在桥梁工程中健康监测的应用
2015-07-13
中国桥梁建设取得的成就
作为四大文明古国的一员，中国有着极其悠久和灿烂的文化。在桥梁工程领域，我国在周秦时期，梁索浮三种桥型就已经基本具备；两汉时期，以栈桥建设为主；隋唐时期，技术日益成熟，达到飞跃；两宋时期，全面开展，大规模进行；元明清时期，日趋鼎盛，清朝中后期技术开始落后。与同期世界水平相比，我国在相当长的历史时间内一直处于世界先进水平，建造了无数的各式桥梁，并有大量的优秀作品传世至今。
始建于公元605－616年的赵州桥，不仅是我国而且也是世界上现存最早、保存最完整的空腹式石拱桥，对世界后代的桥梁建筑有着十分深远的影响。它横跨于赵县洨河之上，是一座大拱两端叠加分流用小拱的敞肩单孔弧形石桥，由28道石拱券纵向并列砌筑而成，其建筑结构之奇特，自古有“奇巧固护，甲于天下”的美称， 1991年，赵州桥被美国土木工程师学会选定为世界第十二处“国际土木工程历史古迹”。有着“世上无桥长此桥”美誉的安平桥建于800多年前的南宋时期，全长两千多米，不仅是我国最长的石梁桥，也是世界上最长的石梁桥。另外还有位列中国三大古代名桥之首卢沟桥；在世界造桥史上开创性采用筏型基础及种蛎固基的洛阳桥（又称万安桥）；跨径达到103米的泸定桥；作为中国乃至世界上最早的一座开关活动式大石桥的广济桥等等。
时值近代钱塘江大桥，武汉长江大桥，南京长江大桥吹响了我国向现代化桥梁大国进军的号角。据不完全统计，截止2009年底，我国已建成公路、铁路、公铁两用桥梁总数已达60余万座，仅在长江、黄河上就有250 余座。其中，长江及其支流沱沱河、通天河、金沙江上有近130座，黄河上有120 余座。在已建成的斜拉桥、悬索桥、拱桥、梁桥中，分别位居世界同类型桥梁跨径排行榜前十名之列的有24 座，占60％。其中：斜拉桥6 座，苏通长江大桥(主跨1088m 钢箱)、香港昂船洲大桥(主跨1018m 分离钢箱) 分别位居第一、第二；悬索桥4 座，舟山西堠门大桥(主跨1650m 分体式钢箱;为世界首座)、润扬长江大桥(主跨1490m 钢箱) 分别位居第二、第四；拱桥8座，重庆朝天门长江大桥(主跨552m 连续钢桁系杆拱)、上海卢浦大桥(主跨550m 钢箱提篮系杆拱) 分别位居第一、第二；梁桥6 座，重庆石板坡长江大桥(主跨330m 钢—混凝土混合刚构—连续)位居第一。跨海桥梁中的宁波杭州湾大桥总长36 Km，为跨海桥梁世界之最；东海大桥总长32．5Km；舟山大陆连岛工程总长54.68Km； 上海长江隧桥工程———南隧北桥，隧道长度8．9Km、桥长10.3Km，为世界迄今为止最大的隧桥结合工程。
不管什么形式的桥梁，其基本材料大多可归为石材，木材，混凝土，钢材等类型，而这些材料在耐久性方面均存在不同程度的问题，需要给予特别关注。所以随着我国桥梁建设高潮的来临，对重要桥梁运营状况进行实时监测显得愈发迫切，加上国际桥梁领域最新发展动态的引导，桥梁健康监测日益成为国内发展的一大热点。
桥梁健康监测系统发展简介
虽然健康监测是最近一二十年才兴起的一个技术方向，但追寻历史我们发现结构监测概念古已有之：在中国，古塔上通常安装有各种各样的铃铛，而这些铃铛就兼具结构强烈晃动时提醒游人撤离的预警功能。另外，中国的监测传感技术也源远流长：汉代的古籍中就有大气温度和风速风向测量的记载。而1969年，Lifshitz和Rotem所写的论文则被视为阐述现代结构健康监测理念——通过动力响应监测评估结构健康状态——的第一篇论文；由此，桥梁健康监测在世界范围内蓬勃发展起来。
