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本文根據(jù)橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)必須能進行實時監(jiān)測這一點，強調(diào)了動測法和識別累積損傷是橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵技術。并指出國內(nèi)研究橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)關鍵技術的人少，卻又設計、建造不少不能用的‘橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)’，導致橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)的名聲變壞。本文探討了其中的原因。本文還討論了橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)中的模態(tài)識別和損傷識別的特殊性，實時監(jiān)測與封橋試驗的區(qū)別，和橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)與人工檢查及橋梁管理系統(tǒng)的關系，并指出傳感器最優(yōu)布點對橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)的重要性，GPS在橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)中的局限性，以及橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)完工時真正的工作才剛剛開始。最后，本文指出：目前迫切需要精選少量有代表性的特大橋建造高質(zhì)量的橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)，而應當停止盲目建造廉價的‘橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)’。
1  前言
由于我國橋梁損壞事故頻繁，國內(nèi)近年來出現(xiàn)了建造橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)的熱潮。對在刊物上發(fā)表橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)的論文來說，幾年前就已進入報告研究成果的階段[1]，這兩年還發(fā)表國外文獻述評，反映出這些作者在國內(nèi)本領域的落后狀態(tài)。但目前橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)在國外還只是處于研究階段，涉及的偏于基礎性的技術問題很多，也很難，許多關鍵問題遠沒有解決[1]。因此，國外還沒有形成成熟的技術，所以國外也還沒有建成真正意義上的橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)，國外大跨橋的結(jié)構健康仍然要靠人工檢查維護。雖然大跨橋本身已經(jīng)有了成熟的設計施工技術，但是橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)并沒有。國內(nèi)在健康監(jiān)測系統(tǒng)核心技術，特別是損傷識別的研究方面與國外差距較大。而且在建造這種系統(tǒng)方面又形成一種狀態(tài)：主管橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)的班子不了解橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)基本概念，也不知道橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)涉及哪些技術，更不知道國內(nèi)外哪些單位掌握這些技術；而做了深入研究的班子沒機會參與設計橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)；國外許多大學和公司發(fā)表了大量研究論文和報告，但被選擇承擔江陰橋橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)的英國Strainstall公司，卻從來沒在橋梁結(jié)構健康監(jiān)測領域發(fā)表過任何有點分量的研究成果，顯然，選擇這家公司設計建造這個系統(tǒng)是個錯誤。上述現(xiàn)狀的結(jié)果是：1, 我國第一個橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)——江陰橋橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)——基本上是個垃圾系統(tǒng)；2, 包括江陰橋在內(nèi)的幾座橋的橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)建成幾年來沒產(chǎn)生一條對橋梁設計、管理有用的數(shù)據(jù)，也沒有一份像樣的監(jiān)測報告，更不用提損傷識別了；3, 分擔提供元器件和安裝橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)線路的單位，對一些國內(nèi)設計所謂的‘橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)’的班子的評價是‘一群騙子’；4, 鑒于國內(nèi)已建成的‘橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)’的這種狀態(tài)，國內(nèi)一些真正關心橋梁結(jié)構安全的人士反對安裝這類垃圾系統(tǒng)。
