中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
大型橋梁服役環(huán)境復(fù)雜惡劣，既可能遭受地震、臺風(fēng)等“要命”的極端作用，又不可避免地承受長期車輛和風(fēng)致交變（疲勞）荷載，以及腐蝕、凍融等長期環(huán)境侵蝕致使“短命”的作用。對付“要命”的作用，保障和提升橋梁結(jié)構(gòu)“安全”性能，對付“短命”的作用，保障和延長橋梁結(jié)構(gòu)“壽命”，是橋梁結(jié)構(gòu)工程最為重要的任務(wù)和目標(biāo)。
橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測集傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集與管理、數(shù)據(jù)建模、安全評定、壽命預(yù)測于一體，全天候不間斷地監(jiān)測橋梁荷載與環(huán)境作用、結(jié)構(gòu)局部和整體響應(yīng)，全壽命監(jiān)測建模荷載與環(huán)境作用、推斷或在識別結(jié)構(gòu)損傷和性能退化。并在此基礎(chǔ)上，實(shí)時、定期或特殊極端事件下修正服役結(jié)構(gòu)的計算模型、分析和定量評定結(jié)構(gòu)的服役安全狀況、預(yù)測結(jié)構(gòu)剩余壽命，把握和預(yù)警結(jié)構(gòu)安全和壽命狀況，科學(xué)地支撐橋梁結(jié)構(gòu)安全壽命的管養(yǎng)維護(hù)與維修加固。
我國目前已有400余座大型橋梁安裝了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)和升級，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測愈來愈在橋梁服役安全評定和壽命預(yù)測等方面發(fā)揮著重要作用。同時推動橋梁結(jié)構(gòu)，乃至土木工程結(jié)構(gòu)由現(xiàn)階段的“安全”設(shè)計為主，逐步邁向“安全和壽命”設(shè)計、評定、預(yù)測與維護(hù)的新臺階。
橋梁結(jié)構(gòu)安全、壽命與耐久性的關(guān)系
“安全”為主的設(shè)計內(nèi)涵
橋梁結(jié)構(gòu)、乃至所有土木工程結(jié)構(gòu)現(xiàn)階段主要是“安全”為主的設(shè)計，其設(shè)計理論和方法的基本內(nèi)涵有4點(diǎn)。
1.觀測、建模、定標(biāo)確定自然災(zāi)害等極端作用要素，如50年、100年基準(zhǔn)或重現(xiàn)期設(shè)計風(fēng)速，地震“小震、中震、大震”，相應(yīng)重現(xiàn)期50、475、2475年等。
2.計算相應(yīng)于設(shè)防（設(shè)計）極端作用下橋梁結(jié)構(gòu)材料或構(gòu)件的“荷載效應(yīng)”，可能是線性、非線性或流-固耦合等方法的計算分析。
3.試驗、計算、分析確定結(jié)構(gòu)材料或構(gòu)件極限強(qiáng)度或抗力，如拉、壓、彎、扭、剪或失穩(wěn)等的材料極限強(qiáng)度或構(gòu)件極限抗力，統(tǒng)稱為“構(gòu)件抗力”。這個“構(gòu)件抗力”基本上是指結(jié)構(gòu)新材料、新構(gòu)件的抗力，部分考慮極限抗力折減、耐久性折減，最后才確定“構(gòu)件抗力”設(shè)計值。
4.驗算結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件極限狀態(tài)下的安全要求是荷載效應(yīng)要小于等于構(gòu)件抗力。需要指出的是，這可以理解為不僅是結(jié)構(gòu)“安全為主”的設(shè)計，而且是結(jié)構(gòu)“構(gòu)件安全”的設(shè)計。但是，同樣構(gòu)件都安全的結(jié)構(gòu)，“結(jié)構(gòu)整體極限承載力”可能會有很大差別，這是目前結(jié)構(gòu)設(shè)計沒有在“構(gòu)件安全”設(shè)計的同時，兼顧“結(jié)構(gòu)整體極限承載力”設(shè)計的一大缺陷。
結(jié)構(gòu)壽命與安全相互關(guān)聯(lián)
結(jié)構(gòu)壽命是結(jié)構(gòu)安全性降低到最低要求、也即是結(jié)構(gòu)“構(gòu)件抗力”衰減或退化到等于極值“荷載效應(yīng)”的持續(xù)時間。如圖1所示，結(jié)構(gòu)抗力R(t)隨時間衰減、衰減達(dá)到極值荷載效應(yīng)S要求的最低水平的持續(xù)時間，就是結(jié)構(gòu)壽命或設(shè)計試用期T，即T=(t|R(t)=S)。
