20世紀橋梁工程領域的成就（jiù）不僅體現（xiàn）在預應力技術的發展和大跨度索支承橋梁的建造以及對超大跨度橋梁的探索，而且反映於人（rén）們對橋梁結構實施智能控製（zhì）和智能監測的（de）設想與努力。近20年來橋梁抗風、抗震領域的研究成果以及新材料新工藝的開發推動（dòng）了大距度橋梁的發展（zhǎn）；同時，隨著人們對（duì）大型重要橋梁（liáng）安全性、耐久性與正常使用功能的日（rì）漸關注，橋梁健康監測的研究與（yǔ）監測係統的開發應（yīng）運而生。由於橋梁監測數據可以為（wéi）驗證結構分析模型、計算假定和設計方法提供反饋信息，並可用於深入研究（jiū）大跨度橋梁結構及（jí）其環境（jìng）中（zhōng）的未知或不確定性問題，因此，橋梁設計理論的驗證以及對橋梁結構和結構環境未（wèi）知問題的調查與研究擴充了橋梁健康監測的內涵。本文結合近十年來橋梁（liáng）健康監測的研究狀況以及大跨度橋梁工程的研（yán）究與發展，較係統地闡述橋梁健康監（jiān）測的（de）內涵，並由此探（tàn）討監測係統（tǒng）設計的有關問題。

一、橋梁健康監測係統與理論發展簡況

1．監測係（xì）統

80年代中後（hòu）期開（kāi）始建立各種規（guī）模的橋梁健康監（jiān）測（cè）係統。例如，英國在總長522m的三跨變高度連續鋼箱梁橋Foyle橋上布設傳感器，監測大橋運（yùn）營階段在車輛與風載作用下主梁的振動、撓度（dù）和應變等響應，同（tóng）時監測環境（jìng）風（fēng）和結構溫（wēn）度場。該（gāi）係統是最早（zǎo）安裝的較為完整的監測係統之一，它（tā）實現（xiàn）了實時監測、實時分析和數據網絡共享。建立健康監測（cè）係統的典型橋梁還有挪（nuó）威的Skarnsundet斜拉橋（主跨530m）［2］、美國主跨440m的Sunshine Skyway Bridge斜拉橋、丹麥主跨1624m的Great Belt East懸索橋［3］、英國主跨194m的Flintshire獨塔斜拉橋[4]以及加拿（ná）大的Confederatiot Bridge橋[5]。我（wǒ）國自90年代起（qǐ）也在一些大型重要橋梁上建立了不同規模（mó）的結構監測係統，如香港的青馬大橋、汲（jí）水門大橋和（hé）汀九大橋，內地的上海徐浦大橋以（yǐ）及江陰長江大橋等[6~8]。

從已經建立（lì）的監測係統的監測目標、功能以及係統運行等方麵看（kàn），這些（xiē）監測係統（tǒng）具有以下一些共同特點：

（1）通常測（cè）量結構各種響應的傳感裝置獲取反映結構行為的各種（zhǒng）記錄；

（2）除監（jiān）測結構本身的狀態（tài）和行為以外，還強度對結構環境條件（如風、車輛荷載等）的監測和記錄分析（xī）；同時，試圖通過橋梁在正常車輛與風載下的動力響應來建立結（jié）構的"指紋"，並藉此開發實時的結構整體性與安全性評估技術；

（3）在通車運營後連續或（huò）間斷地（dì）監測結構狀態，力求獲（huò）取的大橋結構信息連續而完整（zhěng）。某些橋梁監測傳感（gǎn）器在橋梁施工階段即開始（shǐ）工作並（bìng）用於監（jiān）控（kòng）施（shī）工質量；

（4）監測係統具有快速大容量（liàng）的信息采集、通訊與處理能力，並實現數據的網絡共（gòng）享。

這些特點（diǎn）使得大跨度橋梁健康監測區別於傳統的橋梁檢測過程。另外（wài）需要指出的是，橋梁健康監測的（de）對象已不（bú）再局限於結構（gòu）本身：一些重要輔助設施的工作狀態也已納入長期監測的範圍（wéi）（如（rú）斜拉索振動控製裝置[4]等）。

