橋梁健康監(jiān)測是近年來國際上的研究熱點(diǎn)，國內(nèi)十多座大型橋梁已經(jīng)或者將要配置安全監(jiān)測系統(tǒng)。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是一個多學(xué)科、多組成、多功能的系統(tǒng)，以橋梁檢測／監(jiān)測為基礎(chǔ)，輔以信號處理、結(jié)構(gòu)分析、損傷識別、可靠性評估等多種手段，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康與安全評估，達(dá)到安全預(yù)警的目標(biāo)。
一般來說，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由監(jiān)測系統(tǒng)和評估系統(tǒng)組成，具體到一個實(shí)際實(shí)施的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，涉及的內(nèi)容有很多，如系統(tǒng)規(guī)模、系統(tǒng)測試參數(shù)、系統(tǒng)集成等等，這些問題都涉及橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是否能很好地建成，建成后系統(tǒng)是否能夠很好地維持，系統(tǒng)能否很好地使用并且為橋梁的安全評估服務(wù)。
本文基于目前國內(nèi)實(shí)際監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，研究了橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的定位問題，重點(diǎn)分析了現(xiàn)有系統(tǒng)存在的一些具體問題，并提出了部分對策，最后探討了橋梁健康與安全系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。
橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的定位
在目前已有的
橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中，多數(shù)為獨(dú)立建立的健康監(jiān)測系統(tǒng)，沒有綜合考慮橋梁養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)，沒有預(yù)留相關(guān)的接口，導(dǎo)致健康監(jiān)測系統(tǒng)游離于日常的橋梁管理之外，不能真正發(fā)揮作用。
圖1給出了一個綜合考慮橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)和養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)的綜合管理框圖。
按照此框圖，綜合考慮二者的特點(diǎn)，發(fā)揮不同場合中的優(yōu)點(diǎn)，真正做到健康監(jiān)測服務(wù)于橋梁的養(yǎng)護(hù)管理。
現(xiàn)有系統(tǒng)存在的問題
橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)一般安裝于重要的獨(dú)立大橋或者健康等級較低具有一定危險性的橋梁，是橋梁養(yǎng)護(hù)管理的有效補(bǔ)充 。通過橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)時地監(jiān)測結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，當(dāng)橋梁狀況超過預(yù)警值或者發(fā)生意外(如船只撞擊、車輛撞擊或者地震等)導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)問題時，可以及時地將相關(guān)情況提供給橋梁管理者，以便管理者決策。
目前已有的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)在系統(tǒng)總體規(guī)劃和監(jiān)測及診斷水平上均存在某些不足。
1 系統(tǒng)總體規(guī)劃的不足
(1)缺乏有效實(shí)用的優(yōu)化算法，造成測點(diǎn)數(shù)量巨大，系統(tǒng)規(guī)模過大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)量大、信息大量冗余。
在目前已有的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中，存在監(jiān)測項目種類不足的問題，而個別監(jiān)測項目規(guī)模又過于龐大，尤其在對監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理方面，還沒有形成一個較為完善的數(shù)據(jù)存儲與管理查詢系統(tǒng)，大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)得不到妥善的處理和利用。
(2)缺乏對結(jié)構(gòu)性能改變敏感參數(shù)的有效研究。近10年來，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測理論的研究主要集中在結(jié)構(gòu)整體性和損傷識別上，隨著基于振動信息的整體性評估技術(shù)在航天、機(jī)械等領(lǐng)域得到深入的研究和廣泛運(yùn)用，橋梁工程技術(shù)人員正在致力于將這一技術(shù)移植到橋梁結(jié)構(gòu)上，并對這一技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用問題開展了廣泛的研究，盡管某些整體性評估技術(shù)已在一些簡單的結(jié)構(gòu)上成功應(yīng)用，但還不能可靠地應(yīng)用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)。究其原因主要是由于：① 結(jié)構(gòu)與環(huán)境中的不確定性和非結(jié)構(gòu)因素的影響；② 測量信息不完備；③測試手段的局限性；④測量精度不足和測量信號噪聲干擾；⑤橋梁結(jié)構(gòu)贅余度大，且測量信號對結(jié)構(gòu)損傷不敏感等所致。
