橋梁建成以后，由于受氣候、環(huán)境因素的影響，結(jié)構(gòu)材料會被腐蝕和逐漸老化，長期的靜、動力荷載作用，使其強度和剛度隨著時間的增加而降低。這不僅會影響行車安全，更會使橋梁的使用壽命縮短。對橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況進行檢測與監(jiān)測，并在此基礎(chǔ)上對其安全性能進行評估是橋梁運營日常管理的重要內(nèi)容。橋梁健康監(jiān)測具有十分重要的作用。

一、橋梁健康監(jiān)測的概念

    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(yù)警信號，為橋梁維護維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。

二、橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)容
1、施工階段的健康監(jiān)測內(nèi)容

大跨橋梁結(jié)構(gòu)由于在施工階段受到施工荷載或自然環(huán)境因素的影響而使結(jié)構(gòu)變形或受力與成橋狀態(tài)的設(shè)計要求不符，因此為確保施工中橋梁結(jié)構(gòu)的安全和保證結(jié)構(gòu)物的外形和內(nèi)力狀態(tài)滿足設(shè)計要求，需在施工中對其進行健康監(jiān)測。其監(jiān)測的主要內(nèi)容有：

（1） 幾何形態(tài)檢測。主要是獲取已經(jīng)完成的結(jié)構(gòu)實際幾何形態(tài)參數(shù)，如高程、跨度、結(jié)構(gòu)或纜索的線形、構(gòu)造物的變形和位移等。

（2） 橋梁結(jié)構(gòu)的截面應(yīng)力監(jiān)測。這是橋梁施工階段安全監(jiān)測最重要的內(nèi)容，包括混凝土應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力和鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力的監(jiān)測，它是橋梁施工過程的安全預(yù)警系統(tǒng)。

（3）索力監(jiān)測。大跨徑橋梁采用斜拉橋和懸索橋等纜索承重結(jié)構(gòu)越來越普遍，斜拉橋的斜拉索、懸索橋的主纜索及吊索的索力是設(shè)計的重要參數(shù)，也是橋梁安全監(jiān)測的主要監(jiān)測內(nèi)容。

（4） 預(yù)應(yīng)力監(jiān)測。主要對預(yù)應(yīng)力筋的張拉真實應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力管道摩阻導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失以及永久預(yù)應(yīng)力值進行監(jiān)測。

（5） 溫度監(jiān)測。對大跨徑橋梁，特別是斜拉橋或懸索橋，其溫度效應(yīng)十分明顯，斜拉橋的斜拉索隨溫度變化的伸縮，將直接影響主梁的標(biāo)高；懸索橋主纜索的線形也將隨溫度而變化，此時對溫度進行監(jiān)測十分必要。

（6） 下部結(jié)構(gòu)的監(jiān)測。對于斜拉橋和懸索橋等特大型橋梁，其構(gòu)筑物基礎(chǔ)分布集中，荷載集度通常非常大，因而必須對地基的內(nèi)外部變形、地錨的應(yīng)力以及主塔樁基的軸力等進行監(jiān)測。

2 運營階段的健康監(jiān)測內(nèi)容及使用的傳感器

（1）荷載監(jiān)測。包括風(fēng)、地震、溫度、交通荷載、聲荷載等。所使用的傳感器有：風(fēng)速儀——記錄風(fēng)向、風(fēng)速進程歷史，連接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)后可得到風(fēng)功率譜；溫度計——記錄溫度、溫度差時程歷史；動態(tài)地稱——記錄交通荷載流時程歷史，連接數(shù)據(jù)處理后可得交通荷載譜；強震儀——記錄地震作用；攝像機——記錄車流情況和交通事故等。

（2）表面形貌監(jiān)測。監(jiān)測橋梁各部位的靜態(tài)位置、動態(tài)位置、沉降、傾斜、線形變化、位移、裂紋、斑點、凹坑等。所使用的傳感器有：位移計、傾角儀、GPS、電子測距器（EDM）、數(shù)字像機等。

