橋梁健康監(jiān)測(cè)講義

橋梁健康監(jiān)測(cè)第一節(jié)緒論隨著橋梁分析理論、施工技術(shù)、材料性能的迅速開展，橋梁跨度越來(lái)越大。斜拉橋跨度已到達(dá)890m〔日本多多羅大橋〕，連接江蘇南通與蘇州的蘇通大橋主橋斜拉橋跨度超過(guò)1080m；懸索橋跨度已到達(dá)1991m〔日本明石大橋〕，國(guó)內(nèi)潤(rùn)揚(yáng)大橋?yàn)?490m，江陰大橋?yàn)?385m，鋼拱橋最大跨度為上海盧浦大橋〔550m〕，鋼管混凝土拱橋?yàn)槲讔{長(zhǎng)江大橋〔460m〕。橋梁結(jié)構(gòu)越來(lái)越柔，跨徑越來(lái)越大，不僅要求精確嚴(yán)密的計(jì)算與施工技術(shù)，而且對(duì)橋梁建成后的平安養(yǎng)護(hù)提出了更高的要求。大型橋梁的生命過(guò)程一般包括規(guī)劃與論證、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)管理以及養(yǎng)護(hù)維修等幾個(gè)階段，以往人們往往主要只關(guān)注設(shè)計(jì)與施工階段，由于投資巨大、重要性突出，大型橋梁的總體規(guī)劃也日益受到重視。雖然合理、保守的設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)平安的根本保證，但是限于當(dāng)前對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)程度及許多不定時(shí)或不可預(yù)測(cè)因素，比方超期服役、腐蝕、疲勞、撞擊、爆炸、地震、洪水、颶風(fēng)等自然災(zāi)害，人們難以進(jìn)行預(yù)測(cè)與控制，為了確保大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)特別是大型橋梁的使用平安與耐久性，時(shí)時(shí)了解其健康狀況是非常重要的。大型橋梁在建成后，缺乏科學(xué)監(jiān)測(cè)與管理對(duì)橋梁狀態(tài)的影響日益突出，國(guó)內(nèi)如廣州海印橋的局部斜拉索因銹蝕而突然斷裂，濟(jì)南黃河公路大橋的斜拉索也發(fā)生嚴(yán)重銹蝕而被迫提早更換，宜賓小南門金沙江拱橋吊桿斷裂造成人車墜入江中；遼寧盤錦田臺(tái)莊大橋掛梁突然落下，墜入遼河。在國(guó)外，大型橋梁的突然倒塌與破壞事故也屢見不鮮，如1994年韓國(guó)漢城圣水大橋在上班時(shí)刻跨中央斷塌50m，造成32人死亡，17人重傷的重大事故；2007年7月，美國(guó)明尼蘇達(dá)州首府橫跨運(yùn)河的大橋在交通頂峰期間突然坍塌，造成8人死亡，100余人受傷的重大事故。在西方興旺國(guó)家，大規(guī)模的交通根底設(shè)施建設(shè)高潮已經(jīng)成為過(guò)去，目前主要任務(wù)和重點(diǎn)是大量路橋的維修、加固和改造。根據(jù)美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)〔ASCE〕2004年公布的調(diào)查結(jié)果：美國(guó)有35％的橋梁在結(jié)構(gòu)或使用上存在缺陷或老化，未來(lái)20年內(nèi)治理橋梁病害、維修加固橋梁的開支預(yù)期將到達(dá)9000億美元。以福建省為例，由于橋梁老化、超載、設(shè)計(jì)與施工存在缺陷、損傷、自然災(zāi)害以及監(jiān)測(cè)與養(yǎng)護(hù)管理不力等原因，危橋數(shù)量不斷增長(zhǎng)。根據(jù)福建省1999年的橋梁普查結(jié)果，專養(yǎng)公路橋梁總數(shù)和危橋數(shù)量分別為7169/139座，危橋已占公路橋梁總數(shù)的2.6%；2002年的普查說(shuō)明：危橋總數(shù)已達(dá)186座，比1999年增長(zhǎng)了33.8%。據(jù)2005年福建省全省國(guó)、省道橋梁普查結(jié)果：截止2005年12月份，全省橋梁〔高速公路橋梁除外〕總共有11601座、560863延米〔其中特大橋47座，205554.4延米；大橋847座，205554.3延米；中橋2156座，121029.8延米；小橋8551座，152350.3延米〕；其中危橋有587座，23274延米，比2002年增長(zhǎng)了215.6%。一些大型橋梁，如福州洪塘大橋、漳州郭坑大橋、福州閩江二橋、三明下洋橋、連江解放大橋等國(guó)省道橋梁的病害就曾經(jīng)比擬嚴(yán)重地影響了當(dāng)?shù)亟煌ê徒?jīng)濟(jì)的開展?，F(xiàn)在每年用于危、舊橋梁改造加固的費(fèi)用在飛快增長(zhǎng)，而且還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需求。然而，在當(dāng)前的橋梁養(yǎng)護(hù)工作中存在許多缺乏：(1)工作效率低。橋梁的檢查主要是有技術(shù)人員到橋梁現(xiàn)場(chǎng)定期檢查，查看一座橋梁需花費(fèi)一個(gè)人半天或一天的時(shí)間，工作效率低，不適合現(xiàn)代大量橋梁養(yǎng)護(hù)護(hù)理的要求。(2)準(zhǔn)確性差。目前現(xiàn)有橋梁評(píng)估體系主要有交通部公路科學(xué)研究開發(fā)的中國(guó)公路橋梁管理系統(tǒng)〔ChinaBridgeManagementSystem〕,該系統(tǒng)在我國(guó)的公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理上得到了廣泛的應(yīng)用，但是其橋況數(shù)據(jù)根本上以人工采集為主，需通過(guò)檢查人員到橋梁現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行目視檢查獲得外部現(xiàn)狀，通過(guò)各種外部特征來(lái)綜合判斷橋梁狀況。由于技術(shù)人員用肉眼檢查橋梁的現(xiàn)狀，工作中存在隨意性，在橋梁病害尺度的把握上存在著人為差異，而對(duì)于肉眼無(wú)法看出的危險(xiǎn)情況那么又無(wú)法準(zhǔn)確的把握，使得通過(guò)該系統(tǒng)的評(píng)價(jià)結(jié)論的準(zhǔn)確性較差。(3)養(yǎng)護(hù)費(fèi)用高。橋梁養(yǎng)護(hù)的經(jīng)費(fèi)主要用于橋梁的加固、改造，由于缺乏預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的投入，造成“出現(xiàn)大病后花大錢治”的現(xiàn)狀。(4)平安性低。由于橋梁的數(shù)量巨大，而技術(shù)人員和設(shè)備的有限，導(dǎo)致無(wú)法對(duì)運(yùn)營(yíng)中的所有〔或大局部〕橋梁進(jìn)行有效的橋況評(píng)估，時(shí)常遺漏一些危橋的重要信息而發(fā)生車毀人亡的事故。對(duì)于近二十年建成的大型橋梁，大局部建立了以收繳過(guò)橋費(fèi)為主要職能的橋梁管理機(jī)構(gòu)，但是健康監(jiān)測(cè)、養(yǎng)護(hù)與維修得不到應(yīng)有的重視，往往是在出現(xiàn)問(wèn)題后才亡羊補(bǔ)牢。對(duì)于存在缺陷或平安隱患的橋梁，全部予以更換不僅需要大量的資金而且要封閉交通，一般來(lái)說(shuō)是缺乏取的一種方式；由于資金有限，也不可能一次性全部進(jìn)行加固改造，需要區(qū)分輕重緩急，需要對(duì)橋梁狀態(tài)作出科學(xué)準(zhǔn)確的評(píng)判。由于大型橋梁的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方法由于其滯后性、效率低，造成橋梁管理本錢的提高與資源配置的不合理，已跟不上橋梁開展需求，也不符合經(jīng)濟(jì)運(yùn)作的規(guī)律。在這種情況下，建立橋梁健康監(jiān)測(cè)與平安評(píng)定系統(tǒng)〔目前的硬件技術(shù)水平與軟件已經(jīng)使之成為可能〕，能夠大大提高檢測(cè)效率，實(shí)時(shí)掌握橋梁狀態(tài)變化，評(píng)價(jià)橋梁的承載能力和使用功能，以及橋梁的平安可靠性，其意義主要有：〔1〕及時(shí)把握橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)階段的工作狀態(tài)，識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷以及評(píng)定結(jié)構(gòu)的平安、可靠性與耐久性；〔2〕為運(yùn)營(yíng)、維護(hù)、管理提供決策依據(jù)，可以使得既有橋梁的技術(shù)改造決策更加科學(xué)、改造技術(shù)方案的設(shè)計(jì)更加合理、經(jīng)濟(jì)；〔3〕驗(yàn)證橋梁設(shè)計(jì)建造理論與方法，完善相關(guān)設(shè)計(jì)施工技術(shù)規(guī)程，提高橋梁設(shè)計(jì)水平和平安可靠度，保障結(jié)構(gòu)的使用平安，具有重要的社會(huì)意義、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。在歐美、日本等一些興旺國(guó)家與地區(qū)，橋梁工程的重點(diǎn)已由新橋建設(shè)逐步轉(zhuǎn)到既有橋梁的健康監(jiān)測(cè)、狀態(tài)評(píng)估和養(yǎng)護(hù)、維修、加固與改造等方面，公布了基于結(jié)構(gòu)可靠性理論和概率思想的舊橋評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程，并且把橋梁承載能力的評(píng)估納入橋梁管理系統(tǒng)范疇。橋梁管理系統(tǒng)包括橋梁健康監(jiān)測(cè)、損傷診斷與識(shí)別、狀態(tài)評(píng)估與承載力退化、可靠性與耐久性評(píng)估、使用壽命預(yù)測(cè)、加固改造技術(shù)、新型改性材料等等方面，嚴(yán)格科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)管理，已經(jīng)取得比擬顯著的經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)正處于大規(guī)模的土木工程和根底設(shè)施建設(shè)時(shí)期，許多世界矚目的跨海橋梁工程與根底設(shè)施已經(jīng)規(guī)劃或正在建設(shè)之中。我國(guó)大量公路和鐵路工程建設(shè)和平安運(yùn)行的需求為橋梁工程健康監(jiān)測(cè)及其集成系統(tǒng)的研究、開發(fā)與應(yīng)用提供了廣闊的平臺(tái)和前所未有的機(jī)遇。第二節(jié)橋梁健康監(jiān)測(cè)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀一、橋梁健康監(jiān)測(cè)的根本概念Housner等〔1997〕的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的定義為：“在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)特性，包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)的無(wú)損檢測(cè)和分析，用來(lái)檢測(cè)由損壞或損傷引起的變化”。這一定義也有缺乏之處。當(dāng)研究人員試圖對(duì)健康監(jiān)測(cè)的無(wú)損評(píng)估進(jìn)行綜合，其重點(diǎn)在于數(shù)據(jù)收集而不在于評(píng)估。人們確實(shí)切需要是采用一種有效方法來(lái)收集服役結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，以評(píng)估關(guān)鍵的性能測(cè)量，如使用性、可靠性和耐久性。因此，Housner，etal.〔1997〕所做的定義必須修改，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)可以定義為：“在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)特性，包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)的無(wú)損檢測(cè)和分析，其目的是：如果有損傷，那么進(jìn)行損傷識(shí)別、確定損傷的位置、估計(jì)損傷的嚴(yán)重程度并評(píng)價(jià)損傷對(duì)結(jié)構(gòu)影響后果”〔圖1〕?？偠灾粋€(gè)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須同時(shí)能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)和狀況評(píng)估。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究可以分為如下四個(gè)水平層次：〔Ⅰ〕檢測(cè)損傷的存在，〔Ⅱ〕確定損傷的位置，〔Ⅲ〕估計(jì)損傷程度，〔Ⅳ〕確定損傷的影響以及預(yù)測(cè)剩余的疲勞壽命。進(jìn)行水平〔Ⅲ〕的工作要求改良結(jié)構(gòu)模型和分析、局部的物理檢查和傳統(tǒng)的無(wú)損評(píng)估技術(shù)。進(jìn)行水平〔Ⅳ〕的工作要求局部位置的材料構(gòu)成信息、材料老化的研究、破壞機(jī)理和高性能的計(jì)算。在過(guò)去的20年，隨著儀器的改良和對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的認(rèn)識(shí)，在系統(tǒng)檢測(cè)和土木結(jié)構(gòu)評(píng)估方面，土木工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)和損傷評(píng)估已變得更為實(shí)用。土木工程和航天航空工程、機(jī)械工程有明顯的差異，比方橋梁結(jié)構(gòu)以及其它大多數(shù)土木結(jié)構(gòu)，尺寸大、質(zhì)量重，具有較低的自然頻率和振動(dòng)水平，低振幅，而且橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)極容易受到非結(jié)構(gòu)構(gòu)件等的影響，這些變化往往被誤解為結(jié)構(gòu)的損傷；而且鋼筋混凝土橋中模型的不確定性水平比單獨(dú)一根梁或一個(gè)空間桁架模型的相應(yīng)值要高得多，這一切使得橋梁這類復(fù)雜結(jié)構(gòu)的損傷評(píng)估具有極大的挑戰(zhàn)性。