近來我國橋梁結(jié)構(gòu)事故頻繁發(fā)生，造成了重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，已經(jīng)引起人們對于橋梁結(jié)構(gòu)安全性的關心和重視，當橋梁發(fā)生突發(fā)性損傷時，如果能夠及時做出判斷并發(fā)出預警，及時采取應急處理措施，可以防止損傷進一步發(fā)展和引發(fā)其它事故；對于長期服役的橋梁結(jié)構(gòu)，如能定期對其累積損傷的程度做出正確評估，就可以充分掌握其工作狀態(tài)，確保橋梁安全。在此工程背景下，橋梁健康監(jiān)測應運而生，并成為土木工程學科發(fā)展的一個重要領域。
橋梁健康監(jiān)測是通過對橋梁的物理力學性能進行實時監(jiān)控，對損傷的位置和程度進行診斷，對橋梁的服役情況、可靠性、耐久性和承載能力進行智能評估，在突發(fā)事件或橋梁使用狀況嚴重異常時發(fā)出預警信號并為橋梁維修、養(yǎng)護與管理決策提供依據(jù)和指導
[1-3]。健康監(jiān)測技術是一個多領域跨學科的綜合性技術，它涉及到土木工程、動力學、材料學、傳感器技術、測試技術、信號分析、計算機技術、網(wǎng)絡通訊通信技術、模式識別等多個研究方向。
真正意義上的橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)應具備對損傷的實時自動識別功能，由于受技術和經(jīng)濟條件的限制，目前還沒有一種方法能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁監(jiān)測的自動損傷識別，與監(jiān)測系統(tǒng)相比，檢測系統(tǒng)相對要容易的多。隨著橋梁檢測技術的發(fā)展，世界上發(fā)達國家更依賴于橋梁的無損檢測技術對橋梁進行工作狀況評估、健康管理和維護策略的制定等，融合監(jiān)測與檢測技術而形成的綜合健康管理系統(tǒng)是真正能夠在實際工程中應用的橋梁健康管理系統(tǒng)。
1、橋梁實時健康監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成及不足
1.1 實時健康監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成
橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)是一個實現(xiàn)橋梁健康監(jiān)測的完整平臺，它包括傳感器系統(tǒng)、信息采集與處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分析與顯示系統(tǒng)、損傷識別算法與程序、健康檔案與專家系統(tǒng)、系統(tǒng)網(wǎng)絡平臺等。通過健康監(jiān)測系統(tǒng)的運行，可以實時監(jiān)控橋梁的整體行為，對出現(xiàn)的損傷位置和程度進行診斷，對橋梁的服役情況、可靠性、耐久性和承載能力進行智能評估，為橋梁在突發(fā)事件（如強震、撞擊等）下或使用狀況嚴重異常時觸發(fā)預警信號并為橋梁的維修、養(yǎng)護與管理決策提供依據(jù)。
健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由四個功能子系統(tǒng)組成并通過網(wǎng)絡進行工作
[5]。這四個子系統(tǒng)是：
1. 傳感器系統(tǒng)：包括加速度計、風速風向儀、位移計、溫度計、應變計、信號放大處理器及連接介面等，并將待測物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?br />
2. 信息采集與處理系統(tǒng)：包括信號采集器及相應的數(shù)據(jù)存儲設備等。安裝于被測結(jié)構(gòu)中, 采集傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并進行初步處理；
