監測系統設計管理的論文

摘要：大型橋樑健康監測力求對結構整體行爲的實時監控和對結構狀態的智能化評估。同時，對大跨度橋樑設計理論與力學模型的驗證以及對結構和結構環境中未知或不確定性問題的調查與研究也正融入橋樑健康監測的內涵。本文首先簡要地總結十多年來橋樑健康監測的研究狀況，然後較系統地闡述橋樑結構健康監測的新概念，並從橋樑工程發展的角度探討大型橋樑監測系統設計的有關問題，以期爲監測系統的開發提供借鑑。

關鍵詞：健康監測監測系統監測項目橋樑

20世紀橋樑工程領域的成就不僅體現在預應力技術的發展和大跨度索支承橋樑的建造以及對超大跨度橋樑的探索，而且反映於人們對橋樑結構實施智能控制和智能監測的設想與努力。近20年來橋樑抗風、抗震領域的研究成果以及新材料新工藝的開發推動了大距度橋樑的發展；同時，隨着人們對大型重要橋樑安全性、耐久性與正常使用功能的日漸關注，橋樑健康監測的研究與監測系統的開發應運而生。由於橋樑監測數據可以爲驗證結構分析模型、計算假定和設計方法提供反饋資訊，並可用於深入研究大跨度橋樑結構及其環境中的未知或不確定性問題，因此，橋樑設計理論的驗證以及對橋樑結構和結構環境未知問題的調查與研究擴充了橋樑健康監測的內涵。本文結合近十年來橋樑健康監測的研究狀況以及大跨度橋樑工程的研究與發展，較系統地闡述橋樑健康監測的內涵，並由此探討監測系統設計的有關問題。

一、橋樑健康監測系統與理論發展簡況

1．監測系統

80年代中後期開始建立各種規模的橋樑健康監測系統。例如，英國在總長522m的三跨變高度連續鋼箱梁橋Foyle橋上佈設傳感器，監測大橋運營階段在車輛與風載作用下主樑的振動、撓度和應變等響應，同時監測環境風和結構溫度場。該系統是最早安裝的較爲完整的監測系統之一，它實現了實時監測、實時分析和數據網絡共享。建立健康監測系統的典型橋樑還有挪威的Skarnsundet斜拉橋（主跨530m）［2］、美國主跨440m的SunshineSkywayBridge斜拉橋、丹麥主跨1624m的GreatBeltEast懸索橋［3］、英國主跨194m的Flintshire獨塔斜拉橋[4]以及加拿大的ConfederatiotBridge橋[5]。我國自90年代起也在一些大型重要橋樑上建立了不同規模的結構監測系統，如香港的青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋，內地的上海徐浦大橋以及江陰長江大橋等[6~8]。

從已經建立的監測系統的監測目標、功能以及系統執行等方面看，這些監測系統具有以下一些共同特點：

（1）通常測量結構各種響應的傳感裝置獲取反映結構行爲的各種記錄；

（2）除監測結構本身的狀態和行爲以外，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；同時，試圖透過橋樑在正常車輛與風載下的動力響應來建立結構的"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間斷地監測結構狀態，力求獲取的大橋結構資訊連續而完整。某些橋樑監測傳感器在橋樑施工階段即開始工作並用於監控施工質量；

（4）監測系統具有快速大容量的資訊採集、通訊與處理能力，並實現數據的網絡共享。

這些特點使得大跨度橋樑健康監測區別於傳統的橋樑檢測過程。另外需要指出的是，橋樑健康監測的對象已不再侷限於結構本身：一些重要輔助設施的工作狀態也已納入長期監測的範圍（如斜拉索振動控制裝置[4]等）。

2．理論研究

十多年來，橋樑健康監測理論的研究主要集中於結構整體性評估和損傷識別。由於基於振動資訊的整體性評估技術在航天、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得到廣泛的研究【1，7，9～11】。人們致力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，結構振動資訊可以在橋樑運營過程中利用環境振動法獲得，因此這一方法具有實時監測的潛力。

