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桥梁健康监测

更新时间：2015-07-22 21:02:38点击次数：4216次字号：T|T

桥梁建成以后，由于受气候、环境因素的影响，结构材料会被腐蚀和逐渐老化，长期的静、动力荷载作用，使其强度和刚度随着时间的增加而降低。这不仅会影响行车安全，更会使桥梁的使用寿命缩短。对桥梁结构的健康状况进行检测与监测，并在此基础上对其安全性能进行评估是桥梁运营日常管理的重要内容。桥梁健康监测具有十分重要的作用。

一、桥梁健康监测的概念

桥梁健康监测的基本内涵即是通过对桥梁结构状态的监控与评估，为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，为桥梁维护维修与管理决策提供依据和指导。

二、桥梁健康监测的内容
1、施工阶段的健康监测内容

大跨桥梁结构由于在施工阶段受到施工荷载或自然环境因素的影响而使结构变形或受力与成桥状态的设计要求不符，因此为确保施工中桥梁结构的安全和保证结构物的外形和内力状态满足设计要求，需在施工中对其进行健康监测。其监测的主要内容有：

（1）几何形态检测。主要是获取已经完成的结构实际几何形态参数，如高程、跨度、结构或缆索的线形、构造物的变形和位移等。

（2）桥梁结构的截面应力监测。这是桥梁施工阶段安全监测最重要的内容，包括混凝土应力、钢筋应力和钢结构应力的监测，它是桥梁施工过程的安全预警系统。

（3）索力监测。大跨径桥梁采用斜拉桥和悬索桥等缆索承重结构越来越普遍，斜拉桥的斜拉索、悬索桥的主缆索及吊索的索力是设计的重要参数，也是桥梁安全监测的主要监测内容。

（4）预应力监测。主要对预应力筋的张拉真实应力、预应力管道摩阻导致预应力损失以及永久预应力值进行监测。

（5）温度监测。对大跨径桥梁，特别是斜拉桥或悬索桥，其温度效应十分明显，斜拉桥的斜拉索随温度变化的伸缩，将直接影响主梁的标高；悬索桥主缆索的线形也将随温度而变化，此时对温度进行监测十分必要。

（6）下部结构的监测。对于斜拉桥和悬索桥等特大型桥梁，其构筑物基础分布集中，荷载集度通常非常大，因而必须对地基的内外部变形、地锚的应力以及主塔桩基的轴力等进行监测。

2 运营阶段的健康监测内容及使用的传感器

（1）荷载监测。包括风、地震、温度、交通荷载、声荷载等。所使用的传感器有：风速仪——记录风向、风速进程历史，连接数据处理系统后可得到风功率谱；温度计——记录温度、温度差时程历史；动态地称——记录交通荷载流时程历史，连接数据处理后可得交通荷载谱；强震仪——记录地震作用；摄像机——记录车流情况和交通事故等。

（2）表面形貌监测。监测桥梁各部位的静态位置、动态位置、沉降、倾斜、线形变化、位移、裂纹、斑点、凹坑等。所使用的传感器有：位移计、倾角仪、GPS、电子测距器（EDM）、数字像机等。

（3）结构的强度监测。监测桥梁的应变、应力、索力、动力反应（频率模态）、扭矩等。所使用的传感器有：应变仪——记录桥梁静动力应变、应力，连接数据处理后可得构件疲劳应力循环谱；测力计（力环、磁弹性仪、剪力销）——记录主缆、锚杆、吊杆的张拉历史；加速度计——记录结构各部位的反应加速度，连接数据处理后可得结构的模态参数。

