【摘要】大型橋梁健康監(jiān)測力求對結(jié)構(gòu)整體行為的實時監(jiān)控和對結(jié)構(gòu)狀態(tài)的智能化評估。同時，對大跨度橋梁設(shè)計理論與力學模型的驗證以及對結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)環(huán)境中未知或不確定性問題的調(diào)查與研究也正融入橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)涵。本文首先簡要地總結(jié)十多年來橋梁健康監(jiān)測的研究狀況，然后較系統(tǒng)地闡述橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的新概念，并從橋梁工程發(fā)展的角度探討大型橋梁監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的有關(guān)問題，以期為監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)提供借鑒。
關(guān)鍵詞 健康監(jiān)測 監(jiān)測系統(tǒng) 監(jiān)測項目 橋梁
20世紀橋梁工程領(lǐng)域的成就不僅體現(xiàn)在預應力技術(shù)的發(fā)展和大跨度索支承橋梁的建造以及對超大跨度橋梁的探索，而且反映于人們對橋梁結(jié)構(gòu)實施智能控制和智能監(jiān)測的設(shè)想與努力。近20年來橋梁抗風、抗震領(lǐng)域的研究成果以及新材料新工藝的開發(fā)推動了大距度橋梁的發(fā)展；同時，隨著人們對大型重要橋梁安全性、耐久性與正常使用功能的日漸關(guān)注，橋梁健康監(jiān)測的研究與監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)應運而生。由于橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)可以為驗證結(jié)構(gòu)分析模型、計算假定和設(shè)計方法提供反饋信息，并可用于深入研究大跨度橋梁結(jié)構(gòu)及其環(huán)境中的未知或不確定性問題，因此，橋梁設(shè)計理論的驗證以及對橋梁結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)環(huán)境未知問題的調(diào)查與研究擴充了橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)涵。本文結(jié)合近十年來橋梁健康監(jiān)測的研究狀況以及大跨度橋梁工程的研究與發(fā)展，較系統(tǒng)地闡述橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)涵，并由此探討監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的有關(guān)問題。
一、橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)與理論發(fā)展簡況
1．監(jiān)測系統(tǒng)
80年代中后期開始建立各種規(guī)模的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。例如，英國在總長522m的三跨變高度連續(xù)鋼箱梁橋Foyle橋上布設(shè)傳感器，監(jiān)測大橋運營階段在車輛與風載作用下主梁的振動、撓度和應變等響應，同時監(jiān)測環(huán)境風和結(jié)構(gòu)溫度場。該系統(tǒng)是最早安裝的較為完整的監(jiān)測系統(tǒng)之一，它實現(xiàn)了實時監(jiān)測、實時分析和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享。建立健康監(jiān)測系統(tǒng)的典型橋梁還有挪威的Skarnsundet斜拉橋（主跨530m）［2］、美國主跨440m的Sunshine Skyway Bridge斜拉橋、丹麥主跨1624m的Great Belt East懸索橋［3］、英國主跨194m的Flintshire獨塔斜拉橋[4]以及加拿大的Confederatiot Bridge橋[5]。我國自90年代起也在一些大型重要橋梁上建立了不同規(guī)模的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，如香港的青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋，內(nèi)地的上海徐浦大橋以及江陰長江大橋等[6~8]。
