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【摘 要】 为了避免和减小桥梁在服役期间由于各种因素出现损伤破坏，必须对桥梁结构采取有效的监测。本文对桥梁健康监测的必要性进行了阐述，并介绍了目前桥梁健康监测的发展和研究现状，重点讨论了传感器优化布置的研究，并引用了部分实例进行说明，最后指出了还需进一步研究的问题。
【关键词】 桥梁;健康监测;传感器;优化布置
近年来，随着大批大跨度桥梁相继建成，其结构形式与功能的日趋复杂化，大跨度桥梁的安全运营关系到整个国家的交通运输事业的发展。桥梁结构在其服役期间，由于荷载作用、疲劳效应和材料劣化等各种不利因素的影响，将不可避免的产生损伤，导致结构性能降低，对大跨度桥梁结构进行长期的健康监测就显得非常必要。由于大跨度桥梁的力学特性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。因此，通过桥梁健康监测所获得的实际结构动静力行为，可以验证大桥结构分析模型、计算假定和设计方法的合理性。尤其重要的是，监测所得的数据和分析结论可用于深入研究大跨度桥梁及其环境中的未知和不确定性问题，为以后的设计和建造工作提供依据[1]。桥梁健康监测的基本内涵是通过对桥梁结构状态的监控与评估，从而为桥梁工程在特殊气候、交通条件下或运营状况严重异常时发出预警信号，为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导。
1 桥梁健康监测的研究和发展情况
桥梁的安全检测始于20世纪50年代，而1967年12月俄亥俄河上的一起导致46人丧生的桥梁倒塌事故促使美国于1971年制定了国家桥梁检测标准（NBIS），用于全面指导桥梁检测的各个环节。20世纪80年代后，国外已有为数不少的大型桥梁建立了较为完备的健康监测系统。
佛罗里达州Sunhsine Skwyya斜拉桥上安装有一套综合设备，用来测量桥梁的应变、位移和温度，可同时通过近距离和远距离两种方式采集数据。材料和结构在建造过程中随时间的变化特性可以通过分析测量数据得出。苏格兰的Kingstno桥上装有一套安全监测系统，能够远距离监测桥梁应变、位移、温度和风力变化，监测目的是为了帮助桥梁工程师在修复这座桥梁时避免倒塌事故。其监控计算机还配备报警装置，能在风速或桥梁振动异常时提醒桥梁管理部门。泰国的RamaIX桥和韩国的Namhae桥上都装有结构安全与完整在线警报系统（OASSI），可以探测异常风速和桥梁振动，长期监测桥梁动力特性参数并发现疲劳损伤。英国在总长522米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力荷载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测结构温度场和环境湿度。该系统是最早安装的较为完整的监测系统之一，实现了实时监测、实时分析和数据的网络共享[6]。
我国自20世纪90年代起也在一些重要的大型桥梁上建立了不同规模的长期监测系统，如香港的青马大桥、极水门大桥和汀九大桥，内地的广州虎门大桥、上海徐浦大桥、江阴长江大桥以及润扬长江大桥等在施工阶段业己安装用于健康监测的传感设备，以备运营期间的实时监测。
关于桥梁健康监测的远程数据采集系统设计以及监测系统的研究，现在也引起了众多科研工作者的关注。桥梁健康监测系统一般由数据采集系统和结构健康状态与安全评估系统这两个子系统组成，而其中的数据采集子系统则是整个监测系统的基础。现场数据采集系统主要包括传感系统和信号采集与处理系统，由传感器及二次仪表、高可靠性的工控机等部分所组成。
2 对传感器优化布置的研究