（3）結(jié)構(gòu)的強度監(jiān)測。監(jiān)測橋梁的應(yīng)變、應(yīng)力、索力、動力反應(yīng)（頻率模態(tài)）、扭矩等。所使用的傳感器有：應(yīng)變儀——記錄橋梁靜動力應(yīng)變、應(yīng)力，連接數(shù)據(jù)處理后可得構(gòu)件疲勞應(yīng)力循環(huán)譜；測力計（力環(huán)、磁彈性儀、剪力銷）——記錄主纜、錨桿、吊桿的張拉歷史；加速度計——記錄結(jié)構(gòu)各部位的反應(yīng)加速度，連接數(shù)據(jù)處理后可得結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。

（4）振動監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)構(gòu)的振動、沖擊、機械導(dǎo)納以及模態(tài)參數(shù)等。

（5）性能趨向監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)構(gòu)的各種主要性能指標(biāo)等。

（6）非結(jié)構(gòu)部件及輔助設(shè)施。監(jiān)測支座、振動控制設(shè)施等。

對于不同的監(jiān)測對象，由于影響其工作性能的控制因素不同，所以監(jiān)測的物理參數(shù)各不相同。同一物理參數(shù)對不同的結(jié)構(gòu)又具有不同的靈敏度，所以效果也不同。因此，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中監(jiān)測對象的選擇是至關(guān)重要的一步。通常對于大型橋梁結(jié)構(gòu)而言，常以振動監(jiān)測、荷載監(jiān)測、強度監(jiān)測和表面形貌監(jiān)測為主要目標(biāo)，且通常選擇靈敏度高的特征參數(shù)或幾種參數(shù)聯(lián)合使用作為監(jiān)測對象。完善的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)可以驗證橋梁設(shè)計理論、施工質(zhì)量，監(jiān)測結(jié)構(gòu)局部和整體服役狀態(tài)、監(jiān)測結(jié)構(gòu)損傷、抗力衰減及其演化規(guī)律，識別結(jié)構(gòu)損傷及其位置。進行橋梁安全性、耐久性評定與預(yù)測以及橋梁安全事故預(yù)警等等。但在相當(dāng)長的時期內(nèi)，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)還不能完全取代傳統(tǒng)的人工檢查，而只是配合人工檢查，但對于大跨橋梁來說，有了可靠的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，至少可以縮小人工檢查的范圍，加快損傷識別的速度。

三 橋梁監(jiān)測方法

1 基于動力的健康監(jiān)測方法

目前研究中的大部分橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法，集中于使用動力響應(yīng)來檢測和定位損傷，因為這些方法是整體的檢測方法，可以對大型的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進行快速的檢測。這些基于動力學(xué)的方法可以分為如下四類：①空間域方法，②模態(tài)域方法，③時域方法，④頻域方法。其中空間域方法根據(jù)質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣的改變來檢測和確定損傷位置；模態(tài)域方法根據(jù)自振頻率、模態(tài)阻尼比和模態(tài)振型的改變來檢測損傷；在頻域方法中，模態(tài)參數(shù)如自振頻率、阻尼比和振型等是確定的，從非線性自回歸移動平均模型估計出光譜分析逆動力問題和廣義頻率響應(yīng)函數(shù)被用于非線性系統(tǒng)的識別。在時域方法中，系統(tǒng)參數(shù)通過在一定時間內(nèi)采樣的數(shù)據(jù)來確定；如果結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的特性在外部荷載作用下隨時間改變，那么有必要確定由時域方法得出的系統(tǒng)動力特性在時間上的改變。進一步地，可以使用四種域中提出的任何動力響應(yīng)，采用與模態(tài)無關(guān)或與模態(tài)相關(guān)的方法進行損傷檢驗。文獻資料顯示：模態(tài)無關(guān)的方法可以檢測出損傷的存在而無需大量的計算，但在確定損壞位置時并不精確；另一方面，模態(tài)相關(guān)的方法比與模態(tài)無關(guān)的方法相比：通常在確定損傷位置上更加精確且只需更少的傳感器，但該方法要求有恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)模型和大量的計算。雖然時域方法使用傳統(tǒng)的振動測量儀器得到的原始時域數(shù)據(jù)，這些方法要求某些結(jié)構(gòu)信息和大量的計算，且具有個案特性。此外，頻域方法和模態(tài)域方法使用轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，但轉(zhuǎn)換存在誤差和噪音。而且，在空間域方法中，質(zhì)量和剛度矩陣的建模與修正還存在問題且難以精確。將兩三種方法結(jié)合起來檢測和評估結(jié)構(gòu)的損傷具有很強的發(fā)展趨勢。例如，幾位研究者將靜載測試和模型測試的數(shù)據(jù)結(jié)合起來評估損傷，這樣可以克服各自方法的缺點并相互檢查，與損傷檢測的復(fù)雜性相適應(yīng)。

