室調(diào)查的補(bǔ)充，而且可以提供有關(guān)結(jié)構(gòu)行為與環(huán)境規(guī)律的最真實(shí)的信息。另外，橋梁振動(dòng)控制與健康評(píng)估技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用性也需要現(xiàn)場試驗(yàn)與調(diào)查。

　　綜上所述，大型橋梁健康監(jiān)測不只是傳統(tǒng)的橋梁檢測加結(jié)構(gòu)評(píng)估新技術(shù)，而是被賦予了結(jié)構(gòu)監(jiān)控與評(píng)估、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和研究與發(fā)展三方面的意義。