大型橋梁服役環境複雜惡劣，既可能遭受地震、台風等“要命”的極端作用，又不可避免地（dì）承受長期車輛和風致交變（疲勞）荷載，以及（jí）腐（fǔ）蝕（shí）、凍融等長（zhǎng）期環境侵蝕致使“短命”的（de）作用。對付“要命”的作用，保障（zhàng）和提升橋梁結構“安全”性能，對付“短命”的作用，保障和延（yán）長（zhǎng）橋梁結構“壽命”，是橋梁結構工程最為重要（yào）的任務和目標。
橋梁結構健康監測集傳感器網絡、數據采集與管理、數據建模（mó）、安全評定、壽命預測於一體，全天候不間斷地監（jiān）測橋梁（liáng）荷載與環境作用、結（jié）構局部和整體響應，全壽命監（jiān）測建模荷（hé）載（zǎi）與環境（jìng）作用、推斷或在識別結構（gòu）損傷和性能退化。並在此基礎上，實時、定期或特殊極端事件下修正服役結構的計算模型、分析和定量評定結構的服役安全狀況、預測結構（gòu）剩餘壽命（mìng），把握和預警結構安全和壽（shòu）命狀況，科學地支撐橋梁結構安全壽命的管養維護與維修加固。
我國目前已有400餘座大型橋梁安裝（zhuāng）了結構健（jiàn）康監測係統，隨（suí）著係（xì）統的運行、維護和升級，結構健康監測愈（yù）來愈在橋梁服役安全評定和壽命預測等方（fāng）麵發揮著重要作用。同時推動橋梁結構，乃至土木工程結構由現階段的“安全”設計為主，逐（zhú）步邁向“安全和壽命”設（shè）計、評定、預測與維護的（de）新台階。
橋梁結構安全、壽命與（yǔ）耐久性的關係
“安全”為主的設計內涵
橋梁（liáng）結構、乃至所有土木工程結構現階段主要是“安全”為主的設計，其設計理論和方法（fǎ）的基（jī）本內涵有4點。
1.觀測、建模、定標確定自然災害等極端作用（yòng）要（yào）素，如50年、100年基準或重現期設計（jì）風速，地震“小震、中震（zhèn）、大震”，相應重現期50、475、2475年等。
2.計算（suàn）相應於設防（設計）極端作用下橋梁結構材料或構件的“荷載效應”，可能是線性（xìng）、非線性或流-固耦（ǒu）合等方（fāng）法的計算分析。
3.試驗、計算、分析確（què）定結構材料或構件極限強度或抗力，如拉、壓、彎、扭、剪或失穩等的材（cái）料極（jí）限強度（dù）或（huò）構件極限抗力，統稱為“構件抗力”。這個“構件抗力”基本上是指結構新材料、新構件的抗力，部分考（kǎo）慮極限抗力折減、耐久性折減，最後才確定“構件抗力”設計值。
4.驗算（suàn）結構（gòu）所有構件極（jí）限狀態下的安全要求是荷載（zǎi）效應要小（xiǎo）於等於構件抗力。需要（yào）指出的是，這可（kě）以理解為不（bú）僅（jǐn）是結構“安全為（wéi）主”的設計（jì），而且是結構“構件安全”的設計。但是，同樣構件都安全的結構，“結構（gòu）整體極限承（chéng）載力”可能會有很大差別，這是目前結構設計沒有在“構件安（ān）全”設計的同時，兼（jiān）顧“結構整體極限承載力”設計的（de）一（yī）大缺陷。
結構壽命與（yǔ）安全相互關聯
結構壽命是結（jié）構安（ān）全性降低（dī）到（dào）最低要（yào）求、也即是結構“構件抗力”衰減或（huò）退化到等於極值“荷載效應”的持續時間。如圖1所示，結（jié）構抗力R(t)隨時間衰減、衰減達到極值荷載效應S要求的最低水平的持續時間，就是結構壽命或設計試（shì）用期T，即T=(t|R(t)=S)。