獲得數(shù)據(jù)信號(hào)處理結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和材料傳感器/鼓勵(lì)器，無(wú)損評(píng)估計(jì)術(shù)鼓勵(lì)獲得數(shù)據(jù)信號(hào)處理結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和材料傳感器/鼓勵(lì)器，無(wú)損評(píng)估計(jì)術(shù)鼓勵(lì)監(jiān)測(cè)破壞位置和嚴(yán)重程度破壞位置和嚴(yán)重程度建模識(shí)別建模識(shí)別模擬或計(jì)算模擬或計(jì)算模型修正診斷模型修正估計(jì)剩余強(qiáng)度估計(jì)剩余強(qiáng)度預(yù)計(jì)使用年限預(yù)計(jì)使用年限維修/維護(hù)措施維修/維護(hù)措施可靠度分析和估計(jì)可靠度分析和估計(jì)壽命周期分析評(píng)估壽命周期分析圖1結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的根本組成二、橋梁健康監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀1橋梁監(jiān)測(cè)傳感器研究現(xiàn)狀隨著交通事業(yè)的開展，現(xiàn)代橋梁檢測(cè)技術(shù)也取得了很大進(jìn)步，主要包括以下幾個(gè)方面：〔1〕雷達(dá)與紅外熱象儀檢測(cè)技術(shù)：使用雷達(dá)、紅外熱象儀、激光光學(xué)、超聲波和其它一些心得技術(shù)手段可在僅僅一天之內(nèi)就能準(zhǔn)確地測(cè)量成百上千公里路面或幾十座橋的橋面；〔2〕光纖傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)：光纖傳感器具有大面積檢測(cè)能力，在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)能提供可靠、精確和長(zhǎng)期的檢測(cè)結(jié)果，安裝了這種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后，任何結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題都可以較早地被發(fā)現(xiàn)，以便采取必要的修復(fù)措施，從而保證結(jié)構(gòu)使用的連續(xù)平安性，使結(jié)構(gòu)的性能得到最正確管理，并減少使用費(fèi)用。到目前為止，光纖傳感器已用于許多工程，典型的工程有加拿大caleary建設(shè)的一座名為beddingtontail的一雙跨公路橋內(nèi)部應(yīng)變狀態(tài)監(jiān)測(cè)；美國(guó)winooski的一座水電大壩的振動(dòng)監(jiān)測(cè)；國(guó)內(nèi)工程有重慶渝長(zhǎng)高速公路上的紅槽房大橋監(jiān)測(cè)和蕪湖長(zhǎng)江大橋長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與平安評(píng)估系統(tǒng)等。建于山東濱州黃河大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用了96個(gè)FBG應(yīng)變溫度儀，2個(gè)風(fēng)速儀，39個(gè)加速度傳感器和4個(gè)GPS定位器；〔3〕無(wú)線電檢測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)：目前，一種全無(wú)〔電〕源的、廉價(jià)的感應(yīng)器開發(fā)出來(lái)，滿足了測(cè)量橋梁疲勞的長(zhǎng)期需要。這種感應(yīng)器貼在橋上并且與橋梁一起承受應(yīng)變。它由一個(gè)特殊的應(yīng)變?cè)龇b置和兩個(gè)預(yù)先裂開的樣片合成一個(gè)整體去測(cè)量裂縫長(zhǎng)度；〔4〕自感應(yīng)檢測(cè)技術(shù)：公路橋梁的自感應(yīng)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用是廣泛的。目前，美國(guó)已經(jīng)設(shè)計(jì)、制造了一種廉價(jià)的位移感應(yīng)器，用于翼墻的監(jiān)測(cè)，已經(jīng)進(jìn)行兩年多了，十分有效；一種新型埋入式銹蝕感應(yīng)器已經(jīng)在美國(guó)聯(lián)邦公路局的參與下開發(fā)出來(lái)了。這種感應(yīng)器可以澆筑在混凝土中，在混凝土中測(cè)量鋼筋銹蝕的比率、混凝土的導(dǎo)電率、氯離子濃度等。目前橋梁的維修自動(dòng)化需要的根本信息，被當(dāng)作美國(guó)根底研究和開發(fā)的重點(diǎn)，這必須由感應(yīng)和測(cè)量的高科技技術(shù)來(lái)提供；〔5〕智能混凝土a.損傷自診斷混凝土:自診斷混凝土具有壓敏性和溫敏性等自感應(yīng)功能。目前常用的材料組分有：聚合類、碳類、金屬類和光纖，其中最常用的是碳類、金屬類和光纖。碳纖維智能混凝土可以對(duì)建筑物內(nèi)部和周圍環(huán)境變化的實(shí)時(shí)監(jiān)控，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大體積混凝土的溫度自監(jiān)控以及用于熱敏元件和火警報(bào)警器等，還可應(yīng)用于公路路面、機(jī)場(chǎng)跑道等處的化雪除冰，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋陰極保護(hù)，住宅及養(yǎng)殖場(chǎng)的電熱結(jié)構(gòu)等；b.自調(diào)節(jié)智能混凝土:自調(diào)節(jié)智能混凝土具有電力效應(yīng)和電熱效應(yīng)等性能?；炷两Y(jié)構(gòu)除了正常負(fù)荷外，還希望它在受臺(tái)風(fēng)、地震等自然災(zāi)害期間，能夠調(diào)整承載能力和減緩結(jié)構(gòu)振動(dòng)，但因混凝土本身是惰性材料，要到達(dá)自調(diào)節(jié)的目的，必須復(fù)合具有驅(qū)動(dòng)功能的組件材料，如：形狀記憶合金〔sma〕和電流變體〔er〕等；c.自修復(fù)智能混凝土：自愈合混凝土就是模仿生物組織，對(duì)受創(chuàng)傷部位自動(dòng)分泌某種物質(zhì)，而使創(chuàng)傷部位得到愈合的機(jī)能，在混凝土傳統(tǒng)組分中復(fù)合特性組分〔如含有粘結(jié)劑的液芯纖維或膠囊〕在混凝土內(nèi)部形成智能型仿生自愈合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，模仿動(dòng)物的這種骨組織結(jié)構(gòu)和受創(chuàng)傷后的再生、恢復(fù)機(jī)理。采用粘結(jié)材料和基材相復(fù)合的方法，使材料損傷破壞后，具有自行愈合和再生功能，恢復(fù)甚至提高材料性能的新型復(fù)合材料。自診斷、自調(diào)節(jié)和自修復(fù)混凝土是智能混凝土研究的初級(jí)階段，它們只具備了智能混凝土的某一根本特征，是一種智能混凝土的簡(jiǎn)化形式，因此有人也稱之為機(jī)敏混凝土，目前人們正致力于將2種以上功能進(jìn)行組裝的所謂智能組裝混凝土材料的研究。智能混凝土具有廣闊的應(yīng)用前景，但作為一種新型的功能材料，如果投入實(shí)際工程，還有很多問(wèn)題需要進(jìn)一步地研究：如碳纖維混凝土的電阻率穩(wěn)定性、電極布置方式、耐久性等；光纖混凝土的光纖傳感陣列的最優(yōu)排布方式；自愈合混凝土的修復(fù)粘結(jié)劑的選擇等?！?〕GPS全球定位系統(tǒng)：可以直接測(cè)量三維的空間運(yùn)動(dòng)；〔7〕其他新技術(shù)：對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力的“非侵入式”檢測(cè)也是橋梁工程界的迫切需求。美國(guó)聯(lián)邦公路局將激光檢測(cè)系統(tǒng)用于檢測(cè)橋梁的承載能力。另一項(xiàng)新技術(shù)是“智能橋梁支座”，通過(guò)它可以收集到許多必不可少的橋梁工作信息。智能支座能通過(guò)支座上的活載和恒載的分布發(fā)現(xiàn)并判斷出橋梁結(jié)構(gòu)體系的工作狀況。局部智能傳感器應(yīng)該是一個(gè)方向，但是局部的監(jiān)測(cè)指標(biāo)往往難以反映結(jié)構(gòu)的整體性態(tài)，如何將局部監(jiān)測(cè)指標(biāo)與結(jié)構(gòu)整體性之間建立合理的關(guān)系是其中的關(guān)鍵問(wèn)題，因此，必須開展分布式傳感器的健康診斷策略。雖然目前已有不少可以應(yīng)用的檢測(cè)評(píng)價(jià)方法，但有些技術(shù)仍需進(jìn)一步完善才能到達(dá)普遍應(yīng)用的階段。特別是為隨時(shí)了解橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，確保其長(zhǎng)期使用性能，必須使用永久的監(jiān)測(cè)設(shè)備。因此，橋梁結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)目前變得越來(lái)越重要了。橋梁檢測(cè)工作者們還需繼續(xù)努力，研究與開發(fā)出更加實(shí)用方便的橋梁檢測(cè)技術(shù)與監(jiān)測(cè)設(shè)備。2土木工程測(cè)試技術(shù)研究現(xiàn)狀橋梁由完好至破壞是一個(gè)逐漸損傷演變過(guò)程，橋梁結(jié)構(gòu)承載力的降低，直接源于結(jié)構(gòu)損傷的存在。對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)損傷部位進(jìn)行檢測(cè)的方法有很多種，過(guò)去和現(xiàn)在最常用的方法是人工肉眼檢查，但人工檢測(cè)的效率很差，有很大的局限性，當(dāng)結(jié)構(gòu)的某些部位無(wú)法用肉眼進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，結(jié)構(gòu)的損傷情況也就無(wú)法檢測(cè)到。繼而開展的橋梁局部檢測(cè)技術(shù)是各局部的局部狀態(tài)為檢測(cè)內(nèi)容，它通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)局部部位進(jìn)行集中檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)缺陷部位的精確定位、檢查，甚至定量分析，局部檢測(cè)主要依賴無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，包括目檢法、壓痕法、回彈法、染色法、超聲脈沖法、回彈－超聲綜合法、振動(dòng)彈性系數(shù)與對(duì)數(shù)衰減率法、紅外線法、射線法、光線傳感法、同位素法、電阻率法、自然電位法、泄漏測(cè)定法、磁粒子法、磁場(chǎng)擾動(dòng)法、模式識(shí)別法等等。絕大多數(shù)技術(shù)成功地應(yīng)用于檢查一定部件的裂縫位置、焊接缺陷、腐蝕磨損、松弛或失穩(wěn)等，實(shí)際檢測(cè)中經(jīng)常聲發(fā)射法、以脈沖回波法為主的超聲波檢測(cè)技術(shù)、射線檢測(cè)、電磁渦流技術(shù)等幾種技術(shù)聯(lián)合使用來(lái)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)狀態(tài)。美國(guó)聯(lián)邦高速公路管理局〔FHWA〕曾資助一個(gè)大型的關(guān)于高速公路橋的無(wú)損評(píng)估新技術(shù)研究和開展的工程。該工程有兩個(gè)主要目標(biāo)，其一是開展新的工具和技術(shù)以解決特殊的問(wèn)題，其二是開展橋梁狀態(tài)的定量評(píng)估技術(shù)用于支持橋梁管理，并研究將定量的狀態(tài)信息引入橋梁管理系統(tǒng)有何好處。他們希望開展的新技術(shù)能快速、有效且定量的測(cè)量橋梁整體參數(shù)，如塑性和承載力。很明顯，幾種無(wú)損評(píng)估技術(shù)的結(jié)合可以用來(lái)幫助評(píng)估系統(tǒng)的狀態(tài)，它們對(duì)于獲得用于橋梁評(píng)估的資料庫(kù)是非常重要的。眾所周知，橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體力學(xué)特性的變化，而局部(Local)損傷檢測(cè)方法無(wú)法對(duì)橋梁的整體工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。橋梁整體檢測(cè)那么是以橋梁的整體狀態(tài)如振動(dòng)特性、撓度、索力等為檢測(cè)對(duì)象，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)根本狀況的連續(xù)監(jiān)測(cè)或定期檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)的檢測(cè)與評(píng)估。利用結(jié)構(gòu)整體檢測(cè)進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的方法有：靜力檢測(cè)法、動(dòng)力檢測(cè)法以及混合法。靜態(tài)法識(shí)別效果好，所需數(shù)據(jù)較易測(cè)得，但測(cè)量時(shí)要阻斷交通，人為施加荷載，現(xiàn)場(chǎng)工作量大，而且無(wú)法做到適時(shí)監(jiān)控。動(dòng)態(tài)法可以監(jiān)測(cè)由風(fēng)、活載等自然因素激發(fā)橋梁產(chǎn)生的振動(dòng)信息，加工成一些理性識(shí)別指標(biāo)，診斷橋梁損傷，而且現(xiàn)場(chǎng)工作量小，可做到適時(shí)監(jiān)控。但是由于關(guān)系到模態(tài)識(shí)別，對(duì)測(cè)量?jī)x器及識(shí)別方法的精度有較高要求。混合法是希望借助一些比擬容易獲得的靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)改善靜力法的精度，但實(shí)際效果并不顯著。由于結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)對(duì)于檢測(cè)方法自動(dòng)化以及分析結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)的要求，現(xiàn)在多數(shù)研究者把注意力放在了動(dòng)力檢測(cè)方法的研究上，大致可以分為動(dòng)力指紋分析法、模型修正與系統(tǒng)識(shí)別法、遺傳算法、小波分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。各種方法在橋梁損傷識(shí)別中的實(shí)際應(yīng)用不盡如人意。主要有以下幾個(gè)幾點(diǎn)：〔1〕結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性受非結(jié)構(gòu)構(gòu)件、環(huán)境因素以及邊界條件等的影響較大；〔2〕限于經(jīng)濟(jì)上的原因，通常只能對(duì)少數(shù)自由度進(jìn)行測(cè)量；〔3〕結(jié)構(gòu)剛度、變形等的局部變化一般高階模態(tài)會(huì)比擬敏感，而這些模態(tài)又往往難以準(zhǔn)確測(cè)量甚至根本無(wú)法測(cè)出。局部與整體檢測(cè)方法是相輔相成的。局部檢測(cè)能發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的局部缺陷，并進(jìn)行精確的檢查和量化，通過(guò)采取適當(dāng)?shù)木S修措施，防止局部缺陷的進(jìn)一步開展造成對(duì)橋梁整體質(zhì)量和平安性的危害。對(duì)結(jié)構(gòu)整體平安狀態(tài)的監(jiān)測(cè)可用于指導(dǎo)對(duì)局部損傷的識(shí)別和定位，能夠及時(shí)掌握橋梁結(jié)構(gòu)整體工作狀態(tài)的變化，從而使人們對(duì)橋梁的力學(xué)性能、平安性能有一個(gè)整體上的概念，便于維修養(yǎng)護(hù)策略的制訂和資金的分配，從而提高檢測(cè)工作的效率。