近年來(lái),隨著(zhù)我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展,交通運輸日漸繁忙,作為公路交通咽喉的橋梁的地位日益突出。橋梁設計理論的驗證以及對橋梁結構和結構環(huán)境未知問(wèn)題的調查與研究擴充了橋梁健康監測的內涵。

　　對橋梁結構進(jìn)行綜合檢測的最終目的是為了使橋梁管理人員對橋梁結構的當前狀況有一個(gè)正確的認識。這就要求管理系統具有實(shí)時(shí)監測和智能化的自行評估的功能。

　　一、橋梁健康監測新概念

　　橋梁健康監測的基本內涵即是通過(guò)對橋梁結構狀態(tài)的監控與評估,為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁運營(yíng)狀況嚴重異常時(shí)觸發(fā)預警信號,為橋梁維護濰修與管理決策提供依據和指導。為此,監測系統對以下幾個(gè)方面進(jìn)行監控:

　　1、橋梁結構在正常環(huán)境與交通條件下運營(yíng)的物理與力學(xué)狀態(tài);

　　2、橋梁重要非結構構件(加支座)和附屬設施(如振動(dòng)控制元件)的工作狀態(tài);

　　3、結構構件耐久性;

　　4、大橋所處環(huán)境條件;等等。

　　與傳統的檢測技術(shù)不同,大型橋梁健康監測不僅要求在測試上具有快速大容量的信息采集與通訊能力,而且力求對結構整體行為的實(shí)時(shí)監控和對結構狀態(tài)的智能化評估。

　　然而,橋梁結構健康監測不僅僅只是為了結構狀態(tài)監控與評估。由于大型橋梁(尤其是斜拉橋、懸索橋)的力學(xué)和結構特點(diǎn)以及所處的特定環(huán)境,在大橋設計階段完全掌握和預測結構的力學(xué)特性和行為是非常困難的。大跨度索交承橋梁的設計依賴(lài)于理論分析并過(guò)風(fēng)洞、振動(dòng)臺模擬試驗預測橋梁的動(dòng)力性能并驗證其動(dòng)力安全性。然而,結構理論分析�；�于理想化的有限元離散模型,并且分析時(shí)常以很多假定條件為前提。在進(jìn)行風(fēng)洞或振動(dòng)臺試驗時(shí)對大橋的風(fēng)環(huán)境和地面運動(dòng)的模擬也可能與真實(shí)橋位的環(huán)境不全相符。因此,通過(guò)橋梁健康監測所獲得的實(shí)際結構的動(dòng)靜力行為來(lái)驗證大橋的理論模型、計算假定具有重要的意義。事實(shí)上,國外一些重要橋梁在建立健康監測系統時(shí)都強調利用監測信息驗證結構的設計。

　　還應看到,橋梁健康監測帶來(lái)的將不僅是監測系統和對某特定橋梁設計的反思,它還可能并應該成為橋梁研究的“現場(chǎng)實(shí)驗室”。盡管橋梁抗風(fēng)、抗震領(lǐng)域的研究成果以及新材料新工藝的出現不斷推動(dòng)著(zhù)橋梁的發(fā)展,但是,大跨度橋梁的設計中還存在很多未知和假定,超大跨度橋梁的設計也有許多問(wèn)題需要研究。同時(shí),橋梁結構控制與健康評估技術(shù)的深入研究與開(kāi)發(fā)也需要結構現場(chǎng)試驗與調查。橋梁健康監測為橋梁工程中的未知問(wèn)題和超大跨度橋梁的研究提供了新的契機。由運營(yíng)中的橋梁結構及其環(huán)境所獲得的信息不僅是理論研究和實(shí)驗室調查的補充,而且可以提供有關(guān)結構行為與環(huán)境規律的最真實(shí)的信息。另外,橋梁振動(dòng)控制與健康評估技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應用性也需要現場(chǎng)試驗與調查。

　　二、健康監測系統設計

　　1、監測系統設計準則

　　顯然,監測系統的設計應該首先考慮建立該系統的目的和功能。上節所述的橋梁健康監測三方面的意義也正是橋梁健康監測的目的和功能所在。對于特定的橋梁,建立健康監測系統的目的可以是橋梁監控與評估,或是設計驗證,甚至以研究發(fā)展為目的;也可以是三者之二甚至全部。一旦建立系統的目的確定,系統的監測項目就可以基本上確定。另外,監測系統中各監測項目的規模以及所采用的傳感儀器和通信設備等的確定需要考慮投資的限度。因此在設計監測系統時(shí)必須對監測系統方案進(jìn)行成本-效益分析。成本-效益分析是建立高效、合理的監測系統的前提。