2．理論研究

十多年（nián）來（lái），橋梁健康監測理論的研（yán）究主要（yào）集中於結構整體性評估和損傷識（shí）別。由於基於（yú）振動信息的整體性評估技（jì）術（shù）在航天、機械等領域的深入研究和運用，這類技術被用於土木結構中除無損檢測技術以外的最重要的整體性評估方法並（bìng）得（dé）到廣泛的研究。人們致力（lì）於基於振動測量值的整體性評估方法研究的另一個原因是，結構振動信息可以在橋梁運營過程中利用環境振動法獲得，因此這一方法（fǎ）具有實時監測的潛力（lì）。

結（jié）構整體性評估方法可以歸（guī）結（jié）為模（mó）式識別（bié）法、係統識別法以及神經網絡方法（fǎ）三大類（lèi）。結構模態參數常被用作結構的指紋特征，也是係統識別（bié）方（fāng）法和神經網絡法的主（zhǔ）要輸（shū）入信息。另外，基於結構應變模態（tài）、應變（biàn）曲率以及其他（tā）靜力響應的評估（gū）方法也在不同程度上顯示了各自的檢傷能力[10]。然而，盡管某些整（zhěng）體（tǐ）性評估（gū）技術已在一些簡單結（jié）構上有成功的例子，但還不能可靠地應用於複雜結構。阻礙這一技術進入實用的原因主（zhǔ）要（yào）包括：①結構與環境（jìng）中的不確定性和非結構因素影響；②測量信息不完備；③測量精度不足和測量信號噪聲；④橋梁結構贅餘（yú）度大並且測量信號對結構（gòu）局部損傷不敏感。

另外，從（cóng）評估方（fāng）法上（shàng），目前對大跨度橋梁的安全評估基本上（shàng）仍然沿襲常規中小橋梁的定級評估方法，是一種主要圍繞結構的外觀（guān）狀態和正常使用性能進行（háng）的定性、粗淺的安（ān）全評價。

二、橋梁健康監測新概念

橋梁健康（kāng）監測的基本內涵即是通過對橋梁（liáng）結構狀態的監控與評（píng）估（gū），為大橋在特殊氣（qì）候、交通條件下或橋梁運營狀況嚴（yán）重（chóng）異常時觸發預警（jǐng）信號，為橋梁維護維修與管理決策提（tí）供（gòng）依據和（hé）指導（dǎo）。為此，監（jiān）測係統對（duì）以下幾個方麵進行監控：

·橋（qiáo）梁結構在正常（cháng）環境與交通條件下運營的物（wù）理與力（lì）學狀態；

·橋梁重要非結構構件（加支座）和（hé）附屬設施（shī）（如振動控製元件（jiàn））的工作狀態；

·結構（gòu）構件耐久性；

·大橋所處（chù）環境條件；等等。

與傳統的檢測技術不同，大型橋梁健康監測不僅要求在（zài）測試上具（jù）有快速（sù）大容量的（de）信息采集與通訊能力，而且力求對結構整體行為的實時（shí）監控和對結構狀態的智能化評估。

然而（ér），橋梁結構健康監測不（bú）僅僅隻是為（wéi）了結構（gòu）狀態監控與評估。由於大型橋梁（尤其是斜拉橋、懸索橋）的力學和結構特點以及所處的特定環境，在大橋設計階段完（wán）全掌握和（hé）預（yù）測結構的力學特性和行為是非常困難的。大跨度索（suǒ）交承橋梁的設計依賴於理論分（fèn）析並過風（fēng）洞、振動台模擬試驗預測橋梁的動力性能（néng）並驗證其動力安全性。然而，結（jié）構理論分析常基（jī）於理想化的有限元離散模型，並且分析時常以很多假定條件為前提。在進行風洞或振動台試驗時對大橋的風環境和地麵運動的模擬也可能與（yǔ）真實橋位的環境不全相符。因此，通過橋梁健（jiàn）康（kāng）監（jiān）測所獲得的實際結構的（de）動靜力行為來（lái）驗證大橋的理論模型、計算假定（dìng）具有重要的意義。事實上，國外一些重要（yào）橋梁（liáng）在建立健康監測係統時都強調利用監測信（xìn）息驗證結構的設計（jì）。

橋梁健康監測信息反饋於（yú）結構設計的更深遠的意義在於，結構設計方法與相應的規範標準等可能得以（yǐ）改進；並且，對橋梁在各種交通條件和自然（rán）環境下的真實（shí）行為的理解以及對環境荷載的合理建模是將來實現橋"虛（xū）擬設計"的基礎（chǔ）。