從已經(jīng)建立的監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測目標、功能以及系統(tǒng)運行等方面看，這些監(jiān)測系統(tǒng)具有以下一些共同特點：
（1）通常測量結(jié)構(gòu)各種響應的傳感裝置獲取反映結(jié)構(gòu)行為的各種記錄；
（2）除監(jiān)測結(jié)構(gòu)本身的狀態(tài)和行為以外，還強度對結(jié)構(gòu)環(huán)境條件（如風、車輛荷載等）的監(jiān)測和記錄分析；同時，試圖通過橋梁在正常車輛與風載下的動力響應來建立結(jié)構(gòu)的"指紋"，并藉此開發(fā)實時的結(jié)構(gòu)整體性與安全性評估技術(shù)；
（3）在通車運營后連續(xù)或間斷地監(jiān)測結(jié)構(gòu)狀態(tài)，力求獲取的大橋結(jié)構(gòu)信息連續(xù)而完整。某些橋梁監(jiān)測傳感器在橋梁施工階段即開始工作并用于監(jiān)控施工質(zhì)量；
（4）監(jiān)測系統(tǒng)具有快速大容量的信息采集、通訊與處理能力，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享。
這些特點使得大跨度橋梁健康監(jiān)測區(qū)別于傳統(tǒng)的橋梁檢測過程。另外需要指出的是，橋梁健康監(jiān)測的對象已不再局限于結(jié)構(gòu)本身：一些重要輔助設(shè)施的工作狀態(tài)也已納入長期監(jiān)測的范圍（如斜拉索振動控制裝置[4]等）。
2．理論研究
十多年來，橋梁健康監(jiān)測理論的研究主要集中于結(jié)構(gòu)整體性評估和損傷識別。由于基于振動信息的整體性評估技術(shù)在航天、機械等領(lǐng)域的深入研究和運用，這類技術(shù)被用于土木結(jié)構(gòu)中除無損檢測技術(shù)以外的最重要的整體性評估方法并得到廣泛的研究【1，7，9～11】。人們致力于基于振動測量值的整體性評估方法研究的另一個原因是，結(jié)構(gòu)振動信息可以在橋梁運營過程中利用環(huán)境振動法獲得，因此這一方法具有實時監(jiān)測的潛力。
結(jié)構(gòu)整體性評估方法可以歸結(jié)為模式識別法、系統(tǒng)識別法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法三大類【1】。結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)常被用作結(jié)構(gòu)的指紋特征，也是系統(tǒng)識別方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的主要輸入信息。另外，基于結(jié)構(gòu)應變模態(tài)、應變曲率以及其他靜力響應的評估方法也在不同程度上顯示了各自的檢傷能力[10]。然而，盡管某些整體性評估技術(shù)已在一些簡單結(jié)構(gòu)上有成功的例子，但還不能可靠地應用于復雜結(jié)構(gòu)。阻礙這一技術(shù)進入實用的原因主要包括：①結(jié)構(gòu)與環(huán)境中的不確定性和非結(jié)構(gòu)因素影響；②測量信息不完備；③測量精度不足和測量信號噪聲；④橋梁結(jié)構(gòu)贅余度大并且測量信號對結(jié)構(gòu)局部損傷不敏感。
另外，從評估方法上，目前對大跨度橋梁的安全評估基本上仍然沿襲常規(guī)中小橋梁的定級評估方法，是一種主要圍繞結(jié)構(gòu)的外觀狀態(tài)和正常使用性能進行的定性、粗淺的安全評價。
二、橋梁健康監(jiān)測新概念
橋梁健康監(jiān)測的基本內(nèi)涵即是通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評估，為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁運營狀況嚴重異常時觸發(fā)預警信號，為橋梁維護濰修與管理決策提供依據(jù)和指導。為此，監(jiān)測系統(tǒng)對以下幾個方面進行監(jiān)控：
·橋梁結(jié)構(gòu)在正常環(huán)境與交通條件下運營的物理與力學狀態(tài)；
·橋梁重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（加支座）和附屬設(shè)施（如振動控制元件）的工作狀態(tài)；
·結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性；
·大橋所處環(huán)境條件；等等。加入收藏