最近開展起來(lái)的包含多項(xiàng)檢測(cè)內(nèi)容、集成了遠(yuǎn)程通信與控制的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)橋梁狀態(tài)的實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)，它對(duì)橋梁的健康狀態(tài)評(píng)估顯然能起更積極的作用。3傳感器的優(yōu)化布設(shè)、系統(tǒng)集成與數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)的征狀是由采集信號(hào)分析獲得的，因此信號(hào)采集技術(shù)是結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的前提。信號(hào)采集技術(shù)包括信號(hào)的采集和放大，傳感器的類型、安裝位置、數(shù)量以及數(shù)據(jù)的獲取、存儲(chǔ)等。此外還應(yīng)考慮采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔，數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題，測(cè)量過(guò)程的不確定性以及數(shù)據(jù)的凈化問(wèn)題。由于被檢測(cè)橋梁的龐大和復(fù)雜，傳感器的類型和數(shù)目相當(dāng)多，如何確定傳感器的最優(yōu)布置點(diǎn)是研究的熱點(diǎn)。目前采用的方法主要有：基于經(jīng)驗(yàn)和基于結(jié)構(gòu)自由度的縮聚法；針對(duì)振動(dòng)模態(tài)的有效獨(dú)立法；清華大學(xué)在青馬大橋健康監(jiān)測(cè)中采用了遺傳算法尋找加速度傳感器的最優(yōu)布點(diǎn)；西南交通大學(xué)也探索了靜載作用下橋梁應(yīng)變測(cè)量傳感器優(yōu)化布設(shè)。但各種方法只是在局部問(wèn)題中有效，目前尚缺乏有效的傳感器優(yōu)化布設(shè)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。各種算法依據(jù)各自的評(píng)估目標(biāo)，盡管各方法在形式和理論上有一點(diǎn)聯(lián)系，但對(duì)同一結(jié)構(gòu)在相同條件下，不同算法得出的結(jié)論往往并不相同。信息傳感器的優(yōu)化布設(shè)還是監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性的考慮，因此關(guān)于傳感器布點(diǎn)理論的探討和驗(yàn)證值得深入研究。4橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理與控制技術(shù)研究對(duì)于現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外局部科研機(jī)構(gòu)開發(fā)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由于采用了專用的數(shù)據(jù)線，因此整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的費(fèi)用昂貴，不適宜我國(guó)目前的實(shí)際需求。而國(guó)內(nèi)目前所進(jìn)行的定時(shí)檢測(cè)或事后檢測(cè)的方式，又會(huì)帶來(lái)巨大的人力、物力的浪費(fèi)和平安隱患。因此開發(fā)一套便捷的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使之能真正做到：既能行之有效、又能經(jīng)濟(jì)可靠，而且又能對(duì)橋梁實(shí)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就非常迫切緊要。近年隨著公共線路的數(shù)字化傳輸和移動(dòng)的不斷普及，公用線路的數(shù)據(jù)傳輸速度、數(shù)字通信能力和無(wú)線移動(dòng)通信能力得到了迅速的開展。因此，不采用專用數(shù)據(jù)線而采用數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)線作為方便的數(shù)據(jù)傳輸媒介，在其根底上新開發(fā)的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將會(huì)帶來(lái)遙控監(jiān)測(cè)技術(shù)上的創(chuàng)新，使得數(shù)據(jù)傳輸更為便攜和低廉。5橋梁損傷識(shí)別技術(shù)的研究現(xiàn)狀橋梁損傷診斷和識(shí)別應(yīng)該包含四個(gè)方面：(a)損傷是否存在及損傷原因；(b)損傷位置識(shí)別；(c)損傷程度識(shí)別；(d)損傷對(duì)橋梁受力性能的影響有多大。目前尚沒有一個(gè)損傷指標(biāo)能夠全面地、敏感地反映橋梁的損傷狀態(tài)，這是因?yàn)闃蛄汗こ毯秃娇蘸教旃こ獭C(jī)械工程相比有很大的區(qū)別，比方橋梁的體積大、質(zhì)量重，具有較低的自然頻率和振動(dòng)水平，其動(dòng)力響應(yīng)非常容易受到不可預(yù)見的環(huán)境狀態(tài)、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件等的影響，這些變化往往被誤認(rèn)為是結(jié)構(gòu)的損傷，從而使得橋梁損傷診斷具有極大的挑戰(zhàn)性。主要的損傷指標(biāo)有：共振頻率、頻率響應(yīng)函數(shù)、振型、振型曲率、模態(tài)應(yīng)變能、模態(tài)柔度、阻尼比和能量傳遞比、Ritz向量等等；結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別或診斷的方法主要有〔1〕基于動(dòng)力參數(shù)的識(shí)別；〔2〕基于靜力參數(shù)的識(shí)別；〔3〕子結(jié)構(gòu)方法識(shí)別；〔4〕統(tǒng)計(jì)分析識(shí)別；〔5〕神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別；〔6〕小波變換識(shí)別、時(shí)間序列模型等等，絕大局部損傷指標(biāo)和損傷識(shí)別方法僅適用于實(shí)驗(yàn)室模型，可供實(shí)橋損傷識(shí)別的實(shí)用方法不多。目前橋梁損傷診斷從單純的依賴其動(dòng)力響應(yīng)到綜合利用無(wú)損檢測(cè)與靜動(dòng)載測(cè)試信息；從單純的模態(tài)識(shí)別到實(shí)驗(yàn)和理論模型修正，乃至神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法；考慮測(cè)試傳感器的優(yōu)化布置、充分利用有限的實(shí)驗(yàn)測(cè)試信息；從單一損傷指標(biāo)診斷到多損傷指標(biāo)診斷等等方向開展，這樣可以克服各自方法的缺點(diǎn)并相互檢查，與損傷檢測(cè)的復(fù)雜性相適應(yīng)。用于無(wú)損評(píng)估的有限元模型修正方法可以分為如下幾大類：模態(tài)柔度法、最優(yōu)矩陣修正法、靈敏度矩陣修正法、特征結(jié)構(gòu)分配法、測(cè)量剛度改變法和綜合模態(tài)參數(shù)法等，所有這些有限元模型修正技術(shù)要求用戶選擇一系列量測(cè)模態(tài)與相應(yīng)有限元模型的模態(tài)相匹配。通常，只有結(jié)構(gòu)的前幾階模態(tài)用于有限元模型修正，因?yàn)檫@些模態(tài)是識(shí)別較好的模態(tài)。然而，在一些情況下，對(duì)應(yīng)高階頻率的模態(tài)在結(jié)構(gòu)損傷定位方面非常關(guān)鍵，因此有必要在有限元模型修正中包括這些模態(tài)。作為損傷結(jié)果，許多頻率較低的模態(tài)并沒有顯著改變，它們只會(huì)增加計(jì)算量而對(duì)確定損傷的位置沒有明顯奉獻(xiàn)。模態(tài)數(shù)量是有限的，不僅是由于計(jì)算工作壓力，還由于高次修正問(wèn)題內(nèi)在的病態(tài)和統(tǒng)計(jì)偏差。由于這些局限性，選擇最能反映結(jié)構(gòu)損傷的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)是很重要的。主要涉及到修正參數(shù)的選取、目標(biāo)函數(shù)確實(shí)定和優(yōu)化算法的選擇等方面。傳統(tǒng)的模型修正方法仍存在許多問(wèn)題，特別是：〔1〕既有的橋梁有限元模型修正主要建立在確定性〔deterministic〕分析框架內(nèi)，而實(shí)橋健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)模型都具有強(qiáng)烈的不確定性〔uncertainty〕，采用確定性分析方法處理本質(zhì)不確定性的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和平安評(píng)價(jià)，會(huì)導(dǎo)致理論方法和實(shí)際應(yīng)用的矛盾，這正是目前基于模型的損傷識(shí)別技術(shù)很難應(yīng)用于實(shí)橋的主要原因之一；〔2〕目前工程上采用的基于靈敏度分析的參數(shù)挑選方法是根據(jù)計(jì)算參數(shù)在某設(shè)計(jì)點(diǎn)處的靈敏度進(jìn)行挑選,該方法只是計(jì)算了特征量的局部靈敏度，具有很大的局限性；沒有在整個(gè)設(shè)計(jì)空間上挑選對(duì)特征量有顯著影響的設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算效率較低，模型的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)效果不太理想；〔3〕傳統(tǒng)的模型修正技術(shù)主要針對(duì)線性、低頻系統(tǒng)，很難適用于沖擊、爆炸、碰撞、耦合和隨機(jī)性強(qiáng)的土木工程振動(dòng)等非線性問(wèn)題，以及計(jì)算和試驗(yàn)中含有明顯不確定性的系統(tǒng)，因此傳統(tǒng)的模型修正技術(shù)亟待開展。從20世紀(jì)90年代以來(lái)，以確定性思想為根底的模型修正開始向統(tǒng)計(jì)學(xué)方面開展，主要應(yīng)用Bayes模型修正和隨機(jī)有限元模型修正方法，而基于統(tǒng)計(jì)分析原理的結(jié)構(gòu)健康診斷不確定性方法的研究,有望成為解決大型土木工程結(jié)構(gòu)健康診斷問(wèn)題的一般方法。系統(tǒng)化的有限元模型確認(rèn)〔Modelvalidation—MV〕最早出現(xiàn)在美國(guó)能源部的專項(xiàng)研究方案中，它是建立在概率數(shù)理統(tǒng)計(jì)、模糊數(shù)學(xué)和區(qū)間估計(jì)等信息理論的根底之上的，近年來(lái)在航空航天、力學(xué)、機(jī)械工程等領(lǐng)域受到日益重視。模型確認(rèn)的定義是：對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行從構(gòu)件到整體系統(tǒng)的分層建模和確認(rèn)試驗(yàn),對(duì)系統(tǒng)中的不確定性進(jìn)行量化和傳遞分析,對(duì)有限元模型在設(shè)計(jì)空間的響應(yīng)預(yù)報(bào)精度進(jìn)行評(píng)價(jià)和確認(rèn)，在此根底上基于統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行模型修正,為進(jìn)一步的應(yīng)用提供精確可信的有限元模型和響應(yīng)計(jì)算方法。所以有限元模型確認(rèn)的研究目標(biāo)主要有兩個(gè)：一是結(jié)合有限的試驗(yàn)及分析，獲得精確可信確實(shí)定性有限元模型；二是獲得進(jìn)行下一步的響應(yīng)預(yù)報(bào)所需要的計(jì)算參數(shù)。模型修正用來(lái)使模型計(jì)算結(jié)果與已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)一致，換句話說(shuō),對(duì)原有計(jì)算模型的參數(shù)進(jìn)行修正,使之能正確重現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果,而并非確定模型預(yù)示結(jié)果的精度。模型確認(rèn)與模型修正不同,其根本思想是：在進(jìn)行局部試驗(yàn)并考慮不確定性的根底上，對(duì)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)。模型確認(rèn)引入了分級(jí)修正的概念，進(jìn)一步提高了修正精度；同時(shí)引入了基于快速運(yùn)行模型，可以和商用有限元軟件接口，減少直接有限元分析〔FEA〕求解靈敏度的工作量，有效解決局部最優(yōu)問(wèn)題，使得修正技術(shù)易于應(yīng)用。假設(shè)不考慮結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中計(jì)算與試驗(yàn)的隨機(jī)誤差和參數(shù)誤差，不考慮對(duì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍以外進(jìn)行預(yù)報(bào)，只對(duì)模型的主要參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)的模型確認(rèn)就簡(jiǎn)化為模型修正。因此模型修正是模型確認(rèn)的一個(gè)特例,模型確認(rèn)是模型修正的開展。雖然模型確認(rèn)的許多研究工作已經(jīng)展開，但該方法尚處在初始起步階段，大量深入、細(xì)致的研究工作尚待結(jié)合特定的學(xué)科和工程應(yīng)用背景積極展開[17，26]，仍有大量關(guān)鍵問(wèn)題有待研究和突破，這些關(guān)鍵問(wèn)題主要有：(1)參數(shù)篩選與試驗(yàn)設(shè)計(jì)；(2)不確定性傳遞和量化分析；(3)高階多項(xiàng)式響應(yīng)面擬合和基于響應(yīng)面的模型修正；(4)測(cè)試/分析相關(guān)性研究與統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)等等。7橋梁健康監(jiān)測(cè)海量數(shù)據(jù)挖掘所謂數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)就是從大量的、不完備的、模糊和隨機(jī)以及多噪音的數(shù)據(jù)中提取規(guī)律性的、人們事先未知的，但又是潛在有用的并且最終可理解的信息和知識(shí)的非平凡過(guò)程，所挖掘的知識(shí)的類型包括模型、規(guī)律、規(guī)那么、模式、約束等，它包括從數(shù)據(jù)庫(kù)中發(fā)現(xiàn)知識(shí)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)融合以及決策支持等幾個(gè)方面。