鑒于上述情況，有必要對橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)正名，使我國這一領域的研究、建設盡早走入正軌。此外，損傷識別的目的是剩余承載力評定。這個重要問題涉及：精確分析模型，包括二維和三維有限單元的應用，和結(jié)構可靠度理論的應用。由于篇幅的限制，作者將另文專門討論這個問題。
2  橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)核心問題：識別累積損傷
橋梁結(jié)構損傷可以分為兩類：突發(fā)事件（強烈地震、爆炸、撞船等）引起的損傷，和逐漸發(fā)展的累積損傷。前者的發(fā)生時間甚至損傷位置是已知的，因此可以立即臨時封橋，在有限時間內(nèi)完成檢查、維修和加固，而封橋狀態(tài)下的損傷檢查是成熟的常規(guī)技術，我國已經(jīng)做了幾十年，沒有什么根本性的困難（盡管技術上有發(fā)展的余地）。累積損傷則不然，累積損傷的初期并不危及安全，發(fā)展到一定程度后橋梁結(jié)構的抗力降低到一定限值，就會引起重大事故，我國近幾年的塌橋事故多屬于這種損傷。但事先不可能知道在什么時候抗力降低到某個限值，而橋梁結(jié)構在露天工作，并承受疲勞荷載，所以累積損傷（疲勞、銹蝕）是橋梁的重要損傷形式。如果用封橋檢查的辦法對付累積損傷，則橋梁永遠處于封橋狀態(tài)，根本不能用。對付累積損傷的傳統(tǒng)辦法是人工檢查。對普通橋梁，全橋人工檢查的周期不會太長，人工檢查有把握保證橋梁的安全。但對特大橋，全橋人工檢查的周期長達十年以上（美國金門橋用先進設備噴漆，一個周期要一年，我國武漢長江大橋人工涂漆，一個周期要三年，損傷檢查要比噴漆困難得多，全橋檢查的周期也要長得多），因此難以保證橋梁結(jié)構的安全。用橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)對橋梁進行實時監(jiān)測正是在這個前提下提出的。因此，橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)首先是針對特大橋，其次其核心任務是在正常交通狀態(tài)下連續(xù)地識別緩慢發(fā)展的累積損傷。
橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)長期監(jiān)測累積損傷時，有兩個要求：一是絲毫不能影響正常交通，否則與封橋試驗無異，二是盡可能在早期就測出累積損傷。這兩個要求既限制了橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)的測試方法，也使橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)的損傷識別成為當今國際上的重大難題。第一個要求導致根本不能用靜力法進行測試，因為一方面任何靜力荷載都會減少橋梁支承交通荷載的能力，另一方面，通車時橋梁結(jié)構的形狀在不斷變化，不存在靜止的變形。這樣，橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)不得不采用動測，但第一個要求對動測也有嚴格的限制：不能用有加載裝置（激振器）的動測（例如航空航天器常用的多種高精度的MIMO、SIMO法），因為特大橋的大質(zhì)量要求巨大的激振器，這不可能不影響交通。這迫使橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)不得不采用脈動測試。由于特大橋不可能進行實驗室試驗，只能進行現(xiàn)場試驗，所以干擾大，精度差。特大橋脈動激振力不可測，地脈動作用在基礎，脈動風則作用在全橋每點的所有方向。最大的脈動激振力來自車輛，豎向激振力作用在每個行駛中的車輪，橫橋向激振力來自變換車道的車輪，順橋向激振力來自加速或減速的車輪，它們時刻在變，有極強的隨機性。于是，不使用輸入數(shù)據(jù)，只靠輸出數(shù)據(jù)的脈動測試精度自然低于有輸入的測試。
第二個要求形成了橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵技術?，F(xiàn)有的最先進的動測法也只勉強能測出剛度變化20％以上的損傷，這是完全不夠的。提高動測探傷的靈敏度成為國際前沿難題，涉及模態(tài)識別、損傷識別、計算機軟硬件技術、光和電子技術的多領域的問題，近期內(nèi)不大可能完全解決。
總之，識別突發(fā)損傷容易，識別累積損傷難，在正常交通狀態(tài)下識別累積損傷難上加難。
3  橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)和人工檢查和橋梁管理系統(tǒng)的關系
傳統(tǒng)上探測橋梁結(jié)構損傷靠人工檢查，但由于對特大橋人工檢查太慢，所以想出了用先進的計算機技術和測試技術組成橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)來改進人工檢查。但由于目前自動損傷識別的靈敏度太低，結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)遠不能取代人工檢查。所以，即使安裝了橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)的橋，也仍然需要嚴密的人工檢查。我國現(xiàn)行人工檢查技術還不能適應特大橋的需要，比如各類鋼結(jié)構構件的損傷檢查還沒有可行的標準。因此，發(fā)展和建立適合我國的特大橋人工檢查制度體系比建造橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)更重要，這包括各級別的檢查（日常檢查、主要檢查、重點檢查、全面檢查）的內(nèi)容、手段、檢查表格、評分標準、時間間隔等。也就是說，需要一個完整的特大橋的橋梁管理系統(tǒng)（BMS）。這個系統(tǒng)應能歸納結(jié)構退化模型，歸納各類維修費用模型，并優(yōu)化檢修制度[2,3,4,5]。如果說 BMS是用計算機技術提升橋梁管理技術水平的第一個層次，則結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)則是在更高層次上提升橋梁管理的技術水平。
4  實時監(jiān)測與封橋試驗及成橋驗收試驗的區(qū)別