結構整體性評估方法可以歸結爲模式識別法、系統識別法以及神經網絡方法三大類【1】。結構模態參數常被用作結構的.指紋特徵，也是系統識別方法和神經網絡法的主要輸入資訊。另外，基於結構應變模態、應變曲率以及其他靜力響應的評估方法也在不同程度上顯示了各自的檢傷能力[10]。然而，儘管某些整體性評估技術已在一些簡單結構上有成功的例子，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要包括：①結構與環境中的不確定性和非結構因素影響；②測量資訊不完備；③測量精度不足和測量信號噪聲；④橋樑結構贅餘度大並且測量信號對結構局部損傷不敏感。

另外，從評估方法上，目前對大跨度橋樑的安全評估基本上仍然沿襲常規中小橋樑的定級評估方法，是一種主要圍繞結構的外觀狀態和正常使用性能進行的定性、粗淺的安全評價。

二、橋樑健康監測新概念

橋樑健康監測的基本內涵即是透過對橋樑結構狀態的監控與評估，爲大橋在特殊氣候、交通條件下或橋樑運營狀況嚴重異常時觸發預警信號，爲橋樑維護濰修與管理決策提供依據和指導。爲此，監測系統對以下幾個方面進行監控：

·橋樑結構在正常環境與交通條件下運營的物理與力學狀態；

·橋樑重要非結構構件（加支座）和附屬設施（如振動控制元件）的工作狀態；

·結構構件耐久性；

·大橋所處環境條件；等等。

與傳統的檢測技術不同，大型橋樑健康監測不僅要求在測試上具有快速大容量的資訊採集與通訊能力，而且力求對結構整體行爲的實時監控和對結構狀態的智能化評估。

然而，橋樑結構健康監測不僅僅只是爲了結構狀態監控與評估。由於大型橋樑（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，在大橋設計階段完全掌握和預測結構的力學特性和行爲是非常困難的。大跨度索交承橋樑的設計依賴於理論分析並過風洞、振動臺模擬試驗預測橋樑的動力性能並驗證其動力安全性。然而，結構理論分析常基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爲前提。在進行風洞或振動臺試驗時對大橋的風環境和地面運動的模擬也可能與真實橋位的環境不全相符。因此，透過橋樑健康監測所獲得的實際結構的動靜力行爲來驗證大橋的理論模型、計算假定具有重要的意義。事實上，國外一些重要橋樑在建立健康監測系統時都強調利用監測資訊驗證結構的設計。

橋樑健康監測資訊反饋於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改進；並且，對橋樑在各種交通條件和自然環境下的真實行爲的理解以及對環境荷載的合理建模是將來實現橋?quot;虛擬設計"的基礎。

還應看到，橋樑健康監測帶來的將不僅是監測系統和對某特定橋樑設計的反思，它還可能並應該成爲橋樑研究的"現場實驗室"。儘管橋樑抗風、抗震領域的研究成果以及新材料新工藝的出現不斷推動着橋樑的發展，但是，大跨度橋樑的設計中還存在很多未知和假定，超大跨度橋樑的設計也有許多問題需要研究。同時，橋樑結構控制與健康評估技術的深入研究與開發也需要結構現場試驗與調查。橋樑健康監測爲橋樑工程中的未知問題和超大跨度橋樑的研究提供了新的契機。由運營中的橋樑結構及其環境所獲得的資訊不僅是理論研究和實驗室調查的補充，而且可以提供有關結構行爲與環境規律的最真實的資訊。另外，橋樑振動控制與健康評估技術的開發與應用性也需要現場試驗與調查。

綜上所述，大型橋樑健康監測不只是傳統的橋樑檢測加結構評估新技術，而是被賦予了結構監控與評估、設計驗證和研究與發展三方面的意義。

三、健康監測系統設計

1．監測系統設計準則

兩座大型橋樑健康監測系統的測點佈置情況可以看出，兩個監測系統的監測項目與規模存在很大差異。這種差異除了橋型和橋位環境因素外，主要是因爲對各監測系統的投資額和（或）建立各個系統的目的（或者說是對系統的功能要求）不同。因此，橋樑監測系統的設計實際上有意或無意地遵循着某些準則。

顯然，監測系統的設計應該首先考慮建立該系統的目的和功能。上節所述的橋樑健康監測三方面的意義也正是橋樑健康監測的目的和功能所在。對於特定的橋樑，建立健康監測系統的目的可以是橋樑監控與評估，或是設計驗證，甚至以研究發展爲目的；也可以是三者之二甚至全部。一旦建立系統的目的確定，系統的監測項目就可以基本上確定。另外，監測系統中各監測項目的規模以及所採用的傳感儀器和通信設備等的確定需要考慮投資的限度。因此在設計監測系統時必須對監測系統方案進行成本一效益分析。成本-效益分析是建立高效、合理的監測系統的前提。

