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大型桥梁健康监测概念与监测系统设计(一)

摘要：大型桥梁健康监测力求对结构整体行为的实时监控和对结构状

态的智能化评估。同时，对大跨度桥梁设计理论与力学模型的验证以

及对结构和结构环境中未知或不确定性问题的调查与研究也正融入桥

梁健康监测的内涵。本文首先简要地总结十多年来桥梁健康监测的研

究状况，然后较系统地阐述桥梁结构健康监测的新概念，并从桥梁工

程发展的角度探讨大型桥梁监测系统设计的有关问题，以期为监测系

统的开发提供借鉴。

关键词：健康监测监测系统监测项目桥梁

20世纪桥梁工程领域的成就不仅体现在预应力技术的发展和大跨度索

支承桥梁的建造以及对超大跨度桥梁的探索，而且反映于人们对桥梁

结构实施智能控制和智能监测的设想与努力。近20年来桥梁抗风、抗

震领域的研究成果以及新材料新工艺的开发推动了大距度桥梁的发展；

同时，随着人们对大型重要桥梁安全性、耐久性与正常使用功能的日

渐关注，桥梁健康监测的研究与监测系统的开发应运而生。由于桥梁

监测数据可以为验证结构分析模型、计算假定和设计方法提供反馈信

息，并可用于深入研究大跨度桥梁结构及其环境中的未知或不确定性

问题，因此，桥梁设计理论的验证以及对桥梁结构和结构环境未知问

题的调查与研究扩充了桥梁健康监测的内涵。本文结合近十年来桥梁

健康监测的研究状况以及大跨度桥梁工程的研究与发展，较系统地阐

述桥梁健康监测的内涵，并由此探讨监测系统设计的有关问题。

一、桥梁健康监测系统与理论发展简况

1．监测系统

80年代中后期开始建立各种规模的桥梁健康监测系统。例如，英国在

总长522m的三跨变高度连续钢箱梁桥Foyle桥上布设传感器，监测大

桥运营阶段在车辆与风载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同

时监测环境风和结构温度场。该系统是最早安装的较为完整的监测系

统之一，它实现了实时监测、实时分析和数据网络共享。建立健康监

测系统的典型桥梁还有挪威的Skarnsundet斜拉桥（主跨530m）〔2〕、

美国主跨440m的SunshineSkywayBridge斜拉桥、丹麦主跨1624m的

GreatBeltEast悬索桥〔3〕、英国主跨194m的Flintshire独塔斜拉桥4]

以及加拿大的ConfederatiotBridge桥5]。我国自90年代起也在一些大

型重要桥梁上建立了不同规模的结构监测系统，如香港的青马大桥、

汲水门大桥和汀九大桥，内地的上海徐浦大桥以及江阴长江大桥等

6~8]。

从已经建立的监测系统的监测目标、功能以及系统运行等方面看，这

些监测系统具有以下一些共同特点：

（1）通常测量结构各种响应的传感装置获取反映结构行为的各种记录；

（2）除监测结构本身的状态和行为以外，还强度对结构环境条件（如

风、车辆荷载等）的监测和记录分析；同时，试图通过桥梁在正常车

辆与风载下的动辆与风载下的动力力响应响应来来建立结构的建立结构的指纹指纹，并藉此开发实时的结构整

体性与安全性评估技术；

（3）在通车运营后连续或间断地监测结构状态，力求获取的大桥结构

信息连续而完整。某些桥梁监测传感器在桥梁施工阶段即开始工作并

用于监控施工质量；

（4）监测系统具有快速大容量的信息采集、通讯与处理能力，并实现

数据的网络共享。

这些特点使得大跨度桥梁健康监测区别于传统的桥梁检测过程。另外

需要指出的是，桥梁健康监测的对象已不再局限于结构本身：一些重

要辅助设施的工作状态也已纳入长期监测的范围（如斜拉索振动控制

装置4]等）。

2．理论研究

十多年来，桥梁健康监测理论的研究主要集中于结构整体性评估和损

伤识别。由于基于振动信息的整体性评估技术在航天、机械等领域的

深入研究和运用，这类技术被用于土木结构中除无损检测技术以外的

最重要的整体性评估方法并得到广泛的研究【1，7，9～11】。人们致

力于基于振动测量值的整体性评估方法研究的另一个原因是，结构振

动信息可以在桥梁运营过程中利用环境振动法获得，因此这一方法具

有实时监测的潜力。

结构整体性评估方法可以归结为模式识别法、系统识别法以及神经网

络方法三大类【1】。结构模态参数常被用作结构的指纹特征，也是系

统识别方法和神经网络法的主要输入信息。另外，基于结构应变模态、

应变曲率以及其他静力响应的评估方法也在不同程度上显示了各自的

检伤能力10]。然而，尽管某些整体性评估技术已在一些简单结构上有

成功的例子，但还不能可靠地应用于复杂结构。阻碍这一技术进入实

用的原因主要包括：①结构与环境中的不确定性和非结构因素