作為城市重（chóng）要的（de）交通設施，橋梁是城市交通（tōng）的紐帶和命脈。因（yīn）此，對（duì）於一些每天都會頻繁（fán）使用的大橋來說，橋梁本身的安全狀況必（bì）須（xū）得到實時監控。今天，就目前橋梁健康監測係統的現狀對以下三個問題展開討論。
提問
為什麽要做健康監測？
什麽是橋梁健康監測？
當前發展狀態及（jí）主要問題是什麽？
為什麽要做橋梁健康監（jiān）測
根（gēn）據我國橋梁建設的成就以及目前（qián）的形式，報告從我國橋梁發展的成就、橋梁（liáng）安全的嚴（yán）峻形勢、在（zài）役橋梁老齡化的加速到來以及人工檢查存（cún）在的（de）缺（quē）點等方麵介紹了“為什麽要做橋梁健康監測”
（一）橋梁發（fā）展成就巨大我國橋梁近20年的橋梁建設成就斐然，建設了以（yǐ）港珠澳大橋、蘇通長江公（gōng）路大橋、西堠門大橋、杭州灣（wān）大橋、北盤江大橋以（yǐ）及盧（lú）浦大橋等一大批創造世界紀錄的大橋。

圖01創造（zào）世界（jiè）奇跡的橋梁

我國已經邁入了（le）橋梁建設的強國，橋梁規模已經位居世界第一主要體（tǐ）現在：（1）從1990年~2018年，中國新增橋梁總數占全世界（jiè）47%；（2）從2009年~2018年（nián），年均（jun1）新增公路（lù）橋梁2.57萬座（zuò）；（3）截止到2018年底，我國公路橋梁超過852000座，鐵路橋梁超過200000座。
（二）橋梁安全形勢依（yī）然（rán）嚴峻1.橋梁垮塌事故時有發生全國（guó）已有統計數（shù）據橋梁垮塌案例的橋梁447座，橋梁垮塌事故的原因各異。中國184座有公開資料標明確定事故成因的橋梁垮塌（tā）事故，其主要事故（gù）成因見圖（tú）2。

圖02橋梁（liáng）垮塌事故成因統計

2.橋梁失效年（nián）限統計對我國100座運營期間橋梁垮塌的橋梁進行統計（jì），平均服役年限超過50年的為15%，100座橋梁平均（jun1）服役（yì）年（nián）限為29.36年。西南交大學者對世界範（fàn）圍內（nèi）181起橋梁事故（其中美國55起、歐洲44起、中國70起）進行了分析：從開（kāi）通到出現事故的平均時間為29年；中國發生事（shì）故橋梁平均橋齡僅為25年。
3、在役橋梁老齡化加速到來我國在役橋梁老齡化主要體現在以下幾個方麵：a.我國經濟高速發展期建成的橋（qiáo）梁其特點（diǎn）：總量大、周期短、隱患多；b.橋（qiáo）梁使用超過25年後，進入病害加（jiā）速發展期；c.對比中美30年橋齡的橋梁占比可以發現，美國從18%增長（zhǎng）到60%，用了（le）約60年的時間，而中國隻要不到30年（見圖3）。

圖03中美橋梁30年橋（qiáo）齡發展對比

4、傳統檢測方法的缺點（diǎn）傳統（tǒng）檢查方（fāng）法存在諸多缺點（diǎn）和不足主要體現（xiàn）在以下幾個方麵：a.需要大量人力、物力和財力並（bìng）有（yǒu）諸（zhū）多（duō）檢（jiǎn）查盲點（diǎn）；b.主觀性強，難於量化；c.缺少整體性；d.影響正常（cháng）交通運行（háng）；e.周期長，實時性差（chà）。
基於傳統檢測方法的（de）缺點和不足，對於大型橋梁在運營期通過橋梁結構的健康監測係統能有（yǒu）效對關（guān）鍵（jiàn）參數進行（háng）監（jiān）測，對於（yú）橋梁的結構的安全運營提供科（kē）學的依據（jù）。對於橋梁檢測和（hé）橋梁結構的健康監測都是確保（bǎo）橋梁安全運營的重（chóng）要手段，未來在大數據的基礎上可以進（jìn）行（háng）有機的融合，為最終實現智（zhì）慧橋梁管理養護提供有力的支撐。

