分层式桥梁健康管理系统研究与应用

近来我国桥梁结构事故频繁发生，造成了重大的人员伤亡和财产损失，已经引起人们对于桥梁结构安全性的关心和重视，当桥梁发生突发性损伤时，如果能够及时做出判断并发出预警，及时采取应急处理措施，可以防止损伤进一步发展和引发其它事故；对于长期服役的桥梁结构，如能定期对其累积损伤的程度做出正确评估，就可以充分掌握其工作状态，确保桥梁安全。在此工程背景下，桥梁健康监测应运而生，并成为土木工程学科发展的一个重要领域。

桥梁健康监测是通过对桥梁的物理力学性能进行实时监控，对损伤的位置和程度进行诊断，对桥梁的服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行智能评估，在突发事件或桥梁使用状况严重异常时发出预警信号并为桥梁维修、养护与管理决策提供依据和指导[1-3]。健康监测技术是一个多领域跨学科的综合性技术，它涉及到土木工程、动力学、材料学、传感器技术、测试技术、信号分析、计算机技术、网络通讯通信技术、模式识别等多个研究方向。

真正意义上的桥梁实时监测系统应具备对损伤的实时自动识别功能，由于受技术和经济条件的限制，目前还没有一种方法能够实现桥梁监测的自动损伤识别，与监测系统相比，检测系统相对要容易的多。随着桥梁检测技术的发展，世界上发达国家更依赖于桥梁的无损检测技术对桥梁进行工作状况评估、健康管理和维护策略的制定等，融合监测与检测技术而形成的综合健康管理系统是真正能够在实际工程中应用的桥梁健康管理系统。

1、桥梁实时健康监测系统的构成及不足

1.1 实时健康监测系统的构成

桥梁的健康监测系统是一个实现桥梁健康监测的完整平台，它包括传感器系统、信息采集与处理系统、数据处理分析与显示系统、损伤识别算法与程序、健康档案与专家系统、系统网络平台等。通过健康监测系统的运行，可以实时监控桥梁的整体行为，对出现的损伤位置和程度进行诊断，对桥梁的服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行智能评估，为桥梁在突发事件（如强震、撞击等）下或使用状况严重异常时触发预警信号并为桥梁的维修、养护与管理决策提供依据。

健康监测系统主要由四个功能子系统组成并通过网络进行工作[5]。这四个子系统是：

1. 传感器系统：包括加速度计、风速风向仪、位移计、温度计、应变计、信号放大处理器及连接介面等，并将待测物理量转变为电信号；

2. 信息采集与处理系统：包括信号采集器及相应的数据存储设备等。安装于被测结构中, 采集传感系统的数据并进行初步处理；

3. 信息通信与传输系统：包括网络操作系统平台、安全监测局域网、与因特网的连接等。将采集并处理过的数据传输到监控中心；

4. 信息分析和监控系统：包括高性能计算机及分析软件。利用具备损伤诊断功能的软硬件分析接收到的数据，判断损伤的发生、位置和程度，对结构健康状况做出状态评估，若发现异常，发出报警信息。

1.2 实时健康监测系统的不足

目前的研究认为：健康监测系统的设计须遵循功能要求和效益－成本分析两大准则[4]。其设计时首先应考虑建立该系统的目的和功能，对于特定的结构，建立健康监测系统的目的可以是结构监控与评估、设计验证，也可以是研究。监测系统的规模以及所采用的传感仪器和通信设备等需考虑投资的限度。

真正意义上的桥梁实时监测系统应具备对损伤的实时自动识别功能，由于受技术和经济条件的限制，目前还没有一种方法在实际工程中实现了桥梁监测的自动损伤识别，尽管有些桥梁监测的损伤识别技术在理论上和人为的理想试验环境下是可实现的，当放到复杂的大型桥梁结构中和随机的桥梁工作环境中时，几乎没有任何一种方法可行。要么受传感器精度和灵敏度的限制，要么受太多随机因素（风、地震和车流等）的制约，而把繁复的分析手段程式化也困难重重。与监测系统相比，检测系统要容易的多，随着桥梁检测技术的发展，世界上发达国家更依赖于桥梁的无损检测技术对桥梁进行工作状况评估、健康管理和维护策略的制定等。从经济角度考虑，桥梁实时监测系统造价昂贵，而检测系统经济节约。另外，桥梁健康档案的建立还得依靠直接检测到的桥梁损伤数据来建立，因此融合监测与检测技术而形成的综合健康管理系统是真正能够应用的桥梁健康管理系统。

2、分层式桥梁综合健康管理系统

2.1桥梁综合健康管理系统的提出

一座桥梁在其设计寿命期间的运行安全问题和如何降低运营成本、减少维护费用一直是桥梁界十分关心的问题。桥梁综合健康管理系统正是解决了这个难题，它是集桥梁检测、桥梁实时监测、桥梁的专业维护于一身的健康管理系统。在桥梁的健康管理中检测和监测是不能互相替代的, 桥梁监测和检测都是以桥梁安全为终极目的，二者具有互补性，其特点可归纳如下：

