桥梁结构健康监测

摘要：近年来，国内发生的几起大桥坍塌和局部破坏事故，使人们逐渐认识到桥梁结构健康监测的必要性和迫切性。论述了结构检测与健康监测概况以及桥梁健康监测的意义。介绍了监测理论的研究动态和发展展望。
关键词：桥梁结构；健康监测；监测理论；发展展望
1 桥梁结构健康监测的必要性和迫切性
自20世纪50年代以来，桥梁健康监测的重要性就逐渐被认识，但受检测、监测手段比较落后的限制，在应用上一直未得到推广和重视。近年来随着大跨径桥梁的轻柔化及形式与功能的复杂化，这项技术成为国内外学术界、工程界的研究热点。许多国家都在一些已建和在建的大跨桥梁上进行了有益的尝试：丹麦曾对总长1 726 m的Faroe跨海斜拉桥进行施工阶段及通车首年的监测，另外，他们在主跨1 624 m的Great Belt East悬索桥上也开始了相关的尝试；泰国与韩国目前也已开始在重要桥梁上安装永久性的实时结构整体与安全性报警设备；香港的青马大桥、内地的虎门大桥、徐浦大桥、江阴大桥等在施工阶段也已开始传感器的安装，以备将来运营期间的实时监测。这种技术的成功开发与应用将起到确保桥梁安全运营、延长桥梁使用寿命的作用。同时通过早期桥梁病害的发现能大大节约桥梁的维修费用，可以避免最终频繁大修关闭交通所引起的重大损失。
近年来，国内发生的几起大桥坍塌或局部破坏事故在很大程度上是由于构件疲劳加之监测养护措施跟不上，从而严重影响构件的承重能力和结构的使用。因此，对桥梁结构健康监测非常必要和迫切。
工程结构一般会受到两种损伤——突发性损伤和累积性损伤。突发性损伤由突发事件引起，使损伤在短期内达到或超过一定限值；累积损伤则有缓慢积累的性质，达一定程度会引起破坏，影响安全和使用。健康检测能够在突发性损伤发生时，及时做出判断和警报，以便采取处理措施，防止发生进一步的破坏和引发其它事故；对于累积损伤，能够定期对损伤的状态做出描述，以便根据情况采取相应措施。
桥梁结构的健康监测包括桥梁结构的局部检测和桥梁整体的健康监测。局部检测主要应用无损检测技术(NDE)，包括目检、混凝土表面硬度试验、超声波探测、声发射技术和冲击回应法等等。整体检测利用无损测量技术(主要是振动)来识别结构的整体性能和损伤，分三个层次，即：损伤是否发生、损伤发生位置和损伤发生程度。这种思想源于航空航天领域，并在机构领域得到发展，现在逐渐应用到了土木工程领域。
3 桥梁健康监测意义
3.1 监控与评估
桥梁健康检测的基本内涵是通过对桥梁结构状态的监控与评估，为工程在特殊气候、交通条件下或运营状况严重异常时发出预警信号，为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导。为此，监测系统通常对以下几个方面进行监控：①桥梁结构在正常环境与交通条件下运营的物理与力学状态；②桥梁重要非结构构件和附属设施的工作状态；③结构构件耐久性；④工程所处环境条件等等。
3.2 设计验证
由于大型桥梁的力学和结构特点以及所处的特定环境，在大桥设计阶段安全掌握和预测其力学特性和行为特性是非常困难的。因此，通过桥梁健康检测所获得的实际结构的动静力行为来检验大桥的理论模型和计算假定具有重要意义。不仅对设计理论和设计模型有验证作用，而且有益于新的设计理论的形成。
3.3 研究与发展
桥梁健康监测带来的将不仅是监测系统和某种特定桥梁设计的反思，它还可能并成为桥梁研究的现场实验室。由于运营中的桥梁结构及其环境所获得信息不仅是理论研究和实验室调查的补充，而且可以提供有关结构行为与环境规律的最真实的信息。
4 健康检测理论的研究动态和发展展望
桥梁健康检测理论的研究主要包括：基于振动的识别、结构指纹及变异性、系统识别、检测测点的优化布置和大量数据的处理。目前一些整体性评估技术已经在一些简单结构上有成功的例子，但不能可靠的应用于复杂结构。阻碍这一技术进入实用的原因主要有：①结构与环境中不确定性和非结构因素的影响；②测量信息不完备；③测量精度不足和测量信号噪音；④桥梁结构赘余度大并且测量信号对结构局部损伤不敏感。为此还需要做大量的工作，如索的无损识别研究、材料耐久性和疲劳因素引起的原因及其检测方法研究、桥梁整体性与损伤识别研究、桥梁结构劣化模型研究、自动的在运系统识别和数据处理方法研究。
参考文献（略）

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