數(shù)據(jù)挖掘常用的技術(shù)包括非線性預(yù)測(cè)模型、決策樹、關(guān)聯(lián)規(guī)那么挖掘、遺傳算法等，數(shù)據(jù)挖掘具有自動(dòng)預(yù)測(cè)趨勢(shì)和行為，關(guān)聯(lián)、聚類、概念描述和偏差檢驗(yàn)等功能。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)具有如下特點(diǎn)：〔a〕數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)特別適用于處理隨機(jī)性強(qiáng)、噪音干擾大和海量的數(shù)據(jù)。由于海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中包含很多不確定性因素，數(shù)據(jù)挖掘可通過(guò)放寬對(duì)模型的假設(shè)來(lái)進(jìn)行仿真，防止傳統(tǒng)的建立精確數(shù)學(xué)模型的困難；〔b〕由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性，數(shù)據(jù)挖掘可以利用歷史上各個(gè)階段數(shù)據(jù)與當(dāng)前的數(shù)據(jù)的比擬分析來(lái)預(yù)測(cè)橋梁的未來(lái)響應(yīng)和性能，識(shí)別可能潛在的類型損傷；〔c〕數(shù)據(jù)挖掘可以從大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中區(qū)分不同環(huán)境因素之間以及同類環(huán)境因素對(duì)結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力特性的影響，從而有可能將環(huán)境腐蝕損傷與應(yīng)力損傷分別進(jìn)行識(shí)別，克服現(xiàn)有基于振動(dòng)的損傷識(shí)別方法的缺乏，真正實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜橋梁的實(shí)橋損傷診斷；〔d〕數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的計(jì)算效率高，結(jié)果表達(dá)方式豐富多采。目前數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在機(jī)械故障診斷等領(lǐng)域進(jìn)行了初步嘗試，但在土木工程特別是橋梁工程健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用那么報(bào)道很少，橋梁工程實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)種類多、數(shù)據(jù)質(zhì)量差、噪音強(qiáng)等特點(diǎn)，在問(wèn)題定義與建模、算法選擇、經(jīng)驗(yàn)參與等方面還有大量的工作要做。8結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指南和標(biāo)準(zhǔn)的研究現(xiàn)狀目前國(guó)內(nèi)外均缺少結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)不同形式的結(jié)構(gòu)，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿足如下要求：詳細(xì)規(guī)定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成；對(duì)監(jiān)測(cè)的力學(xué)和性能參數(shù)做出具體的要求；對(duì)傳感器的類型、性能和布置準(zhǔn)那么做出規(guī)定；提供相應(yīng)的損傷識(shí)別方法；建立結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。三、橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)1健康監(jiān)測(cè)方法1.1基于動(dòng)力的健康監(jiān)測(cè)方法目前研究中的大局部橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法，集中于使用動(dòng)力響應(yīng)來(lái)檢測(cè)和定位損傷，因?yàn)檫@些方法是整體的檢測(cè)方法，可以對(duì)大型的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行快速的檢測(cè)。這些基于動(dòng)力學(xué)的方法可以分為如下四類：①空間域方法，②模態(tài)域方法，③時(shí)域方法，和④頻域方法。其中空間域方法根據(jù)質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣的改變來(lái)檢測(cè)和確定損傷位置；模態(tài)域方法根據(jù)自振頻率、模態(tài)阻尼比和模態(tài)振型的改變來(lái)檢測(cè)損傷；在頻域方法中，模態(tài)參數(shù)如自振頻率、阻尼比和振型等是確定的，從非線性自回歸移動(dòng)平均模型估計(jì)出光譜分析逆動(dòng)力問(wèn)題和廣義頻率響應(yīng)函數(shù)被用于非線性系統(tǒng)的識(shí)別。在時(shí)域方法中，系統(tǒng)參數(shù)通過(guò)在一定時(shí)間內(nèi)采樣的數(shù)據(jù)來(lái)確定；如果結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的特性在外部荷載作用下隨時(shí)間改變，那么有必要確定由時(shí)域方法得出的系統(tǒng)動(dòng)力特性在時(shí)間上的改變。進(jìn)一步地，可以使用四種域中提出的任何動(dòng)力響應(yīng)，采用與模態(tài)無(wú)關(guān)或與模態(tài)相關(guān)的方法進(jìn)行損傷檢驗(yàn)。文獻(xiàn)資料顯示：模態(tài)無(wú)關(guān)的方法可以檢測(cè)出損傷的存在而無(wú)需大量的計(jì)算，但在確定損壞位置時(shí)并不精確；另一方面，模態(tài)相關(guān)的方法比與模態(tài)無(wú)關(guān)的方法相比：通常在確定損傷位置上更加精確且只需更少的傳感器，但該方法要求有恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)模型和大量的計(jì)算。雖然時(shí)域方法使用傳統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)量?jī)x器得到的原始時(shí)域數(shù)據(jù)，這些方法要求某些結(jié)構(gòu)信息和大量的計(jì)算，且具有個(gè)案特性。此外，頻域方法和模態(tài)域方法使用轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，但轉(zhuǎn)換存在誤差和噪音。而且，在空間域方法中，質(zhì)量和剛度矩陣的建模與修正還存在問(wèn)題且難以精確。將兩三種方法結(jié)合起來(lái)檢測(cè)和評(píng)估結(jié)構(gòu)的損傷具有很強(qiáng)的開展趨勢(shì)。例如，幾位研究者將靜載測(cè)試和模型測(cè)試的數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)評(píng)估損傷，這樣可以克服各自方法的缺點(diǎn)并相互檢查，與損傷檢測(cè)的復(fù)雜性相適應(yīng)。1.2聯(lián)合靜動(dòng)力的健康監(jiān)測(cè)方法靜力參數(shù)〔位移與應(yīng)變等〕是根據(jù)靜力荷載如在橋上緩慢移動(dòng)的車輛引起的變形進(jìn)行量測(cè)。在許多情況下，施加靜力荷載比動(dòng)力荷載更為經(jīng)濟(jì)，對(duì)于狀況評(píng)估，許多應(yīng)用只需要單元?jiǎng)偠取Ｔ谶@些情況下，靜力測(cè)試和分析即簡(jiǎn)單又經(jīng)濟(jì)。通常的橋梁監(jiān)測(cè)中都需要監(jiān)測(cè)靜態(tài)應(yīng)變〔和動(dòng)態(tài)應(yīng)變〕、靜力位移〔和動(dòng)撓度〕以及相應(yīng)的環(huán)境溫度、濕度和風(fēng)荷載。既然自振頻率、振型和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的靜力響應(yīng)都是結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)，這些參數(shù)可通過(guò)比擬數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)的靜動(dòng)力特性和試驗(yàn)確定的靜動(dòng)力特性值得到。損傷開展的結(jié)果之一是局部剛度的減小，從而導(dǎo)致一些響應(yīng)的改變；因此，對(duì)損傷檢測(cè)和評(píng)估，綜合結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力特性的監(jiān)測(cè)是非常必要的。根據(jù)這一思想，結(jié)合靜態(tài)應(yīng)變、靜態(tài)位移與動(dòng)力響應(yīng)〔即振型或模態(tài)柔度等〕來(lái)確定損傷位置和識(shí)別損傷程度，幾種算法綜合起來(lái)用于改良參數(shù)識(shí)別的靈敏度和提高解答過(guò)程的可靠度，靜力和動(dòng)力響應(yīng)被用來(lái)校準(zhǔn)識(shí)別的置信度水平。聯(lián)合靜動(dòng)力的損傷識(shí)別通常需要進(jìn)行有限元模型修正，因?yàn)橛邢拊Ｐ偷恼`差可能比損傷的變化要大，所以有限元模型必須先用測(cè)得的模態(tài)特性和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)；只有有限元模型是可靠的，有限元方法模態(tài)修正的結(jié)果才是可靠的。其他的方法包括統(tǒng)計(jì)損傷識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別方法、子結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別、基于小波變換的損傷識(shí)別等等，但是目前大多只停留在實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)單模型或數(shù)值模型，用于真正實(shí)橋的損傷識(shí)別和健康診斷還有很長(zhǎng)的路要走。2橋梁健康監(jiān)測(cè)的應(yīng)用先進(jìn)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括各類軟硬件系統(tǒng)，其中各類高性能智能傳感元件、信號(hào)采集與通訊系統(tǒng)〔包括無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)〕、綜合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的智能處理與動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)損傷識(shí)別、定位與模型修正系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)健康診斷、平安預(yù)警與可靠性預(yù)測(cè)系統(tǒng)是關(guān)鍵局部。美國(guó)八十年代中后期開始在多座橋梁上布設(shè)監(jiān)測(cè)傳感器，監(jiān)測(cè)環(huán)境荷載、結(jié)構(gòu)振動(dòng)和局部應(yīng)力狀態(tài)，用于監(jiān)視施工質(zhì)量、驗(yàn)證設(shè)計(jì)假定和評(píng)定服役平安狀態(tài)，比方1987年在佛羅里達(dá)的SunshineSkywey橋安裝了500個(gè)傳感器來(lái)證實(shí)設(shè)計(jì)假定，監(jiān)測(cè)施工質(zhì)量以及在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的狀態(tài)。1987年，英國(guó)在總長(zhǎng)522m的三跨變高度連續(xù)剛箱梁Foyle橋上布設(shè)傳感器，監(jiān)測(cè)大橋運(yùn)營(yíng)階段在車輛與風(fēng)載作用下主梁的振動(dòng)、撓度和應(yīng)變等響應(yīng)，同時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境風(fēng)和結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)，該系統(tǒng)是最早安裝較為完整的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之一，它實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)分析和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享。香港青馬大橋?yàn)闃蜷L(zhǎng)2160米、主跨1337米的公路、鐵路兩用選索橋，是連接香港新機(jī)場(chǎng)的重要交通樞紐。由于香港經(jīng)常遭受臺(tái)風(fēng)的襲擊，同時(shí)公路和鐵路兩用橋的特點(diǎn)使得施加在結(jié)構(gòu)上的荷載特別大，為了保障橋梁的健康運(yùn)行，建設(shè)過(guò)程中在橋梁上安裝了規(guī)模較大的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括風(fēng)、車輛和溫度等荷載和環(huán)境作用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，風(fēng)荷載有安裝在橋面板和主塔塔頂?shù)?個(gè)風(fēng)速儀測(cè)量，車輛荷載采用地秤進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)在橋面板和主塔安裝了115個(gè)溫度傳感器；結(jié)構(gòu)的整體響應(yīng)主要采用加速度傳感器、位移傳感器、水平測(cè)距儀和GPS系統(tǒng)測(cè)量，在橋面和主索上安裝了12個(gè)單向加速度傳感器、3個(gè)雙向加速度傳感器和2個(gè)三向加速度傳感器，在橋面板和主塔安裝了2個(gè)位移傳感器和9個(gè)水平測(cè)距儀；局部響應(yīng)主要通過(guò)埋設(shè)的應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量，應(yīng)變片在橋面板和主塔時(shí)光內(nèi)工粘貼了110個(gè)應(yīng)變計(jì)；除上述傳感器系統(tǒng)外，在該橋上還配置了相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能對(duì)橋梁的主塔、纜索、纜索錨頭、吊桿、橋面格架和橋體支座的平安狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。