李自华

(河北省高速公路京秦管理处，河北秦皇岛 066000)

1 我国桥梁结构健康监测系统研究与应用现状

国外自20世纪80年代结构健康监测系统被提出以来，先后在数十座桥梁上安设了用于运营安全监测目的的健康监测系统。我国已约有40余座桥梁安装了或即将安装结构健康监测系统，其中多数系统是2000年以后建成的。国内桥梁初期安装的监测系统多是传感器为数不多的简单系统，其中一些系统经过几年的运行后根据桥梁管理部门的要求进行了升级。近年来，新建桥梁健康监测系统的设计和实施越来越趋于规范化，几乎所有的大跨度桥梁都安装了或考虑安装健康监测系统。目前的结构健康监测系统是强监测弱诊断，为了进一步实现健康监测系统的目的，迫切需要加强对监测数据的处理和健康诊断的研究，尤其是要开展在线化、连续化、自动化的自诊断技术。

进行健康诊断和安全预警，一般的思路是，先定义反映结构健康状态和损伤的特征指标，然后建立从健康监测原始数据中识别或者计算这些指标的方法，同时通过对结构行为的分析，并且结合专家经验，对这些指标的取值空间进行预先的人为划分，得到简单的指标阀值体系，然后，从监测数据中计算指标值与此阀值体系进行简单的对比，从而实现对健康监测状态的诊断以及安全预警。

2 主要相关研究方向的国内外发展现状

2．1 硬件技术

从监测系统的技术要素构成上来看，现有桥梁健康监测系统的技术现状如下:

1)采集系统技术现状。

监测采集设备均永久性安置在桥梁箱梁、桥塔或附属构筑屋内。采集仪器已经采用基于现代最新的网络通讯技术的采集计算机，与远程监控中心的其他计算机仪器构成局域网，通过TC/TIP通讯协议或其他高级协议实现数据通讯。采集仪器之间做到了很严格的时间同步。

2)传感器技术现状。

目前的桥梁健康监测技术采用的传感器分为以下几种:a．应变监测，采用精度高准分布式的光纤布拉格光栅传感器，不仅实现了对静态应变的测量，而且实现了动态应变的连续实时测量，其测量精度已经达到0．1微应变;b．加速度，采用适于土木结构的超低频加速度计，如力平衡式加速度计，在低频段已经表现很好;还有就是位移计，用于测量支座、伸缩缝等处位移，已经可以达到1 mm的测量精度;GPS用于测量人力无法触及的部位的变位，如塔顶、跨中挠度，目前国外的产品已经可以达到1/3 cm的测量精度。

2．2 数据处理、分析、解释与应用——评估预警技术现状

目前，代表第三代桥梁健康监测系统的东海大桥采用基于节点模糊推理机制的层次分析法实现了数据的实时在线统计处理、部分指标的在线抽取计算，在此基础上，实现了基于关键指标阀值对比法的简单预警技术和基于模式识别理论的极端荷载识别的综合预警技术，并实现了基于监测数据和人工检测数据相结合的桥梁的在线评估系统，还针对监测内容，设计了离线评估预案。现有的这些成就还需要进一步的深化研究，需要探索新的指标，完善已有指标体系，探索新的基于可靠性的评估理论、基于概率的预警理论等，继续应用如神经网络、模糊推理、基因算法等软计算方法，实现指标的实时抽取计算、综合评估计算等高级计算。还需要发展智能化的模型修正理论，实现基于监测数据的结构适时修正技术，从而全面了解结构内力刚度、质量、阻尼退化情况，了解结构内力重分布情况，为全面科学地评估桥梁技术状况奠定基础。

目前的研究认为，对于振动监测数据的处理与评估，通常体现在模态参数识别及其应用上。结构模态参数识别是近年来结构健康监测的关键研究问题之一。模态参数不仅被用来表征结构整体性能的状态指标，还被尝试用作结构损伤指标，并被用作结构模型修正的目标参量。以结构模态参数为基础，可以衍生出系列关于结构整体性能或局部损伤的指标，这些指标可以构成一个结构健康状态的指标体系。另外，还有其他基于振动监测量的指标，如从振动响应的幅值时域、频域及时域用现代信号处理方法或统计信号处理方法抽取出的系列指标。对于一个复杂的大型土木工程结构，单凭其中任何一个指标，都无法全面地反映结构的整体性能，也难以做到对局部损伤情况的识别。必须对这些指标进行组合使用，进行指标层次的信息融合，使各指标反映的信息向一个方向叠加，才有可能准确地反映结构的健康状态。

对于结构运营期的安全预警，目前通行的做法是和健康状态评估区分开来，主要目的是实现对小概率的突发性事件(如船撞、地震、台风等)发生时桥梁安全性及使用性的监控，同时还对超速超载情况进行监控。因此，预警指标体系可以由基于加速度幅值的防车船撞预警指标、地震时结构的安全预警指标以及基于应变幅值的超载报警指标等构成。

3 桥梁健康监测系统的发展历程

可以将桥梁健康监测系统分为两类，一类是独立集成的监测系统，特点是测点多，投入大，适合于复杂大跨桥梁。另一类分布式区域集中式桥梁网是中小桥，如在京秦高速公路桥梁上的健康监测尝试，只是在选择出的关键公路桥梁上有针对性地布置数十个传感器，定期携带采集设备对桥梁进行持续一定时间的数据采集。虽然单个桥上测点比较少，但桥梁众多，每座桥上配置一套采集系统及监控计算机网络的话显然过于浪费，因此，采用区域集中监控方式比较合算。

对独立集成的监测系统而言，目前国内外已有的桥梁健康监测系统多属于此类。可以将它们大致划分为三代:第一代为早期单项监测系统，传感器种类有限，采集设备不安装，间歇性监测。第二代为集成监测系统，传感器种类大大丰富，采集系统完善，连续采集，有数据库管理软件对数据进行管理。第三代为集成监测诊断系统，在第二代的基础上，强调对数据的处理，并利用数据进行结构健康状态的在线评估、在线预警，并为深入地离线评估提供便利;功能更加丰富，无线、internet等技术被用于系统之中;结合检测和监测，综合系统。目前国内外多数系统属于第一到二代;而东海大桥健康监测系统属于第三代的最早期代表。

第四代的独立集成的监测系统尚处于概念之中，可以称之为智能化桥梁健康监测及诊断系统，主要的特征是，采用具有特征抽取计算能力和身份辨识的智能型传感器和主动型传感器构成信息源，采用有线和无线混合型组网技术;系统实现模块化和智能化;中央处理中心将免于负担低层例行性的数据处理计算负荷，只需专注于逻辑型计算、力学层次的分析计算，实现智能化的在线的健康状态评估及安全预警功能。这些概念的实现，需要大量的前期研究投入。

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