3. 信息通信與傳輸系統(tǒng)：包括網(wǎng)絡操作系統(tǒng)平臺、安全監(jiān)測局域網(wǎng)、與因特網(wǎng)的連接等。將采集并處理過的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心；
4. 信息分析和監(jiān)控系統(tǒng)：包括高性能計算機及分析軟件。利用具備損傷診斷功能的軟硬件分析接收到的數(shù)據(jù)，判斷損傷的發(fā)生、位置和程度，對結(jié)構(gòu)健康狀況做出狀態(tài)評估，若發(fā)現(xiàn)異常，發(fā)出報警信息。
1.2 實時健康監(jiān)測系統(tǒng)的不足
目前的研究認為：健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計須遵循功能要求和效益－成本分析兩大準則
[4]。其設計時首先應考慮建立該系統(tǒng)的目的和功能，對于特定的結(jié)構(gòu)，建立健康監(jiān)測系統(tǒng)的目的可以是結(jié)構(gòu)監(jiān)控與評估、設計驗證，也可以是研究。監(jiān)測系統(tǒng)的規(guī)模以及所采用的傳感儀器和通信設備等需考慮投資的限度。
真正意義上的橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)應具備對損傷的實時自動識別功能，由于受技術和經(jīng)濟條件的限制，目前還沒有一種方法在實際工程中實現(xiàn)了橋梁監(jiān)測的自動損傷識別，盡管有些橋梁監(jiān)測的損傷識別技術在理論上和人為的理想試驗環(huán)境下是可實現(xiàn)的，當放到復雜的大型橋梁結(jié)構(gòu)中和隨機的橋梁工作環(huán)境中時，幾乎沒有任何一種方法可行。要么受傳感器精度和靈敏度的限制，要么受太多隨機因素（風、地震和車流等）的制約，而把繁復的分析手段程式化也困難重重。與監(jiān)測系統(tǒng)相比，檢測系統(tǒng)要容易的多，隨著橋梁檢測技術的發(fā)展，世界上發(fā)達國家更依賴于橋梁的無損檢測技術對橋梁進行工作狀況評估、健康管理和維護策略的制定等。從經(jīng)濟角度考慮，橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)造價昂貴，而檢測系統(tǒng)經(jīng)濟節(jié)約。另外，橋梁健康檔案的建立還得依靠直接檢測到的橋梁損傷數(shù)據(jù)來建立，因此融合監(jiān)測與檢測技術而形成的綜合健康管理系統(tǒng)是真正能夠應用的橋梁健康管理系統(tǒng)。
2、分層式橋梁綜合健康管理系統(tǒng)
2.1橋梁綜合健康管理系統(tǒng)的提出
一座橋梁在其設計壽命期間的運行安全問題和如何降低運營成本、減少維護費用一直是橋梁界十分關心的問題。橋梁綜合健康管理系統(tǒng)正是解決了這個難題，它是集橋梁檢測、橋梁實時監(jiān)測、橋梁的專業(yè)維護于一身的健康管理系統(tǒng)。在橋梁的健康管理中檢測和監(jiān)測是不能互相替代的, 橋梁監(jiān)測和檢測都是以橋梁安全為終極目的，二者具有互補性，其特點可歸納如下：
1） 橋梁監(jiān)測是通過傳感器測量和實時信號分析的手段間接地發(fā)現(xiàn)異常及損傷，而檢測技術是通過各種專用儀器直接發(fā)現(xiàn)及定位橋梁異常和損傷；
2） 橋梁監(jiān)測對橋梁進行長期觀測，而檢測則是定期的和有針對性的對橋梁進行測量；
3） 橋梁監(jiān)測的內(nèi)容通常是橋梁的物理特性指標（振動、位移、應力、應變、撓度，溫度、風等），而檢測的內(nèi)容則是直接的損傷指標（裂紋長度、深度、銹蝕深度等）；
4） 橋梁監(jiān)測系統(tǒng)可以及時反應橋梁工作異常，而檢測不能及時發(fā)現(xiàn)橋梁受到的突然損傷；
5） 橋梁監(jiān)測系統(tǒng)通常不能準確的判斷損傷類型、位置及程度，而有針對性的檢測則能較準確地得出橋梁的損傷類型、位置及程度；
6） 監(jiān)測系統(tǒng)可以監(jiān)測全橋的異常反應，而檢測（尤其是大型橋梁）有時會忽略有些隱蔽損傷導致的異常；
