桥梁健康监测系统调研报告

桥梁健康监测系统

调

研

报

告

2009年6月

目录

一、传统桥梁结构检查与评估概述 (1)

二、现代桥梁健康监测系统概述 (2)

三、健康监测系统研究现状 (3)

四、健康监测系统实施现状 (5)

五、健康监测系统应用效果与存在问题 (9)

六、健康监测系统改善建议与发展前景 (10)

一、传统桥梁结构检查与评估概述

桥梁在建成后，由于受到气候、腐蚀、氧化或老化等因素，以及长期在静载和活载的作用下易于受到损坏，相应地其强度和刚度会随时间的增加而降低。这不仅会影响行车的安全，并会使桥梁的使用寿命缩短。为保证大桥的安全与交通运输畅通，加强对桥梁的维护管理工作极为重要。桥梁管理的目的在于保证结构的可靠性，主要指结构的承载能力、运营状态和耐久性能等，以满足预定的功能要求。桥梁的健康状况主要通过利用收集到的特定信息来加以评估，并作出相应的工程决策，实施保养、维修与加固工作。评估的主要内容包括：承载能力、运营状态、耐久能力以及剩余寿命预测。承载能力评估与结构或构件的极限强度、稳定性能等有关，其评估的目的是要找出结构的实际安全储备，以避免在日常使用中产生灾难性后果。运营状态评估与结构或构件在日常荷载作用下的变形、振动、裂缝等有关。运营状态评估对于大桥工件条件的确认和定期维修养护的实施十分重要。耐久能力评估侧重于大桥的损伤及其成因，以及其对材料物理特性的影响。

传统上，对桥梁结构的评估通过人工目测检查或借助于便携式仪器测量得到的信息进行。人工桥梁检查分为经常检查、定期检查和特殊检查。但是人工桥梁检查方法在实际应用中有很大的局限性。美国联邦公路委员会的最近调查表明，根据目测检查而作出的评估结果平均有56%是不恰当的。传统检测方式的不足之处主要表现在：

（i）需要大量人力、物力并有诸多检查盲点。现代大型桥梁结构布置极其复杂，构件多且尺寸大，加之大部分的构件和隐蔽工程部位难于直接接近检查，因此，这对现代大型桥梁尤其突出；

（ii）主观性强，难于量化。检查与评估的结果主要取决于检查人员的专业知识水平以及现场检测的经验。经过半个多世纪的发展，虽然桥梁的分析设计与施工技术已日趋完善，但对某些响应现象，尤其是损伤的发展过程，尚处于经验积累中，因此定量化的描述是很重要的；

（iii）缺少整体性。人工检查以单一构件为对象，而用于现代机械、光学、超声波和电磁波等技术的检测工具，都只能提供局部的检测和诊断信息，而不能

提供整体全面的结构健康检测和评估信息；

（iv）影响正常交通运行。对于较大型的桥梁通常需要搭设观察平台或用观测车辆，无可避免需要实施交通控制；

（v）周期长，时效性差。大型桥梁的检查周期可达经年。在有重大事故或严重自然灾害的情况下，不能向决策者和公众提供即时信息。

二、现代桥梁健康监测系统概述

由于人工桥梁检查程序和设施无法直接和有效地应用于大型的桥梁检测上。因此有必要建立和发展桥梁结构健康监测与安全评估系统用以监测和评估大桥在运营期间其结构的承载能力、运营状态和耐久能力等。桥梁监测系统综合了现代传感技术、网络通讯技术、信号分析与处理技术、数据管理方法、知识挖掘、预测技术及桥梁结构分析理论等多个领域的知识，极大地延拓了桥梁检测领域，提高了预测评估的可靠性。当桥梁结构出现损伤后，结构的某些局部和整体的参数将表现出与正常状态不同的特征，通过安装传感器系统拾取这些信息，并识别其差异就可确定损伤的位置及相对的程度。通过对损伤敏感特征量的长期观测，可掌握桥梁性能劣化的演变规律，以部署相应的改善措施，延长桥梁使用寿命。监测系统为桥梁评估提供即时客观的依据，但由于资源等方面所限，就目前情况而言，传感器系统不可能涵盖所有构件。此外，由于对大型桥梁在复杂环境下响应的认识与经验的限制，也会导致对某些关键性部位监测的不足。大桥损伤大致可分为结构性损伤与非结构性损伤两大类。用于结构性损伤检测和非结构性损伤检测的传感器种类和布置截然不同。此外，非结构性损伤虽然不会减弱结构的承载能力与耐久性，但对桥梁的正常运营造成隐患。大桥健康监测系统的主要功能包括：