1） 桥梁监测是通过传感器测量和实时信号分析的手段间接地发现异常及损伤，而检测技术是通过各种专用仪器直接发现及定位桥梁异常和损伤；

2） 桥梁监测对桥梁进行长期观测，而检测则是定期的和有针对性的对桥梁进行测量；

3） 桥梁监测的内容通常是桥梁的物理特性指标（振动、位移、应力、应变、挠度，温度、风等），而检测的内容则是直接的损伤指标（裂纹长度、深度、锈蚀深度等）；

4） 桥梁监测系统可以及时反应桥梁工作异常，而检测不能及时发现桥梁受到的突然损伤；

5） 桥梁监测系统通常不能准确的判断损伤类型、位置及程度，而有针对性的检测则能较准确地得出桥梁的损伤类型、位置及程度；

6） 监测系统可以监测全桥的异常反应，而检测（尤其是大型桥梁）有时会忽略有些隐蔽损伤导致的异常；

7） 监测系统测出的异常事件可以作为针对性检测的指针，而检测得出的损伤数据又可以作为桥梁监测数据变化的参考；

8） 桥梁综合健康管理系统同时采用结构监测和检测技术，即在系统中同时应用监测及检测数据进行损伤判别。

2.2桥梁综合健康管理系统的构成

分层式综合健康管理系统由信息获取层、分析记录层和决策层构成（图1），其显著特点是信息获取的多样性，运营过程中的信息获取由实时动态监测、适时监测、针对性检测、施工过程中的监测和常规检测来完成。

图1 分层式综合健康管理系统图实时动态监测实时监测系统的功能是实时地监测桥梁各结构件的工作状态，及时地发现损伤和微损伤，当损伤和微损伤积累达到对桥梁的运行安全产生危害时将发出蓝色警报。实时监测系统在大型桥梁健康管理系统中处于基础层的核心部分，它直接对桥梁安全负责，为桥梁检测提供及时的指导性意见，让损伤在初期便得到及时的处理，让桥梁保持健康的工作状态。

适时监测系统适时监测系统包括两部分，一是报警后监测，二是定期监测。当实时动态监测系统得到的结构整体性能参数或局部性能参数产生异常变化后，系统发出蓝色警报，然后则需要对桥梁结构进行适时监测。为最大程度的保障结构安全，还需要对桥梁结构进行定期监测。

施工过程中的监测由于现场条件、环境因素、施工误差等不可预知的因素，结构的内力和变形在施工过程中是一个累积的过程，成桥后的结构状态不可能与设计完全一致，采用设计的成桥结构状态作为桥梁健康监测系统的初始状态是不合理的，而这些残余应力与残余变形是不可能通过成桥后的竣工试验等方法准确掌握的，必须在施工过程中即开始监测前述项目，积累施工过程数据，这样才能准确掌握桥梁运营健康监测系统的初始指纹，更好的运行桥梁运营健康监测系统。

同时在施工过程中上述健康监测项目的分析计算结果和监测数据还可以和施工监控单位的结果相互校核。可以将桥梁的整个生命周期的桥梁健康监测统一考虑，合理规划监测内容，统筹分配有效资源。把成桥过程中的施工监控中的监测内容作为桥梁健康监测的一个组成部分。

针对性检测通过桥梁监测得到损伤的初步信息后需要进行针对性检测，确认损伤的类型、大小和位置，然后决定是否发出橙色报警，同时将损伤数据存入健康档案数据库，以便以后对桥梁模型进行修正。

桥梁常规检测桥梁常规检测指根据《公路桥梁养护规范》的要求，对桥梁进行定期的健康“普查”。它先对所有桥梁结构进行外观检查，发现损伤后再用无损检测技术对损伤量化确认。桥梁常规检测将遵从以下原则进行：1）对桥梁进行详细的检测，完成桥梁的信息卡，真实了解桥梁的实际工作状况。2）对桥梁进行的检测，可以为结构物的强度、刚度、稳定性和耐久性评估提供基础资料；为确定是否对桥梁维护采取进一步的措施提供依据。

3、分层式桥梁综合健康管理系统的应用

3.1工程背景

富民桥工程位于天津市海河两岸综合开发规划的智慧城范围内，是一座新建的跨海河桥梁，桥梁全长为340.3m，主桥设计为单塔空间索面自锚式悬索桥，桥塔为独柱，主跨主缆锚于主梁的两侧，边跨主缆锚于重力式锚碇，形成一个稳定的结构体系。主缆主跨采用三维空间线形，在立面及平面皆为抛物线，边跨主缆采用一组（两根并排）缆索，不加竖向吊索形式，该结构形式为结构首创。