(3)橋梁監(jiān)測系統(tǒng)缺乏規(guī)范性指導(dǎo)原則。目前對大跨度橋梁的安全評估基本上仍沿襲常規(guī)中小跨徑橋梁的定級評估方法。它是一種圍繞橋梁結(jié)構(gòu)的外觀狀態(tài)和正常使用性能進(jìn)行的定性和初經(jīng)驗的安全評價，急需制定針對性強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)和評價系統(tǒng)。
(4)監(jiān)控系統(tǒng)與管理系統(tǒng)未能實(shí)現(xiàn)無縫連接。對于大跨橋梁這一復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，如何把橋梁結(jié)構(gòu)局部健康檢測與橋梁整體健康檢測技術(shù)進(jìn)行綜合運(yùn)用、實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的實(shí)時化與自動化，以及如何合理利用監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全狀態(tài)的綜合評價，已成為橋梁工程界研究的熱點(diǎn)。
(5)結(jié)構(gòu)安全評價系統(tǒng)研究多基于理論范疇，缺少工程實(shí)用性的研究。在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)使用方面，還有一個重要的問題，那就是橋梁安全預(yù)警值設(shè)置的問題。目前所能做到的就是針對每座橋梁進(jìn)行分析，通過理論計算、荷載試驗以及長期觀測的數(shù)據(jù)，缺少實(shí)用性的研究。
2 技術(shù)層面的不足
從現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及診斷的研究水平來看，在技術(shù)層面上也有許多問題。
(1)傳感器的優(yōu)化布設(shè)是橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和診斷中的一個重要問題，應(yīng)該做到使用盡量少的傳感器獲取盡可能多的結(jié)構(gòu)健康信息。
(2)開發(fā)適合橋梁結(jié)構(gòu)檢測的專用傳感器是橋梁檢測問題中的關(guān)鍵。測量儀器的精度不夠以及效率低是困擾橋梁檢測的一大難題。
有待深入研究的工作根據(jù)大量的調(diào)研及部分實(shí)際橋梁的實(shí)踐，目前橋梁健康與安全檢測系統(tǒng)應(yīng)該從如下方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究。
1 系統(tǒng)分階段實(shí)施研究
橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)自身也有使用期及壽命的問題，而且由于系統(tǒng)大多使用電子
設(shè)備，在惡劣環(huán)境中損壞的可能性更大，因此可以根據(jù)橋梁的實(shí)際情況采取分階段實(shí)施的方案，這樣不僅可以節(jié)省費(fèi)用，還可以延長系統(tǒng)使用周期。
對于新建橋梁，其建成初期結(jié)構(gòu)安全狀況大多良好，此時建立健康監(jiān)測系統(tǒng)主要是為橋梁積累重要的原始數(shù)據(jù)以及監(jiān)測突發(fā)性事故(地震、撞擊等)下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，因此只需在關(guān)鍵部位布設(shè)測試點(diǎn)即可；后續(xù)等橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量衰退，出現(xiàn)部分病害后再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行針對性監(jiān)測。這種分階段實(shí)施既可保證監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)揮其應(yīng)有的作用，保證關(guān)鍵部位數(shù)據(jù)的延續(xù)性，也可減少不必要的投入。
具體哪些參數(shù)可以分階段實(shí)施，哪些部位可分批監(jiān)測，則需要根據(jù)不同的橋梁結(jié)構(gòu)形式、橋梁工作環(huán)境進(jìn)行分析后得出。
2損傷診斷技術(shù)研究
橋梁健康監(jiān)測與狀態(tài)評估系統(tǒng)的研究尚處于基礎(chǔ)性的探索階段，在目前的技術(shù)水平下，動力與靜力識別法各具特色，將2種方法有機(jī)結(jié)合起來不失為一種解決問題的途徑?；谡駝拥拇罂缍葮蛄簱p傷診斷技術(shù)需進(jìn)～ 步研究的方向包括：① 系統(tǒng)誤差及不確定性因素對結(jié)果產(chǎn)生的負(fù)面影響的對策；②橋梁子結(jié)構(gòu)法在損傷診斷中的應(yīng)用；③ 發(fā)展新動力指紋；④進(jìn)一步發(fā)展橋梁模態(tài)運(yùn)營狀態(tài)的測試與識別技術(shù)。
3 測試項目及測點(diǎn)優(yōu)化
目前的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)缺乏有效的傳感器優(yōu)化布設(shè)算法。盡管此問題在軌道航天器的動態(tài)控制與系統(tǒng)認(rèn)識中得到了廣泛研究，但是橋梁模態(tài)試驗中的應(yīng)用還存在不少的難點(diǎn)，如怎樣在含噪聲的環(huán)境中，利用盡可能少的傳感器獲取全面、精確的結(jié)構(gòu)參數(shù)信息；怎樣獲得對模態(tài)參數(shù)變化最為敏感的時程記錄；怎樣通過添加傳感器能對感興趣的部分模態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而使測得的模態(tài)能夠與模型分析的結(jié)構(gòu)建立對應(yīng)關(guān)系。
總之，橋梁的狀態(tài)檢測以及損傷識別，需要考慮的因素就不能僅僅局限于某一方面了，也應(yīng)該從多方面進(jìn)行分析。目前橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)還處在發(fā)展階段，最終發(fā)展成熟還任重道遠(yuǎn)。