根據功能要求和成本一效益分析可以將監測項目和測點數設計到所需的範圍，可以最優化地選擇並安裝系統硬件設施。因此，功能要求和效益-成本分析是設計橋樑健康監測系統的兩大準則。

2．監測項目

不同的功能目標所要求的監測項目不盡相同。絕大多數大跨度橋樑監測系統的監測項目都是從結構監控與評估出發的，個別也兼顧結構設計驗證甚至部分監測項目以橋樑問題的研究爲目的[5]。文獻［12］透過對國內多座運營中的斜拉橋進行大量病害調查與檢測分析，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。

如果監測系統考慮具有結構設計驗證的功能，那就要獲得較多結構系統識別所須要的資訊。因此，對於大跨度餘支承橋樑，須要較多的傳感器佈置於橋塔、加勁樑以及纜索/拉索各部位，以獲得較爲詳細的結構動力行爲並驗證結構設計時的動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傳力、約束狀況等的資訊。

目前，某些監測系統以開發結構整體性與安全性評估技術爲目的之一。結合橋樑問題研究的監測系統雖不多見，但有些系統也有監測項目是專爲研究服務的。與理論研究相關的監測項目可以根據待研究問題的性質來確定。從目前橋樑工程的發展狀況看，以下幾方面的問題可以藉助橋樑健康監測進行深入研究或論證。

·抗風方面：包括風場特性觀測、結構在自然風場中的行爲以及抗風穩定性。

·抗震方面：包括研究各種場地地面運動的空間與時間變化、土-結構相互作用、行波效應、多點激勵對結構響應的影響等。透過對墩頂與墩底應變、變形及加速度的監測建立恢復力模型對橋樑的抗震分析具有重要的意義。

·結構整體行爲方面：包括研究結構在強風、強地面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（內力分佈、變形）的影響等。這對於發展基於監測數據的整體性評估方法非常重要。

·結構局部問題：例如邊界、聯接條件，鋼樑焊縫疲勞及其他疲勞問題，結合樑結合面（包括剪力鍵）的破壞機制，等等。索支承橋樑纜（拉）索和吊杆的振動與減振、局部損傷機制等也值得進一步觀察研究。

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

·基礎：大直徑樁的採用也帶來一些設計問題，直接套用原先用於中等直徑樁的計算方法不很合理。藉助大型橋樑監測系統調查大直徑樁的變形規律、研究樁的承載力問題，也是設計部門的需要。

四、小結

（1）橋樑結構健康監測不只是傳統的橋樑檢測技術的簡單改進，而是運用現代傳感與通信技術，實時監測橋樑運營階段在各種環境條件下的結構響應與行爲，獲取反映結構狀況和環境因素的各種資訊，由此分析結構健康狀態、評估結構的可靠性，爲橋樑的管理與維護決策提供科學依據。同時，大型橋樑結構健康監測對於驗證與改進結構設計理論與方法、開發與實現各種結構控制技術以及深入研究大型橋樑結構的未知問題具有重要意義。因此，健康監測爲橋樑工程的發展開闢了新的空間。

（2）大型橋樑健康監測三方面的意義反映了從事橋樑維護管理、設計諮詢和理論研究不同領域人員所關注的問題。監測系統的設計應以功能要求和效益－成本分析爲基本準則。此外，監測系統的設計應該透過布點優化分析，並且考慮到系統實施中的非常重要的通信問題。

（3）對於大跨度斜拉橋、懸索橋而言，整體性評估只是結構安全狀態評估的一部分，不可能僅透過整體性評估來解釋橋樑結構的安全狀態。同時，大跨度橋樑的力學特點決定其安全評估的概念上和方法上不同於常規的中小橋樑。

（4）在跨度橋樑結構安全狀態評估的目的是控制大橋運營風險及支援減災決策。因此結合橋樑健康監測系統的安全評估，應該可以透過獲取的監測數據評估橋樑結構的基本狀態和結構行爲。定期或在偶發事件（如地震）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階段的承載能力和抗風、抗震能力作出客觀的定量的評估。