2 聯(lián)合靜動力的健康監(jiān)測方法

靜力參數(shù)（位移與應(yīng)變等）是根據(jù)靜力荷載如在橋上緩慢移動的車輛引起的變形進行量測。在許多情況下，施加靜力荷載比動力荷載更為經(jīng)濟，對于狀況評估，許多應(yīng)用只需要單元剛度。在這些情況下，靜力測試和分析即簡單又經(jīng)濟。通常的橋梁監(jiān)測中都需要監(jiān)測靜態(tài)應(yīng)變（和動態(tài)應(yīng)變）、靜力位移（和動撓度）以及相應(yīng)的環(huán)境溫度、濕度和風(fēng)荷載。

既然自振頻率、振型和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的靜力響應(yīng)都是結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)，這些參數(shù)可通過比較數(shù)學(xué)模型預(yù)測的靜動力特性和試驗確定的靜動力特性值得到。損傷發(fā)展的結(jié)果之一是局部剛度的減小，從而導(dǎo)致一些響應(yīng)的改變；因此，對損傷檢測和評估，綜合結(jié)構(gòu)靜動力特性的監(jiān)測是非常必要的。根據(jù)這一思想，結(jié)合靜態(tài)應(yīng)變、靜態(tài)位移與動力響應(yīng)（即振型或模態(tài)柔度等）來確定損傷位置和識別損傷程度，幾種算法綜合起來用于改進參數(shù)識別的靈敏度和提高解答過程的可靠度，靜力和動力響應(yīng)被用來校準(zhǔn)識別的置信度水平。

聯(lián)合靜動力的損傷識別通常需要進行有限元模型修正，因為有限元模型的誤差可能比損傷的變化要大，所以有限元模型必須先用測得的模態(tài)特性和試驗數(shù)據(jù)進行校準(zhǔn)；只有有限元模型是可靠的，有限元方法模態(tài)修正的結(jié)果才是可靠的。其他的方法包括統(tǒng)計損傷識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別方法、子結(jié)構(gòu)損傷識別、基于小波變換的損傷識別等等，但是目前大多只停留在實驗室簡單模型或數(shù)值模型，用于真正實橋的損傷識別和健康診斷還有很長的路要走。

四、橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成

先進的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)主要包括各類軟硬件系統(tǒng)，其中各類高性能智能傳感元件、信號采集與通訊系統(tǒng)（包括無線傳感網(wǎng)絡(luò)）、綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能處理與動態(tài)管理系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)實時損傷識別、定位與模型修正系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)健康診斷、安全預(yù)警與可靠性預(yù)測系統(tǒng)是關(guān)鍵部分。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是利用一些傳感器（包括光纖傳感器、壓電傳感器、電磁伸縮材料制成的傳感器、GPS、靜力水準(zhǔn)儀，風(fēng)速風(fēng)向儀等）來讀取橋梁各部分結(jié)構(gòu)的溫度、應(yīng)變、位移、風(fēng)速、風(fēng)向、加速度、車輛載荷、吊桿／斜拉索拉力、主纜拉力等參數(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)綐蛄罕O(jiān)控室的數(shù)據(jù)處理設(shè)備上，由專用的數(shù)據(jù)處理設(shè)備和處理方法來對信號進行存儲、處理、分析和顯示，最終顯示給用戶的是一段時間內(nèi)連續(xù)采集的各個數(shù)據(jù)。各方專家會同橋梁設(shè)計部門可以對某些數(shù)據(jù)設(shè)立警戒值，當(dāng)某個數(shù)據(jù)超過了相應(yīng)的警戒值，系統(tǒng)會主動報警，提醒管理人員及時做出反應(yīng)。

                           橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

五、 橋梁安全預(yù)警技術(shù)及結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評估技術(shù)

研究基于監(jiān)測信息的重大工程結(jié)構(gòu)實時損傷推斷與定位、實時模型修正與安全評定的理論和方法、以及結(jié)構(gòu)安全預(yù)警的多水平準(zhǔn)則，建立典型重大工程結(jié)構(gòu)損傷識別與安全評定的標(biāo)準(zhǔn)試驗?zāi)Ｐ?，為重大工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測與安全預(yù)警提供理論、方法和統(tǒng)一的檢驗平臺。主要研究內(nèi)容如下：

