基于健康监测的桥梁可靠度评估_潘松林

第14卷 第12期 中 国 水 运 Vol.14 No.12 2014年 12月 China Water Transport December 2014

收稿日期：2014-11-17

作者简介：潘松林（1978-），男，湖北省黄冈市人，上海市政养护管理有限公司工程师，毕业于同济大学。

基于健康监测的桥梁可靠度评估

潘松林

（上海市政养护管理有限公司，上海 201105）

摘 要：文中在对桥梁健康监测的概念、作用、意义及内容的系统阐述基础上，总结了桥梁可靠度评估的研究现状，提出了基于健康监测的桥梁可靠度评估的流程，对健康监测系统的发展提供了启发，为科学的桥梁维护与安全决策提供了新的思路。

关键词：桥梁；健康监测；状态评估；可靠度；维修与养护

中图分类号：TU447 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2014）12-0231-03

一、前言

桥梁是城市生命线工程的重要组成部分，其安全建设、安全运营状况一直是社会关注的焦点。近年来我国交通运输基础设施建设力度不断加大，使得我国公路桥梁建设取得重大突破：截至2013年年底，我国公路通车总里程突破435.6万公里，其中公路桥梁共有73.53万座、3,977.80万米，包括特大桥梁3,075座，大桥67,677座，二者长度占桥梁总长的一半以上。同时，按旧规范设计的中、老龄桥梁占相当的比重，这些桥梁设计标准（容许应力法、定值极限状态设计方法）及设计荷载偏低（汽车-10级、汽车-15级等），随着结构自然老化、交通量激增、车辆荷载增加及养护维修不到位等，不可避免地发生材料腐蚀、裂缝、变形、疲劳等结构性能退化，导致其承载能力不足，可靠性能降低[1-4]。尤其是近年来发生的重大桥梁工程事故更是将桥梁结构的状态评估问题严峻的摆在人们面前，如1967年12月15日美国Silver Bridge 眼杆疲劳断裂导致全桥垮塌，1994年10月21日韩国SeongSu Bridge 由于材料及施工缺陷导致48m 长混凝土桥面板整体塌落，2001年11月7日宜宾小南门桥吊杆断裂导致两端桥面垮塌，2007年6月15日广东九江大桥由于船只撞击导致桥面坍塌约200m。因此，如何采用有效的办法对桥梁结构状态进行监测及评估，并基于评估的结果进行维修与养护决策等，是摆在桥梁运营管理部门和广大桥梁工程技术人员面前的难题。

传统的桥梁状态评估是基于人工检测（包括各种无损检测方法、荷载试验等）的结果进行的。但由于大型桥梁结构复杂，构件多而尺寸大，采用人工检测手段也是费时、费力而且低效，甚至人力难及，无法对其整体安全性作出客观准确的评估，更无法实现桥梁状态的实时评估，从而使得桥梁健康监测系统和智能控制技术相继运用到这些大型桥梁中，并得到了迅速发展[1-4]。

为了对桥梁运营期间的健康状况进行实时监测，自20世纪90年代起，我国陆续在一些大型重要桥梁上建立了不同规模的健康监测系统（SHM ，Structural Health Monitoring ），如香港的青马大桥、汀九大桥和汲水门大桥，内地的东海大桥、闵浦大桥、上海长江大桥、苏通大桥

等。健康监测系统对桥梁结构的环境荷载及相应的静动力响应进行连续或间断地监测，如通过动态称重系统记录交通荷载流时程，通过应变仪记录桥梁静动力应力时程等[6-9]。目前的健康监测系统均能对在役桥梁的环境荷载和结构响应进行实时监测，并能在一定程度上进行桥梁异常状况的安全预警，部分系统还可实现桥梁的在线评估，基本实现了对结构健康状况进行监测和预警的目的。

目前健康监测技术发展的瓶颈在于，如何在获得桥梁实际荷载及结构状况数据的同时，基于监测数据对桥梁状态特别是承载力作出科学准确的评判，建立桥梁安全、耐久和使用等多种性能的可靠性评估方法，以期更好的发挥其作用，制定和实施科学有效的桥梁管养策略。

二、桥梁健康监测 1．健康监测的概念及意义

桥梁健康监测就是通过现代传感设备对桥梁结构进行无损检测，实时监测桥梁在各种环境激励下的结构响应、力学行为及损伤指标，通过信号处理和数据分析，实现对桥梁的损伤状态、承载能力、可靠指标和剩余寿命进行在线诊断或专家离线评估，同时在桥梁遭遇极端灾害（台风、地震等）、异常交通条件（严重超载）或结构损伤异常时触发预警信号。通过对其进行承载能力评估、剩余寿命预测、可靠度评估等，为桥梁的维护与安全决策提供了科学的依据和指导，如

[10-11]

。

图1 桥梁健康监测系统基本功能

232 中 国 水 运 第14卷 除了结构状态监控与评估以外，桥梁健康监测还具有验证设计理论和改进设计规范等方面的意义，如图1所示[1]。由于桥梁结构分析是基于理想的计算假定的，并且常以很多假定为前提，其计算模型中边界条件、材料特性及截面尺寸等假定与桥梁竣工状态往往不符，在设计阶段对桥梁的力学特性进行完全掌握并预测其将来的性能演变趋势是不切实际的[5]