什麽是橋梁健康監測？
（一）定義結構（gòu）健康監測（structuralhealthmonitoring，SHM）指利（lì）用現場的傳感設備獲取相關數（shù）據，通過對包（bāo）括結構（gòu）響應在內的結構係統特性分析，達到監測、檢（jiǎn）測結構損傷或退化的目的。
（二）其（qí）功能定位a.對橋梁總體和（hé）擔心出現的損傷部位，其類似（sì）於“神經係統”；橋（qiáo）梁結構的（de）健康監測係統功能類似於人的神經係統：傳感器相當於“神經係統”的末梢，用於感知結構的響應；傳輸網（wǎng）絡相當於“神經網絡”的神經中樞，其功能是在（zài）傳感器和控製係統之間進行信息傳輸和控製；結構的（de）狀態評估類似於“神經網路”的大腦，其功能（néng）是對紫銅的（de）采集數據進行處理和分析，並對結構的狀態（tài）進行（háng）評估。b.對已發現的損傷部位，其類似於“心電圖（tú）背包”。健康監測對於（yú）已經發現損傷的部位通（tōng）過實時的（de）監（jiān）測數據的分析，能對損傷的發展變（biàn）化以及損傷（shāng）對結構的影響進行評估，其功能類（lèi）似於對病人進行“心電圖（tú）”監測。
（三）監測係統的作用
a.對突發性損（sǔn）傷，起作用是能提（tí）高發現速度（dù）；b.對（duì）累積性損傷，使趨勢推演成為可能（néng）；c.對隱蔽部位，能夠實現觀察；d.對橋梁的設計進行驗證，並能對今後的（de）設計起指導作用。
（四）係統的組成橋（qiáo）梁健康（kāng）監測係統的組成包括感知層、傳輸層、數（shù）據層和應用層四個層（céng）級，其分別對應傳感器子係統、數據采集與傳輸子係統、數據存儲與處理子係統、損（sǔn）傷識別與狀態評（píng）估子係統四個子（zǐ）係統。係統組成框架見圖4，典型橋梁健康監測（cè）組成（chéng）圖（tú）見圖5。

圖04橋梁健康監測係統的組成圖

 
圖05香港某橋健（jiàn）康監測係統

圖06監測指標和監測設備

當前發展狀（zhuàng）態及主要問題是什麽？
當前的發展狀態（一）技術成（chéng）熟度曲線橋（qiáo）梁健康監測係統的發展大致要經曆了五個階段，詳見（jiàn）技術成熟（shú）度曲線（圖7）

圖07橋梁（liáng）健康監（jiān）測係統（tǒng）成熟度曲線圖（tú）

a.技術萌芽期20世紀（jì）90年代，橋梁結構健康（kāng）監測開（kāi）始（shǐ）在中國得到（dào）應用。例如：青馬大橋、江陰長江公路大橋和虎門大橋等。
b.期望膨脹期2005年前後（hòu），大家對健康（kāng）監測技術所能發揮作用的期望非常高，所建的橋（qiáo）梁健康監（jiān）測係統的規（guī）模也普遍較大，通常單個係（xì）統規（guī）模都超過了3,000,000美金。
c.泡沫化的低穀期但是，大家很快地發現（xiàn），橋（qiáo）梁健康監測技術還（hái）並不成熟，尚不能發揮預期的全部作用。所（suǒ）以，在2010年（nián）前後，橋梁結構健康監測技術就落到了泡（pào）沫化的穀底。
d.穩（wěn）步爬升（shēng）的光（guāng）明期近年來，隨著傳感、采集、通訊、存儲，特別是計算機分析與人工智能的快速發展，健康監測技術在中國又重新得到認可，並取得（dé）了較快發（fā）展。這是目前我國橋梁健康監測係（xì）統發展正經曆的階段，隨著技術的發展橋梁（liáng）健（jiàn）康監（jiān）測係統除了在（zài）大型橋梁上的成熟應（yīng）用，其在中小橋（qiáo）梁的應用（yòng）也在逐步開展。
e.實質生產的高峰期這是橋梁健康監測係統（tǒng）未來要經曆的（de）階段，隨著人工智能、大數據、5G技術的發展，未來橋梁健康監測係統的發（fā）展將出現高峰期，將進一步推（tuī）動智慧橋梁管理的實現。
（二）政策層（céng）麵2013年交通運輸部發布了《關（guān）於進一步加強公路橋（qiáo）梁養護管理的若幹（gàn）意見》提出：特大、特（tè）殊結構和（hé）特別重要橋梁的養管單位，要利用現（xiàn）代信息技術，建立符合自（zì）身特（tè）點的養護管理係統和健康監測係統。2016年發布的《十三（sān）五公路養護管理（lǐ）發展綱（gāng）要》中指出（chū），高速公路運行實（shí）時監測覆蓋率（lǜ）東、中部達到100%，西部地區重點路段達到100%。加強長（zhǎng）大橋隧（suì）健康監測和（hé）動（dòng）態運行監管，完善橋梁（liáng）隧（suì）道運行監管製度。
2018年發布的《公路長大橋隧養護管理和安全運行若幹規定》提出：長大橋隧經營管理單位應逐步建立長（zhǎng）大橋隧結構監測體係，設置專人或委托專業機構對橋隧（suì）的（de）結構狀態和各類外部荷載作用下的響應情況進行監（jiān）測，及時掌握長大橋隧（suì）的結構運行狀況。
（三）標準層麵（miàn）目前我國已發布和在編寫的橋（qiáo）梁健康監測（cè）係統相關的國家、學會以及地方標準有10多項，將進一步推動和規範（fàn）橋（qiáo）梁（liáng）健康監測係統的發展。