7） 監(jiān)測系統(tǒng)測出的異常事件可以作為針對性檢測的指針，而檢測得出的損傷數(shù)據(jù)又可以作為橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)變化的參考；
8） 橋梁綜合健康管理系統(tǒng)同時采用結(jié)構(gòu)監(jiān)測和檢測技術，即在系統(tǒng)中同時應用監(jiān)測及檢測數(shù)據(jù)進行損傷判別。
2.2橋梁綜合健康管理系統(tǒng)的構(gòu)成
分層式綜合健康管理系統(tǒng)由信息獲取層、分析記錄層和決策層構(gòu)成（圖1），其顯著特點是信息獲取的多樣性，運營過程中的信息獲取由實時動態(tài)監(jiān)測、適時監(jiān)測、針對性檢測、施工過程中的監(jiān)測和常規(guī)檢測來完成。
圖1 分層式綜合健康管理系統(tǒng)圖
實時動態(tài)監(jiān)測實時監(jiān)測系統(tǒng)的功能是實時地監(jiān)測橋梁各結(jié)構(gòu)件的工作狀態(tài)，及時地發(fā)現(xiàn)損傷和微損傷，當損傷和微損傷積累達到對橋梁的運行安全產(chǎn)生危害時將發(fā)出藍色警報。實時監(jiān)測系統(tǒng)在大型橋梁健康管理系統(tǒng)中處于基礎層的核心部分，它直接對橋梁安全負責，為橋梁檢測提供及時的指導性意見，讓損傷在初期便得到及時的處理，讓橋梁保持健康的工作狀態(tài)。
適時監(jiān)測系統(tǒng)適時監(jiān)測系統(tǒng)包括兩部分，一是報警后監(jiān)測，二是定期監(jiān)測。當實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)得到的結(jié)構(gòu)整體性能參數(shù)或局部性能參數(shù)產(chǎn)生異常變化后，系統(tǒng)發(fā)出藍色警報，然后則需要對橋梁結(jié)構(gòu)進行適時監(jiān)測。為最大程度的保障結(jié)構(gòu)安全，還需要對橋梁結(jié)構(gòu)進行定期監(jiān)測。
施工過程中的監(jiān)測由于現(xiàn)場條件、環(huán)境因素、施工誤差等不可預知的因素，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形在施工過程中是一個累積的過程，成橋后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)不可能與設計完全一致，采用設計的成橋結(jié)構(gòu)狀態(tài)作為橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的初始狀態(tài)是不合理的，而這些殘余應力與殘余變形是不可能通過成橋后的竣工試驗等方法準確掌握的，必須在施工過程中即開始監(jiān)測前述項目，積累施工過程數(shù)據(jù)，這樣才能準確掌握橋梁運營健康監(jiān)測系統(tǒng)的初始指紋，更好的運行橋梁運營健康監(jiān)測系統(tǒng)。
同時在施工過程中上述健康監(jiān)測項目的分析計算結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)還可以和施工監(jiān)控單位的結(jié)果相互校核?？梢詫蛄旱恼麄€生命周期的橋梁健康監(jiān)測統(tǒng)一考慮，合理規(guī)劃監(jiān)測內(nèi)容，統(tǒng)籌分配有效資源。把成橋過程中的施工監(jiān)控中的監(jiān)測內(nèi)容作為橋梁健康監(jiān)測的一個組成部分。
針對性檢測通過橋梁監(jiān)測得到損傷的初步信息后需要進行針對性檢測，確認損傷的類型、大小和位置，然后決定是否發(fā)出橙色報警，同時將損傷數(shù)據(jù)存入健康檔案數(shù)據(jù)庫，以便以后對橋梁模型進行修正。