由于结构运行状态和经济等方面的局限性，在整座桥梁结构的所有自由度上布置传感器变得不现实和不可能，因此传感器的优化布设问题就显现的尤为重要。传感器优化布设的目标就是获得最可靠且最全面的桥梁结构的健康信息通过布设尽可能少的传感器来。国内外在这个方面有很多学者已经对其进行了大量的研究分析并提出了优化布置各种传感器的数学模型。到目前为止，传感器的优化布置主要采用以下准则：
（1）识别误差最小准则
识别误差最小原则就是尽量保证健康监测系统参数识别的误差最小。
Kammer等人于1991年提出了有效独立准则，它从所有可能测点出发，按照对目标模态矩阵独立性排序，逐步删除对其秩贡献最小的自由度，从而使感兴趣的模态向量尽可能线性无关。有效独立法是目前最为常用的传感器优化布置原则，它可以有效地减少传感器的数目，但根据这种方法得出的往往是一群被测量较大的点，有时对桥梁的损伤不够敏感。
（2）模态应变能准则
模态应变能方法认为，模态应变能较大的自由度上模态响应也较大，将传感器尽可能布置在这些自由度上，将有利于信号采集和损伤识别[12]。其缺点是过分依赖于有限元模型的划分，如果划分得较粗，则传感器也将分布得较远。
（3）插值拟合准则
插值拟合准则的基本思想是，利用采集到的响应信息通过插值拟合得出整个桥梁结构所有点的响应情况，而将传感器布置在插值拟合的误差较小的位置上，从而实现利用较少的传感器获取较多桥梁信息的目的。
插值拟合准则的缺点在于，此类方法与有限元方法无关，只能应用于形状较为简单的一维和二维结构。
（4）模型缩减准则
模型缩减准则认为，应将传感器尽可能布置在模型缩减过程中的主自由度上，从而能够使监测结果更好地反映出响应较大的低阶模态。
Zhang等人提出了连续接近缩聚法，通过连续近似循环缩减的办法来达到优化配置传感器的目的，使待测模态能够很好地得到保留，而不只是保留低阶模态。
模型缩减法可以保证结构低阶模态的精度，而对桥梁结构损伤较为敏感的往往是高阶模态，这些模态响应较小，模型缩减法很难保证它们的精度。
近年来内地采用了健康监控方案的桥梁也越来越多。如李家沱长江大桥的传感器主要分布在主梁、拉索、索塔三个部位，分别测量主梁线形、主梁震动、拉索拉力、索塔应力、索塔位移、索塔振动这几个方面的参数。位于重庆市永川区的永川长江大桥的布控方案则比较全面。监测对象主要包括桥址处风速和风向监测、桥址处环境温度和桥梁结构温度分布状况监测、桥梁位移变形监测、主梁应力测量、大桥结构动力特性监测、斜拉索索力的监测等。
3 结论
桥梁健康监测系统是近年来国内外土木工程领域的研究热点，虽然大量研究工作已极大地推动了结构健康监测与安全评价技术的发展，但由于桥梁结构受到许多不确定因素和复杂工作环境的影响，桥梁健康监测系统的开发尚存在较多急需解决的问题：
（1）传感系统的耐久性问题，就目前而言，许多传感器的使用寿命远小于工程结构的寿命，而且更易受到破坏，而传感器的损坏则直接引起监测系统的中断。
（2）目前对桥梁结构健康状态的评价缺乏统一的有效的通用的损伤量化指标，并难以反映某个局部构件的损伤对整个桥梁的工作状态的影响情况。因此应该提出一种通用的损伤量化指标，能够把结构的健康状况进行简单的分级量化。
（3）由于人工神经网络的并行计算能力、自我记忆能力和自我学习功能以及很强的容错性与鲁棒性，对于大型的非线性桥梁结构，神经网络在结构的健康监测及诊断方面将会有很大的应用前景。
参考文献：
[1]崔大戴.大跨度桥梁结构健康监测系统研究[J].中国水运，2009，9（5）
[2]朱秋红，大型桥梁健康监测自动化及安全评估的研究[D].南京理工大学，2005
[3]左云，陈明宪，赵跃宇.桥梁健康监测及传感器的优化布置[J].中国公路，2004，4（4）
[4]符欲梅等.桥梁远程状态自动监测系统的研究、开发及实际应用[J].土木工程学报，2003，36（2）.