與傳統(tǒng)的檢測技術(shù)不同，大型橋梁健康監(jiān)測不僅要求在測試上具有快速大容量的信息采集與通訊能力，而且力求對結(jié)構(gòu)整體行為的實時監(jiān)控和對結(jié)構(gòu)狀態(tài)的智能化評估。
然而，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測不僅僅只是為了結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)控與評估。由于大型橋梁（尤其是斜拉橋、懸索橋）的力學和結(jié)構(gòu)特點以及所處的特定環(huán)境，在大橋設(shè)計階段完全掌握和預測結(jié)構(gòu)的力學特性和行為是非常困難的。大跨度索交承橋梁的設(shè)計依賴于理論分析并過風洞、振動臺模擬試驗預測橋梁的動力性能并驗證其動力安全性。然而，結(jié)構(gòu)理論分析?；诶硐牖挠邢拊x散模型，并且分析時常以很多假定條件為前提。在進行風洞或振動臺試驗時對大橋的風環(huán)境和地面運動的模擬也可能與真實橋位的環(huán)境不全相符。因此，通過橋梁健康監(jiān)測所獲得的實際結(jié)構(gòu)的動靜力行為來驗證大橋的理論模型、計算假定具有重要的意義。事實上，國外一些重要橋梁在建立健康監(jiān)測系統(tǒng)時都強調(diào)利用監(jiān)測信息驗證結(jié)構(gòu)的設(shè)計。
橋梁健康監(jiān)測信息反饋于結(jié)構(gòu)設(shè)計的更深遠的意義在于，結(jié)構(gòu)設(shè)計方法與相應的規(guī)范標準等可能得以改進；并且，對橋梁在各種交通條件和自然環(huán)境下的真實行為的理解以及對環(huán)境荷載的合理建模是將來實現(xiàn)橋;虛擬設(shè)計"的基礎(chǔ)。
還應看到，橋梁健康監(jiān)測帶來的將不僅是監(jiān)測系統(tǒng)和對某特定橋梁設(shè)計的反思，它還可能并應該成為橋梁研究的"現(xiàn)場實驗室"。盡管橋梁抗風、抗震領(lǐng)域的研究成果以及新材料新工藝的出現(xiàn)不斷推動著橋梁的發(fā)展，但是，大跨度橋梁的設(shè)計中還存在很多未知和假定，超大跨度橋梁的設(shè)計也有許多問題需要研究。同時，橋梁結(jié)構(gòu)控制與健康評估技術(shù)的深入研究與開發(fā)也需要結(jié)構(gòu)現(xiàn)場試驗與調(diào)查。橋梁健康監(jiān)測為橋梁工程中的未知問題和超大跨度橋梁的研究提供了新的契機。由運營中的橋梁結(jié)構(gòu)及其環(huán)境所獲得的信息不僅是理論研究和實驗室調(diào)查的補充，而且可以提供有關(guān)結(jié)構(gòu)行為與環(huán)境規(guī)律的最真實的信息。另外，橋梁振動控制與健康評估技術(shù)的開發(fā)與應用性也需要現(xiàn)場試驗與調(diào)查。
關(guān)鍵詞 健康監(jiān)測 監(jiān)測系統(tǒng) 監(jiān)測項目 橋梁
20世紀橋梁工程領(lǐng)域的成就不僅體現(xiàn)在預應力技術(shù)的發(fā)展和大跨度索支承橋梁的建造以及對超大跨度橋梁的探索，而且反映于人們對橋梁結(jié)構(gòu)實施智能控制和智能監(jiān)測的設(shè)想與努力。近20年來橋梁抗風、抗震領(lǐng)域的研究成果以及新材料新工藝的開發(fā)推動了大距度橋梁的發(fā)展；同時，隨著人們對大型重要橋梁安全性、耐久性與正常使用功能的日漸關(guān)注，橋梁健康監(jiān)測的研究與監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)應運而生。由于橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)可以為驗證結(jié)構(gòu)分析模型、計算假定和設(shè)計方法提供反饋信息，并可用于深入研究大跨度橋梁結(jié)構(gòu)及其環(huán)境中的未知或不確定性問題，因此，橋梁設(shè)計理論的驗證以及對橋梁結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)環(huán)境未知問題的調(diào)查與研究擴充了橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)涵。本文結(jié)合近十年來橋梁健康監(jiān)測的研究狀況以及大跨度橋梁工程的研究與發(fā)展，較系統(tǒng)地闡述橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)涵，并由此探討監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的有關(guān)問題。