　　根據功能要求和成本-效益分析可以將監測項目和測點(diǎn)數設計到所需的范圍,可以最優(yōu)化地選擇并安裝系統硬件設施。因此,功能要求和效益-成本分析是設計橋梁健康監測系統的兩大準則。

　　2、監測項目

　　不同的功能目標所要求的監測項目不盡相同。因此,對于大跨度余支承橋梁,須要較多的傳感器布置于橋塔、加勁梁以及纜索/拉索各部位,以獲得較為詳細的結構動(dòng)力行為并驗證結構設計時(shí)的動(dòng)力分析模型和響應預測。另外,在支座、擋塊以及某些連結部位須安設傳感器拾取反映其傳力、約束狀況等的信息。

　　目前,某些監測系統以開(kāi)發(fā)結構整體性與安全性評估技術(shù)為目的之一。結合橋梁?jiǎn)?wèn)題研究的監測系統雖不多見(jiàn),但有些系統也有監測項目是專(zhuān)為研究服務(wù)的。與理論研究相關(guān)的監測項目可以根據待研究問(wèn)題的性質(zhì)來(lái)確定。從目前橋梁工程的發(fā)展狀況看,以下幾方面的問(wèn)題可以借助橋梁健康監測進(jìn)行深入研究或論證。

　　(1)抗風(fēng)方面:包括風(fēng)場(chǎng)特性觀(guān)測、結構在自然風(fēng)場(chǎng)中的行為以及抗風(fēng)穩定性。

　　(2)抗震方面:包括研究各種場(chǎng)地地面運動(dòng)的空間與時(shí)間變化、土-結構相互作用、行波效應、多點(diǎn)激勵對結構響應的影響等。通過(guò)對墩頂與墩底應變、變形及加速度的監測建立恢復力模型對橋梁的抗震分析具有重要的意義。

　　(3)結構整體行為方面:包括研究結構在強風(fēng)、強地面運動(dòng)下的非線(xiàn)性特性,橋址處環(huán)境條件變化對結構動(dòng)力特性、靜力狀態(tài)(內力分布、變形)的影響等。這對于發(fā)展基于監測數據的整體性評估方法非常重要。

　　(4)結構局部問(wèn)題:例如邊界、聯(lián)接條件,鋼梁焊縫疲勞及其他疲勞問(wèn)題,結合梁結合面(包括剪力鍵)的破壞機制,等等。索支承橋梁纜(拉)索和吊桿的振動(dòng)與減振、局部損傷機制等也值得進(jìn)一步觀(guān)察研究。

　　(5)耐久性問(wèn)題:橋梁結構中的耐久性問(wèn)題尚有許多問(wèn)題須要深入研究。纜(拉)索與吊桿的腐蝕、銹蝕問(wèn)題尤須重視。

　　(6)基礎:大直徑樁的采用也帶來(lái)一些設計問(wèn)題,直接套用原先用于中等直徑樁的計算方法不很合理。借助橋梁監測系統調查大直徑樁的變形規律、研究樁的承載力問(wèn)題,也是設計部門(mén)的需要。

　　三、橋梁健康監測意義

　　1、監控與評估

　　橋梁健康檢測的基本內涵是通過(guò)對橋梁結構狀態(tài)的監控與評估,為工程在特殊氣候、交通條件下或運營(yíng)狀況嚴重異常時(shí)發(fā)出預警信號,為橋梁維護、維修與管理決策提供依據和指導。為此,監測系統通常對以下幾個(gè)方面進(jìn)行監控:①橋梁結構在正常環(huán)境與交通條件下運營(yíng)的物理與力學(xué)狀態(tài);②橋梁重要非結構構件和附屬設施的工作狀態(tài);③結構構件耐久性;④工程所處環(huán)境條件等等。

　　2、設計驗證

　　由于大型橋梁的力學(xué)和結構特點(diǎn)以及所處的特定環(huán)境,在大橋設計階段安全掌握和預測其力學(xué)特性和行為特性是非常困難的。因此,通過(guò)橋梁健康檢測所獲得的實(shí)際結構的動(dòng)靜力行為來(lái)檢驗大橋的理論模型和計算假定具有重要意義。不僅對設計理論和設計模型有驗證作用,而且有益于新的設計理論的形成。

　　3、研究與發(fā)展

　　橋梁健康監測帶來(lái)的將不僅是監測系統和某種特定橋梁設計的反思,它還可能并成為橋梁研究的現場(chǎng)實(shí)驗室。由于運營(yíng)中的橋梁結構及其環(huán)境所獲得信息不僅是理論研究和實(shí)驗室調查的補充,而且可以提供有關(guān)結構行為與環(huán)境規律的最真實(shí)的信息。