作為交通系統(tǒng)的組成部分，橋梁在人類文明的發(fā)展和演化中起到了重要作用。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展以及運(yùn)輸需求的不斷增長，大型橋梁（如跨海大橋、大跨度橋梁等）越來越多的出現(xiàn)在人們的視野中，這些橋梁造價(jià)動輒幾億甚至幾十億元，在交通、軍事和社會生活等方面有著重要的戰(zhàn)略意義。然而，橋梁在建造和使用過程中，由于受到環(huán)境、有害物質(zhì)的侵蝕，車輛、風(fēng)、地震、疲勞、人為因素等作用，以及材料自身性能的不斷退化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)各部分在遠(yuǎn)沒有達(dá)到設(shè)計(jì)年限前就產(chǎn)生不同程度的損傷和劣化。這些損傷如果不能及時(shí)得到檢測和維修輕則影響行車安全和縮短橋梁使用壽命，重則導(dǎo)致橋梁突然破壞和倒塌。據(jù)統(tǒng)計(jì)，如今在美國近60萬座橋梁中性能不足和有功能缺陷的占28.6%。美國每年橋梁投資90%用于更新維修舊橋，只有10%用于新建橋梁。

我國現(xiàn)有公路橋5000余座，總長130萬公里，1/3以上的橋梁都存在結(jié)構(gòu)性缺陷、不同程度的損傷和功能性失效的隱患。近年來，我國陸續(xù)出現(xiàn)了多次重大橋梁事故。這些發(fā)生的事故與很多因素有關(guān)，但是缺乏有效的監(jiān)測措施和必要的維修、養(yǎng)護(hù)措施是重要的原因之一。這些觸目驚心的事故使得人們對現(xiàn)代橋梁的質(zhì)量和壽命也逐漸關(guān)注起來。對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行質(zhì)量檢測和健康監(jiān)測，已成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工程界研究的熱點(diǎn)。

傳統(tǒng)的橋梁檢測在很大程度上依賴于管理者和技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，缺乏科學(xué)系統(tǒng)的方法，往往對橋梁特別是大型橋梁的狀況缺乏全面的把握和了解，信息得不到及時(shí)反饋。如果對橋梁的病害估計(jì)不足，就很可能失去養(yǎng)護(hù)的最佳時(shí)機(jī)，加快橋梁損壞的進(jìn)程，縮短橋梁的服務(wù)壽命。如果對橋梁的病害估計(jì)過高，便會造成不必要的資金浪費(fèi)，使得橋梁的承載能力不能充分發(fā)揮。

橋梁健康監(jiān)測的基本內(nèi)涵即是通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀況的監(jiān)控與評估，為橋梁在特殊氣候、交通條件下或橋梁運(yùn)營狀況異常嚴(yán)重時(shí)發(fā)出預(yù)警信號，為橋梁的維護(hù)維修和管理決策提供依據(jù)與指導(dǎo)。然而，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測不僅是為了結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)控和評估，其信息反饋于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的更深遠(yuǎn)的意義在于，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等可能得到改進(jìn)。再有就是橋梁健康監(jiān)測帶來的不僅僅是監(jiān)測系統(tǒng)和對某特定橋梁設(shè)計(jì)的反思，還可能并應(yīng)該成為橋梁研究的“現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)室”。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(jī)。由運(yùn)營中的橋梁結(jié)構(gòu)與其環(huán)境所獲得的信息不僅是理論研究和實(shí)驗(yàn)室調(diào)查的補(bǔ)充，還可以提供有關(guān)結(jié)構(gòu)行為和環(huán)境規(guī)律的最真實(shí)的信息。因此，橋梁健康監(jiān)測不只是傳統(tǒng)橋梁檢測加結(jié)構(gòu)評估新技術(shù)，而且被賦予了結(jié)構(gòu)監(jiān)控與評估、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和研究與發(fā)展三方面的意義。

近年來，通信網(wǎng)絡(luò)、信號處理、人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展加速了橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)用化進(jìn)程。業(yè)界紛紛著手研究和開發(fā)各種靈活、高效、廉價(jià)、并且不影響橋梁結(jié)構(gòu)正常使用的長期實(shí)施監(jiān)測方法或技術(shù)。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的部署和應(yīng)用不單單具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，還具有重要的研究價(jià)值，在推動和發(fā)展智能化、數(shù)字化和信息化橋梁工程中起到了積極的作用。

20世紀(jì)90年代，亞洲一些國家如日本、韓國等開始研究并在一些大型橋梁上安裝健康監(jiān)測系統(tǒng)。目前的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和一些特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)通過布設(shè)在橋梁上的傳感器能夠測量并記錄橋梁的行為。

(2)重視對橋址處環(huán)境的監(jiān)測(溫度、風(fēng)、交通荷載等)。

(3)各系統(tǒng)都毫無例外的進(jìn)行了橋梁動力加速度、速度的監(jiān)測。

(4)由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是通訊技術(shù)和現(xiàn)代測量技術(shù)的發(fā)展，使得橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)能夠獲取橋梁相對準(zhǔn)確的信息，并且可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的大容量、網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)自動采集、自動入庫。