（4）振动监测。监测结构的振动、冲击、机械导纳以及模态参数等。

（5）性能趋向监测。监测结构的各种主要性能指标等。

（6）非结构部件及辅助设施。监测支座、振动控制设施等。

对于不同的监测对象，由于影响其工作性能的控制因素不同，所以监测的物理参数各不相同。同一物理参数对不同的结构又具有不同的灵敏度，所以效果也不同。因此，桥梁结构健康监测中监测对象的选择是至关重要的一步。通常对于大型桥梁结构而言，常以振动监测、荷载监测、强度监测和表面形貌监测为主要目标，且通常选择灵敏度高的特征参数或几种参数联合使用作为监测对象。完善的桥梁健康监测系统可以验证桥梁设计理论、施工质量，监测结构局部和整体服役状态、监测结构损伤、抗力衰减及其演化规律，识别结构损伤及其位置。进行桥梁安全性、耐久性评定与预测以及桥梁安全事故预警等等。但在相当长的时期内，桥梁结构健康监测系统还不能完全取代传统的人工检查，而只是配合人工检查，但对于大跨桥梁来说，有了可靠的桥梁结构健康监测系统，至少可以缩小人工检查的范围，加快损伤识别的速度。

三桥梁监测方法

1 基于动力的健康监测方法

目前研究中的大部分桥梁结构健康监测方法，集中于使用动力响应来检测和定位损伤，因为这些方法是整体的检测方法，可以对大型的结构系统进行快速的检测。这些基于动力学的方法可以分为如下四类：①空间域方法，②模态域方法，③时域方法，④频域方法。其中空间域方法根据质量、阻尼和刚度矩阵的改变来检测和确定损伤位置；模态域方法根据自振频率、模态阻尼比和模态振型的改变来检测损伤；在频域方法中，模态参数如自振频率、阻尼比和振型等是确定的，从非线性自回归移动平均模型估计出光谱分析逆动力问题和广义频率响应函数被用于非线性系统的识别。在时域方法中，系统参数通过在一定时间内采样的数据来确定；如果结构系统的特性在外部荷载作用下随时间改变，那么有必要确定由时域方法得出的系统动力特性在时间上的改变。进一步地，可以使用四种域中提出的任何动力响应，采用与模态无关或与模态相关的方法进行损伤检验。文献资料显示：模态无关的方法可以检测出损伤的存在而无需大量的计算，但在确定损坏位置时并不精确；另一方面，模态相关的方法比与模态无关的方法相比：通常在确定损伤位置上更加精确且只需更少的传感器，但该方法要求有恰当的结构模型和大量的计算。虽然时域方法使用传统的振动测量仪器得到的原始时域数据，这些方法要求某些结构信息和大量的计算，且具有个案特性。此外，频域方法和模态域方法使用转换的数据，但转换存在误差和噪音。而且，在空间域方法中，质量和刚度矩阵的建模与修正还存在问题且难以精确。将两三种方法结合起来检测和评估结构的损伤具有很强的发展趋势。例如，几位研究者将静载测试和模型测试的数据结合起来评估损伤，这样可以克服各自方法的缺点并相互检查，与损伤检测的复杂性相适应。

2 联合静动力的健康监测方法

静力参数（位移与应变等）是根据静力荷载如在桥上缓慢移动的车辆引起的变形进行量测。在许多情况下，施加静力荷载比动力荷载更为经济，对于状况评估，许多应用只需要单元刚度。在这些情况下，静力测试和分析即简单又经济。通常的桥梁监测中都需要监测静态应变（和动态应变）、静力位移（和动挠度）以及相应的环境温度、湿度和风荷载。

既然自振频率、振型和结构系统的静力响应都是结构参数的函数，这些参数可通过比较数学模型预测的静动力特性和试验确定的静动力特性值得到。损伤发展的结果之一是局部刚度的减小，从而导致一些响应的改变；因此，对损伤检测和评估，综合结构静动力特性的监测是非常必要的。根据这一思想，结合静态应变、静态位移与动力响应（即振型或模态柔度等）来确定损伤位置和识别损伤程度，几种算法综合起来用于改进参数识别的灵敏度和提高解答过程的可靠度，静力和动力响应被用来校准识别的置信度水平。