圖08健康檢測係統相關的標（biāo）準、規範

（四）應用層麵（miàn）a.健康檢測係統（tǒng）的應用實施橋梁健康監測係統（tǒng）的橋（qiáo）梁據（jù）不完全統計，目前我國已實施橋梁健康監測係統的橋梁超過466座，其中橋梁主跨在300m以上的橋梁（liáng）147座。
b.所發揮的（de）作用—累積性損傷趨勢推演（yǎn）伸縮（suō）縫損傷發現與成因分析（xī）江陰大橋於（yú）1999年通車，2003年發現橋梁伸縮縫出現損（sǔn）壞。該橋伸縮縫設計壽命（mìng）為40年，而其使用4年後（hòu）就出現損壞。對於伸縮縫采用梁端布設標尺采用定期（qī）人工檢查的（de）方式，無法發現其損（sǔn）壞（huài）的原（yuán）因（yīn）。通過梁端安（ān）裝位移計對伸縮縫的運動形態進行動態監測（cè），並對其進行分析，發現（xiàn）其損傷的原（yuán）因。江陰大橋、潤揚大橋和蘇（sū）通大橋伸（shēn）縮縫位移動態監測分析，見圖10。

圖（tú）10三座大橋伸縮縫監測數據分析圖

對比分析結果顯示：對比廠家給出的伸縮縫滑塊允許磨耗距離，對比江陰大橋（qiáo）實測數據，就會將滑塊磨（mó）壞；對江陰大橋實測位移值做二次微分可以發（fā）現，車輛也帶來了較大梁體加速度，這意味著較大的縱向衝擊力。因此懸（xuán）索橋和斜拉橋縱向運動形態有很大不同，較大的縱（zòng）向累（lèi）積行程和較大的縱向運動加速度是造成江（jiāng）陰（yīn）大橋伸縮縫損壞的主要原因。處理措（cuò）施：對江陰大橋伸縮縫處理措施：縱向阻尼器（qì）+高耐磨滑塊；對（duì）潤（rùn）揚大橋伸縮縫處理：限位裝置+高耐磨滑塊。伸縮縫累計損傷趨勢推演作用（yòng）：構造設計（jì）優化（huà）、實測行程特征、及時更換滑塊和伸（shēn）縮縫壽命預（yù）測。
異常事件/突發性損傷報警撞船事（shì）件及時發現和報警，見圖（tú）11。

圖（tú）11撞船事件的（de）發現和報警
故障（zhàng）發現，如發現崇啟大橋TMD阻尼器抑（yì）振效果異常，見圖12。代替部分人工（gōng）檢測——例：橋麵溫度監測直接指導養護（高溫時灑水降溫，低溫雨雪（xuě）時預撒融雪劑）。驗證指導設計——例：風場分析（xī）及風譜模型建立（lì），見圖13。

圖12故障發現示例

圖13台風譜模型

c.應（yīng）用範圍健康監測（cè）技術近年來正逐步從特大跨徑橋梁向常規橋梁拓（tuò）展。目（mù）前江蘇、武漢以及雲南昆明等地（dì）區已經在中小跨徑橋梁實施橋梁健（jiàn）康（kāng）監測係統，並（bìng）逐步實現橋梁健康監（jiān）測集群化。
d.應用功（gōng）能健（jiàn）康監測技術（shù）近年來正與BIM、電子化（huà）人工巡檢係統和養（yǎng）護管理係統逐步融合。