圖1 結（jié）構安全與壽命關係（xì）及分段評定（dìng）與預測模（mó）型

在（zài）任意時刻ti評定和預測可以得到結構剩餘（yú）壽命，即Tr＝T－ti。在（zài）結構壽命（mìng）終止（zhǐ）時（shí）刻T經維修加固提高結構抗力、繼續服役（yì）到抗力R(t)隨時間衰（shuāi）減再次達到最低（dī）水平要求的持續時間，稱為第一次維修後的剩餘壽命，即Tr1＝T－T1。因此，結構壽命和安全是相（xiàng）互關聯（lián）的（de）。
結構（gòu）耐久性不等於（yú）結構壽命
結構，例如混凝土結構耐久性設計和評定，目前主要是從混凝土（tǔ）密實性、防止（zhǐ）有害物質侵蝕、保護鋼（gāng）筋不過度過速（sù）鏽（xiù）蝕等方麵。設計和評定混凝土強度、保護層厚度、混凝土裂縫寬度（dù）、混凝土剝離程度、混凝土（tǔ）碳（tàn）化深度以及其他有害侵蝕（shí）深度等。這些設計和評定指標是獨立的（de）耐久性指標，目前還沒（méi）有與關乎結構安（ān）全的“構件抗（kàng）力（lì）”建立（lì）起關係。因此（cǐ），結構耐久性不等於結構壽命。

圖2 某（mǒu）高速公路段交通基礎設施集群全壽命監測（cè）

結構健康監測的（de）基本框架與（yǔ）集成係（xì）統
結構健康監測的基本框架與係統包括以下主要方麵——
1.監（jiān）測參量確定（dìng）
監測參量主要包括：荷載與環境作（zuò）用，既包括關乎結構安全的極端作（zuò）用，也包括影響結構抗力退化的長期交變（biàn）（疲勞）荷載與環境作用；結構局部響應，如應力、應變等，其結（jié）果可以直（zhí）接用於結構局部（bù）安全評定、或局部（bù）損傷表征與推斷；結構整體響應，如位移、加速度等，其結果可以直（zhí）接用於結構整體安全評定、或間接用於振型和頻率識別、再進一步識別和定位結構損傷（shāng）；結構局部性能，如裂紋、腐蝕等，其結果可以用於（yú）結構局部損傷演化表征、推斷或驗證。
2.監測測（cè）點（diǎn）選擇（zé）和（hé）優化 
測（cè）點選擇和優化需要根據監測參量特點、用途（tú）和目的（de），進行精心的選擇（zé）和優化，具（jù）體可參（cān）見《公路橋梁結構安全監測係統技術規（guī）程》（JT/T1037-2016）。
3.監測傳（chuán）感器選擇和（hé）安裝 
傳感器選（xuǎn）擇要滿足監測可（kě）靠性和耐久性要求，同時其布設安裝應滿足易維護性和可更換性要求。
4.軟硬件集成係統 
集成係統包括傳感器網絡（luò）、數據（jù）采集與傳輸、局域和廣域網絡、數據分析與建模，以及結構損傷推斷與識（shí）別、結構計（jì）算模型修正、服役安全評定與壽命預測、乃至維修決策等軟硬（yìng）件集成及（jí）其模塊化與標準化，部（bù）分如圖（tú）3所示。