圖1 結(jié)構(gòu)安全與壽命關(guān)系及分段評定與預(yù)測模型
在任意時刻ti評定和預(yù)測可以得到結(jié)構(gòu)剩余壽命，即Tr＝T－ti。在結(jié)構(gòu)壽命終止時刻T經(jīng)維修加固提高結(jié)構(gòu)抗力、繼續(xù)服役到抗力R(t)隨時間衰減再次達(dá)到最低水平要求的持續(xù)時間，稱為第一次維修后的剩余壽命，即Tr1＝T－T1。因此，結(jié)構(gòu)壽命和安全是相互關(guān)聯(lián)的。
結(jié)構(gòu)耐久性不等于結(jié)構(gòu)壽命
結(jié)構(gòu)，例如混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計和評定，目前主要是從混凝土密實(shí)性、防止有害物質(zhì)侵蝕、保護(hù)鋼筋不過度過速銹蝕等方面。設(shè)計和評定混凝土強(qiáng)度、保護(hù)層厚度、混凝土裂縫寬度、混凝土剝離程度、混凝土碳化深度以及其他有害侵蝕深度等。這些設(shè)計和評定指標(biāo)是獨(dú)立的耐久性指標(biāo)，目前還沒有與關(guān)乎結(jié)構(gòu)安全的“構(gòu)件抗力”建立起關(guān)系。因此，結(jié)構(gòu)耐久性不等于結(jié)構(gòu)壽命。 
圖2 某高速公路段交通基礎(chǔ)設(shè)施集群全壽命監(jiān)測
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的基本框架與集成系統(tǒng)
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的基本框架與系統(tǒng)包括以下主要方面——
1.監(jiān)測參量確定
監(jiān)測參量主要包括：荷載與環(huán)境作用，既包括關(guān)乎結(jié)構(gòu)安全的極端作用，也包括影響結(jié)構(gòu)抗力退化的長期交變（疲勞）荷載與環(huán)境作用；結(jié)構(gòu)局部響應(yīng)，如應(yīng)力、應(yīng)變等，其結(jié)果可以直接用于結(jié)構(gòu)局部安全評定、或局部損傷表征與推斷；結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)，如位移、加速度等，其結(jié)果可以直接用于結(jié)構(gòu)整體安全評定、或間接用于振型和頻率識別、再進(jìn)一步識別和定位結(jié)構(gòu)損傷；結(jié)構(gòu)局部性能，如裂紋、腐蝕等，其結(jié)果可以用于結(jié)構(gòu)局部損傷演化表征、推斷或驗證。
2.監(jiān)測測點(diǎn)選擇和優(yōu)化
測點(diǎn)選擇和優(yōu)化需要根據(jù)監(jiān)測參量特點(diǎn)、用途和目的，進(jìn)行精心的選擇和優(yōu)化，具體可參見《公路橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》（JT/T1037-2016）。
3.監(jiān)測傳感器選擇和安裝
傳感器選擇要滿足監(jiān)測可靠性和耐久性要求，同時其布設(shè)安裝應(yīng)滿足易維護(hù)性和可更換性要求。
4.軟硬件集成系統(tǒng)
集成系統(tǒng)包括傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集與傳輸、局域和廣域網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)分析與建模，以及結(jié)構(gòu)損傷推斷與識別、結(jié)構(gòu)計算模型修正、服役安全評定與壽命預(yù)測、乃至維修決策等軟硬件集成及其模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化，部分如圖3所示。
圖3 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、服役安全評定與壽命預(yù)測
服役結(jié)構(gòu)的安全評定