橋梁常規(guī)檢測橋梁常規(guī)檢測指根據(jù)《公路橋梁養(yǎng)護規(guī)范》的要求，對橋梁進行定期的健康“普查”。它先對所有橋梁結(jié)構(gòu)進行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)損傷后再用無損檢測技術對損傷量化確認。橋梁常規(guī)檢測將遵從以下原則進行：1）對橋梁進行詳細的檢測，完成橋梁的信息卡，真實了解橋梁的實際工作狀況。2）對橋梁進行的檢測，可以為結(jié)構(gòu)物的強度、剛度、穩(wěn)定性和耐久性評估提供基礎資料；為確定是否對橋梁維護采取進一步的措施提供依據(jù)。
3、分層式橋梁綜合健康管理系統(tǒng)的應用
3.1工程背景
富民橋工程位于天津市海河兩岸綜合開發(fā)規(guī)劃的智慧城范圍內(nèi)，是一座新建的跨海河橋梁，橋梁全長為340.3m，主橋設計為單塔空間索面自錨式懸索橋，橋塔為獨柱，主跨主纜錨于主梁的兩側(cè)，邊跨主纜錨于重力式錨碇，形成一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系。主纜主跨采用三維空間線形，在立面及平面皆為拋物線，邊跨主纜采用一組（兩根并排）纜索，不加豎向吊索形式，該結(jié)構(gòu)形式為結(jié)構(gòu)首創(chuàng)。
橋梁主跨跨徑157.08m，邊跨跨徑86.4m，橋面全寬38.6m。橋型布置圖見圖2。
圖2 橋型布置圖及加速度傳感器測點布置
3.2富民橋測點布置
實時動態(tài)監(jiān)測測點布置針對富民橋的結(jié)構(gòu)特點，監(jiān)測項目主要分為環(huán)境狀況監(jiān)測、結(jié)構(gòu)靜力性能監(jiān)測、結(jié)構(gòu)動力性能監(jiān)測。
1）環(huán)境狀況監(jiān)測
根據(jù)該橋的特點需長期進行的環(huán)境監(jiān)測只考慮環(huán)境溫度，考慮到引起橋梁應力的溫度作用主要為季節(jié)溫度變化和日照引起的橋梁不同部位的溫度差，但沿橋梁縱向方向的溫度變化不大，因此，本項目在主梁上布設數(shù)字式溫度計測量日照引起的溫度場。
2）結(jié)構(gòu)動力特性監(jiān)測
a）懸吊體系的動力特性監(jiān)測
橋梁結(jié)構(gòu)的受損和安全性降低主要是由于橋梁主要構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的疲勞損傷的累積結(jié)果，而橋梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷主要是由于動荷載作用下的交變應力作用的結(jié)果。對于懸索橋，其懸吊體系（主纜和吊索）不僅影響主梁結(jié)構(gòu)的動力特性和受力特性，而且其本身在交變應力與環(huán)境腐蝕的相互作用下是導致疲勞和銹蝕損傷擴展的重要原因之一。結(jié)構(gòu)的整體性能改變時，其模態(tài)參數(shù)（如頻率、振型等）也會發(fā)生相應的變化。選用三軸加速度傳感器對懸吊體系的動力特性進行實時監(jiān)測。
b）、主梁的動力特性監(jiān)測
主梁結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應往往與引起整體振動的強振源相聯(lián)系，因此，通過對索塔和主梁振動的監(jiān)測，不僅可以識別主梁結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性參數(shù)，還可以實現(xiàn)對主梁結(jié)構(gòu)承受波動載荷歷程的記錄，同時，對加速度信號積分，可以得到結(jié)構(gòu)的動位移。對于主梁，需要同時測量豎向和水平橫向和縱向方向的加速度，因此，需要選用三軸加速度傳感器，根據(jù)該橋主要參與振動的振型，本項目將沿橋的跨度在橋面寬度兩側(cè)布設加速度傳感器對主梁的動力特性進行實時監(jiān)測。
c）、索塔的動力特性監(jiān)測
索塔是懸索橋的重要構(gòu)件，索塔的振動主要為順橋向和橫橋向的振動，而且其頂部的振動最大，因此，在索塔頂部布設兩軸加速度傳感器對索塔的動力特性進行實時監(jiān)測。