[5]莫淑华等.钢筋混凝土桥梁结構健康监测新技术研究[J].桥梁建设，2003，（2）.
【关键词】 桥梁;健康监测;传感器;优化布置
近年来，随着大批大跨度桥梁相继建成，其结构形式与功能的日趋复杂化，大跨度桥梁的安全运营关系到整个国家的交通运输事业的发展。桥梁结构在其服役期间，由于荷载作用、疲劳效应和材料劣化等各种不利因素的影响，将不可避免的产生损伤，导致结构性能降低，对大跨度桥梁结构进行长期的健康监测就显得非常必要。由于大跨度桥梁的力学特性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。因此，通过桥梁健康监测所获得的实际结构动静力行为，可以验证大桥结构分析模型、计算假定和设计方法的合理性。尤其重要的是，监测所得的数据和分析结论可用于深入研究大跨度桥梁及其环境中的未知和不确定性问题，为以后的设计和建造工作提供依据[1]。桥梁健康监测的基本内涵是通过对桥梁结构状态的监控与评估，从而为桥梁工程在特殊气候、交通条件下或运营状况严重异常时发出预警信号，为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导。
1 桥梁健康监测的研究和发展情况
桥梁的安全检测始于20世纪50年代，而1967年12月俄亥俄河上的一起导致46人丧生的桥梁倒塌事故促使美国于1971年制定了国家桥梁检测标准（NBIS），用于全面指导桥梁检测的各个环节。20世纪80年代后，国外已有为数不少的大型桥梁建立了较为完备的健康监测系统。
佛罗里达州Sunhsine Skwyya斜拉桥上安装有一套综合设备，用来测量桥梁的应变、位移和温度，可同时通过近距离和远距离两种方式采集数据。材料和结构在建造过程中随时间的变化特性可以通过分析测量数据得出。苏格兰的Kingstno桥上装有一套安全监测系统，能够远距离监测桥梁应变、位移、温度和风力变化，监测目的是为了帮助桥梁工程师在修复这座桥梁时避免倒塌事故。其监控计算机还配备报警装置，能在风速或桥梁振动异常时提醒桥梁管理部门。泰国的RamaIX桥和韩国的Namhae桥上都装有结构安全与完整在线警报系统（OASSI），可以探测异常风速和桥梁振动，长期监测桥梁动力特性参数并发现疲劳损伤。英国在总长522米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力荷载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测结构温度场和环境湿度。该系统是最早安装的较为完整的监测系统之一，实现了实时监测、实时分析和数据的网络共享[6]。
我国自20世纪90年代起也在一些重要的大型桥梁上建立了不同规模的长期监测系统，如香港的青马大桥、极水门大桥和汀九大桥，内地的广州虎门大桥、上海徐浦大桥、江阴长江大桥以及润扬长江大桥等在施工阶段业己安装用于健康监测的传感设备，以备运营期间的实时监测。
关于桥梁健康监测的远程数据采集系统设计以及监测系统的研究，现在也引起了众多科研工作者的关注。桥梁健康监测系统一般由数据采集系统和结构健康状态与安全评估系统这两个子系统组成，而其中的数据采集子系统则是整个监测系统的基础。现场数据采集系统主要包括传感系统和信号采集与处理系统，由传感器及二次仪表、高可靠性的工控机等部分所组成。
2 对传感器优化布置的研究
由于结构运行状态和经济等方面的局限性，在整座桥梁结构的所有自由度上布置传感器变得不现实和不可能，因此传感器的优化布设问题就显现的尤为重要。传感器优化布设的目标就是获得最可靠且最全面的桥梁结构的健康信息通过布设尽可能少的传感器来。国内外在这个方面有很多学者已经对其进行了大量的研究分析并提出了优化布置各种传感器的数学模型。到目前为止，传感器的优化布置主要采用以下准则：
