浅谈桥梁健康监测

浅谈桥梁健康监测

——曾燊平

前言：

20世纪以来，国内外桥梁工程建设取得了突破性的成就，桥梁建设正向着规模的大型化、形式的轻柔化、功能的复杂化发展、鉴于桥梁工程在国家建设和人民生活中的重要作用，桥梁结构的安全性与耐久性越来越受到人们的高度重视，所以现代工程技术人员不但关注桥梁设计与施工技术，而且更关注桥梁结构的维护和保障问题。随着科学技术的飞速发展，在现代桥梁工程领域中有关桥梁的健康监测、安全评估以及寿命预测等问题已经成为当前桥梁工程界的研究热点。

桥梁的生命过程一般包括规划与论证、设计、施工、运营管理以及养护维修等几个阶段，以往人们往往主要只关注设计与施工阶段，由于投资巨大、重要性突出，大型桥梁的总体规划也日益受到重视。虽然合理、保守的设计是结构安全的根本保证，但是限于当前对于大型复杂结构的认识程度及许多不定时或不可预测因素，比如超期服役、腐蚀、疲劳、撞击、爆炸、地震、洪水、飓风等自然灾害，人们难以进行预测与控制，为了确保大型复杂结构特别是大型桥梁的使用安全与耐久性，时时了解其健康状况是非常重要的。

桥梁在建成后，缺乏科学监测与管理对桥梁状态的影响日益突出。2015年6月19日凌晨3时许，位于粤赣高速广东河源城南出口的匝道桥突然垮塌，鱼贯行驶在匝道引桥上的4辆大货车瞬间栽落十几米高桥底，造

成1死4伤的悲剧。广州海印桥的部

分斜拉索因锈蚀而突然断裂，济南黄

河公路大桥的斜拉索也发生严重锈蚀

而被迫提早更换，宜宾小南门金沙江

拱桥吊杆断裂造成人车坠入江中。辽

宁盘锦田台庄大桥挂梁突然落下，坠

入辽河。1996年12月广东韶关特大桥

坍塌，32人死亡，59人受伤。1999年

1月重庆的彩虹大桥倒塌，导致41人

死亡，14人受伤的悲剧。造成这些事故的原因很复杂，抛开设计与施工方面的

原因不谈，这些桥梁长期处于超负荷运营状态，致使许多构件的疲劳损失加剧，是导致倒塌的重要原因。如果能在灾难来临之前进行预测，对桥梁的疲劳损伤进行监测，从而对桥梁的健康状况给出评估，那就会大大减少这些惨剧的发生。

粤赣高速广东河源城南出口的匝道桥垮塌现场

正文：

桥梁健康监测的基本概念

交通是社会的经济命脉，桥梁是交通的咽喉，交通不畅会制约社会的经济发展，所以保障桥梁的功能性、耐久性，尤其是安全性至关重要。为保证桥梁安全运行、避免严重事故发生，对桥梁结构进行健康监测应运而生，桥梁结构健康监测是以科学的监测理论与方法为基础，采用各种适宜的检验、检测手段获取数据，为桥梁结构设计方法、计算假定、结构模型分析提供验证；对结构的主要性能指标和特性进行分析，及早预见、发现和处理桥梁结构安全隐患和耐久性缺陷，诊断结构突发和累计损伤发生位置与程度，并对发生后果的可能性进行判断与预测。通过对桥梁结构健康状态的监测与评估，为桥梁在各种气候、交通条件下和桥梁运营状况异常时发出预警信号，为桥梁维护、维修与管理措施提供依据，并通过及时采取措施达到防止桥梁坍塌、局部破坏，保障和延长桥梁的使用寿命的目的。

结构健康监测的定义为：“在现场进行结构特性，包括结构响应的无损检测和分析，用来检测由损坏或损伤引起的变化”。这一定义也有不足之处。当研究人员试图对健康监测的无损评估进行综合，其重点在于数据收集而不在于评估。人们的确切需要是采用一种有效方法来收集服役结构的数据并进行处理，以评估关键的性能测量，如使用性、可靠性和耐久性。因此，Housner，et al.（1997）所做的定义必须修改，结构健康监测可以定义为：“在现场进行结构特性，包括结构响应的无损检测和分析，其目的是：如果有损伤，则进行损伤识别、确定损伤的位置、估计损伤的严重程度并评价损伤对结构影响后果”（图1）。总而言之，一个结构健康监测系统必须同时能够进行结构损伤检测和状况评估。