適時監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)容主要有：
1）懸吊體系的監(jiān)測
準確掌握吊索索力分布和索力變化有助于監(jiān)測吊索系統(tǒng)的工作狀態(tài)、分析索力分布及其變化對大橋結(jié)構(gòu)的影響、指導索力校正調(diào)整，并為更進一步的局部檢查提供依據(jù)。
為準確反映整個吊索系統(tǒng)索力分布和變化的情況，吊索索力檢測采用振動法和布設光纖光柵傳感器相結(jié)合的方法。
2）主梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測
監(jiān)測主梁應力的目的在于通過對主梁結(jié)構(gòu)的控制部位和重點部位內(nèi)力的監(jiān)測，掌握主梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布、局部結(jié)構(gòu)及連結(jié)處在各種載荷下的響應，為結(jié)構(gòu)損傷識別和結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估提供依據(jù)。同時，通過控制點上的應力狀態(tài)的變異，檢查結(jié)構(gòu)是否有損壞或潛在損壞。
主梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測的主要內(nèi)容是各控制截面的變形、應力及溫度效應；主梁結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性；伸縮縫位移等。考慮到大橋主梁比較寬，應重視主梁結(jié)構(gòu)橫向應力的監(jiān)測。
控制截面為主梁的跨中、3/4跨、梁塔處的應力和變形。主梁應力監(jiān)測采用振弦式應變計和光纖光柵傳感器相結(jié)合的方式，以對主梁結(jié)構(gòu)進行適時的、定期的檢測。
3）索塔結(jié)構(gòu)的監(jiān)測
索塔是懸索橋的主要受力構(gòu)件，既要承受縱橋向的荷載，又要承受橫向風載和溫度荷載，索塔的受力、沉降和變形狀況是懸索橋結(jié)構(gòu)安全的重要控制指標。該項監(jiān)測內(nèi)容是反映懸索橋結(jié)構(gòu)整體工作狀態(tài)的重要方面。
主要監(jiān)測內(nèi)容包括索塔塔頂?shù)某两岛退轿灰?、索塔結(jié)構(gòu)各主要控制截面的應力及溫度效應?？刂平孛鏋橹兴退捉孛?。鑒于應變傳感器的相對測試原理，監(jiān)測系統(tǒng)中應變監(jiān)測，在重要的應變控制測點實行雙傳感器布置，經(jīng)標定后兩傳感器互為參考，其中一只傳感器因損壞而需要更換時，以另一只傳感器示值進行標定，此設計方法可以解決應變傳感器更換丟失初值的問題。
4）主纜索力監(jiān)測
主纜是衡量懸索橋是否處于正常運行狀態(tài)的一個重要標志，且不可更換，通過對主纜索力的監(jiān)測，不僅能為從總體上評估大橋的安全性和耐久性提供依據(jù)，同時也能檢測鋼索的錨固系統(tǒng)和防護系統(tǒng)是否完好，鋼索是否銹蝕等。在人工適時、定期的振動法進行檢測的基礎上，又加入了光纖光柵進行實時監(jiān)測，以確保測量的可靠性。
4、結(jié)語
本文提出了橋梁健康管理中監(jiān)測與檢測相結(jié)合、實時監(jiān)測與適時監(jiān)測相結(jié)合、運營健康監(jiān)測與施工監(jiān)控相結(jié)合的原則，構(gòu)建了分層式橋梁綜合健康管理系統(tǒng)并結(jié)合工程實例對其進行了詳細的說明。該系統(tǒng)采用了多樣化的健康信息獲取方式，以綜合信息為基礎進行橋梁損傷識別，同時由于采用了分級報警的模式，降低了監(jiān)測系統(tǒng)虛假報警的幾率，彌補了當今相關研究和設計的不足。最后，通過實際工程驗證了該系統(tǒng)的有效性，同時也為系統(tǒng)的進一步完善和推廣奠定了基礎。
