曲永泉

摘要：桥梁由于受到车辆、风、超载等自然或人为因素持续作用，其结构会产生不同程度的累积损伤，从而有可能出现安全事故，威胁影响人民的生命财产安全。桥梁健康监测技术正是在这种条件下应运而生。对桥梁实施健康监测，可连续、实时、在线的了解掌握桥梁结构的健康状态，对可能出现的危险进行预警，从而确保桥梁运营的安全，防患于未然。本文对中、小跨径预应力混凝土连续梁桥的健康监测技术进行了探析。

关键字：预应力桥梁，健康监测

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1、引言

目前国内外对桥梁健康监测技术的研究主要集中在大型桥梁，实际上由于中、小跨径桥梁的巨大基数，大部分的桥梁事故都发生中、小跨径桥梁，因此我们并不能对中、小跨径桥梁的健康状况放松警惕。近百年来，我国的桥梁建设事业取得了很大的成就。自从新中国成立以后，为了大力发展铁路、公路公共交通事业，为了新建、改建和扩建城市，我国的江河、湖泊上修建了众多特大、大、中、小型的桥梁，城市高架桥以及立交桥也如雨后春笋般大量建成，这些桥梁是祖国茁壮成长、建设发展的强有力保障。最近二十年我国经济更进入了飞速发展时期，地区间联系不断加强，交通事业发展速度迅猛，桥梁建设的规模也不断扩大。它们连接公路和铁路，是交通运输网络中的关键部分，为人民的生活和工作提供了方便与快捷，为国民经济持续稳定发展提供了可靠保障，在我国国民经济建设及国防安全体系中发挥着不可替代的重要作用。可以这么说，桥梁是国家的命脉，一旦这条命脉发生故障、出现问题时，将会出现难以想象的严重后果。从另外一个角度来看，研究和发展桥梁结构健康监测技术，除了可以实现对桥梁健康状况的实时监控外，同时对于桥梁设计理念的验证与发展也具有重要的指导意义。

2、健康监测的概念

土木工程领域的众多工程结构建成投入使用后的服役时间长达几十年，甚至上百年，而这些结构往往是关系到国计民生的重要项目，例如城市立交桥梁、高层建筑、大坝水库、发电站等，一旦这些建筑物在服役期间出现破坏，后果是不堪设想的。工程实际中通常采用科学合理的计算设计、准确安全的施工来保证结构的可靠性，但是由于这些工程的建设和运营在空间和时间上的跨度都很大，会受到诸多预想不到的因素影响，如理论本身的缺陷，建设年代科学理论及施工技术的限制、施工误差等，从而造成工程结构在完工后或运营一段时间后的实际状态和设计理论状态产生偏差。同时工程结构在运营期间受到环境侵蚀、材料退化、荷载的疲劳效应、损伤累积等因素的综合作用，其承载力及安全储备将不可避免的降低，从而致使发生突发事故的概率增大。为预防事故的发生，过去人们通常采用定期检测的方法来对结构的安全性能进行评估，但传统人工检测存在明显的不足如实时性差，整体性差，检测费用高等。

诸多影响工程结构安全的不利因素的存在以及传统检测手段的缺陷，推动了结构健康监测技术的出现，并使其得到迅速发展。结构健康监测，是指利用现场安装的、对结构安全无损的传感器元件，对结构在荷载下的响应以及结构系统特性进行测量分析，从而达到检测结构损伤或退化的目的。结构的健康监测与检测不同，检测是指对新建结构或者发生损伤的结构进行检查，判断结构目前的状态，是静态的而健康监测则可以实时监控结构的运行状态，它把检测融合在其中，是动态的。桥梁健康监测，是一个多参数包括应力、应变、挠度、温度、动力特性等的监测，利用设置在桥梁关键部位的测试传感器，对桥梁在施工、运营阶段的安全状况进行实时、持续的监测，并对监测数据进行分析处理，从而评价桥梁结构的安全状态，对潜在的危险进行预警，并为桥梁的运营和管理决策提供依据。

3、桥梁健康监测系统的组成

桥梁的健康监测系统包括硬件和软件两大部分，一般分为四个子系统，分别是传感器系统、数据采集与传输系统、数据处理与分析系统以及安全评估系统。各个子系统之间通过光缆或者无线网络连接从而协同运作。

传感器子系统是实现桥梁结构健康监测的前提及关键所在。传感器子系统的功能是测量、获取桥梁健康评估所需的各种重要参数。监测的内容包括外部环境及荷载监测如温度、湿度、风速、车辆荷载等桥梁结构几何变形监测如挠度、基础沉降、倾斜等桥梁特性变量监测如危险截面应力、预应力损失、自振频率等。监控测量所使用的方法主要有机械式测量方法、电测法、光测法及光机电结合测量法等，监控传感器或测试仪器分别有温、湿度计、测速仪、称重仪、百分表、位移计、、倾角仪、水准仪、经纬仪、电阻片、振弦式传感器、光纤传感器、加速度传感器等。数据采集与传输子系统是实现桥梁健康监测的重要中间环节，其主要功能是完成监测数据的采集，预处理及通讯。数据采集是对各种信息源由传感器获得的物理信号量化、收集及管理，必要的情况下进行短暂的存储。数据的预处理是对采集的数据、信号进行最初的过滤，剔除一部分噪声影响。数据通讯即数据传输，它能将监测数据发送到控制中心，并将系统的控制指令传输到传感器采集及预处理设备。数据的采集方式可以采用定期人工采集、机器半自动化采集、全自动采集数据传输方式主要有光缆传输、无线传输等。