健康監測係統主要（yào）問題

根據橋梁健康監測係（xì）統的現狀，其技術（shù）、瓶頸（jǐng）以及（jí）未來突破（pò）方向（xiàng）總結見圖14。

圖（tú）14橋梁健康監測技術瓶頸、突破

問題1：問什麽（me）很多健康監測係統用不長久就壞？當前橋（qiáo）梁健康監測係統實施過程中存在的主要認識誤（wù）區（qū），導致係統出現經常壞、不管用的（de）情況。監測係統經常壞的主要運營是係統在實施時重總體輕細節、重設計輕施工、重傳感輕後端、重實（shí）施輕維護。出（chū）現係統不管用的主要原（yuán）因是重硬件輕軟件、重數據輕（qīng）分析。
問題2：特大橋係統（tǒng）能否簡（jiǎn）單照搬到常規橋？1.頂層設（shè）計特大橋係統和常規橋梁係統特點不同，因此常規橋梁應考慮降費、增效，在頂層設計時考慮建立輕型橋梁監測（cè）係（xì）統。1）特（tè）大跨（kuà）橋梁的（de）健康監（jiān）測係統的特點特大跨橋梁的（de）健康監（jiān）測係統的特點（diǎn）：單橋係統（tǒng）規模大（dà）、基礎條件好（hǎo）（供電、通訊…）、變形量值大（dà）、後期維護集中，難度較小（xiǎo）。2）常規橋梁的健康（kāng）監測係統的特點（diǎn）常規橋梁的健康監（jiān）測係統的特點：單橋係統規模小、基礎條（tiáo）件差、變形量值大、後期維護（hù）分散，難度（dù）較大。3）硬件硬件在頂層設計時應根據特點考慮其（qí）構建係統的原（yuán）則、思路以及係統組成，見圖15。

圖15常規橋梁係（xì）統硬件設計

4）軟件軟件：適於常規橋梁安全監測係統特點的預警方法。如（rú）考慮預製空心板橋鉸縫工作性能評價指標等。

2.功能設計
大型結構橋梁監測係統與（yǔ）常規橋梁監測係統在功（gōng）能設計（jì）時的區別見圖（tú）16。

圖16兩種係統功能設計對（duì）比

3.傳感手段傳感手段應考慮低成本、高精度、一專多能以及新型監測傳（chuán）感器技術手段。

4.數據采集對於數據采（cǎi）集傳統方式為傳感器+工（gōng）控機（jī），其（qí）存在主要（yào）問題是係統複雜、成（chéng）本太高和工控機使用效率低等。對於常規橋梁數據采集研發方向是采用嵌入式係統，如振弦式應力傳感器數（shù）據采集儀多路擴展器、多路（lù）熱敏（mǐn）電阻信號調理器、新型數字溫度傳感器測溫係統等。

5.數據傳輸數（shù）據傳輸傳統的方式（shì）是（shì）有線傳輸，其存在問題（tí）多點（diǎn）分（fèn）散，難以適用常規橋梁。對於常規橋梁數據（jù）傳輸解決思路：橋位有線+短途無（wú）線+公網或專網（wǎng）傳輸的方式，見圖17。

圖17常規橋梁監測數據傳輸網絡

6.標準係統與簡化係統測量參數對比標準係統與（yǔ）簡化係統測量參（cān）數不同，其對比見圖18。

圖18兩種係統（tǒng）測量參數對比


問題3：如何讓健康（kāng）監測係統發揮作用？1.保證係統的穩定運行；2.高度重視異常信號（hào）的甄別與剔除；異常信號的甄（zhēn）別與剔除的方法有：深度（dù）神經網（wǎng）絡的異常數據自動探（tàn）測、基於機器學習的監測數據預測（cè）與異常識別。3.有一套功能強大的（de）可視化（huà）分析軟件，見圖19；

圖19典型係統（tǒng）可視化軟件


4.建立合理（lǐ）可（kě）行（háng）的報警指標與閾值（zhí）並與養護動（dòng）作（zuò）掛鉤，見圖20；

圖（tú）20報警指標與閾值與養護管理關係

5.通過統計分析發現異常，結合有限元仿真尋找異常產生原因；6.檢測與（yǔ）監測相（xiàng）配合。監（jiān）測（cè）與檢測相結合今後分步驟研究（jiū）的（de）方向見圖21。

圖21監測與檢測研究方向

監測與檢測一體（tǐ）化係統架構（gòu）包括：數據存儲的一體（tǐ）化、軟件功能的一體化、界麵設計的一體化以及數據交換的一體化。