橋梁結構健康監測技術應用、瓶頸與突破

一、為什么要做健康監測？

根據我國橋梁建設的成就以及目前的形式，報告從我國橋梁發展的成就、橋梁安全的嚴峻形勢、在役橋梁老齡化的加速到來以及人工檢查存在的缺點等方面介紹了“為什么要做橋梁健康監測”

1、橋梁發展成就巨大

我國橋梁近20年的橋梁建設成就斐然，建設了以港珠澳大橋、蘇通長江公路大橋、西堠門大橋、杭州灣大橋、北盤江大橋以及盧浦大橋等一大批創造世界紀錄的大橋。

圖1港珠澳大橋

我國已經邁入了橋梁建設的強國，橋梁規模已經位居世界第一主要體現在：（1）從1990年~2018年，中國新增橋梁總數占全世界47%；（2）從2009年~2018年，年均新增公路橋梁2.57萬座；（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。

2、橋梁安全形勢依然嚴峻

（1）橋梁垮塌事故時有發生

全國已有統計數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事故，其主要事故成因見圖2。

圖2橋梁垮塌事故成因統計

（2）橋梁失效年限統計

對我國100座運營期間橋梁垮塌的橋梁進行統計，平均服役年限超過50年的為15%，100座橋梁平均服役年限為29.36年。

西南交大學者對世界范圍內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：從開通到出現事故的平均時間為29年；中國發生事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面：

（1）我國經濟高速發展期建成的橋梁其特點：總量大、周期短、隱患多；

（2）橋梁使用超過25年后，進入病害加速發展期；

（3）對比中美30年橋齡的橋梁占比可以發現，美國從18%增長到60%，用了約60年的時間，而中國只要不到30年（見圖3）。

圖3中美橋梁30年橋齡發展對比

4、傳統檢測方法的缺點

傳統檢查方法存在諸多缺點和不足主要體現在以下幾個方面：

（1）需要大量人力、物力和財力并有諸多檢查盲點；

（2）主觀性強，難于量化；

（3）缺少整體性；

（4）影響正常交通運行；

（5）周期長，實時性差。

基于傳統檢測方法的缺點和不足，對于大型橋梁在運營期通過橋梁結構的健康監測系統能有效對關鍵參數進行監測，對于橋梁的結構的安全運營提供科學的依據。對于橋梁檢測和橋梁結構的健康監測都是確保橋梁安全運營的重要手段，未來在大數據的基礎上可以進行有機的融合，為最終實現智慧橋梁管理養護提供有力的支撐。

二、什么是橋梁健康監測？

1、定義

結構健康監測（structuralhealthmonitoring，SHM）指利用現場的傳感設備獲取相關數據，通過對包括結構響應在內的結構系統特性分析，達到監測、檢測結構損傷或退化的目的。

2、其功能定位

（1）對橋梁總體和擔心出現的損傷部位，其類似于“神經系統”；

橋梁結構的健康監測系統功能類似于人的神經系統：傳感器相當于“神經系統”的末梢，用于感知結構的響應；傳輸網絡相當于“神經網絡”的神經中樞，其功能是在傳感器和控制系統之間進行信息傳輸和控制；結構的狀態評估類似于“神經網路”的大腦，其功能是對紫銅的采集數據進行處理和分析，并對結構的狀態進行評估。

（2）對已發現的損傷部位，其類似于“心電圖背包”。

健康監測對于已經發現損傷的部位通過實時的監測數據的分析，能對損傷的發展變化以及損傷對結構的影響進行評估，其功能類似于對病人進行“心電圖”監測。

3、監測系統的作用

（1）對突發性損傷，起作用是能提高發現速度；

（2）對累積性損傷，使趨勢推演成為可能；

（3）對隱蔽部位，能夠實現觀察；

（4）對橋梁的設計進行驗證，并能對今后的設計起指導作用。

4、系統的組成

橋梁健康監測系統的組成包括感知層、傳輸層、數據層和應用層四個層級，其分別對應傳感器子系統、數據采集與傳輸子系統、數據存儲與處理子系統、損傷識別與狀態評估子系統四個子系統。系統組成框架見圖4，典型橋梁健康監測組成圖見圖5。

圖4橋梁健康監測系統的組成圖

圖5香港某橋健康監測系統

5、系統監測參數

系統監測的參數包括結構的響應、自身特性、環境參數三大類，其對應的監測指標和設備見圖6。

圖6監測指標和監測設備

三、當前發展狀態及主要問題是什么？

當前的發展狀態

1、技術成熟度曲線

橋梁健康監測系統的發展大致要經歷了五個階段，詳見技術成熟度曲線（圖7）：

圖7橋梁健康監測系統成熟度曲線圖

（1）技術萌芽期

20世紀90年代，橋梁結構健康監測開始在中國得到應用。例如：青馬大橋、江陰長江公路大橋和虎門大橋等。

（2）期望膨脹期

2005年前后，大家對健康監測技術所能發揮作用的期望非常高，所建的橋梁健康監測系統的規模也普遍較大，通常單個系統規模都超過了3,000,000美金。

（3）泡沫化的低谷期

但是，大家很快地發現，橋梁健康監測技術還并不成熟，尚不能發揮預期的全部作用。所以，在2010年前后，橋梁結構健康監測技術就落到了泡沫化的谷底。

（4）穩步爬升的光明期

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，并取得了較快發展。

這是目前我國橋梁健康監測系統發展正經歷的階段，隨著技術的發展橋梁健康監測系統除了在大型橋梁上的成熟應用，其在中小橋梁的應用也在逐步開展。

（5）實質生產的高峰期

這是橋梁健康監測系統未來要經歷的階段，隨著人工智能、大數據、5G技術的發展，未來橋梁健康監測系統的發展將出現高峰期，將進一步推動智慧橋梁管理的實現。

2、政策層面

2013年交通運輸部發布了《關于進一步加強公路橋梁養護管理的若干意見》提出：特大、特殊結構和特別重要橋梁的養管單位，要利用現代信息技術，建立符合自身特點的養護管理系統和健康監測系統。

2016年發布的《十三五公路養護管理發展綱要》中指出，高速公路運行實時監測覆蓋率東、中部達到100%，西部地區重點路段達到100%。加強長大橋隧健康監測和動態運行監管，完善橋梁隧道運行監管制度。

2018年發布的《公路長大橋隧養護管理和安全運行若干規定》提出：長大橋隧經營管理單位應逐步建立長大橋隧結構監測體系，設置專人或委托專業機構對橋隧的結構狀態和各類外部荷載作用下的響應情況進行監測，及時掌握長大橋隧的結構運行狀況。

3、標準層面

目前我國已發布和在編寫的橋梁健康監測系統相關的國家、學會以及地方標準有10多項，將進一步推動和規范橋梁健康監測系統的發展。