近五年的觀測(cè)顯示作用于橋梁上的風(fēng)，溫度和交通荷載遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載，監(jiān)測(cè)得到的橋梁關(guān)鍵部位的應(yīng)變位移反響也遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，因此認(rèn)為橋梁一直處于健康狀態(tài)。除青馬大橋外，香港的另外兩座大型斜拉橋-KapShunMun和TingKau橋上都安裝了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這三座橋梁的傳感器總數(shù)達(dá)900個(gè)〔Lauetal，1999〕。美國(guó)休斯頓的FredHartman大橋是另一較為典型的安裝監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的大跨度斜拉橋。FredHartman大橋橫跨HoustonShip河連接Baytown和LaPerte，由三跨組成，中間跨為381米，兩邊跨均為147米，橋面寬48米，橋面采用混凝土預(yù)應(yīng)力，鋼桁架支撐，錐形橋塔，一個(gè)錐形面內(nèi)24根斜拉橋，索在橋面上的間距為15米，共192根斜拉索。為了降低斜拉索的振動(dòng)和監(jiān)測(cè)橋梁的平安狀況，美國(guó)JohnsHopkins大學(xué)的Johns和Main在斜拉索上安裝了粘治阻尼器，同時(shí)安裝了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括安裝在橋面板水平位置的2個(gè)三向風(fēng)速計(jì)和安裝在南塔頂部的1個(gè)螺旋葉片風(fēng)速儀，環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器包括2個(gè)雨水量測(cè)計(jì)，溫度計(jì)和氣壓計(jì)，記錄外界環(huán)境條件的改變；結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)采用加速度傳感器和位移傳感器測(cè)量，在橋面板上安裝了4個(gè)單向和1個(gè)雙向加速度計(jì)，在斜拉索上安裝了19個(gè)兩向加速度計(jì)和8個(gè)位移傳感器；此外，還在安裝粘滯阻尼器的索上安裝了力傳感器，以監(jiān)測(cè)阻尼器的阻尼力。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了4極點(diǎn)的Bessel濾波器，其截止頻率為10Hz，數(shù)據(jù)采樣頻率為40Hz，每次連續(xù)現(xiàn)場(chǎng)采集5分鐘，并將采集的數(shù)據(jù)保存到硬盤上，之后通過(guò)遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊和系統(tǒng)控制，其中2700組數(shù)據(jù)是在第一年監(jiān)測(cè)到的。數(shù)據(jù)處理主要采用統(tǒng)計(jì)方法和頻譜分析方法。統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，將5分鐘的采樣數(shù)據(jù)按照1分鐘作為1個(gè)樣本，統(tǒng)計(jì)分析該橋反映的均值、方差、最小值和最大值、偏斜和峰態(tài)，并將有關(guān)的結(jié)果存入有關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的頻譜分析，發(fā)現(xiàn)該橋的振動(dòng)包括旋渦振動(dòng)、風(fēng)雨振和橋面與索之間的相互作用引起的參數(shù)振動(dòng)和橫向激振。通過(guò)對(duì)斜拉索振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率分析，研究了安裝粘滯阻尼器對(duì)索的阻尼和振動(dòng)頻率的影響。上海徐浦大橋綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中實(shí)施的實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)工程包括：車輛荷載監(jiān)測(cè)〔1個(gè)車道〕、溫度監(jiān)測(cè)〔20點(diǎn)〕、撓度監(jiān)測(cè)〔5點(diǎn)〕、橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)〔16點(diǎn)〕、應(yīng)變監(jiān)測(cè)〔20點(diǎn)〕、斜拉索振動(dòng)與索力監(jiān)測(cè)〔4根斜拉索〕等，其他工程由橋梁管理部門進(jìn)行的日常檢測(cè)作為補(bǔ)充。其他典型實(shí)例包括如山東東營(yíng)黃河公路大橋、哈爾濱松花江大橋、廣東虎門大橋、江陰長(zhǎng)江大橋、蕪湖長(zhǎng)江大橋、上海盧浦大橋等。潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋、蘇通大橋等特大型橋梁在施工階段已開始傳感器的安裝，一方面用于施工監(jiān)控，另外考慮長(zhǎng)期的健康監(jiān)測(cè)，便于未來(lái)運(yùn)營(yíng)期間的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警。國(guó)內(nèi)外安裝健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要橋梁參見表1。橋梁綜合監(jiān)測(cè)技術(shù)隨著現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的開展而不斷進(jìn)步，越來(lái)越趨向于智能化、實(shí)時(shí)化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化。智能化〔smart〕是通過(guò)開發(fā)和應(yīng)用高性能智能傳感設(shè)備，進(jìn)行自感知、自適應(yīng)、自診斷、自愈合和智能傳輸測(cè)試的物理量，包括智能感應(yīng)材料傳感器、光纖傳感器、鈉米混凝土傳感器等等。實(shí)時(shí)化(on-line)是綜合監(jiān)測(cè)與評(píng)估的根本目標(biāo)，能及時(shí)掌握橋梁工作狀態(tài)，徹底消除人工檢測(cè)的滯后性和低效性。通過(guò)監(jiān)測(cè)資料的積累，更有可能判別橋梁平安性能、使用性能和資金使用效率之間的最優(yōu)化臨界點(diǎn)，預(yù)測(cè)橋梁健康狀態(tài)的開展趨勢(shì)，防止重大事故的出現(xiàn)和資源的浪費(fèi)。自動(dòng)化(automatic)是實(shí)現(xiàn)橋梁實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的根底，不僅包括監(jiān)測(cè)設(shè)備等硬件上的自動(dòng)化，還應(yīng)包括對(duì)數(shù)據(jù)處理?xiàng)l件的自動(dòng)判別。由于綜合監(jiān)測(cè)中數(shù)據(jù)量十分龐大，盡管目前計(jì)算機(jī)海量存儲(chǔ)技術(shù)已得到飛速開展，對(duì)于如橋梁振動(dòng)這種監(jiān)測(cè)工程而言。從實(shí)際工程應(yīng)用和本錢角度來(lái)看，仍不可能做到對(duì)一天24小時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和記錄，需通過(guò)軟件設(shè)置一定的觸發(fā)條件，從大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中選擇需要局部進(jìn)行整理、記錄和分析。網(wǎng)絡(luò)化(internet)是信息時(shí)代的特征，橋梁實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的共享，以便各地專家對(duì)橋梁狀態(tài)的評(píng)估。輔以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)通信及遠(yuǎn)程控制方法，更可實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)離城市橋梁的自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。目前我國(guó)的橋梁建設(shè)技術(shù)已到達(dá)世界領(lǐng)先水平，橋梁建設(shè)事業(yè)得到了前所未有的開展，特大型橋梁投資巨大，隨著大型橋梁的不斷建成，如何做好橋梁的運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)，隨時(shí)了解橋梁結(jié)構(gòu)的健康情況，及時(shí)對(duì)橋梁的平安進(jìn)行評(píng)價(jià)已成為管理者日益需要和迫切希望解決的課題。我國(guó)目前在測(cè)試技術(shù)、智能控制技術(shù)、電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊與系統(tǒng)集成等方面已經(jīng)取得明顯進(jìn)步。此外，無(wú)線通信及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開展提供了建立無(wú)線橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可能性，可以大大降低系統(tǒng)中布線的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)更為方便。但目前光纖傳感器及采集系統(tǒng)、無(wú)線通訊系統(tǒng)較為昂貴，有待無(wú)線通信技術(shù)的進(jìn)一步開展及其本錢的進(jìn)一步降低。表1橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)局部應(yīng)用實(shí)例序號(hào)橋名通車時(shí)間結(jié)構(gòu)類型跨度〔m〕健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息建立健康監(jiān)測(cè)時(shí)間地點(diǎn)1汀九大橋1998斜拉橋127+475+448+1277個(gè)風(fēng)速儀，83個(gè)溫度傳感器，45個(gè)加速度計(jì)，88個(gè)應(yīng)變計(jì)，2個(gè)位移傳感器，6個(gè)動(dòng)態(tài)稱重儀，5個(gè)GPS，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。1998香港2青馬大橋1997懸索橋主跨：1377風(fēng)速儀，溫度傳感器，應(yīng)變計(jì)，加速度計(jì)，位移傳感器，GPS，動(dòng)態(tài)稱重儀，水平傳感器，攝相機(jī)，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。1997香港3汲水門大橋1997斜拉橋主跨：430風(fēng)速儀，溫度傳感器，應(yīng)變計(jì)，加速度計(jì)，位移傳感器，GPS，動(dòng)態(tài)稱重儀，水平傳感器，攝相機(jī)，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。1997香港4深圳西部通道大橋在建設(shè)中斜拉橋主跨：210風(fēng)速儀，溫度傳感器，應(yīng)變計(jì)，加速度計(jì)，位移傳感器，GPS，動(dòng)態(tài)稱重儀，侵蝕傳感器，攝相機(jī)，氣壓計(jì)，濕度計(jì)，雨量計(jì)，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在建設(shè)中香港5昂船州大橋在建設(shè)中斜拉橋主跨：1018風(fēng)速儀，溫度傳感器，應(yīng)變計(jì)，加速度計(jì)，位移傳感器，GPS，動(dòng)態(tài)稱重儀，EM傳感器，侵蝕傳感器，光纖傳感器，傾角儀，攝相機(jī)，氣壓計(jì)，濕度計(jì)，雨量計(jì)，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在建設(shè)中香港6江陰大橋1999斜拉橋369+1385+309風(fēng)速儀，溫度傳感器，應(yīng)變計(jì)，加速度計(jì)，位移傳感器，GPS，光纖傳感器，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。1999江蘇7南京長(zhǎng)江大橋1968鋼桁橋主跨：160風(fēng)速儀，溫度傳感器，應(yīng)變計(jì)，加速度計(jì)，位移傳感器，地震儀，動(dòng)態(tài)稱重儀，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。/江蘇8南京長(zhǎng)江二橋2001斜拉橋主跨：268風(fēng)速儀，溫度傳感器，應(yīng)變計(jì)，加速度計(jì)，位移傳感器，地震儀，動(dòng)態(tài)稱重儀，磁彈性測(cè)力儀，濕度計(jì)。/江蘇9潤(rùn)楊南汊橋2000懸索橋主跨：1490風(fēng)速儀，溫度傳感器，應(yīng)變計(jì)，加速度計(jì)，位移傳感器，GPS。/江蘇10潤(rùn)楊北汊橋/懸索橋主跨：460風(fēng)速儀，溫度傳感器，應(yīng)變計(jì)，加速度計(jì)，位移傳感器。/江蘇11蘇通大橋在建設(shè)中斜拉橋主跨：1088風(fēng)速儀，溫度傳感器，應(yīng)變計(jì)，加速度計(jì)，位移傳感器，GPS，動(dòng)態(tài)稱重儀，侵蝕傳感器，磁彈性測(cè)力儀，光纖傳感器，傾角儀，濕度計(jì)，攝相機(jī)，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在建設(shè)中江蘇12南京長(zhǎng)江三橋2005斜拉橋主跨：648應(yīng)變計(jì)，位移傳感器，加速度計(jì)，離線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。2005江蘇13銅陵長(zhǎng)江大橋1995斜拉橋主跨：432風(fēng)速儀，溫度傳感器，加速度計(jì)，傾角儀。2002安徽14蕪湖大橋2000斜拉橋主跨：312溫度傳感器，應(yīng)變計(jì)，加速度計(jì)，位移傳感器，光纖傳感器，水平傳感器。2002安徽15虎門大橋1998懸索橋主跨：888應(yīng)變計(jì)，GPS，傾角儀，水平傳感器。1998廣東16湛江海灣大橋2002斜拉橋主跨：480風(fēng)速儀，溫度傳感器，應(yīng)變計(jì)，加速度計(jì)，位移傳感器，GPS，磁彈性測(cè)力儀，傾角儀，地震儀，濕度計(jì)。2004廣東17徐浦大橋1997斜拉橋主跨：590溫度傳感器，應(yīng)變計(jì)，加速度計(jì)，動(dòng)態(tài)稱重儀，水平傳感器。1999上海18盧浦大橋2003拱橋主跨：550溫度傳感器，應(yīng)變計(jì)，加速度計(jì)，水平傳感器。2003上海19大佛寺大橋2001斜拉橋主跨：450溫度傳感器，應(yīng)變計(jì)，加速度計(jì)，光纖傳感器，水平傳感器，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。2003重慶20廣洋島大橋在建設(shè)中連續(xù)剛構(gòu)橋115+200+115FBG溫度傳感器，F(xiàn)BG應(yīng)變計(jì)，智能混凝土應(yīng)變計(jì)。在建設(shè)中重慶21濱州黃河大橋2005斜拉橋主跨：300風(fēng)速儀，溫度傳感器，加速度計(jì)，GPS，磁彈性測(cè)力儀，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。2004山東22東營(yíng)黃河大橋2005連續(xù)剛構(gòu)橋115+210+220+210+1151300個(gè)FBG溫度傳感器和應(yīng)變計(jì)，離線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2005山東23茅草街大橋在建設(shè)中拱橋主跨：368風(fēng)速儀，加速度計(jì)，F(xiàn)BG溫度傳感器，F(xiàn)BG應(yīng)變計(jì)。在建設(shè)中湖南24峨邊大渡河橋1992拱橋主跨：140SmartFBGtiedandsuspender,soundemission,離線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2005四川25錢江四橋2004拱橋主跨：580磁彈性測(cè)力儀，風(fēng)速儀，溫度傳感器，加速度計(jì)。2004浙江26松花江大橋2004斜拉橋主跨：365風(fēng)速儀，加速度計(jì)，GPS，F(xiàn)B-G溫度傳感器，F(xiàn)BG應(yīng)變計(jì)，離線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。2004黑龍江27呼蘭河大橋

