桥梁结构安全监测与预警

同济大学孙利民

公路网是保障国家经济建设和民生的重要社会基础设施。桥梁是这一生命线工程的重要组成部分。截止至2010年底，我国公路桥梁总数到达65万座，公路桥梁总里程达到210万延米，超过美国成为世界上**的公路桥梁国家。

一般认为，桥梁使用超过25年即进入性能加速退化期。我国40%的桥梁属于“老龄”桥梁，早在2004年全国桥梁普查就查出危桥1万3千余座，总长47万延米。桥梁结构在服役过程中受到设计标准、施工质量、材料退化、交通负荷、极端荷载和偶然事故等各种内外因素的作用和影响，其结构安全性如不能得到完全保障，将危机人民生命财产安全国家经济建设。

桥梁结构安全保障技术广义上包括在桥梁整个生命期内与安全性相关的规划、设计、施工、管养和拆除等技术。我国“重建设、轻管养”的现象十分普遍，桥梁运营中面临诸多问题，主要有超载问题、耐久性问题（钢筋腐蚀、冻融循环、碱骨料反应等）、疲劳问题、突发事件（车船撞击、地震、飓风等）、养护资金紧缺和缺乏有效的管理等；国内桥梁养护现状则可归纳为：对桥梁养护维修知识不足；近年道路建设规模大、管养资金紧张；目前，桥梁养护管理工作基本上还停留在建立技术档案、清扫桥梁、疏通泄水管、修复损坏的栏杆和桥面铺装；即使进行检查，主要也是人工目测或借助仪器检测等巡检养护措施。对桥梁采取有效的检测与评估、监测与预警、维修与管理等技术措施，对于降低运营成本、延长桥梁结构的使用寿命、保障交通通畅具有重要意义。

桥梁结构安全状态评估方法包括基于外观调查的方法、以分析计算为主的方法和荷载试验法三种。基于外观调查的方法包括应用于公路及城市桥梁养护规范的评定方法、美国的LFR和LRFR体系，其评定结果过度依赖评估工程师的经验，受主观因素的影响；以分析计算为主的方法通过桥梁结构进行计算分析对桥梁的技术等级进行评定，更具有科学性，困难在于难以准确建立在役桥梁的计算模型，评定结果可能与实桥情况有较大出入；荷载试验法是评估桥梁安全状态特别是承载能力的*有效、*直接方法，但其直接费用高，且实施过程中需要中断交通。

基于健康监测的桥梁安全评定的基本思路是，首先根据桥梁监测数据对桥梁结构的损伤进行识别；然后，在此基础上再对桥梁的安全状态做出评定。结构损伤识别理论方法是目前*受关注的方法，包括动力指纹分析方法、模型修正方法、人工智能方法以及近年来提出的小波变换和希黄变换等新的数据分析方法等。结构安全评定方法包括可靠度理论、层次分析法以及结合经验的专家系统等。

桥梁结构健康监测系统是基于传感、信息、结构分析技术的自动监测与评估系统。它结合了无损检测和结构特性分析，可以诊断结构中的损伤发生及其位置，估计损伤的程度及其对结构造成的影响。我国在这一领域的研究虽然起步稍晚，但进步很快。从早期香港的青马大桥，再到内地的虎门大桥、江阴长江大桥、东海大桥、苏通大桥等，短短数十年，我国已安装规模不等的结构健康监测系统的各类桥梁已达140余座。这些先后建成的健康监测系统经过若干年的运行已积累了大量的宝贵数据，如何有效利用这些数据是今后需要研究的重要课题。

结构健康监测系统中评估子系统可划分为在线评估系统和离线评估系统。在线评估系统可以根据监测数据对桥梁的状态进行实时的在线评定，在有必要时发出不同级别的结构安全预警。但相关理论还不够成熟，在线评估结果的准确性和可靠性还不能令人满意。离线评估系统不仅依据结构健康监测系统的数据，同时还要结合人工检测等其他渠道的信息，可以得到更高质量的结构安全评定结果，但还难以做到实时评估，只能给出中长期的结构安全预警或趋势判断。

桥梁健康监测技术所面临的问题有：有限传感器的优化布置以及合理确定系统的规模；桥梁结构性能的变化对结构指纹的不敏感，损伤识别尚处于理论研究阶段；因系统规模决定的测量数据的不完整性以及因系统的稳定性造成的不连续性；对大量原始数据的实时处理和分析研究滞后，所获取信息不能满足工程需求；结构健康状况评价方法尚不完善，难以给出合理结论及解释；结构安全预警参数和阈值仅靠理论分析难以合理确定，需要在实践中不断调整优化；系统本身的稳定性、抗干扰性和耐久性不足，使用寿命难以得到保证；桥梁结构健康监测尚无统一的标准和规范，系统差异性太大；如何与其它相关系统特别是与传统的巡检养护系统的有效结合。

我国已进入桥梁建设与管养并重的时期，保证已建桥梁的结构安全对国计民生至关重要。但传统技术不能满足桥梁养护的工程需求。我国桥梁健康监测系统的工程应用走在了世界前列。需加强结构损伤识别、安全评定和安全预警等方面的理论方法研究。目前单独依靠传统的养护管理技术或结构健康监测技术都难以胜任结构全寿命安全管理的使命，应注重两者的有机结合。