桥梁健康监测技术研究
2015-06-24
引言
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，以往人们往往只关注设计与施工阶段，但桥梁在建造和使用过程中由于受到环境、有害物质的侵蚀，车辆、风、地震、疲劳、人为因素等作用，以及材料自身性能的不断退化，导致结构各部分在远没有达到设计年限前就产生不同程度的损伤和劣化。由于缺乏对桥梁的科学监测与管理，桥梁的健康状况信息得不到及时反馈，国内外，因桥梁的突然倒塌与破坏造成人车坠毁的重大事故屡见不鲜，不仅影响了交通还带来了巨大的经济损失。在这种情况下，人们对现代桥梁的质量和寿命才逐渐关注起来，尤其是随着桥梁分析理论、施工技术、材料性能的迅速发展，桥梁的结构越来越柔，跨度越来越大，对桥梁结构进行健康监测就显得尤为重要。本文首先概述了桥梁健康监测技术的概念及重要意义，然后对其系统构成及应用实例也作了简要介绍。
桥梁健康监测技术简介
桥梁健康监测系统（Bridge Health Monitoring System，BHMS）是一个融合了现代信息技术、计算机技术、网络技术、现代检测技术和结构损伤诊断技术、安全性评估技术等的新兴技术。1997年，Housner等对结构健康监测进行了定义：“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”。即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。
目前，大型桥梁的健康监测、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。传统的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，已跟不上桥梁发展的需求。在这种情况下，建立桥梁健康监测与安全评定系统，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，其意义在于：
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；
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；
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。
系统研究方法分析
桥梁由完好到破坏是一个逐步损伤演变的过程，直接源于环境有害物质的侵蚀，车辆、地震、风及各种人为因素的影响，以及材料自身性能变化等结构损伤的存在。1971年，美国制定了国家桥梁检测标准（NBIS），提供了检测方法的细节、检测时间间隔和检测人员资格的统一指导，随后世界各国在桥梁检测方面都有了很大的发展。
目前，通常从三个方面对桥梁损伤信息进行监测：风、车辆、温度、压力等荷载等环境作用；利用无损检测技术对应力、应变、裂纹、疲劳等局部响应情况进行监测；位移、速度、加速度、挠度、索力、振动特性、状态反应等结构整体响应情况。
在整个桥梁健康监测系统中，各类高性能智能传感元件、信号采集与通讯系统、综合监测数据的智能处理与动态管理系统、结构实时损伤识别、定位与模型修正系统、结构健康诊断、安全预警与可靠性预测系统是关键部分。
结语
随着现代检测技术和计算机通信技术的迅猛发展，桥梁综合健康监测技术越来越趋于智能化、实时化、自动化和网络化。但是目前的检测系统也普遍存在一些技术问题，如缺乏有效的传感器优化布设评估标准，随着信息需求量的增多，监测指标体系越来越庞大，如何确定传感器的最优布置点就成了目前研究的热点；桥梁工程自身体积大、质量重，具有较低的自然频率和振动水平，动态响应易受环境状态、非结构构件等影响，目前还没有一个损伤指标可以全面、敏感地反映桥梁损伤状态。
