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橋樑健康監測系統
鎖定
橋樑健康監測的基本內涵即是通過對橋樑結構狀況的監控與評估，為橋樑在特殊氣候、交通條件下或橋樑運營狀況異常嚴重時發出預警信號，為橋樑的維護維修和管理決策提供依據與指導。然而，橋樑結構健康監測不僅是為了結構狀態監控和評估，其信息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到改進。再有就是橋樑健康監測帶來的不僅僅是監測系統和對某特定橋樑設計的反思，還可能並應該成為橋樑研究的“現場實驗室”。橋樑健康監測為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與其環境所獲得的信息不僅是理論研究和實驗室調查的補充，還可以提供有關結構行為和環境規律的最真實是信息。因此，橋樑健康監測不只是傳統橋樑檢測加結構評估新技術，而且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。
- 中文名
- 橋樑健康監測系統
- 外文名
- bridge health monitoring system
- 意 義
- 結構監控與評估、設計驗證等
- 功 能
- 結構狀態監控和評估
- 組 成
- 交通系統
橋樑健康監測系統背景
作為交通系統的組成部分，橋樑在人類文明的發展和演化中起到了重要作用。隨着現代科技的發展以及運輸需求的不斷增長，大型橋樑（如跨海大橋、大跨度橋樑等）越來越多的出現在人們的視野中，這些橋樑造價動輒幾億甚至幾十億元，在交通、軍事和社會生活等方面有着重要的戰略意義。然而，橋樑在建造和使用過程中，由於受到環境、有害物質的侵蝕，車輛、風、地震、疲勞、人為因素等作用，以及材料自身性能的不斷退化，導致結構各部分在遠沒有達到設計年限前就產生不同程度的損傷和劣化。這些損傷如果不能及時得到檢測和維修輕則影響行車安全和縮短橋樑使用壽命，重則導致橋樑突然破壞和倒塌。據統計，如今在美國近60萬座橋樑中性能不足和有功能缺陷的佔28.6%。美國每年橋樑投資90%用於更新維修舊橋，只有10%用於新建橋樑。
我國現有公路橋5000餘座，總長130萬公里，1/3以上的橋樑都存在結構性缺陷、不同程度的損傷和功能性失效的隱患。近年來，我國陸續出現了多次重大橋樑事故。這些發生的事故與很多因素有關，但是缺乏有效的監測措施和必要的維修、養護措施是重要的原因之一。這些觸目驚心的事故使得人們對現代橋樑的質量和壽命也逐漸關注起來。對橋樑結構進行質量檢測和健康監測，已成為國內外學術界、工程界研究的熱點。
傳統的橋樑檢測在很大程度上依賴於管理者和技術人員的經驗，缺乏科學系統的方法，往往對橋樑特別是大型橋樑的狀況缺乏全面的把握和了解，信息得不到及時反饋。如果對橋樑的病害估計不足，就很可能失去養護的最佳時機，加快橋樑損壞的進程，縮短橋樑的服務壽命。如果對橋樑的病害估計過高，便會造成不必要的資金浪費，使得橋樑的承載能力不能充分發揮。
橋樑健康監測系統系統概念
橋樑健康監測的基本內涵即是通過對橋樑結構狀況的監控與評估，為橋樑在特殊氣候、交通條件下或橋樑運營狀況異常嚴重時發出預警信號，為橋樑的維護維修和管理決策提供依據與指導。然而，橋樑結構健康監測不僅是為了結構狀態監控和評估，其信息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到改進。再有就是橋樑健康監測帶來的不僅僅是監測系統和對某特定橋樑設計的反思，還可能並應該成為橋樑研究的“現場實驗室”。橋樑健康監測為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與其環境所獲得的信息不僅是理論研究和實驗室調查的補充，還可以提供有關結構行為和環境規律的最真實是信息。因此，橋樑健康監測不只是傳統橋樑檢測加結構評估新技術，而且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。
近年來，通信網絡、信號處理、人工智能等技術的不斷髮展加速了橋樑監測系統的實用化進程。業界紛紛着手研究和開發各種靈活、高效、廉價、並且不影響橋樑結構正常使用的長期實施監測方法或技術。橋樑健康監測系統的部署和應用不單單具有重要的現實意義，還具有重要的研究價值，在推動和發展智能化、數字化和信息化橋樑工程中起到了積極的作用。