联合静动力的损伤识别通常需要进行有限元模型修正，因为有限元模型的误差可能比损伤的变化要大，所以有限元模型必须先用测得的模态特性和试验数据进行校准；只有有限元模型是可靠的，有限元方法模态修正的结果才是可靠的。其他的方法包括统计损伤识别、神经网络识别方法、子结构损伤识别、基于小波变换的损伤识别等等，但是目前大多只停留在实验室简单模型或数值模型，用于真正实桥的损伤识别和健康诊断还有很长的路要走。

四、桥梁健康监测系统的组成

先进的桥梁健康监测系统主要包括各类软硬件系统，其中各类高性能智能传感元件、信号采集与通讯系统（包括无线传感网络）、综合监测数据的智能处理与动态管理系统、结构实时损伤识别、定位与模型修正系统、结构健康诊断、安全预警与可靠性预测系统是关键部分。桥梁健康监测系统是利用一些传感器（包括光纤传感器、压电传感器、电磁伸缩材料制成的传感器、GPS、静力水准仪，风速风向仪等）来读取桥梁各部分结构的温度、应变、位移、风速、风向、加速度、车辆载荷、吊杆／斜拉索拉力、主缆拉力等参数，通过网络将这些数据传输到桥梁监控室的数据处理设备上，由专用的数据处理设备和处理方法来对信号进行存储、处理、分析和显示，最终显示给用户的是一段时间内连续采集的各个数据。各方专家会同桥梁设计部门可以对某些数据设立警戒值，当某个数据超过了相应的警戒值，系统会主动报警，提醒管理人员及时做出反应。