。通过桥梁健康监测所得到的信息，可以获得大桥的实

际环境激励及实际结构响应，从而验证理论假定及设计方法的合理性，可用于深入研究桥梁结构及其环境中的未知和不

确定性问题。

图2 桥梁健康监测的意义

2．健康监测的内容

桥梁健康监测系统的监测对象可分为环境激励、结构响应和重点病害等三类，主要有以下几方面[1,11]：

（1）环境激励。包括风、地震、温度、交通载荷等。所使用的传感器有：风速风向仪——可得到桥址处的风场特性参数，包括平均风速、脉动风功率谱及各向相关性等；温度计——记录大气温度、结构温度场、截面温度差等数据；动态称重仪（WIM，Weigh-in-Motion）——在不中断交通的情况下获得车辆的轴重、轴距以及车速等信息，经过数据分析后可得实际的交通荷载谱；强震仪——记录强烈地震近地面运动，经过数据分析后可用于结构时程分析。

（2）结构响应。实时监测桥梁的变形、结构应力、拉索索力、墩台沉降、动力特性等。所使用的传感器有：全球定位系统（GPS）——记录桥梁各测点的三维坐标变化，可很好的反映塔顶位移或主梁线形；结构应变计——记录钢筋、钢材表面及混凝土表面的动态应变，经结构分析后可用于疲劳、承载能力分析等用途；测力计——有磁弹性仪、力环、剪力销等种类，对主缆、斜拉索、吊杆、预应力钢筋等的张力进行记录；加速度计——通过测点的优化布置，可以较好的识别出结构的模态参数（包括频率、振型、阻尼比等）。

（3）重点病害。对结构内部的混凝土裂缝、焊缝裂纹、材料腐蚀、螺栓松脱、橡胶老化、路面磨损等病害进行监测，并实时监控重要非结构构件（如伸缩缝、支座、阻尼器等）的工作状态，为桥梁的健康运营保驾护航。

表1中列出了几座大型桥梁工程的健康监测系统的测点及传感器布置情况[1]。

风速风向仪 6 7 2 10 温度计 115 75 224 229 动态称重系统 6 6 6 2 加速度计 17 67 3 46 位移计 2 2 2 16 应变计 118 128 46 405 水平仪 9 5 GPS 站

√

16

三、基于健康监测的桥梁可靠度评估 1．桥梁可靠度评估研究现状

既有桥梁可靠度评估的内容应该包括桥梁结构的安全性、适用性和耐久性，其中安全性评估即为承载力极限状态问题。当前可靠度研究主要集中于桥梁承载能力评估，在可靠度理论、层次分析法、模糊理论、神经网络以及专家系统等方面积累了大量的成果及经验。

Kiyohiro Imai 指出，早期的桥梁均是基于容许应力法设计的，因此难以确定这些桥梁的可靠度，并提出应用规范规定的荷载，结合有限元分析的可靠度评估方法，并应用于Innoshima 桥的评估中，得到了主缆、吊杆、加劲梁及系统的可靠度指标[12]；F.Necati Catbas 以一座主跨501m 的悬

臂桁架桥为例，结合规范确定结构的荷载和抗力，用一次二阶矩法计算了恒载、活载、风载及温度不同组合下的构件可靠度，通过串并联分析得到了该桥的体系可靠度[13]；D. Hosser 提出一套可行的概率安全评估框架，并通过可靠度评估建立了准确的结构退化模型，为确定检测和评估的时间间隔提供依据[14]。

可以看出，目前桥梁结构可靠度研究中存在的主要问题是缺乏大量的概率统计数据，导致可靠度计算中重要的随机变量只能采用理论的概率模型来预测，且在计算中采用简化的计算公式来描述桥梁的实际力学行为，这在很大程度上影响了可靠度评估的精确性[15-16]。

2．基于健康监测的桥梁可靠度评估

在桥梁结构可靠度评估前，需进行荷载效应和结构抗力分析，在这个过程中有大量的不定性因素影响着评估的精确性[17-18]。这些不定性因素可大致分为偶然不定性及认知不定性两类。

偶然不定性（环境荷载、材料力学性能等）是由自然现象的随机性引起的，其不能消除或减少，但可以通过风险分析将其量化。认知不定性（荷载、计算模型等的理想化）主要是由于数据不足、测量不精确及计算模型不精确等引起的，其可以通过认知的提高和信息的完备而减少，从而使得可靠度预测更为准确。

例如，结构健康监测可以收集各种条件下结构的激励，从而确定随机变量的概率分布，量化偶然不定性；监测得到的结构响应数据，亦可用来识别整体和局部的结构参数，从而确定桥梁的实际力学行为，通过有限元模型修正减少认知不定性。因此，将结构健康监测与可靠度分析结合起来，在可靠度分析模型中加入实时监测的环境荷载和结构响应数