橋樑健康監測系統現狀
20世紀90年代，亞洲一些國家如日本、韓國等開始研究並在一些大型橋樑上安裝健康監測系統。目前的橋樑健康監測系統的研究現狀和一些特點主要表現在以下幾個方面：
(1)通過佈設在橋樑上的傳感器能夠測量並記錄橋樑的行為。
(2)重視對橋址處環境的監測(温度、風、交通荷載等)。
(3)各系統都毫無例外的進行了橋樑動力加速度、速度的監測。
(4)由於科學技術的發展，特別是通訊技術和現代測量技術的發展，使得橋樑健康監測系統能夠獲取橋樑相對準確的信息，並且可以實現系統的大容量、網絡化的數據自動採集、自動入庫。
橋樑健康監測系統系統設計
健康監測系統分成三個等級，即長期在線自動健康監測系統、定期離線健康監測系統和定期養護健康檢測系統。長期在線自動健康監測系統是最高等級的健康監測系統，該系統適合於在特大跨徑複雜橋樑結構和具有重大戰略意義的關鍵橋樑上使用。該等級的橋樑健康監測系統具有如下的特點：傳感器長期佈設在橋樑上，並通過相應技術連接在一起，構成傳感器子系統。各傳感器的數據採集通過健康監測系統中心控制系統動態實時的下達採集指令，觸發傳感器的開關，實現數據採集。採集的數據經系統的數據通信系統直接自動進入健康監測中央數據庫。橋樑管理部門和客户可以通過網絡遠程訪問中央數據庫並進行健康診斷。
目前此類系統，傳感器數據採集及中央數據庫等各子系統的連接還是通過數據線的連接。隨着無線傳感器技術的研製，無線健康監測系統有望實現。定期離線健康監測系統是長期在線自動監測系統的一種簡化，最大的區別是定期離線健康監測系統的數據採集和管理是離線的、人工的。與長期在線自動健康監測系統相比，該系統省掉了數據的自動採集設備和軟件，無需大量的數據線並避免了數據的長距離傳輸帶來的數據精度的損失。該系統投資額度相對小，適合於一般重要的橋樑。而且，該系統在以後如果需要的話，可以直接升級為長期在線自動健康監測系統。
定期養護健康檢測系統適合於一般橋樑和對整個路線沿線的所有橋樑的健康監測，該系統的功能和性質接近於一般橋樑的養護管理，可以這樣描述：橋樑管理部門購置相應的橋樑檢測設備，包括傳感器及其相應的數據採集和處理軟件、橋樑健康診斷軟件。這些設備都存放於實驗室，不長期固定在橋樑上。橋樑管理部門定期的利用這些設備對所轄橋樑進行健康檢測。該系統最大的優點是可以監測多個橋樑的健康狀況，同時設備容易維護、更換和更新。
橋樑健康監測系統設計準則
橋樑健康監測系統的設計是實施橋樑健康監測的第一步。目前關於橋樑健康監測系統設計的標準、原則還沒有統一的説法。本文結合國內外已經安裝的橋樑健康監測系統的特點，探討橋樑健康設計的一些原則。
從已經安裝的橋樑健康監測系統中可以看出，這些橋樑健康監測的測點佈置的數量、監測項目有很大差異。這種差異一方面來自於橋樑結構形式和所處地理環境的差異，另一方面來自於各健康監測設計的目的和投資額度的不同。橋樑健康監測系統的設計要遵循“因橋而異、因橋制宜、經濟實用、穩定可靠”的16字原則。
因橋而異、因橋制宜。不同地區、不同橋樑結構形式的健康監測的內容是不一樣的。不同地區的氣候、地質環境會有很大差別，橋樑健康監測的一部分內容就包括對橋址處環境的監測，比如風、地震、温度等。
經濟實用、穩定可靠。橋樑健康監測系統的實施費用是昂貴的，因此，投資額是制約橋樑健康監測系統規模和設備的重要因素。健康監測系統的設計應作效益．成本分析，設計出經濟實用、穩定可靠的健康監測系統。
基於以上分析，建議在橋樑健康監測系統設計時遵循以下步驟：
(1)針對具體橋樑，確定監測系統的目的和功能。
(2)分析橋樑的結構特點、環境狀況、運營情況，確定橋樑健康監測系統的監測項目。
(3)建立橋樑有限元模型進行結構靜動力分析，確定應力相對不利的位置及動力分析結果，結合工程經驗、結構特點及測點優化理論綜合確定測點佈置方案。
- 參考資料
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- 1. 張連振,李惠.橋樑健康監測系統概念設計[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版）,2008,27(6):869-871 ．萬方[引用日期2017-09-23]