结构健康监测研究可以分为如下四个水平层次：（Ⅰ）检测损伤的存在，（Ⅱ）确定损伤的位置，（Ⅲ）估计损伤程度，（Ⅳ）确定损伤的影响以及预测剩余的疲劳寿命。进行水平（Ⅲ）的工作要求改进结构模型和分析、局部的物理检查和传统的无损评估技术。进行水平（Ⅳ）的工作要求局部位置的材料构成信息、材料老化的研究、破坏机理和高性能的计算。在过去的20年，随着仪器的改进和对复杂结构动力学的认识，在系统检测和土木结构评估方面，土木工程结构的健康监测和损伤评估已变得更为实用。

桥梁结构以及其它大多数土木结构，尺寸大、质量重，具有较低的自然频率和振动水平，低振幅，而且桥梁结构的动力响应极容易受到非结构构件等的影响，这些变化往往被误解为结构的损伤；而且钢筋混凝土桥中模型的不确定性水平比单独一根梁或一个空间桁架模型的相应值要高得多，这一切使得桥梁这类复杂结构的损伤评估具有极大的挑战性。

对于近二十年建成的大型桥梁，大部分建立了以收缴过桥费为主要职能的桥梁管理机构，但是健康监测、养护与维修得不到应有的重视，往往是在出现问题后才亡羊补牢。对于存在缺陷或安全隐患的桥梁，全部予以更换不仅需要大量的资金而且要封闭交通，一般来说是不足取的一种方式；由于资金有限，也不可能一次性全部进行加固改造，需要区分轻重缓急，需要对桥梁状态作出科学准确的评判。由于大型桥梁的复杂性，传统的人工检测方法由于其滞后性、效率低，造成桥梁管理成本的提高与资源配置的不合理，已跟不上桥梁发展需求，也不符合经济运作的规律。在这种情况下，建立桥梁健康监测与安全评定系统（目前的硬件技术水平与软件已经使之成为可能），能够大大提高检测效率，实时掌握桥梁状态变化，评价桥梁的承载能力和使用功能，以及桥梁的安全可靠性，其意义主要有：（1）及时把握桥梁结构运营阶段的工作状态，识别结构损伤以及评定结构的安全、可靠性与耐久性；（2）为运营、维护、管理提供决策依据，可以使得既有桥梁的技术改造决策更加科学、改造技术方案的设计更加合理、经济；（3）验证桥梁设计建造理论与方法，完善相关设计施工技术规程，提高桥梁设计水平和安全可靠度，保障结构的使用安全，具有重要的社会意义、经济价值和广泛的应用前景。

然而，在当前的桥梁养护工作中存在许多不足：(1)工作效率低。桥梁的检查主要是有技术人员到桥梁现场定期检查，查看一座桥梁需花费一个人半天或一天的时间，工作效率低，不适合现代大量桥梁养护护理的要求。(2)准确性差。目前现有桥梁评估体系主要有交通部公路科学研究开发的中国公路桥梁管理系统（China Bridge Management System）,该系统在我国的公路桥梁养护管理上得到了广泛的应用，但是其桥况数据基本上以人工采集为主，需通过检查人员到桥梁现场进行目视检查获得外部现状，通过各种外部特征来综合判断桥梁状况。由于技术人员用肉眼检查桥梁的现状，工作中存在随意性，在桥梁病害尺度的把握上存在着人为差别，而对于肉眼无法看出的危险情况则又无法准确的把握，使得通过该系统的评价结论的准确性较差。(3)养护费用高。桥梁养护的经费主要用于桥梁的加固、改造，由于缺乏预防性养护的投入，造成“出现大病后花大钱治”的现状。(4)安全性低。由于桥梁的数量巨大，而技术人员和设备的有限，导致无法对运营中的所有（或大部分）桥梁进行有效的桥况评估，时常遗漏一些危桥的重要信息而发生车毁人亡的事故。

桥梁健康监测方法及研究现状

1 . 桥梁结构无损检测方法

所谓无损检测是指以不损及其将来使用可靠性的方式，对材料或构件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、化学成分、组织结构和力学变化性能的评定，并进而就材料或构件对特定应用的适用性进行评价。所有的结构在其使用期间都会遭受不同程度的累积损伤，利用无损检测的方法可以获取结构内部的健康信息，分析结构的振动特征，并于结构原始状态进行比较，