（i）监测大桥的结构安全及运营状况；

（ii）提供大桥定期维修养护所需要的信息；

（iii）检验大桥设计假定和设计参数的可靠性和准确性。

我们特别强调健康监测系统能服务于大桥的定期维修与管理。这一功能将通过建立专门的构件危险及易损性评级系统和基于整体检测与局部检测评估体系

相结合来实现。，建立一个技术先进、稳定高效的桥梁健康监测和安全评价系统，对于提升桥梁工程的设计、施工和管理水平亦具有十分重要的意义。

图1 桥梁健康监测构架图

三、健康监测系统研究现状

桥梁结构健康监测与安全评价系统涉及的研究范围包括：传感器优化布设与系统集成研究，数据采集、处理、显示及存储研究，结构状态评估研究。

传感器的优化布设(传感器类型，位置和数量)对监测结果起决定作用。由于客观因素的制约，传感器的数量总是有限的，如何布设有限数量的传感器从噪声信号中实现对结构状态改变信息的最优采集，是大跨度桥梁健康监测的关键技术之一。系统集成是将系统内不同功能的子系统在物理上、逻辑上和功能上连接在一起，以实现信息综合分析和管理。系统集成是桥梁监测系统智能化程度的重要标志，旨在实现资源共享和信息综合，其发展方向是“一体化集成”和开放的分布式网络结构系统，与外部各种通信网络互联，构成信息高速公路的一个节点或广义的“信息点”。数据采集、处理、存储及提取是桥梁监测系统的重要内容。应向满足多媒体、同步化、宽带化、高速率、大容量等信息传输的要求方向发展，保证系统进行连续、同步的实时数据采集，及时有效地处理、分析、存储和管理庞大的数据流。

桥梁结构状态评估是桥梁监测系统的核心和目标。借助于有限元分析模型和大量的监测数据，采用统计、系统识别和模式识别的方法，评估桥梁结构的环境和条件状态，监测结构性能及其退化趋势。系统识别法以结构系统模型和模型估计(或修正)为基础，通过识别模型参数的变化来实现结构状态监测与损伤诊断。基于特征的模式识别法是利用传感器信号的适当特征，通过模式分类过程来辨识结构的变化。所谓“特征”是由测量数据转换得到的、反映结构状态分类本质的量。振动模态参数是最早用来识别结构损伤的特征，目前得到普遍认同的一种最实用的方法就是结合系统识别、振动理论、振动测试技术、信号采集与分析等跨学科技术的试验模态分析法。这种方法大致可分为模型修正法和指纹分析法两大类。

随着现代传感技术、计算机与通讯技术、信号分析与处理技术及结构振动分析理论的迅速发展，大型桥梁结构健康监测与安全评价技术，近年来已成为国内外工程界和学术界关注的热点。从目前理论研究状况来看: 近年来，结构健康监测领域涌现了大量的研究论文，这些论文的研究内容包括智能传感器、传感器的优化布置、数据的无线传输、损伤识别方法、桥梁状态评估、桥梁生命周期管理养护等。此外，还举办了许多以结构健康监测为主题的国际会议，如:国际健康监测研讨会、欧洲健康监测研讨会、新型结构健康监测研讨会和智能结构和健康监测会议。另外，国际模态会议、SP IE 年会、欧洲智能结构和材料会议、国际结构控制会议等都有结构健康监测和损伤识别的专题。此外，很多研究者正致力于研究并制定桥梁健康监测系统的设计指南和规范，如: L auzon 等研究者提出了一个桥梁监测系统设计建议; 美国Dex rel大学的A k tan 教授等制定了比较详细的健康监测系统的设计指南; 加拿大IS IS 组织的主席M uf t i 教授也主持起草了一份结构健康监测指南。英国的研究者制定了一个指导健康监测系统设计的指南。香港理工大学以高赞明教授为首的课题组也正致力于研究制定专门用于大跨索桥监测系统的设计指南。

鉴于桥梁结构健康监测与安全评价系统已在世界上得到广泛应用，国际桥梁协会于2003年7月在瑞士决定制订有关桥梁结构健康监测的国际规程，以指导和推动该项技术在各国的应用。