2000連續(xù)剛構(gòu)橋主跨：40FBG溫度傳感器，F(xiàn)BG應(yīng)變計(jì)，離線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。2000黑龍江28牛頭山大橋2002連續(xù)剛構(gòu)橋主跨：4212個(gè)FBG溫度傳感器和應(yīng)變計(jì)，離線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。2002黑龍江29海滄大橋1999懸索橋主跨：648風(fēng)速儀，溫度傳感器，位移傳感器，GPS1999福建30舟山西堠門大橋在建設(shè)中懸索橋主跨：1650風(fēng)速儀，加速度計(jì)，溫度傳感器，GPS，位移傳感器，F(xiàn)BG應(yīng)變傳感器，應(yīng)變計(jì)，攝相機(jī)，氣壓計(jì)，濕度計(jì)，侵蝕傳感器，雨量計(jì)，地震儀，動(dòng)態(tài)稱重儀。在建設(shè)中浙江31壩陵河大橋在建設(shè)中懸索橋主跨：1088風(fēng)速儀，加速度計(jì)，溫度傳感器，GPS，位移傳感器，應(yīng)變計(jì)，攝相機(jī)，氣壓計(jì)，濕度計(jì)，地震儀，傾角儀，EM傳感器，動(dòng)態(tài)稱重儀。在建設(shè)中貴州32杭州灣大橋在建設(shè)中斜拉橋主跨：448在安裝中在建設(shè)中浙江33東海大橋2005斜拉橋主跨：420風(fēng)速儀，加速度計(jì)，溫度傳感器，GPS，位移傳感器，應(yīng)變計(jì)，攝相機(jī)，EM傳感器，侵蝕傳感器，洋流測(cè)定儀，波動(dòng)測(cè)定儀，水壓測(cè)定儀。2005上海34馬桑溪長(zhǎng)江大橋在建設(shè)中斜拉橋主跨：500光纖傳感器，溫度、濕度、加速度計(jì)，圖像感知系統(tǒng)重慶35天津永和大橋在建設(shè)中斜拉橋主跨：270風(fēng)速儀，加速度計(jì)，溫度傳感器，GPS，應(yīng)變計(jì)，攝相機(jī)，EM傳感器，動(dòng)態(tài)稱重儀，水平傳感器。天津36八尺門大橋2003連續(xù)剛構(gòu)橋90+2×170+90溫度傳感器、動(dòng)應(yīng)變傳感器，動(dòng)位移傳感器，加速度傳感器等2006福建37下白石大橋2003連續(xù)剛構(gòu)橋145+2×260+145溫度傳感器、動(dòng)應(yīng)變傳感器，動(dòng)位移傳感器，加速度傳感器等2006福建38新原高速公路小溝特大橋連續(xù)剛構(gòu)橋55+5×100+55光纖光柵應(yīng)變傳感器，溫度傳感器，動(dòng)態(tài)稱重傳感器，光電液位撓度傳感系統(tǒng)，壓電式傳感器。山西39鄭州黃河大橋1960組合結(jié)構(gòu)71×40.7永磁傳感器，振動(dòng)傳感器，加速度傳感器，電渦流位移傳感器，溫度傳感器，雨水傳感器，水位傳感器，車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)2000鄭州40招寶山大橋2001斜拉橋主跨：258風(fēng)速儀，溫度傳感器，應(yīng)變傳感器，位移傳感器，GPS，加速度傳感器。2001浙江41青島海灣橋在建設(shè)中拱橋+斜拉橋+懸索橋兩主跨：2605個(gè)風(fēng)速儀，2個(gè)溫度傳感器，應(yīng)變傳感器，傾斜儀，位移傳感器，13個(gè)GPS，150個(gè)加速度傳感器。山東42上海長(zhǎng)江大橋在建設(shè)中斜拉橋主跨：7305個(gè)風(fēng)速儀，54個(gè)溫度傳感器，107個(gè)應(yīng)變傳感器，位移傳感器，16個(gè)GPS，14個(gè)加速度傳感器上海四橋梁健康監(jiān)測(cè)的主要研究方向與研究?jī)?nèi)容1土木工程新型傳感器和測(cè)試新技術(shù)與應(yīng)用針對(duì)重大工程結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)的特殊環(huán)境和要求，研制結(jié)構(gòu)局部性態(tài)〔如應(yīng)力、應(yīng)變、裂紋、疲勞等〕、整體性態(tài)〔如位移、速度、加速度等〕和一些環(huán)境作用〔如溫度、壓力、車輛荷載等〕監(jiān)測(cè)的智能傳感元件和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，主要研究?jī)?nèi)容如下：智能傳感元件、監(jiān)測(cè)性能與信號(hào)采集系統(tǒng)：研究光纖光柵應(yīng)變和溫度交叉敏感耦合機(jī)理；針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，分別研究光纖光柵金屬封裝應(yīng)變傳感器和樹脂基纖維封裝應(yīng)變傳感器及其應(yīng)變傳遞特性、大應(yīng)變監(jiān)測(cè)性能和耐久性；探索結(jié)構(gòu)大應(yīng)變、局部損傷分布式定位和可能定量監(jiān)測(cè)的其它光纖傳感系統(tǒng)，如基于普通光纖傳感器及其時(shí)域反射計(jì)的結(jié)構(gòu)損傷定位與定量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)〔opticaltimedomainreflectometer，OTDR〕等。針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊縫和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫損傷，研究壓電薄膜和壓電陶瓷裂縫/裂紋監(jiān)測(cè)傳感元件、監(jiān)測(cè)信號(hào)與損傷特征的關(guān)系及其多裂縫的耦合影響、傳感元件的耐久性和與機(jī)體的融合性能、以及監(jiān)測(cè)信號(hào)采集系統(tǒng)。針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷突出的問(wèn)題，研究改善疲勞壽命電阻絲〔箔〕傳感元件的監(jiān)測(cè)性能和耐久性能、探討累積電阻與疲勞損傷的關(guān)系及其應(yīng)變幅值與循環(huán)周數(shù)的耦合影響、監(jiān)測(cè)信號(hào)采集系統(tǒng)；研究基于疲勞壽命電阻絲〔箔〕的金屬構(gòu)件疲勞累積損傷評(píng)價(jià)和剩余壽命預(yù)測(cè)方法。機(jī)敏混凝土、碳纖維膜/片/筋及其傳感系統(tǒng)：研究完善碳纖維、納米及其混合填料水泥漿〔機(jī)敏水泥漿〕的制備，研制開發(fā)機(jī)敏水泥漿應(yīng)力/應(yīng)變傳感器；研究傳感器的感知特性及其環(huán)境溫度、濕度、收縮徐變的影響和可能的補(bǔ)償方法、長(zhǎng)期感知穩(wěn)定性和耐久性、電極設(shè)置與信號(hào)采集系統(tǒng)；研究機(jī)敏水泥漿應(yīng)力/應(yīng)變傳感器與混凝土機(jī)體的界面效應(yīng)、監(jiān)測(cè)應(yīng)力應(yīng)變的效果。研究碳纖維、混雜纖維樹脂基或改性樹脂基膜/片/筋〔機(jī)敏碳纖維膜/片/筋〕的感知特性及其環(huán)境溫度、濕度、收縮徐變的影響和可能的補(bǔ)償方法、長(zhǎng)期感知穩(wěn)定性與耐久性、電極設(shè)置與信號(hào)采集系統(tǒng)；研究機(jī)敏碳纖維膜/片/筋傳感器與混凝土機(jī)體或鋼結(jié)構(gòu)外表的界面效應(yīng)、監(jiān)測(cè)應(yīng)力應(yīng)變的效果。多功能無(wú)線傳感器及其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：研究無(wú)線加速度傳感節(jié)點(diǎn)/網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線應(yīng)變傳感節(jié)點(diǎn)/網(wǎng)絡(luò)以及多種類傳感器集成節(jié)點(diǎn)/網(wǎng)絡(luò)；研究無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)局部數(shù)據(jù)處理方法以及數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)和基站之間的數(shù)據(jù)通訊和傳輸方法；研究無(wú)線傳感器組網(wǎng)以及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。橋梁結(jié)構(gòu)非接觸檢測(cè)系統(tǒng)研制及應(yīng)用：包括雷達(dá)與紅外熱象儀檢測(cè)技術(shù)；圖象掃描、成像分析與識(shí)別技術(shù)等。2傳感器的優(yōu)化布設(shè)技術(shù)、系統(tǒng)集成與數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)2.1傳感器的優(yōu)化布設(shè)技術(shù)結(jié)構(gòu)易損性分析與局部性態(tài)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化方法：依據(jù)不同技術(shù)方案，研究最小測(cè)點(diǎn)獲取最多模態(tài)振型、信號(hào)空間相關(guān)測(cè)點(diǎn)選擇、信息矩陣秩最小法、模態(tài)動(dòng)能法等的差異，選擇最優(yōu)的傳感器優(yōu)化布置理論。結(jié)構(gòu)整體性態(tài)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化方法：進(jìn)一步地研究基于遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的傳感器布置算法，確定最優(yōu)的傳感器優(yōu)化布置技術(shù)方案。2.2系統(tǒng)集成與數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究重大工程結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)集中采集、實(shí)時(shí)處理、管理和交換以及實(shí)時(shí)損傷識(shí)別與平安評(píng)定、現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)的硬軟件集成系統(tǒng)?；诜植际骄W(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成技術(shù)：研究開發(fā)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的大規(guī)模監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集中采集實(shí)時(shí)處理的先進(jìn)總線集成系統(tǒng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、多用戶查詢和軟件應(yīng)用的數(shù)據(jù)交換方法；研究開發(fā)適用于不同傳感元件、不同數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、不同數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、不同應(yīng)用軟件平臺(tái)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)集成系統(tǒng)。多結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的集成系統(tǒng)網(wǎng)：以大跨度橋梁為典型結(jié)構(gòu)，研究基于地理信息系統(tǒng)〔GIS〕的多橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的集成方法和集成系統(tǒng)網(wǎng)。3橋梁結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)數(shù)據(jù)管理與控制技術(shù)研究重大工程結(jié)構(gòu)性態(tài)響應(yīng)和損傷變量等多參數(shù)、多傳感元件監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的融合、實(shí)時(shí)處理、遠(yuǎn)程有線和無(wú)線傳輸?shù)闹悄芑椒?。主要研究?jī)?nèi)容有：多參量、多傳感元件監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)智能處理方法：研究多參量、多傳感元件監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的融合方法；研究動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息的噪聲形成機(jī)理與噪聲識(shí)別方法，開展基于現(xiàn)代信息處理技術(shù)的噪聲過(guò)濾技術(shù)；研究動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息的時(shí)域、頻域、時(shí)頻域?qū)崟r(shí)處理方法和遠(yuǎn)程傳輸?shù)臄?shù)據(jù)壓縮方法。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸方法研究：研究多參量、多傳感元件監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分類集成和傳輸、分區(qū)域集成和傳輸?shù)倪f階集成與傳輸方法；研究開發(fā)多參量、多傳感元件監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遞階集成與傳輸?shù)挠芯€和無(wú)線傳輸系統(tǒng)〔包括硬軟件集成系統(tǒng)〕?