桥梁健康监测系统结构图

桥梁健康监测系统部分应用实例

序号	桥名	通车时间	结构类型	跨度（m）	健康监测系统信息	建立健康监测时间	地点
1	汀九大桥	1998	斜拉桥	127+475+448+127	7个风速仪，83个温度传感器，45个加速度计，88个应变计，2个位移传感器，6个动态称重仪，5个GPS，在线监测系统。	1998	香港
2	青马大桥	1997	悬索桥	主跨：1377	风速仪，温度传感器，应变计，加速度计，位移传感器，GPS，动态称重仪，水平传感器，摄相机，在线监测系统。	1997	香港
3	汲水门大桥	1997	斜拉桥	主跨：430	风速仪，温度传感器，应变计，加速度计，位移传感器，GPS，动态称重仪，水平传感器，摄相机，在线监测系统。	1997	香港
4	深圳西部通道大桥	在建设中	斜拉桥	主跨：210	风速仪，温度传感器，应变计，加速度计，位移传感器，GPS，动态称重仪，侵蚀传感器，摄相机，气压计，湿度计，雨量计，在线监测系统。	在建设中	香港
5	昂船州大桥	在建设中	斜拉桥	主跨：1018	风速仪，温度传感器，应变计，加速度计，位移传感器，GPS，动态称重仪，EM传感器，侵蚀传感器，光纤传感器，倾角仪，摄相机，气压计，湿度计，雨量计，在线监测系统。	在建设中	香港
6	江阴大桥	1999	斜拉桥	369+1385+309	风速仪，温度传感器，应变计，加速度计，位移传感器，GPS，光纤传感器，在线监测系统。	1999	江苏
7	南京长江大桥	1968	钢桁桥	主跨：160	风速仪，温度传感器，应变计，加速度计，位移传感器，地震仪，动态称重仪，在线监测系统。	/	江苏
8	南京长江二桥	2001	斜拉桥	主跨：268	风速仪，温度传感器，应变计，加速度计，位移传感器，地震仪，动态称重仪，磁弹性测力仪，湿度计。	/	江苏
9	润杨南汊桥	2000	悬索桥	主跨：1490	风速仪，温度传感器，应变计，加速度计，位移传感器，GPS。	/	江苏
10	润杨北汊桥	/	悬索桥	主跨：460	风速仪，温度传感器，应变计，加速度计，位移传感器。	/	江苏
11	苏通大桥	在建设中	斜拉桥	主跨：1088	风速仪，温度传感器，应变计，加速度计，位移传感器，GPS，动态称重仪，侵蚀传感器，磁弹性测力仪，光纤传感器，倾角仪，湿度计，摄相机，在线监测系统。	在建设中	江苏
12	南京长江三桥	2005	斜拉桥	主跨：648	应变计，位移传感器，加速度计，离线监测系统。	2005	江苏
13	铜陵长江大桥	1995	斜拉桥	主跨：432	风速仪，温度传感器，加速度计，倾角仪。	2002	安徽
14	芜湖大桥	2000	斜拉桥	主跨：312	温度传感器，应变计，加速度计，位移传感器，光纤传感器，水平传感器。	2002	安徽
15	虎门大桥	1998	悬索桥	主跨：888	应变计，GPS，倾角仪，水平传感器。	1998	广东
16	湛江海湾大桥	2002	斜拉桥	主跨：480	风速仪，温度传感器，应变计，加速度计，位移传感器，GPS，磁弹性测力仪，倾角仪，地震仪，湿度计。	2004	广东
17	徐浦大桥	1997	斜拉桥	主跨：590	温度传感器，应变计，加速度计，动态称重仪，水平传感器。	1999	上海
18	卢浦大桥	2003	拱桥	主跨：550	温度传感器，应变计，加速度计，水平传感器。	2003	上海
19	大佛寺大桥	2001	斜拉桥	主跨：450	温度传感器，应变计，加速度计，光纤传感器，水平传感器，在线监测系统。	2003	重庆
20	广洋岛大桥	在建设中	连续刚构桥	115+200+115	FBG温度传感器，FBG应变计，智能混凝土应变计。	在建设中	重庆
21	滨州黄河大桥	2005	斜拉桥	主跨：300	风速仪，温度传感器，加速度计，GPS，磁弹性测力仪，在线监测系统。	2004	山东
22	东营黄河大桥	2005	连续刚构桥	115+210+220 +210+115	1300个FBG温度传感器和应变计，离线监测系统	2005	山东
23	茅草街大桥	在建设中	拱桥	主跨：368	风速仪，加速度计，FBG温度传感器，FBG应变计。	在建设中	湖南
24	峨边大渡河桥	1992	拱桥	主跨：140	Smart FBG tied and suspender, sound emission, 离线监测系统	2005	四川
25	钱江四桥	2004	拱桥	主跨：580	磁弹性测力仪，风速仪，温度传感器，加速度计。	2004	浙江
26	松花江大桥	2004	斜拉桥	主跨：365	风速仪，加速度计，GPS，FB-G温度传感器，FBG应变计，离线监测系统。	2004	黑龙江
27	呼兰河大桥	2000	连续刚构桥	主跨：40	FBG温度传感器，FBG应变计，离线监测系统。	2000	黑龙江
28	牛头山大桥	2002	连续刚构桥	主跨：42	12个FBG温度传感器和应变计，离线监测系统。	2002	黑龙江
29	海沧大桥	1999	悬索桥	主跨：648	风速仪，温度传感器，位移传感器，GPS	1999	福建
30	舟山西堠门大桥	在建设中	悬索桥	主跨：1650	风速仪，加速度计，温度传感器，GPS，位移传感器，FBG应变传感器，应变计，摄相机，气压计，湿度计，侵蚀传感器，雨量计，地震仪，动态称重仪。	在建设中	浙江
31	坝陵河大桥	在建设中	悬索桥	主跨：1088	风速仪，加速度计，温度传感器，GPS，位移传感器，应变计，摄相机，气压计，湿度计，地震仪，倾角仪，EM传感器，动态称重仪。	在建设中	贵州
32	杭州湾大桥	在建设中	斜拉桥	主跨：448	在安装中	在建设中	浙江
33	东海大桥	2005	斜拉桥	主跨：420	风速仪，加速度计，温度传感器，GPS，位移传感器，应变计，摄相机，EM传感器，侵蚀传感器，洋流测定仪，波动测定仪，水压测定仪。	2005	上海
34	马桑溪长江大桥	在建设中	斜拉桥	主跨：500	光纤传感器，温度、湿度、加速度计，图像感知系统		重庆
35	天津永和大桥	在建设中	斜拉桥	主跨：270	风速仪，加速度计，温度传感器，GPS，应变计，摄相机， EM传感器，动态称重仪，水平传感器。		天津
36	八尺门大桥	2003	连续刚构桥	90+2×170+90	温度传感器、动应变传感器，动位移传感器，加速度传感器等	2006	福建
37	下白石大桥	2003	连续刚构桥	145+2×260+145	温度传感器、动应变传感器，动位移传感器，加速度传感器等	2006	福建
38	新原高速公路小沟特大桥		连续刚构桥	55+5×100+55	光纤光栅应变传感器，温度传感器，动态称重传感器，光电液位挠度传感系统，压电式传感器。		山西
39	郑州黄河大桥	1960	组合结构	71×40.7	永磁传感器，振动传感器，加速度传感器，电涡流位移传感器，温度传感器，雨水传感器，水位传感器，车号识别系统	2000	郑州
40	招宝山大桥	2001	斜拉桥	主跨：258	风速仪，温度传感器，应变传感器，位移传感器，GPS，加速度传感器。	2001	浙江
41	青岛海湾桥	在建设中	拱桥+斜拉桥+悬索桥	两主跨：260	5个风速仪，2个温度传感器，应变传感器，倾斜仪，位移传感器，13个GPS，150个加速度传感器。		山东
42	上海长江大桥	在建设中	斜拉桥	主跨：730	5个风速仪，54个温度传感器，107个应变传感器，位移传感器，16个GPS，14个加速度传感器		上海