結(jié)構(gòu)損傷通常是從材料層面損傷演化擴(kuò)展的，結(jié)構(gòu)需要多尺度建模、在材料細(xì)觀和構(gòu)件宏觀等多尺度上處理損傷和修正模型。結(jié)構(gòu)局部響應(yīng)和局部性能監(jiān)測結(jié)果，可以直接用于結(jié)構(gòu)局部材料和構(gòu)件損傷表征和推斷，并直接用于修正相應(yīng)的單元計算模型；結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)監(jiān)測結(jié)果，如位移、加速度等，通?？捎糜谡裥秃皖l率識別、然后間接地用于結(jié)構(gòu)損傷識別、定位和整體計算模型修正。由于橋梁結(jié)構(gòu)個體的特殊性、局部損傷對整體識別參數(shù)的不敏感性，給基于整體（振動）響應(yīng)的結(jié)構(gòu)損傷識別和定位帶來了難以逾越的困難，結(jié)構(gòu)局部損傷監(jiān)測推斷、單元計算模型修正，結(jié)合結(jié)構(gòu)損傷識別、定位與整體計算模型修正可能是最為有效的途徑。
通過損傷推斷、識別、處理和模型修正，建立服役結(jié)構(gòu)真實(shí)可靠的計算模型，是結(jié)構(gòu)進(jìn)一步計算分析、安全評定的基礎(chǔ)，也是服役結(jié)構(gòu)安全評定和新建結(jié)構(gòu)設(shè)計安全驗算最本質(zhì)的區(qū)別。在此基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)服役安全評定可以分為三級。
安全一級評定：初期未損傷
服役結(jié)構(gòu)安全一級評定主要針對建成運(yùn)行初期階段、沒有發(fā)生損傷的橋梁結(jié)構(gòu)，其安全評定基本與新建結(jié)構(gòu)設(shè)計安全驗算相同。通過實(shí)時監(jiān)測的極值作用要素（如極值車流荷載、極值標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速等）、關(guān)鍵構(gòu)件控制截面材料應(yīng)力或構(gòu)件內(nèi)力、結(jié)構(gòu)控制斷面位移等，與相應(yīng)設(shè)計值比較即可判定結(jié)構(gòu)是否安全。目前，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測在線實(shí)時安全評定和預(yù)警，基本都還只是基于此“安全一級評定”。
安全二級評定：中后期有損傷
服役結(jié)構(gòu)安全二級評定可以適用于服役中后期、有損傷的橋梁結(jié)構(gòu)，其安全評定必須包括損傷推斷、識別與處理，結(jié)構(gòu)單元和整體計算模型修正，結(jié)構(gòu)構(gòu)件和整體極限承載力計算分析。然后，其一是類似新建結(jié)構(gòu)設(shè)計的構(gòu)件安全驗算；其二，由于服役中后期結(jié)構(gòu)實(shí)際不可避免地有不同程度損傷、逐一構(gòu)件安全驗算很有可能部分構(gòu)件不滿足類似設(shè)計的安全要求。因此，從結(jié)構(gòu)整體極限承載力驗算和把握結(jié)構(gòu)安全，將成為結(jié)構(gòu)安全評定的一項重要內(nèi)容。例如結(jié)構(gòu)整體極限承載力與結(jié)構(gòu)整體設(shè)計荷載下承載力比較，可以驗算和把握結(jié)構(gòu)整體安全余度，這是服役結(jié)構(gòu)安全評定要從構(gòu)件安全驗算，邁上整體極限承載力安全驗算的一項新要求和新發(fā)展，也是與結(jié)構(gòu)設(shè)計安全驗算第二個重要不同的區(qū)別?！豆窐蛄航Y(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》（JT/T 1037-2016）給出了橋梁結(jié)構(gòu)安全二級評定的基本框架，需要進(jìn)一步總結(jié)、梳理和規(guī)范相關(guān)計算和評定方法。同時開發(fā)計算和評定軟件，使之真正成為橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測在線或離線評定工程實(shí)用的手段和工具。
安全三級評定：后期壽命預(yù)測
服役結(jié)構(gòu)安全三級評定主要包括，從當(dāng)前評定時刻之后預(yù)測結(jié)構(gòu)性能衰減、安全性降低、剩余壽命等。此級評定防患于未然，對服役中后期的橋梁結(jié)構(gòu)尤為重要。目前國內(nèi)外還沒有系統(tǒng)的理論和方法，下一節(jié)內(nèi)容會簡要闡明如何基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和其他相關(guān)成果逐步建立起這一理論和方法。