圖（tú）3 橋梁結構健康（kāng）監測、服役安全評定與（yǔ）壽（shòu）命預測

服役結構的安全評定
結構損傷通常是從材料層麵損傷演化擴展的，結構（gòu）需要多尺度建模（mó）、在材料細觀（guān）和構件宏觀等多尺度上處（chù）理損傷（shāng）和修正模型。結構局部響應和局部（bù）性能（néng）監測結果，可以直接用於（yú）結構局部材料和構件（jiàn）損傷（shāng）表征和推斷，並直（zhí）接用於修（xiū）正相應的單（dān）元計算模型；結構整體響應監測結果，如位移、加速度等，通常可用於振型和頻率識別、然後間（jiān）接地用於結構損傷識別、定位（wèi）和整（zhěng）體計算模型修正。由於橋梁結構個體的特殊性、局部損傷對整體識別參數的不敏感性，給基於整（zhěng）體（振動（dòng））響應的結構損傷識別和定位帶來了難以逾越的困難，結（jié）構局部（bù）損傷監測推（tuī）斷、單元計算模型修正，結合結構損傷識別、定位與（yǔ）整體計算模型修正可能是最為有效的途徑。
通過損傷推斷、識（shí）別、處（chù）理和模型修正，建立服役結構真實（shí）可靠的計算模型，是結構進一步計算分析、安全評定的基（jī）礎，也是服役（yì）結構安全（quán）評（píng）定和新建結構設計安全驗算最本質的區別。在此（cǐ）基礎上，結構服役（yì）安（ān）全評定可以分為三級。
安全一級（jí）評定：初期未損傷
服役結構安全一級評定主要針（zhēn）對建成運（yùn）行初期階段、沒有發生損傷的橋梁結構，其（qí）安全評定基本（běn）與新建結構設計安全驗算相同。通過實時監測的極（jí）值作用（yòng）要素（如極值車（chē）流荷載、極值（zhí）標準風速等）、關鍵構件控製截麵材料應力或構件內力、結構控製斷麵位移等，與相應設計（jì）值比較即可判定結構是否安全。目前，結（jié）構健康監測在線實時安全（quán）評定和預警，基本（běn）都還隻是基於（yú）此“安全一級評定”。
安全二級評定（dìng）：中後期有損傷
服（fú）役結構安全二級評定可以適（shì）用於服役中後期、有損（sǔn）傷的橋梁結構，其安全評定必須包括損傷推斷、識別與處理，結構單元和整體計算模型（xíng）修正，結構構件和整（zhěng）體極（jí）限承載力計算分析。然後，其（qí）一是類似新（xīn）建結構設（shè）計的構件安全驗算；其（qí）二，由於服役中後期結構實際（jì）不可避（bì）免地有不同程度損傷、逐一（yī）構件安全驗算很有可能部分構（gòu）件不滿（mǎn）足類似設計的安（ān）全要求。因此，從結構整體極限承載力驗算和把握結構安（ān）全，將成為結構安全評定（dìng）的一項重要內容。例（lì）如（rú）結構（gòu）整體極限承（chéng）載力與結構整體設計荷載下承載（zǎi）力比較，可以驗算和把握（wò）結構整體安全餘度，這是服役結構安全評定要從構件安全驗算（suàn），邁上整體極限承載力安全驗算的一項新要求和新發展，也是與結構設計安全驗算第二（èr）個重要不同的區別。《公路橋梁結構安全監（jiān）測係統技術規程》（JT/T 1037-2016）給出了橋梁結構安全（quán）二級評定的基本框架，需（xū）要（yào）進一步總結、梳理和規（guī）範（fàn）相關計算和評定方法。同時開發計算和評定軟件，使之真正成為橋梁結構健康監（jiān）測在線或離（lí）線評定工程實用（yòng）的手段（duàn）和工具。
安（ān）全三級評定（dìng）：後期壽命預測
服役結構安全三級評定主要包括，從當前（qián）評定時刻之後預測（cè）結構性能衰減、安全性（xìng）降（jiàng）低、剩餘壽命等。此級（jí）評定防（fáng）患於未（wèi）然，對服役中後期的橋梁結構尤為重（chóng）要（yào）。目前國（guó）內外還沒有係統的理論和方法，下一節內容會簡要闡明如何基於結構健康監測和其他相關成果（guǒ）逐步建立起（qǐ）這一理論和方法。
結構長期監測、分析與壽命（mìng）預測
橋梁結構可能遭受的自然災害等極端作用（yòng）要素，主要通過長期觀測得到的年最大值統計確定年最大值（zhí）概率分布，然後再確定諸如50年、100年基準期或重現期設防（設計）作用要素，如50年、100年基準期或重現期最大風速。這樣的極端作用要素年最（zuì）大值概率分布相對準確地統計確定，一般需要30年左右的觀（guān）測數據，50年最（zuì）大值的地震作用統計（jì）甚至（zhì）需要所有相關的曆史數據。極端作用要素年最大值概率分布是目前結構安全設計主要的作用或荷載標（biāo）準依據（jù）。
橋梁結構長期承受的諸如車輛和常態脈動風等交變（疲勞）荷載，以及腐蝕、凍融等長期環境侵蝕作用，這些長期作用直接導致結構疲勞、腐（fǔ）蝕、凍融等損傷積累，致使結構材料、構件等（děng）抗力衰減，是服役結構安全性退化和剩餘壽命預（yù）測的荷（hé）載或作用標準依據。橋梁（liáng）結構多數長期交變荷載或作用基本（běn）沒有統計模（mó）型和設防（設計）標準，這是結構壽命預測（cè）和設計無法實現的主要原因之一。長期（qī）交（jiāo）變（biàn）荷載或作用要素統計建模，需要全（quán）天候連續監（jiān）測（觀測）數（shù）據；考慮長期交變荷載或作用要（yào）素基本符合年等概率發（fā）生的假定，相應的統（tǒng）計建模一般有1～3年或3～5年的數據，就能（néng）夠建立基（jī）本準確的模型和標準。結構健（jiàn）康監測的第（dì）一類（lèi）監測參量就是長期荷載或作用要素，監（jiān）測數據是完成這一任務的主要來源，而且隨著監（jiān）測的持續還可以不斷提供數據、不斷修（xiū）正統計模型。
計算原理與方法
例如，根據某橋梁疲勞統（tǒng）計風速（sù）譜（pǔ）建模和風致損傷進行分析，由結構健康監（jiān）測一年（nián）風速監測數據確定，有風時間 Tw(單位為s），比方說，風速大（dà）於3m/s的時間。按照我國標準得到了一年風速（大於有風標準的風速）全部每10分鍾平均風（fēng）速樣本集，統計確定年風速（sù）概率分布符（fú）合威布爾分布——