五、桥梁安全预警技术及结构健康状态评估技术

研究基于监测信息的重大工程结构实时损伤推断与定位、实时模型修正与安全评定的理论和方法、以及结构安全预警的多水平准则，建立典型重大工程结构损伤识别与安全评定的标准试验模型，为重大工程结构的健康监测与安全预警提供理论、方法和统一的检验平台。主要研究内容如下：

1、结构实时损伤推断、定位与模型修正的理论和方法

（1）环境时变作用模型研究。（a）研究昼夜温差变化与季节温差变化的幅值及其循环作用的次数，研究温度对连续刚构桥梁静动力特性的影响；(b)预应力对超静定结构动力特性的影响目前还没有明确的结论，对于既有桥梁结构，预应力随时间而变化的，需要研究预应力效应变化及其对桥梁动力特性的影响。

（2）复杂结构损伤的子结构、分散化识别方法：针对大型拉索式桥梁结构等具有明显子结构特征（如拉索、桥面和桥塔等相对独立又有机联系的子结构体系）的重大工程结构，研究结构局部损伤、子结构损伤和分散化损伤推断——分析和识别及其两者相结合的方法；研究以局部信息为先验知识和以整体信息为先验知识的结构损伤识别的信息融合方法。

（3）基于非物理模型的结构损伤识别方法：采用现代信号处理技术和人工智能方法，研究基于非物理模型的结构损伤识别方法，主要包括小波包变换分析方法、Hilbert-Huang变换分析方法、神经网络方法等，建立小波包能量谱等结构损伤指纹；研究非物理模型的结构损伤特征与有物理模型的结构损伤特征的关系与相互转化的条件和方法。

（4）结构模型修正的理论与方法：在结构损伤推断与定位的基础上，研究结构模型修正的优化目标函数和约束条件；研究子结构模型修正方法，从单元到单元、整体到单元的模型修正方法，基于局部和整体性态变量一致性的结构模型修正方法，以及概率模型修正方法。

2、结构健康状态评定的理论与方法

（1）结构安全评定的荷载标准：桥梁评估显然不同于桥梁设计，设计荷载标准是基于统计分析综合得到的，而实桥实际经历的荷载显然不同于预期的设计荷载，可能发生超载，还有不同轴重的概率分布和交通流量等。因此制定桥梁评估的荷载标准就显得特别重要。研究基于环境条件监测的结构极值环境作用；研究结构设计使用期和后续服役期的随机环境荷载等概率超越准则以及以此为准则的结构安全评定荷载标准；研究地震、强风和海浪等具体的评定荷载标准。

