橋梁結構健康監測

摘要：近年來，國內發生的幾起大橋坍塌和局部破壞事故，使人們逐漸認識到橋梁結構健康監測的必要性和迫切性。論述了結構檢測與健康監測概況以及橋梁健康監測的意義。介紹了監測理論的研究動態和發展展望。
關鍵詞：橋梁結構；健康監測；監測理論；發展展望
1 橋梁結構健康監測的必要性和迫切性
自20世紀50年代以來，橋梁健康監測的重要性就逐漸被認識，但受檢測、監測手段比較落后的限制，在應用上一直未得到推廣和重視。近年來隨著大跨徑橋梁的輕柔化及形式與功能的復雜化，這項技術成為國內外學術界、工程界的研究熱點。許多國家都在一些已建和在建的大跨橋梁上進行了有益的嘗試：丹麥曾對總長1 726 m的Faroe跨海斜拉橋進行施工階段及通車首年的監測，另外，他們在主跨1 624 m的Great Belt East懸索橋上也開始了相關的嘗試；泰國與韓國目前也已開始在重要橋梁上安裝永久性的實時結構整體與安全性報警設備；香港的青馬大橋、內地的虎門大橋、徐浦大橋、江陰大橋等在施工階段也已開始傳感器的安裝，以備將來運營期間的實時監測。這種技術的成功開發與應用將起到確保橋梁安全運營、延長橋梁使用壽命的作用。同時通過早期橋梁病害的發現能大大節約橋梁的維修費用，可以避免最終頻繁大修關閉交通所引起的重大損失。
近年來，國內發生的幾起大橋坍塌或局部破壞事故在很大程度上是由于構件疲勞加之監測養護措施跟不上，從而嚴重影響構件的承重能力和結構的使用。因此，對橋梁結構健康監測非常必要和迫切。
工程結構一般會受到兩種損傷——突發性損傷和累積性損傷。突發性損傷由突發事件引起，使損傷在短期內達到或超過一定限值；累積損傷則有緩慢積累的性質，達一定程度會引起破壞，影響安全和使用。健康檢測能夠在突發性損傷發生時，及時做出判斷和警報，以便采取處理措施，防止發生進一步的破壞和引發其它事故；對于累積損傷，能夠定期對損傷的狀態做出描述，以便根據情況采取相應措施。
橋梁結構的健康監測包括橋梁結構的局部檢測和橋梁整體的健康監測。局部檢測主要應用無損檢測技術(NDE)，包括目檢、混凝土表面硬度試驗、超聲波探測、聲發射技術和沖擊回應法等等。整體檢測利用無損測量技術(主要是振動)來識別結構的整體性能和損傷，分三個層次，即：損傷是否發生、損傷發生位置和損傷發生程度。這種思想源于航空航天領域，并在機構領域得到發展，現在逐漸應用到了土木工程領域。
3 橋梁健康監測意義
3.1 監控與評估
橋梁健康檢測的基本內涵是通過對橋梁結構狀態的監控與評估，為工程在特殊氣候、交通條件下或運營狀況嚴重異常時發出預警信號，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方面進行監控：①橋梁結構在正常環境與交通條件下運營的物理與力學狀態；②橋梁重要非結構構件和附屬設施的工作狀態；③結構構件耐久性；④工程所處環境條件等等。
3.2 設計驗證
由于大型橋梁的力學和結構特點以及所處的特定環境，在大橋設計階段安全掌握和預測其力學特性和行為特性是非常困難的。因此，通過橋梁健康檢測所獲得的實際結構的動靜力行為來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。
3.3 研究與發展
橋梁健康監測帶來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實驗室。由于運營中的橋梁結構及其環境所獲得信息不僅是理論研究和實驗室調查的補充，而且可以提供有關結構行為與環境規律的最真實的信息。
4 健康檢測理論的研究動態和發展展望
橋梁健康檢測理論的研究主要包括：基于振動的識別、結構指紋及變異性、系統識別、檢測測點的優化布置和大量數據的處理。目前一些整體性評估技術已經在一些簡單結構上有成功的例子，但不能可靠的應用于復雜結構。阻礙這一技術進入實用的原因主要有：①結構與環境中不確定性和非結構因素的影響；②測量信息不完備；③測量精度不足和測量信號噪音；④橋梁結構贅余度大并且測量信號對結構局部損傷不敏感。為此還需要做大量的工作，如索的無損識別研究、材料耐久性和疲勞因素引起的原因及其檢測方法研究、橋梁整體性與損傷識別研究、橋梁結構劣化模型研究、自動的在運系統識別和數據處理方法研究。
參考文獻（略）

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