一、橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)與理論發(fā)展簡況
1．監(jiān)測系統(tǒng)
80年代中后期開始建立各種規(guī)模的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。例如，英國在總長522m的三跨變高度連續(xù)鋼箱梁橋Foyle橋上布設(shè)傳感器，監(jiān)測大橋運營階段在車輛與風載作用下主梁的振動、撓度和應變等響應，同時監(jiān)測環(huán)境風和結(jié)構(gòu)溫度場。該系統(tǒng)是最早安裝的較為完整的監(jiān)測系統(tǒng)之一，它實現(xiàn)了實時監(jiān)測、實時分析和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享。建立健康監(jiān)測系統(tǒng)的典型橋梁還有挪威的Skarnsundet斜拉橋（主跨530m）［2］、美國主跨440m的Sunshine Skyway Bridge斜拉橋、丹麥主跨1624m的Great Belt East懸索橋［3］、英國主跨194m的Flintshire獨塔斜拉橋[4]以及加拿大的Confederatiot Bridge橋[5]。我國自90年代起也在一些大型重要橋梁上建立了不同規(guī)模的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，如香港的青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋，內(nèi)地的上海徐浦大橋以及江陰長江大橋等[6~8]。
從已經(jīng)建立的監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測目標、功能以及系統(tǒng)運行等方面看，這些監(jiān)測系統(tǒng)具有以下一些共同特點：
（1）通常測量結(jié)構(gòu)各種響應的傳感裝置獲取反映結(jié)構(gòu)行為的各種記錄；
（2）除監(jiān)測結(jié)構(gòu)本身的狀態(tài)和行為以外，還強度對結(jié)構(gòu)環(huán)境條件（如風、車輛荷載等）的監(jiān)測和記錄分析；同時，試圖通過橋梁在正常車輛與風載下的動力響應來建立結(jié)構(gòu)的"指紋"，并藉此開發(fā)實時的結(jié)構(gòu)整體性與安全性評估技術(shù)；
（3）在通車運營后連續(xù)或間斷地監(jiān)測結(jié)構(gòu)狀態(tài)，力求獲取的大橋結(jié)構(gòu)信息連續(xù)而完整。某些橋梁監(jiān)測傳感器在橋梁施工階段即開始工作并用于監(jiān)控施工質(zhì)量；
（4）監(jiān)測系統(tǒng)具有快速大容量的信息采集、通訊與處理能力，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享。
這些特點使得大跨度橋梁健康監(jiān)測區(qū)別于傳統(tǒng)的橋梁檢測過程。另外需要指出的是，橋梁健康監(jiān)測的對象已不再局限于結(jié)構(gòu)本身：一些重要輔助設(shè)施的工作狀態(tài)也已納入長期監(jiān)測的范圍（如斜拉索振動控制裝置[4]等）。
2．理論研究
十多年來，橋梁健康監(jiān)測理論的研究主要集中于結(jié)構(gòu)整體性評估和損傷識別。由于基于振動信息的整體性評估技術(shù)在航天、機械等領(lǐng)域的深入研究和運用，這類技術(shù)被用于土木結(jié)構(gòu)中除無損檢測技術(shù)以外的最重要的整體性評估方法并得到廣泛的研究【1，7，9～11】。人們致力于基于振動測量值的整體性評估方法研究的另一個原因是，結(jié)構(gòu)振動信息可以在橋梁運營過程中利用環(huán)境振動法獲得，因此這一方法具有實時監(jiān)測的潛力。
結(jié)構(gòu)整體性評估方法可以歸結(jié)為模式識別法、系統(tǒng)識別法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法三大類【1】。結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)常被用作結(jié)構(gòu)的指紋特征，也是系統(tǒng)識別方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的主要輸入信息。另外，基于結(jié)構(gòu)應變模態(tài)、應變曲率以及其他靜力響應的評估方法也在不同程度上顯示了各自的檢傷能力[10]。然而，盡管某些整體性評估技術(shù)已在一些簡單結(jié)構(gòu)上有成功的例子，但還不能可靠地應用于復雜結(jié)構(gòu)。阻礙這一技術(shù)進入實用的原因主要包括：①結(jié)構(gòu)與環(huán)境中的不確定性和非結(jié)構(gòu)因素影響；②測量信息不完備；③測量精度不足和測量信號噪聲；④橋梁結(jié)構(gòu)贅余度大并且測量信號對結(jié)構(gòu)局部損傷不敏感。