1、結(jié)構(gòu)實時損傷推斷、定位與模型修正的理論和方法

 （1）環(huán)境時變作用模型研究。（a）研究晝夜溫差變化與季節(jié)溫差變化的幅值及其循環(huán)作用的次數(shù)，研究溫度對連續(xù)剛構(gòu)橋梁靜動力特性的影響；(b)預(yù)應(yīng)力對超靜定結(jié)構(gòu)動力特性的影響目前還沒有明確的結(jié)論，對于既有橋梁結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力隨時間而變化的，需要研究預(yù)應(yīng)力效應(yīng)變化及其對橋梁動力特性的影響。

（2）復(fù)雜結(jié)構(gòu)損傷的子結(jié)構(gòu)、分散化識別方法：針對大型拉索式橋梁結(jié)構(gòu)等具有明顯子結(jié)構(gòu)特征（如拉索、橋面和橋塔等相對獨立又有機聯(lián)系的子結(jié)構(gòu)體系）的重大工程結(jié)構(gòu)，研究結(jié)構(gòu)局部損傷、子結(jié)構(gòu)損傷和分散化損傷推斷——分析和識別及其兩者相結(jié)合的方法；研究以局部信息為先驗知識和以整體信息為先驗知識的結(jié)構(gòu)損傷識別的信息融合方法。

（3）基于非物理模型的結(jié)構(gòu)損傷識別方法：采用現(xiàn)代信號處理技術(shù)和人工智能方法，研究基于非物理模型的結(jié)構(gòu)損傷識別方法，主要包括小波包變換分析方法、Hilbert-Huang變換分析方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等，建立小波包能量譜等結(jié)構(gòu)損傷指紋；研究非物理模型的結(jié)構(gòu)損傷特征與有物理模型的結(jié)構(gòu)損傷特征的關(guān)系與相互轉(zhuǎn)化的條件和方法。

（4）結(jié)構(gòu)模型修正的理論與方法：在結(jié)構(gòu)損傷推斷與定位的基礎(chǔ)上，研究結(jié)構(gòu)模型修正的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件；研究子結(jié)構(gòu)模型修正方法，從單元到單元、整體到單元的模型修正方法，基于局部和整體性態(tài)變量一致性的結(jié)構(gòu)模型修正方法，以及概率模型修正方法。

2、結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評定的理論與方法

（1）結(jié)構(gòu)安全評定的荷載標(biāo)準(zhǔn)：橋梁評估顯然不同于橋梁設(shè)計，設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)是基于統(tǒng)計分析綜合得到的，而實橋?qū)嶋H經(jīng)歷的荷載顯然不同于預(yù)期的設(shè)計荷載，可能發(fā)生超載，還有不同軸重的概率分布和交通流量等。因此制定橋梁評估的荷載標(biāo)準(zhǔn)就顯得特別重要。研究基于環(huán)境條件監(jiān)測的結(jié)構(gòu)極值環(huán)境作用；研究結(jié)構(gòu)設(shè)計使用期和后續(xù)服役期的隨機環(huán)境荷載等概率超越準(zhǔn)則以及以此為準(zhǔn)則的結(jié)構(gòu)安全評定荷載標(biāo)準(zhǔn)；研究地震、強風(fēng)和海浪等具體的評定荷載標(biāo)準(zhǔn)。

（2）典型重大工程結(jié)構(gòu)累積損傷與抗力衰減的關(guān)系：針對大型拉索式橋梁結(jié)構(gòu)以及固定式鋼質(zhì)導(dǎo)管架海洋平臺結(jié)構(gòu)，研究結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件累積損傷的規(guī)律、結(jié)構(gòu)構(gòu)件和整體性能退化規(guī)律和抗力衰減模型。

（3）結(jié)構(gòu)實時安全評定：結(jié)合典型重大工程結(jié)構(gòu)，研究易損性構(gòu)件和重要性構(gòu)件與結(jié)構(gòu)失效模式和相應(yīng)極限承載能力的關(guān)系；研究結(jié)構(gòu)重分析和極限承載能力分析的高效快速方法，以及基于當(dāng)前監(jiān)測確定的極限環(huán)境作用和極限強度模板映射的結(jié)構(gòu)實時安全評定方法；研究基于當(dāng)前結(jié)構(gòu)損傷狀況和評定荷載標(biāo)準(zhǔn)下的結(jié)構(gòu)安全評定方法。