還應看到，橋（qiáo）梁健康監測帶來的將不僅是監測係（xì）統和（hé）對某（mǒu）特定橋梁設計的反思，它還可能並應該成為橋梁研究（jiū）的"現場實驗室（shì）"。盡管橋梁抗風、抗震領域的研究成果以及新（xīn）材料新工藝的出現不斷推動著橋梁的發展，但是，大跨度橋梁的設（shè）計中還存在很多未（wèi）知和（hé）假定，超大（dà）跨度橋梁的設計也有許多問題（tí）需要研（yán）究。同時，橋梁結構控製與健康評（píng）估技術的深入研究與開發也需（xū）要結構現場試驗與調查。橋梁健康監測為橋梁工程中（zhōng）的未知問題和超大（dà）跨度橋梁的研（yán）究提供了新的契機。由運營中的橋梁結構及其環境所獲得的信息不僅是理論研究和實驗室調查的補充，而且（qiě）可以提供有關結構行為與環境規律的最真實的信息。另外（wài），橋（qiáo）梁振動控製與健康評估技術的開發與應用性也需要現（xiàn）場試驗與調（diào）查。

綜上所述，大型橋梁健康監測不隻（zhī）是傳統（tǒng）的橋梁檢（jiǎn）測加結構評估新技術（shù），而（ér）是被賦予了結（jié）構監控與（yǔ）評估、設（shè）計驗證（zhèng）和（hé）研（yán）究與發展三方（fāng）麵的意義（圖1）。

三、健康監測（cè）係統設計

1．監測係（xì）統設計（jì）準（zhǔn）則

從表（biǎo）1給出的兩座（zuò）大型橋梁健康監測係統的測點（diǎn）布置情況可（kě）以看（kàn）出，兩個監測係（xì）統的監測項目與（yǔ）規模存在很大差異。這種差異除了橋型和橋位環境因素外，主要（yào）是因為對各監測係（xì）統的投資額和（或）建立各個係統的目的（或者說是對係統的功（gōng）能要（yào）求）不同。因此（cǐ），橋梁監測係（xì）統的設計實際上有意（yì）或無意地遵循（xún）著某些準則。

顯然，監測係統的設計應該首先（xiān）考慮建立該係統的目的和功能。上節所述的橋梁健康監測三方麵的意義也正（zhèng）是橋梁健康監（jiān）測的目的和功（gōng）能所在。對於特定的橋梁，建立健（jiàn）康監測係（xì）統的目的可以是橋梁監控與評（píng）估（gū），或是設計（jì）驗證，甚至以研究發展為目的；也可以是三者之（zhī）二甚（shèn）至全部。一旦建（jiàn）立係統（tǒng）的（de）目的確定，係（xì）統的監測項目就可以基本上確定。另外，監（jiān）測係統中各監測（cè）項目的規（guī）模（mó）以（yǐ）及所采（cǎi）用的傳感儀器和通信設備等的確定需要考慮投資的限（xiàn）度。因（yīn）此在設計監測係統時必須對（duì）監測係統方案進行成本一效益分析。成本-效益分析是建立高效、合理的監（jiān）測係統的前（qián）提。

根據功能要求和（hé）成本一效益分析可以將監測項目和測點數設計到（dào）所需的範圍，可以最優化地選（xuǎn）擇並安裝係（xì）統硬件設施。因此，功能要求和效益-成本分（fèn）析是設計（jì）橋梁健康監測（cè）係統的兩大準則。

2．監測項目

不（bú）同的功能目標所（suǒ）要求的監測項目不盡相同。絕大多數大跨度橋梁監測係統的監測項目都是從結構（gòu）監控與評估出（chū）發的，個別也兼顧結構設計驗證（zhèng）甚至部分監測項目以橋梁問題的研究為目的[5]。文獻［12］通過對國內多座運營中的斜（xié）拉橋進（jìn）行大量病害（hài）調查與檢測分析，提出了用於斜拉橋狀態監控與評估的頗具代表性的監測項目。

如果監測係統考慮具有結構設計驗證的功（gōng）能，那就要獲得較多結構係統識別所須要（yào）的信息（xī）。因此，對於大（dà）跨度餘支承橋梁，須要較多的（de）傳感器布（bù）置於（yú）橋塔、加勁（jìn）梁以及纜索/拉索各部位，以獲得較為詳細的（de）結構動力行為並驗證結構設計時的動（dòng）力分析模型和響應預測。另外，在支座、擋塊以及某些連結部位須安設傳感器拾取反映其（qí）傳力、約束狀況等的（de）信（xìn）息。