桥梁主跨跨径157.08m，边跨跨径86.4m，桥面全宽38.6m。桥型布置图见图2。

图2 桥型布置图及加速度传感器测点布置3.2富民桥测点布置

实时动态监测测点布置针对富民桥的结构特点，监测项目主要分为环境状况监测、结构静力性能监测、结构动力性能监测。

1）环境状况监测

根据该桥的特点需长期进行的环境监测只考虑环境温度，考虑到引起桥梁应力的温度作用主要为季节温度变化和日照引起的桥梁不同部位的温度差，但沿桥梁纵向方向的温度变化不大，因此，本项目在主梁上布设数字式温度计测量日照引起的温度场。

2）结构动力特性监测

a）悬吊体系的动力特性监测

桥梁结构的受损和安全性降低主要是由于桥梁主要构件和结构的疲劳损伤的累积结果，而桥梁结构疲劳损伤主要是由于动荷载作用下的交变应力作用的结果。对于悬索桥，其悬吊体系（主缆和吊索）不仅影响主梁结构的动力特性和受力特性，而且其本身在交变应力与环境腐蚀的相互作用下是导致疲劳和锈蚀损伤扩展的重要原因之一。结构的整体性能改变时，其模态参数（如频率、振型等）也会发生相应的变化。选用三轴加速度传感器对悬吊体系的动力特性进行实时监测。

b）、主梁的动力特性监测

主梁结构的动态响应往往与引起整体振动的强振源相联系，因此，通过对索塔和主梁振动的监测，不仅可以识别主梁结构的动态特性参数，还可以实现对主梁结构承受波动载荷历程的记录，同时，对加速度信号积分，可以得到结构的动位移。对于主梁，需要同时测量竖向和水平横向和纵向方向的加速度，因此，需要选用三轴加速度传感器，根据该桥主要参与振动的振型，本项目将沿桥的跨度在桥面宽度两侧布设加速度传感器对主梁的动力特性进行实时监测。

c）、索塔的动力特性监测

索塔是悬索桥的重要构件，索塔的振动主要为顺桥向和横桥向的振动，而且其顶部的振动最大，因此，在索塔顶部布设两轴加速度传感器对索塔的动力特性进行实时监测。

适时监测系统内容主要有：

1）悬吊体系的监测

准确掌握吊索索力分布和索力变化有助于监测吊索系统的工作状态、分析索力分布及其变化对大桥结构的影响、指导索力校正调整，并为更进一步的局部检查提供依据。

为准确反映整个吊索系统索力分布和变化的情况，吊索索力检测采用振动法和布设光纤光栅传感器相结合的方法。

2）主梁结构的监测

监测主梁应力的目的在于通过对主梁结构的控制部位和重点部位内力的监测，掌握主梁结构的内力分布、局部结构及连结处在各种载荷下的响应，为结构损伤识别和结构状态评估提供依据。同时，通过控制点上的应力状态的变异，检查结构是否有损坏或潜在损坏。

主梁结构监测的主要内容是各控制截面的变形、应力及温度效应；主梁结构的动态特性；伸缩缝位移等。考虑到大桥主梁比较宽，应重视主梁结构横向应力的监测。

控制截面为主梁的跨中、3/4跨、梁塔处的应力和变形。主梁应力监测采用振弦式应变计和光纤光栅传感器相结合的方式，以对主梁结构进行适时的、定期的检测。

3）索塔结构的监测

索塔是悬索桥的主要受力构件，既要承受纵桥向的荷载，又要承受横向风载和温度荷载，索塔的受力、沉降和变形状况是悬索桥结构安全的重要控制指标。该项监测内容是反映悬索桥结构整体工作状态的重要方面。

主要监测内容包括索塔塔顶的沉降和水平位移、索塔结构各主要控制截面的应力及温度效应。控制截面为中塔柱和塔底截面。鉴于应变传感器的相对测试原理，监测系统中应变监测，在重要的应变控制测点实行双传感器布置，经标定后两传感器互为参考，其中一只传感器因损坏而需要更换时，以另一只传感器示值进行标定，此设计方法可以解决应变传感器更换丢失初值的问题。

4）主缆索力监测

主缆是衡量悬索桥是否处于正常运行状态的一个重要标志，且不可更换，通过对主缆索力的监测，不仅能为从总体上评估大桥的安全性和耐久性提供依据，同时也能检测钢索的锚固系统和防护系统是否完好，钢索是否锈蚀等。在人工适时、定期的振动法进行检测的基础上，又加入了光纤光栅进行实时监测，以确保测量的可靠性。

4、结语

本文提出了桥梁健康管理中监测与检测相结合、实时监测与适时监测相结合、运营健康监测与施工监控相结合的原则，构建了分层式桥梁综合健康管理系统并结合工程实例对其进行了详细的说明。该系统采用了多样化的健康信息获取方式，以综合信息为基础进行桥梁损伤识别，同时由于采用了分级报警的模式，降低了监测系统虚假报警的几率，弥补了当今相关研究和设计的不足。最后，通过实际工程验证了该系统的有效性，同时也为系统的进一步完善和推广奠定了基础。