摘要：桥梁的承载能力和健康状态与其在外力作用下引起的扭曲、挠曲、位移等有关。桥梁健康监测系统作为结构监测的重要部分，在桥梁实际运行中占据了重要地位。首先简述了桥梁的典型病害及产生原因；其次针对产生原因列举了目前普遍应用的监测技术，并指出各技术的作用原理和处理方法；接着指出了监测系统在实际工程中的应用，同时说明了在监测系统下桥梁的运行状况；最后展望了监测技术的应用前景，指出其未来的研究方向，可为研究桥梁健康监测技术理论与工程应用提供参考。
关键词：桥梁病害；监测技术；GPS监测；光纤光栅；工程应用
0 引言
桥梁自人类文明开始就已存在，其经历了漫长的发展，为人们的生活提供了很大的便利。目前关于桥梁修建的技术已经相当成熟，各类规范也相对全面。但是，运输压力随着人口的增长不断提高，桥梁建造的难度相应也越来越大。尤其是地势陡峭或跨度较大的地区，对桥梁的安全性、耐久性以及可维护性有了更高的要求。如何能实时、有效的地监测和评价桥梁在各种环境下的健康状态，是一个值得分析和解决的问题。
目前，国内外学者建立了各种桥梁健康监测系统并取得了丰富的成果。已经建立桥梁健康监测系统的著名大桥有英国的Foyle 连续钢梁大桥[1]，美国的 Sunshine Skyway Bridge[2]、挪威的 Skarnsunder 斜拉桥以及加拿大的 Confederatio Bridge 桥等。20世纪90年代起我国也开始在某些大型的桥梁上安装规模各异的桥梁安全监测系统，例如香港汲水门大桥，青马大桥和汀九大桥，内地的江阴长江大桥和上海徐浦大桥等[3]。
纵观国内外桥梁健康监测系统的应用，GPS系统、超声波技术、光纤传感器以及光纤陀螺仪等技术均有所应用及发展[4-7]。本文基于前人研究的成果与结论，将桥梁的健康监测技术进行总结，并且阐述其今后的发展趋势，为监测技术的理论研究、实际工程的应用提供依据。
1 典型病害及产生原因
病害是使桥梁损坏、失效甚至坍塌的主要原因之一。为使桥梁更加符合安全性、适应性以及耐久性的要求，确定病害类型是解决问题的第一步。桥梁病害有内因和外因两个大的方面。其中内因为构成桥梁的材料自身存在收缩、材料间的化学反应、温度变化等；外因则为雨水、空气的侵蚀，车辆、船舶等物件的撞击以及一些不可控的人为因素。桥梁典型病害以及各自产生的原因见表1所示。
表1 桥梁病害以及形成原因[8]
Table 1 Bridge diseases and causes
这些病害诱因有些是可控的，有些是不可控的。对于可控因素，后期加强监测和管理就会减少桥梁的病害。不同地区因经济情况、地势条件以及技术水平的不同监测方式会有所不同。
图1 江阴大桥
Fig. 1 JiangYin Bridge
2 监测类型与原理
2.1 GPS监测系统[9]
GPS监测系统是应用卫星进行实时导航检测，从而形成全球范围的监测系统。GPS系统于20世纪80年代末由美方建成的，其有全天候、自动定位、全球范围内以及定位精准、速度快的特点。定位方式分为单点绝对定位和差分相对定位两大类。
以江阴大桥为例，GPS监测系统应用于大桥时具体实现方法是：将监测数据通过光纤信息网及时反馈给监测中心数据处理室，应用数据处理、信号分析以及评价系统等分析软件将数据坐标进行转换，从而形成动态数据坐标，进而形成大桥动态变化图像。采集到的数据首先经已有软件MATLAB进行分析，后期应用BM进行处理，实时显示监测点定位的动态曲线、点位点变化曲线及建立数据分析库。同时可实现超限预警功能和动态显示三维坐标曲线等功能。
2.2 光纤传感器监测系统[10]
2.2.1 计算公式
光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating ,FBG）是一种以光纤为媒介的新型材料。其作用原理是光栅周期变化量与反方向耦合模的有效折射率决定了光纤光栅的波长光谱，因此任何参数的改变都会导致波长的变化，其计算公式如下：
（1）
应变引起光栅波长变化的计算公式为：
（2）
温度变化引起光栅波长变化可表示为：
（3）
加速度引起光栅波长的变化为：
（4）
最终可推得由光栅表示的位移公式为：
（5）
其中（1）~（5）式中各符号的含义见文献[10]。
2.2.2 监测内容
光纤传感器主要通过测试桥梁的受力特性、几何变化和振动形式。具体为车辆在桥面上的行进的竖、横向加速度；桥面在活荷载、温度变化等荷载作用下引起的应力、应变曲线，以及分析桥梁结构整体和局部最不利应力位置和大小与疲劳应力幅值；桥梁结构竖向、横向前3阶自振频率、阵型以及阻尼比；温度变化、混凝土收缩及徐变等因素引起的桥梁轴线位置的改变。具体见表2。