（1）识别误差最小准则
识别误差最小原则就是尽量保证健康监测系统参数识别的误差最小。
Kammer等人于1991年提出了有效独立准则，它从所有可能测点出发，按照对目标模态矩阵独立性排序，逐步删除对其秩贡献最小的自由度，从而使感兴趣的模态向量尽可能线性无关。有效独立法是目前最为常用的传感器优化布置原则，它可以有效地减少传感器的数目，但根据这种方法得出的往往是一群被测量较大的点，有时对桥梁的损伤不够敏感。
（2）模态应变能准则
模态应变能方法认为，模态应变能较大的自由度上模态响应也较大，将传感器尽可能布置在这些自由度上，将有利于信号采集和损伤识别[12]。其缺点是过分依赖于有限元模型的划分，如果划分得较粗，则传感器也将分布得较远。
（3）插值拟合准则
插值拟合准则的基本思想是，利用采集到的响应信息通过插值拟合得出整个桥梁结构所有点的响应情况，而将传感器布置在插值拟合的误差较小的位置上，从而实现利用较少的传感器获取较多桥梁信息的目的。
插值拟合准则的缺点在于，此类方法与有限元方法无关，只能应用于形状较为简单的一维和二维结构。
（4）模型缩减准则
模型缩减准则认为，应将传感器尽可能布置在模型缩减过程中的主自由度上，从而能够使监测结果更好地反映出响应较大的低阶模态。
Zhang等人提出了连续接近缩聚法，通过连续近似循环缩减的办法来达到优化配置传感器的目的，使待测模态能够很好地得到保留，而不只是保留低阶模态。
模型缩减法可以保证结构低阶模态的精度，而对桥梁结构损伤较为敏感的往往是高阶模态，这些模态响应较小，模型缩减法很难保证它们的精度。
近年来内地采用了健康监控方案的桥梁也越来越多。如李家沱长江大桥的传感器主要分布在主梁、拉索、索塔三个部位，分别测量主梁线形、主梁震动、拉索拉力、索塔应力、索塔位移、索塔振动这几个方面的参数。位于重庆市永川区的永川长江大桥的布控方案则比较全面。监测对象主要包括桥址处风速和风向监测、桥址处环境温度和桥梁结构温度分布状况监测、桥梁位移变形监测、主梁应力测量、大桥结构动力特性监测、斜拉索索力的监测等。
3 结论
桥梁健康监测系统是近年来国内外土木工程领域的研究热点，虽然大量研究工作已极大地推动了结构健康监测与安全评价技术的发展，但由于桥梁结构受到许多不确定因素和复杂工作环境的影响，桥梁健康监测系统的开发尚存在较多急需解决的问题：
（1）传感系统的耐久性问题，就目前而言，许多传感器的使用寿命远小于工程结构的寿命，而且更易受到破坏，而传感器的损坏则直接引起监测系统的中断。
（2）目前对桥梁结构健康状态的评价缺乏统一的有效的通用的损伤量化指标，并难以反映某个局部构件的损伤对整个桥梁的工作状态的影响情况。因此应该提出一种通用的损伤量化指标，能够把结构的健康状况进行简单的分级量化。
（3）由于人工神经网络的并行计算能力、自我记忆能力和自我学习功能以及很强的容错性与鲁棒性，对于大型的非线性桥梁结构，神经网络在结构的健康监测及诊断方面将会有很大的应用前景。
参考文献：
[1]崔大戴.大跨度桥梁结构健康监测系统研究[J].中国水运，2009，9（5）
[2]朱秋红，大型桥梁健康监测自动化及安全评估的研究[D].南京理工大学，2005
[3]左云，陈明宪，赵跃宇.桥梁健康监测及传感器的优化布置[J].中国公路，2004，4（4）
[4]符欲梅等.桥梁远程状态自动监测系统的研究、开发及实际应用[J].土木工程学报，2003，36（2）.
[5]莫淑华等.钢筋混凝土桥梁结構健康监测新技术研究[J].桥梁建设，2003，（2）.