数据处理分析系统是对采集及传输到的基站的现场监测数据进行处理和分析。结

构健康监测数据处理一般可分为数据预处理、数据二次预处理和数据后处理三个步骤。

数据预处理主要对采集的数据、信号进行滤波、统计等运算，计算的结果作为健康监

测系统的初级输入，这部分工作主要在在数据采集子系统中进行数据二次预处理在基站电脑或服务器上进行，主要是利用信号处理技术，对数据进行降噪处理、时频域参数识别，以及结构特征参数获取等工作数据后处理主要是利用模态分析、相关性分析等技术手段，结合桥梁运营特点以及环境因素，对获得的监测数据进行深入分析，从而对桥梁的安全性能及使用性能做出诊断和评估。此外数据处理分析系统还应实现数据动态管理及查询的功能，保证现场监测的原始数据以及经过处理后的数据能够随时被查询及调用。

桥梁健康状态评估子系统是整个健康监测系统的核心。它将现场监测数据、瞬时或长期获取的桥梁结构性态信息进行综合处理，实现数据的分析与解释、健康状况评估以及理维修决策。健康状态评估子系统一般包括桥梁关键构件损伤情况、桥梁整体安全性与可靠性以及关键构件和桥梁整体剩余寿命评估及预测等功能。该系统由模型修正、損伤识别和结构安全评估，管理决策等功能模块构成。模型修正模块利用现场监测数据与有限元模型计算数据的对比，通过适当的技术来修正按设计参数建立的有限元模型。损伤识别模块是通过一定的损伤识别方法和技术，对经过数据处理子系统的现场数据进行分析，并与修正后的有限元模型计算数据进行对比，识别结构损伤状况安全评估模块一般利用结构分析设计专用软件将损伤识别的结果和实际工程结构的专家经验数据库相结合，对桥梁的健康状况进行评估，如分析桥梁结构的使用状态、对突发状况进行预警、预测结构的剩余寿命、评估结构安全可靠性，对己有结构损伤提出合理的修理维护策略等。一个完整的桥梁健康监测系统的建立如下图所示：

4、中、小跨径预应力混凝土桥梁健康监测

4.1存在的问题

目前对于国内外中、小跨桥梁健康监测研究大多是试验性质，缺乏系统性，尤其是在剥离健康监测数据中收缩徐变效应影响以及提供中、小跨径桥梁实用的健康状况评估手段存在诸多巫需解决的问题。

收缩徐变是混凝土的时变特性，对混凝土的收缩徐变进行预测、分析是桥梁结构分析中的基本问题。混凝土的收缩徐变效应对桥梁结构的受力变形有着举足轻重的作用，要科学、主动、准确的评估桥梁营阶段的健康状况，就必须认真分析桥梁运营阶段的受力状态，尤其是正确掌握收缩徐变对桥梁受力性能的影响。因此，如何考虑、计算、预测桥梁在运营阶段的收缩徐变，总结出预应力混凝土桥梁收缩徐变的普遍规律，是一个极具工程价值、值得深入研究的课题。国内外对混凝土收缩徐变的研究成果众多，但研究大都局限于实验室，具体针对预应力桥梁的混凝土的收缩徐变研究较少，且严重缺乏真实桥梁的收缩徐变测试数据。我国《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵规范一》虽然明确提出桥梁结构收缩徐变的计算方式与公式，但是如何正确分析我国规范与国内外通用的收缩徐变计算方法的差别，如何利用规范的计算公式来预测实际桥梁的收缩徐变中，如何检验这种计算理论及计算方法的精度，是工程设计人员利用规范来计算桥梁收缩徐变必须面对的且亚待解决的问题。

4.2中、小跨径桥梁实用的健康状况评估方法

对桥梁健康状况的评估是现代桥梁研究的热点也是难点，但目前的研究主要集中在特大桥、大桥的状况评估上，对中、小跨径桥梁的研究较少。中、小桥梁的健康监测系统不同于大型桥梁，后者投入人力、物力均较为庞大，不适用于大量桥梁的监测与管理。中、小跨径的桥梁的健康监测系统必须保证经济性和实用性并存，对中、小跨径桥梁健康状况的评估在保证准确可靠的前提下也应采用经济有效地手段。但目前对中、小跨径桥梁健康状况的评估主要采用的是定期人工检测的方法，其评估方法具有滞后性，且经济性能也不能得到保证，因此研究提出适用于中、小跨径桥梁健康状况评估的方法与手段具有重大的现实意义。

5、小结

我国公路普查资料显示，截止到2005年底，我国公路路网共有桥梁1095011座，总长度为14797713延米，互通式立交桥2338座，总长度为444980延米。在公路桥梁中92.8%为中、小跨径桥梁，这些中、小跨径桥梁中占主导地位是预应力混凝土桥梁。可以说我国在建的以及建成的公路桥梁中，中、小跨径的预应力混凝上桥梁是最主要的桥型。然而国内外对桥梁健康监测技术的研究集中在大跨径桥梁，对中、小跨径的桥梁研究较少，国外仅有的研究大多是实验室性质，缺乏系统性，没有形成统一的标准;而在国内，这方面的研究还处于起步阶段，研究任务任重而道远。

6、参考文献：

1. 张启伟，大型桥梁健康监测概念与监测系统设计，同济大学学报， 2001年

2. 秦权，桥梁结构的健康监测，中国公路学报，2000

3. 徐岳，王亚君，预应力混凝土连续梁桥设计，北京人民交通出版社，2000

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。