由于特大橋橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)只能靠實時監(jiān)測，因此其方法與必須在封橋狀態(tài)下工作的橋梁檢查和成橋驗收試驗根本不同。后者主要靠靜力加載試驗，而橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)只能靠動測。動測不但所用設備根本不同，考慮因素不同（如采樣率、頻帶寬度等），而且需要復雜的結(jié)構動力學知識。特別是由于脈動測試精度差，所以需要特殊的模態(tài)識別和損傷識別技術，這種技術在理論上的難度遠甚于以結(jié)構抗震為目的的結(jié)構動力學。此外封橋狀態(tài)下工作的橋梁檢查和成橋驗收試驗的設備和線路都是一次性的，不必考慮穩(wěn)定性和耐久性，但設備和線路的穩(wěn)定性和耐久性對橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)卻是非常重要的。
目前國內(nèi)一些設計橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)的人總在靠靜力測試，這一方面反映他們對橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)沒有真正的認識，另一方面反映他們?nèi)鄙俳Y(jié)構動力學的知識。
5  模態(tài)識別和損傷識別
橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)用動測進行損傷識別一般分兩步：先進行模態(tài)識別，然后進行損傷識別。此外，由于模態(tài)參數(shù)與環(huán)境之間有密切關系，所以橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)也應當具備環(huán)境測試功能，特別是異常荷載的報警功能，但這些方面要比自動損傷識別容易得多。
5．1 模態(tài)識別
由于纜索支承橋梁固有的非線性和非經(jīng)典阻尼性質(zhì)，以及脈動法輸入的非平穩(wěn)性和非白噪聲性質(zhì)，目前我國橋梁測試界普遍采用的頻域識別（FRF函數(shù)法）法精度太差。多種時域識別法有更高的精度和效率，如RD函數(shù)法、ERA法等[6,7]。但這些方法對使用者有很高的理論要求。這些方法識別出的模態(tài)參數(shù)的誤差分析，在國際上還是空白。我國橋梁工程界在模態(tài)識別方面與國際差距更大，迄今國內(nèi)連起碼的橋梁動力試驗的標準都沒有，關于需要多少個測點、需要測多少階模態(tài)、要不要與分析模型的結(jié)果對比、滿足什么條件的模態(tài)參數(shù)才是合乎要求的，以及對阻尼分布不均勻的橋梁要不要測復振型等全無規(guī)定。這個狀態(tài)距離設計橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)的要求甚遠。
5．2 損傷識別
大量研究證明：直接用自振頻率或振型識別損傷是失敗的，因為兩者對損傷不敏感。人們進而發(fā)現(xiàn)：把它們加以處理，組成各類損傷識別指標（結(jié)構指紋）則會顯著提高對損傷的靈敏度。目前發(fā)現(xiàn)的比較靈敏的損傷識別指標是模態(tài)柔度矩陣、曲率模態(tài)、模態(tài)應變能比等[8,9]，它們比自振頻率或振型靈敏20－400倍，但目前仍不夠靈敏。
靜力損傷識別法有時使用反分析來識別損傷，用測得的變形和荷載確定剛度矩陣中的系數(shù)。但由于其方程數(shù)少于未知量數(shù)，屬于不適定問題，需要使用優(yōu)化條件（某個量最?。@個條件沒有物理意義。由于這個方法理論上沒有真解，所以永遠不知道誤差多大。用在動力問題上問題就更大了。
國內(nèi)近來熱衷于ANN法，實際上這個方法從來沒有解決過一個實際損傷識別問題。一個ANN的能力取決于其訓練樣本，樣本的質(zhì)量完全限制了ANN的解題能力。我國目前的研究完全用有限元分析模型來訓練ANN。而越是精細的分析模型，問題就越多。工程經(jīng)驗表明：凡是分析模型準確的構件都不會出現(xiàn)問題，分析模型中越是不準確的部位，越可能發(fā)生問題。所以用有限元分析模型訓練的ANN在損傷識別方面基本上是廢物。于是，我國目前的ANN研究只集中于改變神經(jīng)元層數(shù)、改變神經(jīng)元節(jié)點數(shù)，調(diào)整權重系數(shù)，調(diào)整傳輸系數(shù)。這些都是四則運算，屬于小學生能做的事。這可能是ANN對那么多人有吸引力的原因。而如何采集實際有損橋梁反應的樣本、采集的樣本量多大才夠、采集的代價多大、需要采集多長時間、以及采集到樣本的可能性，卻沒有人討論。這反映研究者的目的不是在應用，而是為發(fā)表論文。這種論文大量發(fā)表就形成泡沫科技。
總之，目前最靠得住的損傷識別方法還是損傷識別指標這個方法。但它也有根本性的矛盾：模態(tài)反應剛度，是力－變形曲線的斜率，但結(jié)構安全性與強度直接相關，強度則對應力變形曲線的最大值。裂縫集中在幾點，對一根構件的總剛度影響小，銹蝕則分布在較大的一片，對剛度影響較大，因此，用基于模態(tài)參數(shù)的損傷識別指標識別銹蝕損傷要比裂縫損傷靈敏些。根本上說，不懂動測、不懂損傷識別的人不可能設計出真正的橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)。
6  傳感器最優(yōu)布點問題
特大橋構件多，自由度多。有限元分析模型往往有成千上萬個自由度。橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)需要高質(zhì)量的傳感器，有限的經(jīng)費不容許安裝這麼多個傳感器。于是所測的振型是不完全振型，用不完全振型建立的損傷識別指標也是不完全指標。于是需要研究怎樣用這些不完全指標有效地識別損傷。這就是傳感器最優(yōu)布點問題——最高效率地使用有限的傳感器[10]。盡管國外有大量這方面的論文，但目前國內(nèi)外特大橋橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器布點全沒有經(jīng)過優(yōu)化。