（2）典型重大工程结构累积损伤与抗力衰减的关系：针对大型拉索式桥梁结构以及固定式钢质导管架海洋平台结构，研究结构关键构件累积损伤的规律、结构构件和整体性能退化规律和抗力衰减模型。

（3）结构实时安全评定：结合典型重大工程结构，研究易损性构件和重要性构件与结构失效模式和相应极限承载能力的关系；研究结构重分析和极限承载能力分析的高效快速方法，以及基于当前监测确定的极限环境作用和极限强度模板映射的结构实时安全评定方法；研究基于当前结构损伤状况和评定荷载标准下的结构安全评定方法。

（4）桥梁剩余使用寿命预测。由于影响既有桥梁剩余寿命的因素很多，包括混凝土的碳化、钢筋锈蚀、超载运营等等，各个影响因素之间互相影响，目前针对既有公路桥梁的抗力衰减模型虽有一定的参考资料，但是超载导致的疲劳损伤和钢筋导致的锈蚀等多因素耦合的桥梁抗力衰减模型还有待进一步的研究。(a)发展合适的桥梁系统抗力模型，主要内容有：定义合适的极限状态、定义合适的桥梁材料和部件抗力系数、在既有经验基础上建立目标安全性指标和桥梁系统抗力模型。(b)研究结构主导失效模式发生概率的计算方法与识别技术；研究基于荷载与抗力随机变量先验知识的重要抽样方法和结构整体抗力与荷载效应极限状态的结构体系可靠度预测方法。

3、结构安全预警的多水平准则

（1）警水平决策：结合典型重大工程结构，研究结构的失效机理、失效模式和最小安全余度；根据结构不同状态的功能，研究结构多级安全预警水平设立准则、标准和基于损伤过程控制的阀值调整方法。

（2）验知识的结构安全预警方法：研究根据结构易损性分析、结构失效路径和临界状态、损伤指纹的结构安全预警方法，研究快速预测结构灾变响应的理论与方法。

（3）大桥梁安全预警系统。

六、健康监测系统造价

由于桥梁健康监测系统造价与桥梁健康监测方案密切相关，不同的方案造价差别巨大。而桥梁桥梁健康监测方案与桥梁结构形式、桥梁所处环境、监测方式等息息相关，所以针对每个桥梁应该单独设计桥梁健康监测方案。桥梁健康监测造价会根据不同桥梁有所不同，下表给出一些国内主要做桥梁健康监测单位（上海巨一科技发展有限公司、上海华测导航技术有限公司）的已建桥梁监测系统造价，以供参考。

桥名	结构类型	跨度(m)	桥梁健康监测系统造价(万元)
东海大桥	斜拉桥	主跨：420	3400
南京长江四桥	悬索桥	主跨：1418	3200
湛江海湾大桥	斜拉桥	主跨：480	2000
上海闵浦大桥	斜拉桥	主跨：708	1500
闵浦二桥	斜拉桥	主跨：251.4	500
辽河大桥	斜拉桥	主跨：436	500

七、桥梁健康监测意义
1、监控与评估。桥梁健康检测的基本内涵是通过对桥梁结构状态的监控与评估，为工程在特殊气候、交通条件下或运营状况严重异常时发出预警信号，为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导。为此，监测系统通常对以下几个方面进行监控：①桥梁结构在正常环境与交通条件下运营的物理与力学状态；②桥梁重要非结构构件和附属设施的工作状态；③结构构件耐久性；④工程所处环境条件等等。
2、设计验证。由于大型桥梁的力学和结构特点以及所处的特定环境，在大桥设计阶段安全掌握和预测其力学特性和行为特性是非常困难的。因此，通过桥梁健康检测所获得的实际结构的动静力行为来检验大桥的理论模型和计算假定具有重要意义。不仅对设计理论和设计模型有验证作用，而且有益于新的设计理论的形成。