目前，某些監測係統以（yǐ）開（kāi）發結構整體性與安全性評（píng）估技術為目的之一。結合橋梁問題研究的監（jiān）測係統（tǒng）雖不（bú）多（duō）見，但（dàn）有些係統也有監測項目是（shì）專為研究服務的。與理論研究相關（guān）的監測項目（mù）可（kě）以根據待研究問題的性質來確定。從目前橋（qiáo）梁工程的發展狀況（kuàng）看，以下幾方麵的問（wèn）題可以借助橋梁健康監測進行（háng）深入研究或論證。

·抗風方麵：包括風場特性觀測、結構在自（zì）然風場中的（de）行為以及抗風穩定性。

·抗震方麵：包括研究（jiū）各種場地地麵運動的（de）空間與時間變化（huà）、土-結構相互作用、行波效（xiào）應、多點激勵對結構響應的影響等。通（tōng）過對墩頂與墩底應變、變形及加速度的監測建立恢複力模型對（duì）橋梁的抗震分析具有重要的意義。

·結構整體行為方麵：包括研究結構在強風、強地麵運動下的非線性特性，橋址處環境條件變化對結構動力特性、靜力狀態（內（nèi）力分布、變形）的影響等。這對（duì）於發展基於監測數據的整體性評（píng）估方法非常重要。

·結（jié）構局部問題：例如邊界、聯接條件，鋼梁焊縫疲勞及其他（tā）疲勞問題，結合梁結合（hé）麵（包括剪力鍵）的破壞機製，等等。索（suǒ）支承橋梁纜（拉）索和吊杆的振動與減振、局部損傷機製等也值得進一步（bù）觀察研（yán）究。

·耐久性問題：橋梁結構中的耐久性問題尚（shàng）有許多問題須（xū）要深入研究。纜（拉）索與吊杆的腐蝕、鏽蝕問題尤須重視。

·基礎：大直徑樁的采用也帶來一些設計問題，直接套用原先用於（yú）中等直徑樁的計算方法不很合理。借助大型橋梁監測係統調查大直徑樁的變形規（guī）律、研究樁（zhuāng）的承載力問題，也是設計部門的需要。

四（sì）、小（xiǎo）結

（1）橋梁結構健康監（jiān）測不隻是傳統的橋梁檢測技（jì）術的簡單改進，而（ér）是運用現代傳感與通信技術（shù），實時監測橋（qiáo）梁運營階段在（zài）各（gè）種環境條件下的結構響應與行為，獲取（qǔ）反映結構狀況和（hé）環境因素的各種（zhǒng）信息，由此分析結構健康狀態、評估結構的可靠性，為橋梁的管理與維護決策提供科學依據。同時，大型橋梁結構（gòu）健康監測對於驗證與改進結構設計理論與方法、開發與實現各種（zhǒng）結構控製技術以及深入研究大型橋梁結構的（de）未知問題具有重（chóng）要意義。因此，健康監（jiān）測為橋梁工程的發展開辟了新的空間。

（2）大型橋梁健康監測三方（fāng）麵的意義反映了從事橋梁維護管理、設計（jì）谘詢和理論研究（jiū）不同領域人（rén）員所關（guān）注的問題。監測係（xì）統的設計應以功能要求和效益（yì）－成本分析為基本準則。此外（wài），監測係統的設計應該通過布點（diǎn）優化分析，並且考慮到係統實施中的非（fēi）常重要的通信問題。

（3）對於大跨度斜拉橋、懸索橋而言，整體性評估隻是結（jié）構安全狀態評估的一部分，不可能僅通過整體性評估來解釋橋梁結（jié）構的安全狀（zhuàng）態。同時，大跨度橋梁的（de）力學特點決（jué）定其安全評估的概念上和方法上不同於常規的中小橋梁。

（4）在跨度橋梁結構安全狀態評估的目的是控製大（dà）橋運營風險及支持減災決策。因此結合橋梁健康監測係統的安全評估，應該（gāi）可以通過獲取的監測數據評估橋梁結構的基本狀態和結構（gòu）行為。定期或在偶發事件（如（rú）地震）發生後識別結構的損傷和關鍵部位的變化，並且對大橋結構生命期各（gè）階段的承載能力（lì）和抗風、抗震能力作出客觀的定量的評估。