智能信息处理技术用于桥梁结构健康预测

20世纪80年代中后期国际上开始了各种规模的桥梁健康监测系统的建立。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、扰度和应变等响应，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）、美国主跨440m的Sunshine Skyway Bridge斜拉桥、丹麦主跨1624m的Great Belt East悬索桥、英国主跨194m的Flint shire独塔斜拉桥以及加拿大的Confederation Bridge桥。我国自20世纪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，如我国香港的青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥，上海徐浦大桥以及江阴长江大桥等。

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）通过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，还强调对结构环境条件（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力响应来建立结构的“指纹”，并借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、通信与处理能力，并实现数据的网络共享。

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等）。

由于大型桥梁（尤其是斜拉桥、悬索桥）的力学和结构特点以及所处的特定环境，在大桥设计阶段完全掌握和预测结构的力学特性和行为是非常困难的。大跨度索支承桥梁的设计依赖于理论分析并通过风洞、振动台模拟试验预测桥梁的动力性能并验证其动力安全性。然而，结构理论分析常基于理想化的有限元离散模型，并且分析时常以很多假定条件为前提，在进行风洞或振动台试验时对大桥的风环境和地面运动的模拟也可能与真实桥位的环境不完全相符。因此，通过桥梁健康监测所获得的实际结构的动静力行为来验证大桥的理论模型、计算假定具有重要的意义。事实上，国外一些重要桥梁在建立健康监测系统时都强调利用监测信息验证结构的设计。

桥梁健康监测信息反馈结构设计的更深远的意义在于，结构设计方法与相应的规范标准等可能得以改进，对桥梁在各种交通条件和自然环境下真实行为的理解以及对环境荷载的合理建模是将来实现桥梁“虚拟设计”的基础。

检测项目：目前，某些监测系统以开发结构整体性与安全性评估技术为目的之一。结合桥梁问题研究的监测系统虽不多见，但有些系统也有监测项目是专为研究服务的，与理论研究相关的监测项目可以根据待研究问题的性质来确定。从目前桥梁工程的发展状况看，以下几方面的问题可以借助桥梁健康监测进行深入研究或论证。(www.xing528.com)

抗风方面：包括风场特性观测、结构在自然风场中的行为以及抗风稳定性。

抗震方面：包括研究各种场地地面运动的空间与时间变化、土结构相互作用、行波效应、多点激励对结构响应的影响等。通过对墩顶与墩底应变、变形及加速度的监测建立恢复力模型对桥梁抗震分析具有重要的意义。

结构整体行为方面：包括研究结构在强风、强地面运动下的非线性特性，桥址处环境条件变化对结构动力特性、静力状态（内力分布、变形）的影响等。这对于发展基于监测数据的整体性评估方法非常重要。

结构局部问题：例如边界、联接条件，钢梁焊逢疲劳及其他疲劳问题，结合梁结合面（包括剪力键）的破坏机制，等等。索支承桥梁缆（拉）索和吊杆的振动与减振、局部损伤机制等也值得进一步观察研究。

耐久性问题：桥梁结构中的耐久性问题尚有许多问题需要深入研究。缆（拉）索与吊杆的腐蚀、锈蚀问题尤其要重视。

基础：大直径桩的采用也带来一些设计问题，直接套用原先用于中等直径桩的计算方法不很合理。借助大型桥梁监测系统调查大直径桩的变形规律、研究桩的承载力问题，也是设计部门的需要。

桥梁结构健康监测不只是传统的桥梁检测技术的简单改进，而且是运用现代传感与通信技术，实时监测桥梁运营阶段在各种环境条件下的结构响应与行为，获取反映结构状况和环境因素的各种信息，由此分析结构健康状态、评估结构的可靠性，为桥梁的管理与维护决策提供科学依据。同时，大型桥梁结构健康监测对于验证与改进结构设计理论与方法、开发与实现各种结构控制技术以及深入研究大型桥梁结构的未知问题具有重要意义。因此，健康监测为桥梁工程的发展开辟了新的空间。

大型桥梁健康监测的结构状态评估、设计验证和研究与发展三方面的意义反映了从事桥梁维护管理、设计咨询和理论研究不同领域人员所关注的问题。监测系统的设计应以功能要求和效益-成本分析为基本准则。此外，监测系统的设计应该通过布点优化分析，并且考虑到系统实施中的通信问题。