；趧?dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)管理和控制技術(shù)研究:主要研究基于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)查詢、歷史記錄管理、特征值統(tǒng)計(jì)分析〔峰谷值、平均值、方差統(tǒng)計(jì)〕、不同類型數(shù)據(jù)的相干分析等等。基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的橋梁監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)挖掘與控制。4橋梁平安預(yù)警技術(shù)及結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)估技術(shù)研究基于監(jiān)測(cè)信息的重大工程結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)損傷推斷與定位、實(shí)時(shí)模型修正與平安評(píng)定的理論和方法、以及結(jié)構(gòu)平安預(yù)警的多水平準(zhǔn)那么，建立典型重大工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別與平安評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，為重大工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)與平安預(yù)警提供理論、方法和統(tǒng)一的檢驗(yàn)平臺(tái)。主要研究?jī)?nèi)容如下：4.1結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)損傷推斷、定位與模型修正的理論和方法環(huán)境時(shí)變作用模型研究?！瞐〕研究晝夜溫差變化與季節(jié)溫差變化的幅值及其循環(huán)作用的次數(shù)，研究溫度對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋梁靜動(dòng)力特性的影響；(b)預(yù)應(yīng)力對(duì)超靜定結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響目前還沒有明確的結(jié)論，對(duì)于既有橋梁結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力隨時(shí)間而變化的，需要研究預(yù)應(yīng)力效應(yīng)變化及其對(duì)橋梁動(dòng)力特性的影響。復(fù)雜結(jié)構(gòu)損傷的子結(jié)構(gòu)、分散化識(shí)別方法：針對(duì)大型拉索式橋梁結(jié)構(gòu)等具有明顯子結(jié)構(gòu)特征〔如拉索、橋面和橋塔等相對(duì)獨(dú)立又有機(jī)聯(lián)系的子結(jié)構(gòu)體系〕的重大工程結(jié)構(gòu)，研究結(jié)構(gòu)局部損傷、子結(jié)構(gòu)損傷和分散化損傷推斷——分析和識(shí)別及其兩者相結(jié)合的方法；研究以局部信息為先驗(yàn)知識(shí)和以整體信息為先驗(yàn)知識(shí)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的信息融合方法?；诜俏锢砟Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法：采用現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)和人工智能方法，研究基于非物理模型的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法，主要包括小波包變換分析方法、Hilbert-Huang變換分析方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等，建立小波包能量譜等結(jié)構(gòu)損傷指紋；研究非物理模型的結(jié)構(gòu)損傷特征與有物理模型的結(jié)構(gòu)損傷特征的關(guān)系與相互轉(zhuǎn)化的條件和方法。結(jié)構(gòu)模型修正的理論與方法：在結(jié)構(gòu)損傷推斷與定位的根底上，研究結(jié)構(gòu)模型修正的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件；研究子結(jié)構(gòu)模型修正方法，從單元到單元、整體到單元的模型修正方法，基于局部和整體性態(tài)變量一致性的結(jié)構(gòu)模型修正方法，以及概率模型修正方法。4.2結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)定的理論與方法結(jié)構(gòu)平安評(píng)定的荷載標(biāo)準(zhǔn)：橋梁評(píng)估顯然不同于橋梁設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)是基于統(tǒng)計(jì)分析綜合得到的，而實(shí)橋?qū)嶋H經(jīng)歷的荷載顯然不同于預(yù)期的設(shè)計(jì)荷載，可能發(fā)生超載，還有不同軸重的概率分布和交通流量等。因此制定橋梁評(píng)估的荷載標(biāo)準(zhǔn)就顯得特別重要。研究基于環(huán)境條件監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)極值環(huán)境作用；研究結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用期和后續(xù)服役期的隨機(jī)環(huán)境荷載等概率超越準(zhǔn)那么以及以此為準(zhǔn)那么的結(jié)構(gòu)平安評(píng)定荷載標(biāo)準(zhǔn)；研究地震、強(qiáng)風(fēng)和海浪等具體的評(píng)定荷載標(biāo)準(zhǔn)。典型重大工程結(jié)構(gòu)累積損傷與抗力衰減的關(guān)系：針對(duì)大型拉索式橋梁結(jié)構(gòu)以及固定式鋼質(zhì)導(dǎo)管架海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)，研究結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件累積損傷的規(guī)律、結(jié)構(gòu)構(gòu)件和整體性能退化規(guī)律和抗力衰減模型。結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)平安評(píng)定：結(jié)合典型重大工程結(jié)構(gòu)，研究易損性構(gòu)件和重要性構(gòu)件與結(jié)構(gòu)失效模式和相應(yīng)極限承載能力的關(guān)系；研究結(jié)構(gòu)重分析和極限承載能力分析的高效快速方法，以及基于當(dāng)前監(jiān)測(cè)確定的極限環(huán)境作用和極限強(qiáng)度模板映射的結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)平安評(píng)定方法；研究基于當(dāng)前結(jié)構(gòu)損傷狀況和評(píng)定荷載標(biāo)準(zhǔn)下的結(jié)構(gòu)平安評(píng)定方法。橋梁剩余使用壽命預(yù)測(cè)。由于影響既有橋梁剩余壽命的因素很多，包括混凝土的碳化、鋼筋銹蝕、超載運(yùn)營(yíng)等等，各個(gè)影響因素之間互相影響，目前針對(duì)既有公路橋梁的抗力衰減模型雖有一定的參考資料，但是超載導(dǎo)致的疲勞損傷和鋼筋導(dǎo)致的銹蝕等多因素耦合的橋梁抗力衰減模型還有待進(jìn)一步的研究。(a)開展適宜的橋梁系統(tǒng)抗力模型，主要內(nèi)容有：定義適宜的極限狀態(tài)、定義適宜的橋梁材料和部件抗力系數(shù)、在既有經(jīng)驗(yàn)根底上建立目標(biāo)平安性指標(biāo)和橋梁系統(tǒng)抗力模型。(b)研究結(jié)構(gòu)主導(dǎo)失效模式發(fā)生概率的計(jì)算方法與識(shí)別技術(shù)；研究基于荷載與抗力隨機(jī)變量先驗(yàn)知識(shí)的重要抽樣方法和結(jié)構(gòu)整體抗力與荷載效應(yīng)極限狀態(tài)的結(jié)構(gòu)體系可靠度預(yù)測(cè)方法。4.3結(jié)構(gòu)平安預(yù)警的多水平準(zhǔn)那么結(jié)構(gòu)預(yù)警水平?jīng)Q策：結(jié)合典型重大工程結(jié)構(gòu)，研究結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理、失效模式和最小平安余度；根據(jù)結(jié)構(gòu)不同狀態(tài)的功能，研究結(jié)構(gòu)多級(jí)平安預(yù)警水平設(shè)立準(zhǔn)那么、標(biāo)準(zhǔn)和基于損傷過(guò)程控制的閥值調(diào)整方法?；谙闰?yàn)知識(shí)的結(jié)構(gòu)平安預(yù)警方法：研究根據(jù)結(jié)構(gòu)易損性分析、結(jié)構(gòu)失效路徑和臨界狀態(tài)、損傷指紋的結(jié)構(gòu)平安預(yù)警方法，研究快速預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)災(zāi)變響應(yīng)的理論與方法。建立長(zhǎng)大橋梁平安預(yù)警系統(tǒng)。5橋梁健康監(jiān)測(cè)與橋梁養(yǎng)護(hù)管理的決策模型一定要探索橋梁健康監(jiān)測(cè)與橋梁養(yǎng)護(hù)管理的有機(jī)結(jié)合點(diǎn)，將健康監(jiān)測(cè)納入橋梁管理系統(tǒng)的范疇，這是未來(lái)橋梁健康監(jiān)測(cè)的開展大方向。側(cè)重于橋梁生命周期內(nèi)的養(yǎng)護(hù)維修策略，結(jié)合橋梁健康監(jiān)測(cè)與能力預(yù)測(cè)，提出橋梁養(yǎng)護(hù)維修決策模型，推薦加固維修方案比擬并推薦優(yōu)化的加固技術(shù)方案，將研究成果應(yīng)用于具體橋梁工程的加固改造設(shè)計(jì)與施工，第三節(jié)大跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一、下白石大橋簡(jiǎn)介下白石大橋〔圖2〕屬于國(guó)家干線高速公路沈海線〔閩〕福鼎至寧德高速公路上的一座特大型橋梁，主橋上部結(jié)構(gòu)為跨徑145m＋2260m＋l45m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，橋梁全長(zhǎng)810米。整個(gè)主橋處于堅(jiān)曲線范圍內(nèi)，豎曲線半徑R＝52000米．橋面縱坡變坡點(diǎn)在樁號(hào)K125＋400.00處，兩側(cè)坡度分別為0.9％和-0.3％,主橋中點(diǎn)橋面標(biāo)高設(shè)計(jì)為45.173米，橋面兩側(cè)設(shè)2％的單向橫坡。主橋橋面寬24.50米，分為上下行兩幅，在主橋主墩處用四道橫梁連接起來(lái)，每幅橋箱梁采用單箱單室截面，箱梁頂板寬12.00米，底板寬6.00米，橋梁定面設(shè)單向橫坡；墩頂處箱粱高為14.00米，各跨跨中以及現(xiàn)澆梁段高均為4.20米，該橋支座采用KPZ系列盆式橡膠支座。該橋設(shè)計(jì)荷載為汽超-20、掛一120，無(wú)人群荷載，于2003年7月建成通車。通車3年以后，經(jīng)過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)橋梁存在明顯的下?lián)?、支座伸縮變形過(guò)大、水下樁根底沖刷露筋、箱梁開裂等病害。期望通過(guò)長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，監(jiān)測(cè)橋梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的根本信息，對(duì)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行預(yù)警或者報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的平安運(yùn)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，科學(xué)地實(shí)施橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)。圖2下白石大橋二、監(jiān)測(cè)目的建立一套穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)采集分析傳輸?shù)慕】当O(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為大橋的長(zhǎng)期平安運(yùn)營(yíng)和養(yǎng)護(hù)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。建立遠(yuǎn)程控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)及時(shí)了解大橋的運(yùn)行情況及各測(cè)點(diǎn)的特征值和預(yù)處理結(jié)果。通過(guò)大量的特征值和實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的分析，建立一套完整的評(píng)估和預(yù)警系統(tǒng)。為大橋的結(jié)構(gòu)損傷提供可靠的數(shù)據(jù)，為橋梁養(yǎng)護(hù)部門對(duì)大橋的養(yǎng)護(hù)、維修提供必要的信息。為類似結(jié)構(gòu)的橋梁的監(jiān)測(cè)和養(yǎng)護(hù)提供珍貴經(jīng)驗(yàn)，推進(jìn)橋梁監(jiān)測(cè)的開展。三、健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案3.1系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)思路為了便于系統(tǒng)的管理和維護(hù)，將加速度、動(dòng)位移、應(yīng)力等多種參數(shù)測(cè)試集成在一個(gè)系統(tǒng)中，以測(cè)試斷面為單元，采用模塊化設(shè)計(jì)。測(cè)試信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集后多通道合成，采用光纖進(jìn)行數(shù)字化傳輸數(shù)據(jù)，解決現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的長(zhǎng)距離高速不間斷傳輸難題，采用了星型傳輸結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)同時(shí)保證了各個(gè)測(cè)試斷面采集子站的電系統(tǒng)獨(dú)立性，增強(qiáng)測(cè)試系統(tǒng)抗干擾能力，采集子站的局部故障不會(huì)擴(kuò)散到整個(gè)系統(tǒng)的其他局部，便于系統(tǒng)維護(hù)。