大型桥梁结构健康监测技术的研究与应用？

大型桥梁结构的健康监测实际上是一种多参数监测(包括温度、应力、位移、动力特性等)。所谓大型桥梁结构健康监测技术，是指利用设置在大型桥梁关键部位的一些测试构件、测试系统和测试仪器，通过现场采集这些大型桥梁结构关键部位的测试数据、数据和指令的远程传输、数据存储和处理、结构安全状态评估和预警等一系列程序，实时在线测量大型桥梁结构在运行过程中的各种反应。对大型桥梁结构的安全状况进行了分析，并对其承受静、动荷载的能力和结构进行了评估。

大型桥梁结构的健康监测技术涉及多个交叉领域。随着现代检测技术、计算机技术、通信技术、网络技术、信号分析技术和人工智能的快速发展，大型桥梁结构的健康监测技术正朝着实时化、自动化和网络化的方向发展。目前，包含多种检测内容、能实时监测大型桥梁状态、集远程通信和评估控制于一体的健康监测系统已成为大型桥梁健康监测技术发展的前沿。

大型桥梁结构健康监测技术主要包括监测系统总体设计技术、传感器及其优化布置技术、数据自动采集与传输技术、结构仿真分析技术、健康诊断与结构安全评估技术。

二、大型桥梁结构健康监测系统的总体设计技术

大型桥梁结构健康监测系统是集结构监测、系统识别和结构评估于一体的综合监测系统。通常采用各种先进的测试仪器和设备来监测大型桥梁在各种外界刺激(包括交通荷载和环境荷载)下的响应；然后，对监测信息进行处理，结合结构模型知识，对结构进行诊断，分析结构的损伤状态。最后，对大型桥梁结构的健康状况进行评估，确定科学的桥梁维护和保养策略。监测内容一般包括

1)大型桥梁结构在正常环境和交通条件下的物理力学性能响应，包括内力(应力)、变形、自振频率、振型、混凝土碳化、钢筋锈蚀等。

2)大型桥梁的重要非结构构件(如支座)和附属设施的工作状况；

3)桥梁的环境条件等。

大型桥梁结构健康监测利用现代传感和通信技术，实时监测大型桥梁在各种环境荷载条件下的结构响应和行为。对于特定大型桥梁的监测系统设计，由于其自身的结构特点和监测重点不同，相应的监测方法、内容、规模和监测效果也不同，但一般应遵循以下设计准则:

1，系统功能要求

不同的功能目标需要不同的监控项目。大跨度、大型桥梁结构监测系统的监测项目大多以结构监测和评估为基础。如果监测系统具有结构设计验证的功能，则需要获得更多结构系统识别所需的信息。一般来说，对于大跨度缆索承重桥梁，需要在桥塔、加劲梁和缆索中布置更多的传感器，以获得更详细的结构动力行为，验证结构设计中的动力分析模型和响应预测。

此外，应在支架、挡块和一些连接部件上安装传感器，以获得反映其力传递和约束条件的信息。因此，大型桥梁结构健康监测系统的功能应考虑以下几个主要方面:

1)结构的整体性态:包括研究结构在车桥、强风和强地震动共同作用下的非线性特性，以及桥址环境条件的变化对结构动力特性和静力状态(内力分布和变形)的影响。

2)结构局部问题:如边界、连接条件、钢梁焊缝疲劳等疲劳问题；组合梁结合面的破坏机理:索承式大桥索(索)和吊杆的振动局部损伤机理。

3)抗震:包括各场地地震动的时空变化、结构相互作用以及多点激励对结构反应的影响等。通过监测墩顶和墩底的应变、变形和加速度，对大型桥梁进行抗震分析。

4)抗风:包括观测风场特性、结构在自然风场中的行为以及抗风稳定性。

此外，还应注意结构耐久性、地基变形规律和桩基承载力。

2.效益/成本分析

监控系统的设计首先要考虑建立系统的目的和功能。对于特定的大型桥梁，建立结构健康监测系统的目的可以是对大型桥梁的监测和评估，也可以是设计验证，甚至是研发。一旦确定了建立系统的目的，就可以基本确定系统的监控项目，也可以确定其功能的设计要求。但在监测系统设计过程中，每个监测项目的规模以及所用传感仪器和通信设备的确定都需要考虑投资限额，因此在设计监测系统时必须进行监测系统方案的成本/效益分析。根据功能需求和成本/效益分析，将监测项目和测点的数量设计到所需的范围内，从而优化选择和安装系统硬件设施。