在工程领域：1987年，英国在总长522m的三跨连续钢箱梁桥Foyle桥上布设传感器监测大桥运营阶段在车辆与风载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，该系统是最早安装的较为完整的健康监测系统之一。挪威的Skamsundet斜拉桥，丹麦的Faroe跨海斜拉桥和主跨1624m的Great Belt East悬索桥，加拿大的Confederation连续刚构桥，日本的明石海峡大桥等大跨桥梁上也相继安装了监测系统；1997年， 香港的青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥等三座大桥上安装了风和结构监测系统。随后，内地的东海大桥、虎门大桥、徐浦大桥、江阴长江大桥等桥梁上也建立了不同规模的结构监控系统。
在学术领域：1988年在日本东京举行的第九届世界地震工程会议（9WCEE)上，首次在国际范围内讨论土木工程主动控制。1994年，国际结构控制学会（IASC)正式成立，同年召开第一届国际结构控制会议（1st World Conf. on StructuralControl）。为了应对形势发展的需要，2006年以后，国际结构控制学会（IASC)会议改名为国际结构控制与监测会议（World Conf. on Structural Control and Monitoring）。
健康监测主要研究进展
综合桥梁健康监测的发展历史和现状来看，主要有以下技术难题和研究进展：
第一，健康监测系统总体设计。健康监测系统的总体设计原则包括以下几项：（1）根据桥梁结构易损性分析的结果及养护管理的需求进行监测点的布设；（2）从结构安全性、耐久性、使用性的需求出发对结构进行监测，采用实时监测和定期监测相结合的方法，力求用最少的传感器和最小的数据量完成工作；（3）以结构位移监测为主，以力、应力、模态分析为辅助。监测内容主要是荷载源、系统特性和结构响应。目前对于健康监测系统的设计更主要的是基于经验和项目经费的限制来确定传感器系统得设计，而没有一种确定性标准来进行传感器系统的设计，同时对需要通过健康监测系统获得哪些能够对结构的状态评估发挥关键作用的数据还没有明确的方法。
� 第二，传感传输技术。传统传感测试技术易受干扰、传输导线过长等缺点已不再满足桥梁健康监测的发展要求，加上现代科技支撑，近年来发展起来了许多新型的传感技术，其中以光纤传感、无线传感、GPS技术和Internet数据通信技术为主要技术代表。关于传感器优化布置的问题也愈发引起人们的关注，传感器的类型、数量和布置位置对监测效果有着非常大的关系，客观条件中传感器的数量总是有限的，如何将有限的传感器合理布置以发挥其最大的效用是是健康监测的关键技术之一，也是以后大力发展的方向之一。
� 第三，数据融合技术。多传感器数据融合技术以其强大的时空覆盖能力和对多源不确定性信息的综合处理能力,可以有效地进行结构系统的监测和诊断。目前已经发展起来的数据融合技术主要有：加权平均、卡尔曼滤波、贝叶斯估估计、统计决策理论、证据理论、模糊推理、神经网络。现有健康监测系统多停留在数据采集和简单数据分析阶段，同时桥梁健康监测系统会产生大量测试数据, 对这些测试数据与信息进行整合与解释，以及对结构真实状态的进行合理评估仍存在很大困难。