（4）橋梁剩余使用壽命預(yù)測。由于影響既有橋梁剩余壽命的因素很多，包括混凝土的碳化、鋼筋銹蝕、超載運營等等，各個影響因素之間互相影響，目前針對既有公路橋梁的抗力衰減模型雖有一定的參考資料，但是超載導(dǎo)致的疲勞損傷和鋼筋導(dǎo)致的銹蝕等多因素耦合的橋梁抗力衰減模型還有待進一步的研究。(a)發(fā)展合適的橋梁系統(tǒng)抗力模型，主要內(nèi)容有：定義合適的極限狀態(tài)、定義合適的橋梁材料和部件抗力系數(shù)、在既有經(jīng)驗基礎(chǔ)上建立目標(biāo)安全性指標(biāo)和橋梁系統(tǒng)抗力模型。(b)研究結(jié)構(gòu)主導(dǎo)失效模式發(fā)生概率的計算方法與識別技術(shù)；研究基于荷載與抗力隨機變量先驗知識的重要抽樣方法和結(jié)構(gòu)整體抗力與荷載效應(yīng)極限狀態(tài)的結(jié)構(gòu)體系可靠度預(yù)測方法。

3、結(jié)構(gòu)安全預(yù)警的多水平準(zhǔn)則

（1）警水平?jīng)Q策：結(jié)合典型重大工程結(jié)構(gòu)，研究結(jié)構(gòu)的失效機理、失效模式和最小安全余度；根據(jù)結(jié)構(gòu)不同狀態(tài)的功能，研究結(jié)構(gòu)多級安全預(yù)警水平設(shè)立準(zhǔn)則、標(biāo)準(zhǔn)和基于損傷過程控制的閥值調(diào)整方法。

（2）驗知識的結(jié)構(gòu)安全預(yù)警方法：研究根據(jù)結(jié)構(gòu)易損性分析、結(jié)構(gòu)失效路徑和臨界狀態(tài)、損傷指紋的結(jié)構(gòu)安全預(yù)警方法，研究快速預(yù)測結(jié)構(gòu)災(zāi)變響應(yīng)的理論與方法。

（3）大橋梁安全預(yù)警系統(tǒng)。

六、健康監(jiān)測系統(tǒng)造價

由于橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)造價與橋梁健康監(jiān)測方案密切相關(guān)，不同的方案造價差別巨大。而橋梁橋梁健康監(jiān)測方案與橋梁結(jié)構(gòu)形式、橋梁所處環(huán)境、監(jiān)測方式等息息相關(guān)，所以針對每個橋梁應(yīng)該單獨設(shè)計橋梁健康監(jiān)測方案。橋梁健康監(jiān)測造價會根據(jù)不同橋梁有所不同，下表給出一些國內(nèi)主要做橋梁健康監(jiān)測單位（上海巨一科技發(fā)展有限公司、上海華測導(dǎo)航技術(shù)有限公司）的已建橋梁監(jiān)測系統(tǒng)造價，以供參考。

七、橋梁健康監(jiān)測意義
    1、監(jiān)控與評估。橋梁健康檢測的基本內(nèi)涵是通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評估，為工程在特殊氣候、交通條件下或運營狀況嚴重異常時發(fā)出預(yù)警信號，為橋梁維護、維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。為此，監(jiān)測系統(tǒng)通常對以下幾個方面進行監(jiān)控：①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(xué)狀態(tài)；②橋梁重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和附屬設(shè)施的工作狀態(tài)；③結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性；④工程所處環(huán)境條件等等。
    2、設(shè)計驗證。由于大型橋梁的力學(xué)和結(jié)構(gòu)特點以及所處的特定環(huán)境，在大橋設(shè)計階段安全掌握和預(yù)測其力學(xué)特性和行為特性是非常困難的。因此，通過橋梁健康檢測所獲得的實際結(jié)構(gòu)的動靜力行為來檢驗大橋的理論模型和計算假定具有重要意義。不僅對設(shè)計理論和設(shè)計模型有驗證作用，而且有益于新的設(shè)計理論的形成。