另外，從評估方法上，目前對大跨度橋梁的安全評估基本上仍然沿襲常規(guī)中小橋梁的定級評估方法，是一種主要圍繞結(jié)構(gòu)的外觀狀態(tài)和正常使用性能進行的定性、粗淺的安全評價。
二、橋梁健康監(jiān)測新概念
橋梁健康監(jiān)測的基本內(nèi)涵即是通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評估，為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁運營狀況嚴重異常時觸發(fā)預警信號，為橋梁維護濰修與管理決策提供依據(jù)和指導。為此，監(jiān)測系統(tǒng)對以下幾個方面進行監(jiān)控：
·橋梁結(jié)構(gòu)在正常環(huán)境與交通條件下運營的物理與力學狀態(tài)；
·橋梁重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（加支座）和附屬設(shè)施（如振動控制元件）的工作狀態(tài)；
·結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性；
·大橋所處環(huán)境條件；等等。加入收藏
與傳統(tǒng)的檢測技術(shù)不同，大型橋梁健康監(jiān)測不僅要求在測試上具有快速大容量的信息采集與通訊能力，而且力求對結(jié)構(gòu)整體行為的實時監(jiān)控和對結(jié)構(gòu)狀態(tài)的智能化評估。
然而，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測不僅僅只是為了結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)控與評估。由于大型橋梁（尤其是斜拉橋、懸索橋）的力學和結(jié)構(gòu)特點以及所處的特定環(huán)境，在大橋設(shè)計階段完全掌握和預測結(jié)構(gòu)的力學特性和行為是非常困難的。大跨度索交承橋梁的設(shè)計依賴于理論分析并過風洞、振動臺模擬試驗預測橋梁的動力性能并驗證其動力安全性。然而，結(jié)構(gòu)理論分析?；诶硐牖挠邢拊x散模型，并且分析時常以很多假定條件為前提。在進行風洞或振動臺試驗時對大橋的風環(huán)境和地面運動的模擬也可能與真實橋位的環(huán)境不全相符。因此，通過橋梁健康監(jiān)測所獲得的實際結(jié)構(gòu)的動靜力行為來驗證大橋的理論模型、計算假定具有重要的意義。事實上，國外一些重要橋梁在建立健康監(jiān)測系統(tǒng)時都強調(diào)利用監(jiān)測信息驗證結(jié)構(gòu)的設(shè)計。
橋梁健康監(jiān)測信息反饋于結(jié)構(gòu)設(shè)計的更深遠的意義在于，結(jié)構(gòu)設(shè)計方法與相應的規(guī)范標準等可能得以改進；并且，對橋梁在各種交通條件和自然環(huán)境下的真實行為的理解以及對環(huán)境荷載的合理建模是將來實現(xiàn)橋;虛擬設(shè)計"的基礎(chǔ)。
還應看到，橋梁健康監(jiān)測帶來的將不僅是監(jiān)測系統(tǒng)和對某特定橋梁設(shè)計的反思，它還可能并應該成為橋梁研究的"現(xiàn)場實驗室"。盡管橋梁抗風、抗震領(lǐng)域的研究成果以及新材料新工藝的出現(xiàn)不斷推動著橋梁的發(fā)展，但是，大跨度橋梁的設(shè)計中還存在很多未知和假定，超大跨度橋梁的設(shè)計也有許多問題需要研究。同時，橋梁結(jié)構(gòu)控制與健康評估技術(shù)的深入研究與開發(fā)也需要結(jié)構(gòu)現(xiàn)場試驗與調(diào)查。橋梁健康監(jiān)測為橋梁工程中的未知問題和超大跨度橋梁的研究提供了新的契機。由運營中的橋梁結(jié)構(gòu)及其環(huán)境所獲得的信息不僅是理論研究和實驗室調(diào)查的補充，而且可以提供有關(guān)結(jié)構(gòu)行為與環(huán)境規(guī)律的最真實的信息。另外，橋梁振動控制與健康評估技術(shù)的開發(fā)與應用性也需要現(xiàn)場試驗與調(diào)查。