系統(tǒng)設(shè)備布置方案采用數(shù)據(jù)采集箱，安放于測(cè)試斷面距各測(cè)點(diǎn)最近，使得傳感器輸出的微弱信號(hào)傳輸距離最短，減少干擾及信號(hào)傳輸線路；采集控制器、主控計(jì)算機(jī)和預(yù)處理計(jì)算機(jī)安放在橋的中心位置，保證與各采集子站通訊傳輸距離最短，減少光纖長(zhǎng)度，便于安裝，節(jié)約本錢。主控計(jì)算機(jī)控制現(xiàn)場(chǎng)各采集箱完成橋梁各種靜、動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)的采集、預(yù)處理和存儲(chǔ)，在監(jiān)控中心可以實(shí)時(shí)觀測(cè)橋梁的振動(dòng)，位移和應(yīng)力狀況，并且可以通過(guò)人工定期到現(xiàn)場(chǎng)取數(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)帶回處理分析。預(yù)處理計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，并且通過(guò)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)分析的特征值傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的數(shù)據(jù)中心。3.2監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容〔1〕實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)容〔采樣頻率200Hz〕橋梁靜動(dòng)態(tài)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，包括主梁控制截面混凝土應(yīng)力監(jiān)測(cè)等；橋梁振動(dòng)特性監(jiān)測(cè)，包括橋面豎向、橫向、縱向與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性〔包括各向振動(dòng)頻率、阻尼比、振型和振動(dòng)強(qiáng)度等〕及其變異監(jiān)測(cè)；橋梁豎向、橫橋向動(dòng)位移監(jiān)測(cè)等。〔2〕定期監(jiān)測(cè)內(nèi)容橋梁定期線型監(jiān)測(cè)〔半年一次〕支座縱橫向位移監(jiān)測(cè)〔采樣時(shí)間間隔5分鐘〕；橋梁工作環(huán)境監(jiān)測(cè)，包括橋梁環(huán)境溫度、濕度監(jiān)測(cè)等〔采樣時(shí)間間隔5分鐘〕；根據(jù)下白石大橋健康監(jiān)測(cè)的根本思路、監(jiān)測(cè)要求、連續(xù)剛構(gòu)橋的特點(diǎn)以及傳感器的選擇原那么，用于下白石大橋健康監(jiān)測(cè)的儀器類型和數(shù)量如表2。表2下白石大橋監(jiān)測(cè)傳感器選型序號(hào)監(jiān)測(cè)工程傳感器型號(hào)數(shù)量〔個(gè)〕主要性能指標(biāo)1主梁應(yīng)變WFLM-60-11〔東京測(cè)器研究所〕62柵長(zhǎng)60mm；靈敏度系數(shù)1.96±1％；1/4橋路方式；應(yīng)變計(jì)電阻120R。2主橋線型LeicaTCA-2003全站儀1靜態(tài)測(cè)量精度：1mm+2ppm動(dòng)態(tài)測(cè)量精度；5mm+2ppm3豎向、橫向和縱向加速度941BA型〔哈工力所〕31最大量程：±20m/s2；靈敏度：0.3Vs2/m；分辨率：5×10－6m/s2；4豎向和橫向動(dòng)位移941BX型〔哈工力所〕14最大量程：±150mm；靈敏度：1.0V/m；分辨率：1×10－6m頻響：0.25～80Hz〔+1~－3db〕5箱內(nèi)外溫度半導(dǎo)體溫度計(jì)BGK3700〔北京基康〕16測(cè)量范圍：-50℃～～150℃；靈敏度:±0.5%F.S；分辯率:0.034℃；阻值變化范圍：55.6～201.1K6支座位移縱向SW-30(哈工力所)4最大可測(cè)位移：±30cm；靈敏度：0.01V/cm/V；分辨率：0.2mm；線性度：≤橫向SW-10(哈工力所)4最大可測(cè)位移：±10cm；靈敏度：0.05V/cm/V；分辨率：0.2mm數(shù)量合計(jì)132監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置參見附件一，各類傳感器安裝及保護(hù)參見下列圖3。3.3監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，光纖傳輸數(shù)據(jù)，采集子站與總控制器的擴(kuò)展距離可達(dá)數(shù)公里；防塵機(jī)箱最大限度滿足野外及惡劣環(huán)境的使用；斷電自動(dòng)恢復(fù)和錯(cuò)誤報(bào)告功能；以工控機(jī)為根底的硬件和軟件環(huán)境,實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)結(jié)果；中文視窗WinNT/2000/XP操作系統(tǒng)下32位采樣和分析軟件；每臺(tái)計(jì)算機(jī)最多可控制512個(gè)測(cè)點(diǎn)；每通道獨(dú)立放大器，大大提高了系統(tǒng)抗干擾能力；前置調(diào)理器，增加系統(tǒng)抗干擾能力；直流供橋，自動(dòng)平衡，平衡結(jié)果保存對(duì)意外斷電具有恢復(fù)功能；星型結(jié)構(gòu)保證系統(tǒng)的相對(duì)獨(dú)立；全橋系統(tǒng)多參數(shù)、多測(cè)點(diǎn)并行全同步采樣；網(wǎng)絡(luò)采集，實(shí)現(xiàn)采集分析自動(dòng)控制。(a)普通應(yīng)變計(jì)和光纖應(yīng)變計(jì)(b)加速度傳感器(c)動(dòng)位移傳感器(d)傳感器防護(hù)盒(e)拉線位移傳感器(f)箱外溫度傳感器圖3傳感器的安裝和防護(hù)四、系統(tǒng)各工程技術(shù)指標(biāo)4.1在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集器技術(shù)指標(biāo)應(yīng)變測(cè)試技術(shù)指標(biāo)輸入阻抗:1MΩ∥40PF；輸入保護(hù):輸入信號(hào)大于±5V(DC或AC峰值)時(shí),輸入全保護(hù)；輸入方式:DC差分(1/4橋方式)；可接入的信號(hào):應(yīng)變傳感器信號(hào)；滿度值:±500με；系統(tǒng)準(zhǔn)確度:小于0.5％(F.S)(預(yù)熱半小時(shí)后測(cè)量)；系統(tǒng)穩(wěn)定度:0.05％/h(同上)；線性度:滿度的0.1％；失真度:不大于0.5％；最大信號(hào)帶寬:DC～10Hz；噪聲:不大于2μV(輸入短路,在最大增益和最大帶寬時(shí)折算至輸入端)；共模抑制(CMR):不小于100dB；共模電壓(DC或AC峰值):小于±4V、DC～60Hz；時(shí)間漂移:小于3μV/小時(shí)(輸入短路,預(yù)熱1小時(shí)后,恒溫,在最大增益時(shí)折算至輸入端)；溫度漂移:小于1μV/℃(在允許的工作溫度范圍內(nèi),輸入短路,在最大增益時(shí)折算至輸入端)；濾波器濾波方式:模擬慮波；濾波器截止頻率:28Hz；濾波器阻帶衰減:約-24dB/oct；濾波器平坦度(分析頻率范圍內(nèi)):小于±0.1dB；供橋電壓:2V；適用應(yīng)變計(jì)電阻值:120Ω；平衡范圍:±10000με(應(yīng)變計(jì)阻值誤差±2％)；通道隔離度:90dB；A/D分辨率:14位A／D轉(zhuǎn)換器；每測(cè)點(diǎn)采樣速率：1Hz,2Hz,5Hz,10Hz,20Hz，50Hz,100Hz，200Hz；電源:220V±10％〔AC〕；50Hz±2％；最大功率30W；加速度測(cè)試技術(shù)指標(biāo)輸入阻抗:1MΩ∥40PF；輸入保護(hù):輸入信號(hào)大于±5V(DC或AC峰值)時(shí),輸入全保護(hù)；輸入方式:DC單端；可接入的信號(hào):941BA信號(hào)；滿度值:±1g；系統(tǒng)準(zhǔn)確度:小于0.5％(F.S)(預(yù)熱半小時(shí)后測(cè)量)；系統(tǒng)穩(wěn)定度:0.05％/h(同上)；線性度:滿度的0.1％；失真度:不大于0.5％；最大信號(hào)帶寬:DC～40Hz；噪聲:不大于2μV(輸入短路,在最大增益和最大帶寬時(shí)折算至輸入端)；共模抑制(CMR):不小于100dB；共模電壓(DC或AC峰值):小于±4V、DC～60Hz；時(shí)間漂移:小于3μV/小時(shí)(輸入短路,預(yù)熱1小時(shí)后,恒溫,在最大增益時(shí)折算至輸入端)；溫度漂移:小于1μV/℃(在允許的工作溫度范圍內(nèi),輸入短路,在最大增益時(shí)折算至輸入端)；濾波器濾波方式:模擬慮波；濾波器截止頻率:60Hz；濾波器阻帶衰減:約-24dB/oct；濾波器平坦度(分析頻率范圍內(nèi)):小于±0.1dB；通道隔離度:90dB；A／D分辨率:14位A／D轉(zhuǎn)換器；每測(cè)點(diǎn)采樣速率：1Hz,2Hz,5Hz,10Hz,20Hz,50Hz,100Hz,200Hz；電源:220V±10％〔AC〕；50Hz±2％；最大功率30W。動(dòng)位移測(cè)試技術(shù)指標(biāo)輸入阻抗:1MΩ∥40PF；輸入保護(hù):輸入信號(hào)大于±5V(DC或AC峰值)時(shí),輸入全保護(hù)；輸入方式:DC單端；可接入的信號(hào):941BD信號(hào)；滿度值:±100mm；系統(tǒng)準(zhǔn)確度:小于0.5％(F.S)(預(yù)熱半小時(shí)后測(cè)量)；系統(tǒng)穩(wěn)定度:0.05％/h(同上)；線性度:滿度的0.1％；失真度:不大于0.5％；最大信號(hào)帶寬:DC～10Hz；噪聲:不大于2μV(輸入短路,在最大增益和最大帶寬時(shí)折算至輸入端)；共模抑制(CMR):不小于100dB；共模電壓(DC或AC峰值):小于±4V、DC～60Hz；時(shí)間漂移:小于3μV/小時(shí)(輸入短路,預(yù)熱1小時(shí)后,恒溫,在最大增益時(shí)折算至輸入端)；溫度漂移:小于1μV/℃(在允許的工作溫度范圍內(nèi),輸入短路,在最大增益時(shí)折算至輸入端)；濾波器濾波方式:模擬慮波；濾波器截止頻率:15Hz；濾波器阻帶衰減:約-24dB/oct；濾波器平坦度(分析頻率范圍內(nèi)):小于±0.1dB；通道隔離度:90dB；A／D分辨率:14位A／D轉(zhuǎn)換器；采樣速率：1Hz,2Hz,5Hz,10Hz,20Hz，50Hz,100Hz,200Hz；電源:220V±10％〔AC〕；50Hz±2％；最大功率30W。4.2在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集控制器技術(shù)指標(biāo)與計(jì)算機(jī)的接口方式：IEEE-1394與數(shù)據(jù)采集器的通訊方式：FC-SC光纖通訊電源：220V±10％〔AC〕；50Hz±2％；最大功率60W。外型尺寸：標(biāo)準(zhǔn)2U機(jī)箱工作環(huán)境：置于密封防塵效勞器標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜〔帶玻璃觀察口〕中數(shù)據(jù)采集箱參見下列圖4。圖4監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集箱4.3在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)遠(yuǎn)程收發(fā)控制模塊技術(shù)指標(biāo)接口方式：RS232通訊條件：收發(fā)雙方必須接入網(wǎng)絡(luò)，通訊方式：借助公用網(wǎng)，利用MODEM撥號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸電源：9~~36V〔DC〕；MODEM自帶外型尺寸：通用外置調(diào)制解調(diào)器標(biāo)準(zhǔn)五、系統(tǒng)單元模塊的連接下白石大橋健康監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)的構(gòu)成參見下列圖5。5.1數(shù)據(jù)采集器與采集控制器之間的連接數(shù)據(jù)采集器與采集控制器之間是通過(guò)多模光纜進(jìn)行連接的。而在數(shù)據(jù)采集器的內(nèi)部，是從采集器的底板上引出一根信號(hào)線〔帶7芯接頭〕，然后連接至采集箱內(nèi)部右下方的光纖轉(zhuǎn)換器的H接頭〔在前面的局部已對(duì)此進(jìn)行過(guò)詳細(xì)的描述〕。而光纖轉(zhuǎn)換器那么是通過(guò)帶有光纖接頭的光纜連接至控制器的。具體接法：把帶有標(biāo)識(shí)A的光纖接入白色接頭內(nèi)，帶有標(biāo)識(shí)B的光纖接入黑色接頭內(nèi)，在連接時(shí)要特別注意，必須輕拔輕插，并保證光纖接頭不要沾到灰塵等臟物，也不可用手觸摸，以免接頭損壞或被弄臟后影響甚至中斷正常的通訊。5.2采集控制器與下機(jī)位采樣計(jì)算機(jī)之間的連接采集控制器與下機(jī)位采樣計(jì)算機(jī)之間是通過(guò)IEEE-1394來(lái)實(shí)現(xiàn)連接通訊的，它控制了整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，傳輸，處理及保存工作，是系統(tǒng)連接重至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。5.3靜態(tài)采集系統(tǒng)與下機(jī)位采樣計(jì)算機(jī)之間的連接靜態(tài)采集箱之間采用485通訊線串聯(lián)的方式，每個(gè)機(jī)箱都有擴(kuò)展輸入和擴(kuò)展輸出2個(gè)DB-9的通訊接口，在信號(hào)線靠近計(jì)算機(jī)的位置引出一根通訊線，連接到485轉(zhuǎn)232的轉(zhuǎn)接卡上，然后再接入計(jì)算機(jī)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與通訊控制功能。5.4采樣計(jì)算機(jī)與顯示計(jì)算機(jī)之間的連接采樣計(jì)算機(jī)與顯示計(jì)算機(jī)連接示意圖如下列圖6所示：圖5下白石大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成圖6采樣計(jì)算機(jī)與顯示處理計(jì)算機(jī)連接值得注意的是：在以太網(wǎng)光纖轉(zhuǎn)換器連接到光纖終端盒時(shí)要注意連接的順序問(wèn)題，其連接的原那么為：橋上的轉(zhuǎn)換器的RXD〔接收數(shù)據(jù)〕接口對(duì)應(yīng)中控室轉(zhuǎn)換器的TXD〔發(fā)送數(shù)據(jù)〕接口，橋上的轉(zhuǎn)換器的TXD接口對(duì)應(yīng)中控室轉(zhuǎn)換器的RXD接口，轉(zhuǎn)換器的RXD與TXD的指示燈都亮表示通訊正常。實(shí)際采集計(jì)算機(jī)〔下位機(jī)〕與處理計(jì)算機(jī)〔上位機(jī)〕如下列圖7所示。圖7(a)采集計(jì)算機(jī)圖7(b)處理計(jì)算機(jī)5.5遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)的連接遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)連接示意圖如下8所示：圖8監(jiān)控室與遠(yuǎn)程辦公室網(wǎng)絡(luò)連接遠(yuǎn)程控制是通過(guò)調(diào)