表2 桥梁健康监测系统监测内容[10]
Table 2 Monitoring content of bridge health monitoring system
3 发展现状及工程应用
目前关于桥梁健康监测系统在实际工程中应用十分广泛。已有的监测技术有神经脉络仿生和红外线热像仪；机械法、电测法和光干涉法；雷达和超声波法；GPS、光纤法等。
贵州高速公路悬索桥因山丘多且沟谷跨度大，为满足安全性、适用性及耐久性便应用了健康监测系统[11]。系统从环境荷载、几何变形、结构内力以及动力响应四个方面进行监测。将GPS和光纤光栅技术结合起来，利用传感器将A，B桥分别进行监测。在监测系统的监测下A桥已正常工作6年，B桥传感器安装时间较短，但目前各数据稳定。
图2 贵州高速公路悬索桥
Fig. 2 GuiZhou Expressway Suspension Bridge
南京三桥是一座五跨钢塔斜拉桥[12]，为了更好的把握桥梁的技术状况，2006年开始便给桥梁安装了健康监测系统。该系统是给桥梁每根斜拉索配置了压力传感，从而获得每根拉索的力。在监测过程中应用条插值法弥补数据缺失，接着将偏离异常数据进行剔除，最后替换掉产生异常数据的传感器。长江三桥斜拉索在此监测方法下取得了可靠的基础数据，为之后更深的研究提供了依据。
象山港大桥[13]为双塔双索面钢箱梁5跨连续版漂浮斜拉桥，根据该桥的结构特点，基于有限元计算分析结果以及桥梁的养护需求，对桥梁进行一系列的监测。具体监测项目有：桥梁典型的荷载、代表性构件控制截面的变形状况、关键构件的应变及温度、悬索的受力监测与动力荷载效应。应用现代健康监测系统进行监测可以定时、定量的分析桥梁的运作情况，分析病害发展的趋势，从而主动制定防护措施，大大降低桥梁监护成本，切实符合安全性和经济性的要求。也为健康监测系统提供实际的参考，为之后的该技术的发展提供依据。
4 存在问题及措施[14]
目前桥梁监测主要存在四个主要问题：第一，对于桥梁尤其是大型桥梁很难做到长期监测，并且监测设备维护成本极高；第二，用于计算监测数据的软件并不完善，导致大量的原始数据不能及时、有效的被利用；第三，现行的桥梁结构安全状态缺少一个统一标准，大部分都是对桥梁的正常使用状态和桥梁的外观变化进行监测；第四，监测的核心技术仍被垄断。
对于监测过程中存在的以上问题，研发出适用和可靠的损伤辨识指标是研究的重点。另外加强桥梁施工过程中的规范管理，控制人为因素从而降低桥梁病害发生的概率。忽略不可控因素后将计算方法通过已有工程监测数据进行优化，致力寻找一个最佳的监测方式，并将要求的状态进行统一规定。
图3 南京长江三桥
Fig. 3 NanJing Yangtze River Three Bridge
5 结论
桥梁作为城市发展重要的载体之一，其安全性的保障尤为重要。针对桥梁监测提出了高稳定性、实时远程控制、安装便捷、高速传输等新要求，关于桥梁健康监测系统将会有以下的发展：
1）优化监测技术，从而降低监测与维护成本；
2）完善数据处理方法，将其公式化、规范化，从而将监测数据及时使用；
3）推动监测技术发展并推出其标准规范，将桥梁的监测变成一个整体。
参考文献
[1] Sloan T D，Kirkpatrick J，Boyd J W，et al． Monitoring the inservice behaviour of the Foyle bridge.［J］． Structural Engineer， 1992，70( 7) : 91-93．
[2] Shahawy M A，Arockiasamy M． Field instrumentation to study the time-dependent behavior in Sunshine Skyway Bridge［J］． Journal of Bridge Engineering，1996，1( 2) : 76-86．
[3] 原琨,李杨.超声波技术在桥梁内部钢筋健康监测的研究.[J].绿色科技,2016(06):143-145+150.
[4] 柏格文.光纤陀螺仪在桥梁健康监测系统中的应用分析[J].科学咨询(科技·管理),2017(12):36-37.
[5] 侯娜.基于cRIO的中小跨径桥梁集群监测数据采集系统研制[J].北方交通,2017(04):12-16.
论文作者:刘大钢
论文发表刊物:《基层建设》2019年第6期
论文发表时间:2019/4/28
标签：桥梁论文; 监测系统论文; 病害论文; 健康论文; 光纤论文; 大桥论文; 光栅论文; 《基层建设》2019年第6期论文;