結(jié)構(gòu)長期監(jiān)測、分析與壽命預(yù)測
橋梁結(jié)構(gòu)可能遭受的自然災(zāi)害等極端作用要素，主要通過長期觀測得到的年最大值統(tǒng)計確定年最大值概率分布，然后再確定諸如50年、100年基準(zhǔn)期或重現(xiàn)期設(shè)防（設(shè)計）作用要素，如50年、100年基準(zhǔn)期或重現(xiàn)期最大風(fēng)速。這樣的極端作用要素年最大值概率分布相對準(zhǔn)確地統(tǒng)計確定，一般需要30年左右的觀測數(shù)據(jù)，50年最大值的地震作用統(tǒng)計甚至需要所有相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)。極端作用要素年最大值概率分布是目前結(jié)構(gòu)安全設(shè)計主要的作用或荷載標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。
橋梁結(jié)構(gòu)長期承受的諸如車輛和常態(tài)脈動風(fēng)等交變（疲勞）荷載，以及腐蝕、凍融等長期環(huán)境侵蝕作用，這些長期作用直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞、腐蝕、凍融等損傷積累，致使結(jié)構(gòu)材料、構(gòu)件等抗力衰減，是服役結(jié)構(gòu)安全性退化和剩余壽命預(yù)測的荷載或作用標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。橋梁結(jié)構(gòu)多數(shù)長期交變荷載或作用基本沒有統(tǒng)計模型和設(shè)防（設(shè)計）標(biāo)準(zhǔn)，這是結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測和設(shè)計無法實(shí)現(xiàn)的主要原因之一。長期交變荷載或作用要素統(tǒng)計建模，需要全天候連續(xù)監(jiān)測（觀測）數(shù)據(jù)；考慮長期交變荷載或作用要素基本符合年等概率發(fā)生的假定，相應(yīng)的統(tǒng)計建模一般有1～3年或3～5年的數(shù)據(jù)，就能夠建立基本準(zhǔn)確的模型和標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的第一類監(jiān)測參量就是長期荷載或作用要素，監(jiān)測數(shù)據(jù)是完成這一任務(wù)的主要來源，而且隨著監(jiān)測的持續(xù)還可以不斷提供數(shù)據(jù)、不斷修正統(tǒng)計模型。
計算原理與方法
例如，根據(jù)某橋梁疲勞統(tǒng)計風(fēng)速譜建模和風(fēng)致?lián)p傷進(jìn)行分析，由結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測一年風(fēng)速監(jiān)測數(shù)據(jù)確定，有風(fēng)時間 Tw(單位為s），比方說，風(fēng)速大于3m/s的時間。按照我國標(biāo)準(zhǔn)得到了一年風(fēng)速（大于有風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)速）全部每10分鐘平均風(fēng)速樣本集，統(tǒng)計確定年風(fēng)速概率分布符合威布爾分布——
其中統(tǒng)計參數(shù)c＝1.2，k＝4.8。利用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測多個年份的風(fēng)速監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行年風(fēng)速概率分布統(tǒng)計分析，還可進(jìn)一步修正上述模型參數(shù)。假定或利用實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計確定平均風(fēng)速對應(yīng)的脈動風(fēng)速均符合Davanport隨機(jī)過程功率譜。這樣，以上三者一起構(gòu)成了該橋梁疲勞風(fēng)速譜。利用該疲勞風(fēng)速譜，可以進(jìn)一步計算分析或預(yù)測該橋梁結(jié)構(gòu)年或若干年的風(fēng)致疲勞損傷。具體步驟如下：