健康監(jiān)測系統(tǒng)分成三個(gè)等級，即長期在線自動健康監(jiān)測系統(tǒng)、定期離線健康監(jiān)測系統(tǒng)和定期養(yǎng)護(hù)健康檢測系統(tǒng)。長期在線自動健康監(jiān)測系統(tǒng)是最高等級的健康監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)適合于在特大跨徑復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)和具有重大戰(zhàn)略意義的關(guān)鍵橋梁上使用。該等級的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)具有如下的特點(diǎn)：傳感器長期布設(shè)在橋梁上，并通過相應(yīng)技術(shù)連接在一起，構(gòu)成傳感器子系統(tǒng)。各傳感器的數(shù)據(jù)采集通過健康監(jiān)測系統(tǒng)中心控制系統(tǒng)動態(tài)實(shí)時(shí)的下達(dá)采集指令，觸發(fā)傳感器的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)直接自動進(jìn)入健康監(jiān)測中央數(shù)據(jù)庫。橋梁管理部門和客戶可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問中央數(shù)據(jù)庫并進(jìn)行健康診斷。

目前此類系統(tǒng)，傳感器數(shù)據(jù)采集及中央數(shù)據(jù)庫等各子系統(tǒng)的連接還是通過數(shù)據(jù)線的連接。隨著無線傳感器技術(shù)的研制，無線健康監(jiān)測系統(tǒng)有望實(shí)現(xiàn)。定期離線健康監(jiān)測系統(tǒng)是長期在線自動監(jiān)測系統(tǒng)的一種簡化，最大的區(qū)別是定期離線健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和管理是離線的、人工的。與長期在線自動健康監(jiān)測系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)省掉了數(shù)據(jù)的自動采集設(shè)備和軟件，無需大量的數(shù)據(jù)線并避免了數(shù)據(jù)的長距離傳輸帶來的數(shù)據(jù)精度的損失。該系統(tǒng)投資額度相對小，適合于一般重要的橋梁。而且，該系統(tǒng)在以后如果需要的話，可以直接升級為長期在線自動健康監(jiān)測系統(tǒng)。

定期養(yǎng)護(hù)健康檢測系統(tǒng)適合于一般橋梁和對整個(gè)路線沿線的所有橋梁的健康監(jiān)測，該系統(tǒng)的功能和性質(zhì)接近于一般橋梁的養(yǎng)護(hù)管理，可以這樣描述：橋梁管理部門購置相應(yīng)的橋梁檢測設(shè)備，包括傳感器及其相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集和處理軟件、橋梁健康診斷軟件。這些設(shè)備都存放于實(shí)驗(yàn)室，不長期固定在橋梁上。橋梁管理部門定期的利用這些設(shè)備對所轄橋梁進(jìn)行健康檢測。該系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是可以監(jiān)測多個(gè)橋梁的健康狀況，同時(shí)設(shè)備容易維護(hù)、更換和更新。

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是實(shí)施橋梁健康監(jiān)測的第一步。目前關(guān)于橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)、原則還沒有統(tǒng)一的說法。本文結(jié)合國內(nèi)外已經(jīng)安裝的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的特點(diǎn)，探討橋梁健康設(shè)計(jì)的一些原則。

從已經(jīng)安裝的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中可以看出，這些橋梁健康監(jiān)測的測點(diǎn)布置的數(shù)量、監(jiān)測項(xiàng)目有很大差異。這種差異一方面來自于橋梁結(jié)構(gòu)形式和所處地理環(huán)境的差異，另一方面來自于各健康監(jiān)測設(shè)計(jì)的目的和投資額度的不同。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要遵循“因橋而異、因橋制宜、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、穩(wěn)定可靠”的16字原則。

因橋而異、因橋制宜。不同地區(qū)、不同橋梁結(jié)構(gòu)形式的健康監(jiān)測的內(nèi)容是不一樣的。不同地區(qū)的氣候、地質(zhì)環(huán)境會有很大差別，橋梁健康監(jiān)測的一部分內(nèi)容就包括對橋址處環(huán)境的監(jiān)測，比如風(fēng)、地震、溫度等。

經(jīng)濟(jì)實(shí)用、穩(wěn)定可靠。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)施費(fèi)用是昂貴的，因此，投資額是制約橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)規(guī)模和設(shè)備的重要因素。健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)作效益．成本分析，設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)實(shí)用、穩(wěn)定可靠的健康監(jiān)測系統(tǒng)。

基于以上分析，建議在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)遵循以下步驟：

(1)針對具體橋梁，確定監(jiān)測系統(tǒng)的目的和功能。

(2)分析橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、環(huán)境狀況、運(yùn)營情況，確定橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測項(xiàng)目。

(3)建立橋梁有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜動力分析，確定應(yīng)力相對不利的位置及動力分析結(jié)果，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及測點(diǎn)優(yōu)化理論綜合確定測點(diǎn)布置方案。

(4)結(jié)合投資額度，廣泛調(diào)研現(xiàn)代測試技術(shù)的發(fā)展，確定各監(jiān)測項(xiàng)目傳感器的選型 [1]。

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