� 第四，系统与损伤识别理论研究。目前主要的研究方法有基于振动的结构损伤识别方法和模型修正方法。结构损伤识别作为结构状态评估的重要组成部分，是近年来健康监测方向的研究热点之一，出现了如基于结构频率、位移模态、应变模态、曲率模态、应变能、刚度、柔度、能量法、频响函数等一系列损伤识别方法。而模型修正方法主要是基于运动方程、测试结果和有限元模型构造约束优化问题不断修正结构刚度、质量和阻尼分布，使其响应尽可能的接近实际响应。结构的模型修正能够为健康监测提供基准模型，同时也为基于测试结果的反演进行结构损伤识别和性能模拟提供了很好的基础。
� 第五，结构健康状态评估。结构状态评估方法主要是运用可能获得的反映结构性能的内部信息对结构的施工运营等工作状态进行评估，目前主要有可靠度理论、层次分析法、模糊理论、神经网络以及专家系统等。健康监测系统的结构状态评估需要从结构监测的大量数据中提取能够反映结构特性的特征，以完成对结构实时和定期的评估，而这其中必然会涉及到结构数据的特征提取、数据融合及性能决策等方面，但目前这个方面所作的工作较少。
桥梁健康监测实例---东海大桥
东海大桥工程2002年6月26日正式开工建设，历经35个月的艰苦施工，于2005年5月25日实现结构贯通，是我国第一座真正意义上的跨海大桥。东海大桥起始于上海南汇区芦潮港，北与沪芦高速公路相连，南跨杭州湾北部海域，直达浙江嵊泗县小洋山岛，全长约32.5公里，其中陆上段约3.7公里，芦潮港新大堤至大乌龟岛之间的海上段约25.3公里，大乌龟岛至小洋山岛之间的港桥连接段约3.5公里。大桥按双向六车道加紧急停车带的高速公路标准设计，桥宽31.5米，设计车速每小时80公里，设计荷载按集装箱重车密排进行校验，可抗12级台风、七级烈度地震，设计基准期为100年。东海大桥是上海国际航运中心洋山深水港区一期工程的重要配套工程，为洋山深水港区集装箱陆路集疏运和供水、供电、通讯等需求提供服务。东海大桥的建成通车，为洋山深水港建成开港和进一步发展，加快上海国际航运中心的建设奠定了坚实的基础。东海大桥当时被上海市政府列为“一号工程”，其重要性不言而喻，在进行结构建设的同时，健康监测系统的布设也提上了日程。2006年10月，东海大桥的监测系统顺利布置到位，并于2007年正式投入使用。
东海大桥的监测内容主要是环境参数，结构静力和动力响应和结构的耐久性。其中环境参数主要包含风速，地震，波浪和冲刷等，结构响应主要监测内容包括斜拉桥桥塔的变形，连续梁的挠曲，阻尼器和伸缩缝的变形，主梁的损伤，主梁和塔的振动以及斜拉索的应力。结构的耐久性监测包含钢结构的疲劳和混凝土结构的慢性腐蚀。
东海大桥上使用的基本监测手段有：用FBG传感器测量应力和温度；用GPS监测结构变形；用疲劳传感器测量桥梁主梁的疲劳。全桥一共使用了478个传感器，包括使用在主跨上的169个。
数据评价体系分为联网评估和脱机评估。联网监测是一种自动监测系统，这一系统不仅可以判断结构的安全性，还可以进而对采集的数据进行分析。自动监测系统还可以自动决定是否需要向管理者预警并立即开始脱机评估。脱机评估系统可以进行一些更加高级的分析，比如结构静力分析，模态分析，桥梁力学行为和环境因素的校正分析等等。这一系统需要大量的结构分析并由专家进行判断进而对桥梁的状态给出一个全面的评估。
桥梁结构的监测数据不仅包含正常运营状态，还包括在极端荷载（比如台风，地震，爆炸，船撞等）下的桥梁结构响应。得到大量的监测数据以后，需要对其进行更多的深入分析和整理，首先区分出数据中的哪些部分是由于环境改变引起的结构响应，哪些又是由于结构破坏产生的等，然后通过图表等形式把数据中蕴含的内在规律及变化情况表现出来，再对结构的整体状况进行评估。