首先，計算確定某等級或任意平均風(fēng)速x對應(yīng)的脈動風(fēng)速下的疲勞損傷：D（x）＝Σni/Ni。其中ni和Ni分別是在該風(fēng)速等級下等級i應(yīng)力水平循環(huán)圈數(shù)和極限允許圈數(shù)。這就是材料試驗發(fā)展的Miner損傷機(jī)制的應(yīng)用。
其次，計算確定風(fēng)致年（1年）疲勞累積損傷：DY＝ ΣD(x)p(x)Δx Tw/TY。其中p(x)是平均風(fēng)速x對應(yīng)的概率值；Δx是某等級平均風(fēng)速x對應(yīng)的等級區(qū)間，如［3,5］(m/s)；時間 TY是1年的總時間（單位為s）。
最后，計算確定風(fēng)致M年（如5年）的總疲勞累積損傷：DM＝MDY
上述計算分析或預(yù)測確定風(fēng)致疲勞累積損傷后，可進(jìn)一步應(yīng)用損傷與抗力衰減的關(guān)系，分析或預(yù)測抗力衰減，評定和預(yù)測結(jié)構(gòu)安全性退化和剩余壽命。這里整個過程的評定和預(yù)測需要結(jié)構(gòu)長期作用監(jiān)測數(shù)據(jù)和模型、服役結(jié)構(gòu)當(dāng)前準(zhǔn)確的計算模型和內(nèi)力重分析、結(jié)構(gòu)材料和構(gòu)件的損傷機(jī)制、結(jié)構(gòu)損傷與抗力衰減的關(guān)系，然后再進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算模型修正、結(jié)構(gòu)構(gòu)件和整體承載力分析，最后得到安全評定和壽命預(yù)測結(jié)果，此結(jié)果可進(jìn)一步作為結(jié)構(gòu)維修決策的依據(jù)。
橋梁結(jié)構(gòu)其他類似交變（疲勞）荷載，如車輛荷載，長期環(huán)境侵蝕作用及耦合作用的累積損傷、抗力衰減、安全評定和壽命預(yù)測可按照上述原理和方法實(shí)施。這里最關(guān)鍵的是長期作用模型和損傷機(jī)制、乃至長期作用耦合模型和耦合損傷機(jī)制。這些還需要下大力氣研究和發(fā)展，也即橋梁結(jié)構(gòu)從“安全”為主的科學(xué)分析和設(shè)計，邁向“安全和壽命”的科學(xué)分析、設(shè)計和預(yù)測還有很長的路要走，恰好結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)提供了新的手段和途徑。
上述結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及服役安全評定與壽命預(yù)測可概述為圖3所示的理論、方法和技術(shù)框架與系統(tǒng)，其中維修報廢決策也同時需要結(jié)構(gòu)性能退化速率、服役安全狀況和壽命長短的評定和預(yù)測結(jié)果，以及其他功能和社會經(jīng)濟(jì)的約束，決策是否值得維修或報廢。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測集傳感網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集和管理、數(shù)據(jù)分析建模以及結(jié)構(gòu)損傷識別、安全評定、壽命預(yù)測、維修決策等硬軟件系統(tǒng)于一體，實(shí)際是現(xiàn)場真實(shí)、足尺結(jié)構(gòu)的長期試驗系統(tǒng)，可以全天候不間斷地獲取結(jié)構(gòu)長期荷載和環(huán)境作用，以及結(jié)構(gòu)局部和整體響應(yīng)等大量數(shù)據(jù)，是現(xiàn)代結(jié)構(gòu)試驗技術(shù)新的拓展和發(fā)展。在大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，拓展和推動結(jié)構(gòu)環(huán)境作用、服役性能、損傷演化、安全評定、壽命預(yù)測、維修決策等方面新的認(rèn)識和新的知識，是土木工程發(fā)展又一重要的手段和途徑。因此，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與結(jié)構(gòu)理論、模型試驗、數(shù)值計算將共同成為推動土木工程發(fā)展的四驅(qū)之輪。
作者 / 歐進(jìn)萍 李惠 李順龍
作者單位 / 哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院