7  GPS的問題
近來我國在橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)方面興起了GPS熱。GPS的優(yōu)點是：可測量大范圍絕對位移；在大霧、暴雨中可工作。但缺點是低靈敏度，和低采樣率（只能測低頻分量，測不出塔墩振型），和高成本（測點少，測不出振型）。GPS目前的性能：靜態(tài)靈敏度：±1mm，采樣率1 Hz; 動態(tài)靈敏度：水平±5mm,  豎向±10mm，最高采樣率20Hz, 國外可達50Hz，但對華禁運。
GPS的這些限制導致它不能測非振幅點，也不能測高于20 Hz發(fā)振動分量。一個振型是由振幅點、非振幅點和節(jié)點組成的，脈動振型振幅小，非振幅點位移更小，因此GPS是測不出振型的。所以不可能用來進行損傷識別。既便測出了最大位移幅，也不知道有沒有損傷，又說明什么？至多在位移超過一個限值時可以報警。過分注重GPS也是一部分人靜力學思維的結(jié)果。
8  橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)建成后的專業(yè)管理維護、研究班子，
橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)在現(xiàn)場工作，環(huán)境惡劣，光電設備使用壽命本來就比結(jié)構構件短，因此不但必須使用高性能、高質(zhì)量的元器件，還要考慮備用元器件，和維修更換容易。所以造價會很高?；ㄟ@樣多的錢，特大橋值得，普通橋根本不值得。試圖建造低價橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)就是白扔錢。在目前階段我國不宜普遍建造橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)，但精選個別幾座代表性的大橋建造高質(zhì)量的橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)卻是必要的。因為它們提供了高水平的研究試驗平臺。因為由于研究經(jīng)費的限制，我國有關研究連模型試驗都做不起。這極大地阻礙著我國橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究進展。一座大橋的風洞模型試驗尚且要幾百萬，而且其結(jié)果與實際的出入還很大。有了高質(zhì)量的橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)，就可以隨時做足尺全橋試驗，從而大大加速我國橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)整個領域的研究。但有兩點要注意：
一是一個橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)的建成并非工作的結(jié)束。這個系統(tǒng)老化速度高于橋梁結(jié)構的老化速度，因此需要一支受過專業(yè)訓練的維護隊伍，而且還需要一支數(shù)據(jù)處理和研究數(shù)據(jù)并發(fā)現(xiàn)問題的研究隊伍。這需要長期的經(jīng)費支持。沒有這兩支隊伍，建成的橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)終成廢物。
二是橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)應當設計成開放式（無終端）系統(tǒng)，以便于隨時更新硬件和軟件。
9  結(jié)論
橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)必須能進行實時監(jiān)測，與封橋試驗有根本不同，因此靜力試驗法根本不能用于橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)。于是動測法和識別累積損傷是橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵技術。國內(nèi)對橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)關鍵技術的研究少，卻又設計、建造不少‘橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)’，而這些橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)根本不能用。橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)中的模態(tài)識別不得不用精度差但不需輸入的脈動法。目前損傷識別指標相對更適合橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)的損傷識別。目前橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)技術水平還不能取代人工檢查。安裝了橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁仍然需要人工檢查。我國迫切需要完善特大橋的人工檢查標準，及相應的橋梁管理系統(tǒng)。傳感器最優(yōu)布點對橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)十分重要，GPS在橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)中有局限性。橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)完工時真正的研究工作才剛剛開始。目前迫切需要精選少量有代表性的特大橋建造高質(zhì)量的橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)，而應當停止盲目建造廉價的‘橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)’。