其中統計參數（shù）c＝1.2，k＝4.8。利用結構健康監測多個年份的風速監測數據（jù），進行年風速概率分布統計分析，還可（kě）進一步修（xiū）正上述模（mó）型參（cān）數。假定或利用實際監（jiān）測數據統計（jì）確（què）定平（píng）均風速對應的脈動風速均符合Davanport隨機過程功率（lǜ）譜（pǔ）。這樣，以上三者（zhě）一起構成了該橋梁疲勞（láo）風速譜。利用該疲勞（láo）風速譜，可（kě）以進一步計算分析或預（yù）測該橋（qiáo）梁結構年或若幹年的風致疲勞損傷。具體步驟如下（xià）：
首先，計算確（què）定某等級或任意平均風速x對應（yīng）的（de）脈動風速下的（de）疲勞（láo）損傷：D（x）＝Σni/Ni。其中（zhōng）ni和Ni分別是在該風速等級下等級i應力水平循環圈數和極限允許圈數。這就是材料（liào）試驗發展的Miner損傷機製的應用。
其次，計算確定（dìng）風致年（1年）疲勞累積損傷：DY＝ ΣD(x)p(x)Δx Tw/TY。其中p(x)是（shì）平均風速x對應的概率（lǜ）值（zhí）；Δx是某等級平（píng）均（jun1）風速x對應的等級區間，如［3,5］(m/s)；時間 TY是1年的（de）總時間（單位（wèi）為s）。
最後，計算確定風致M年（如5年）的總疲勞累積損傷（shāng）：DM＝MDY
上述計算（suàn）分析或預測確定風致疲勞累積損傷後（hòu），可進一步應用損傷與抗力衰減的關係，分析或預測抗力衰減，評定和預（yù）測結構安全性退化和（hé）剩（shèng）餘壽命。這裏整個過程的評定和預測需要結構長期作用監測數據和模型、服役結構當前準確的計算模型和內力重分析、結構材料和構件的損傷機製、結構損傷與抗力（lì）衰減的關係，然後再進行結構計算模型修正、結構構件和（hé）整體承載力分析，最後（hòu）得（dé）到（dào）安（ān）全評定（dìng）和壽命預測結果，此結果可進一步作為結構維修（xiū）決策（cè）的依據（jù）。
橋梁結構其他類似交變（biàn）（疲勞）荷載，如車輛荷載，長（zhǎng）期（qī）環境侵蝕作用及耦合作用的累積損傷、抗力衰減、安全評定和壽命預測可（kě）按照上述（shù）原（yuán）理和（hé）方法實施。這裏最關鍵的是長期作用模型和損傷機製、乃至長（zhǎng）期作用耦合模型和耦合損傷機製。這（zhè）些還需要下大力氣研（yán）究和發展，也即橋梁結構從“安全”為主的科學分析和設計，邁向“安全和壽命”的科學分析、設計和（hé）預測還有很長的路要（yào）走，恰好結構健康監測為實現這一目標提供了新的手段和途徑。
上（shàng）述結（jié）構健（jiàn）康監測及服役安全評定與壽命（mìng）預測可概述為圖3所（suǒ）示的理論、方法和技術框架與係統，其中維修報廢決策也同時需要結構性能退化速率、服役安全狀況和壽命長短的評定和預測結果，以及其他功能和社會經濟的約束（shù），決策是否值得（dé）維修或報（bào）廢。
結構健康監測集傳感網絡、數據（jù）采集和管理、數據分析（xī）建模以及結構損傷識別、安全評定、壽命預測、維修決（jué）策（cè）等硬（yìng）軟件係統於一體，實際（jì）是現（xiàn）場真實、足尺（chǐ）結構的長期（qī）試驗（yàn）係統（tǒng），可以全天候不間斷地獲取結構長期荷（hé）載和環境作用，以及結構局部和整體響應等大量數據，是現代結構試驗（yàn）技術新的拓展和發展。在大量數據的基礎上，拓展和推（tuī）動結構環境作用、服役性能、損傷演化、安全評定（dìng）、壽命預測、維修決策等方麵新的認識和新的知識，是土（tǔ）木工程發展又一重要的手（shǒu）段和途徑。因此，結構健康監測與結構理論、模型試驗、數值計算將共同成為推動土木工程發展的四驅之輪。
作者 / 歐進萍 李惠（huì） 李順龍
作者單位 / 哈爾濱工業大學土木工程學院