三、传感器及其优化布局技术

传感器的选择主要考虑以下因素:传感器类型的选择，传感器的精度、分辨率、频率响应和动态范围；传感器的布置位置及其对周围动态环境的影响程度，测量噪声的影响程度等。

大型桥梁健康检测和监测中使用的传感器主要用于测量加速度、速度、位移和应变等参数。由于大型桥梁体积庞大，自振频率往往很低，结构的响应水平通常很小，因此要求传感器具有频响范围宽、低频响应好、测量范围大的特点。传统的传感器包括压电式力传感器、加速度传感器、阻抗传感器、应变仪等。它们已经广泛应用于各种工程结构的测量中，在此不再赘述。

目前新兴的传感器主要有:疲劳寿命丝、压电材料传感器、碳纤维、半导体材料和光纤传感器。

光纤传感器是随着光纤通信技术的蓬勃发展而出现的一种先进传感器，是长期监测的最理想材料。其主要性能特点包括:

1)具有感知和传输双重功能；抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全可靠、耐久性好；灵敏度高；重量轻、体积小、灵活，对被测介质影响小；

2)便于复用和组网，有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感网；

3)测量范围宽。可以测量温度、压力、应变、应力、流量、速度、电流、电压、液位、液体浓度、成分等。

第四，大型桥梁结构健康监测系统的总体设计

现代大型桥梁结构健康监测技术不仅仅是对传统大型桥梁检测技术的简单改进，而是利用现代传感和通信技术实时监测大型桥梁在各种环境条件下的结构响应和行为，获取反映结构状态和环境因素的各种信息，从而分析结构健康状态和评估结构可靠性，为大型桥梁的管理和维护决策提供科学依据。

1监控系统的建立

2监控系统的设计原则

1)目的和功能的主辅原则

监控系统的设计应基于建立系统的目的和功能。建立健康监测系统的目的确定后，就可以基本确定系统的监测项目和仪器系统。一般来说，建立大型桥梁健康监测系统的主要目的是掌握结构的运行安全性，所以健康监测系统的设计首先要考虑结构安全性的监测原理，这是可以关系到结构安全性的重点监测内容，其他目的是辅助性的。

2)功能和成本优化原则

健康监测系统的费用通常比较大，一般由三部分组成:结构仿真分析费用、仪器系统费用和处理软件费用。结构仿真分析的成本一般较小，但意义重大。仪器系统是健康监测系统成本的主要部分。监测项目和传感器越多，监测信息越全面，系统成本越高。反而会降低系统成本，但同时也可能因为监测信息不足而降低监测数据的有效性。因此，为了使系统成本更加合理，必须对功能和成本进行优化，以最小的投入获得最大的有效监控信息。信息处理软件的成本，其主要功能是解释、存储、传输和初步评估大量信息，

这部分费用比较少。

3)系统性和可靠性原则

监测分析、模拟计算和工程经验有机结合，只有运用系统分析的原理，才能使测点和监测项目相互结合，提高整个系统的监测效率；监测系统最基本的要求是可靠性，整个系统的可靠性取决于各种仪器的可靠性、监测网络和设计的总体布置、施工中的配合。

4)重点优先、兼顾全面的原则

关键构件是指由于各种原因可能造成结构损坏的区域、变形敏感区域和关键部位，必须对这些关键构件进行重点监控。但也要考虑全面性，对结构完整性进行监测，比如对地基的整体安全监测。

5)实时监测与定期监测相结合的原则。

根据监测目的、功能和成本优化确定监测项目后，应考虑实时监测和定期监测分开设置的原则。由于监测项目不同，有些项目不需要长期实时监测，但其监测频率远高于人工监测。这时候可以考虑定期监测，减少后期的维护成本和数据处理压力。

交通是一个国家的经济命脉，大型桥梁是交通的咽喉。大型桥梁的建设和维护是一个国家基础设施建设的重要组成部分，也是经济发展和技术进步的标志。本文简要分析了大型桥梁健康系统的设计，希望对同行有所帮助。

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