首先，橋梁健康監測系統的發展及理論。
1.監視系統
20世紀80年代中後期，各種橋梁健康監測系統相繼建立。如在英國，在全長522m的三跨變高度連續鋼箱梁橋福伊爾橋上布設傳感器，監測橋梁運營階段主梁在車輛和風荷載作用下的振動、撓度和應變響應，同時監測環境風和結構溫度場。該系統是最早安裝的較為完善的監控系統之壹，實現了實時監控、實時分析和數據網絡共享。建立健康監測系統的典型橋梁有挪威Skarnsundet斜拉橋(主跨530m，美國SunshineSkywayBridge斜拉橋主跨440m，丹麥GreatBeltEast懸索橋主跨1624m，英國Flintshire獨塔斜拉橋主跨194m[4]。和加拿大的邦聯橋[5]。自20世紀90年代以來，中國也在壹些大型和重要的橋梁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，上海的徐浦大橋和內地的江陰長江大橋[6~8]。
從已建立的監控系統的監控目標、功能和系統運行來看，這些監控系統具有以下特點:
(1)通常，測量結構各種響應的傳感裝置獲得反映結構行為的各種記錄；
(2)除了監測結構本身的狀態和行為外，還要監測結構所處的環境條件(如風、車輛荷載等。)也被監測、記錄和分析；同時，試圖通過橋梁在正常車輛和風荷載作用下的動力響應，建立結構的“指紋”，發展實時的結構完整性和安全性評估技術；
(3)運營後連續或間歇監測結構狀態，力求獲得連續、完整的橋梁結構信息。壹些橋梁監測傳感器在橋梁施工階段就開始工作，用於監測施工質量。
(4)監控系統具有快速、大容量的信息采集、通信和處理能力，並實現網絡上的數據共享。
這些特點使得大跨度橋梁的健康監測不同於傳統的橋梁檢測過程。此外，需要指出的是，橋梁健康監測的對象不再局限於結構本身:壹些重要的輔助設施的工作狀況也納入了長期監測的範圍(如拉索振動控制裝置等。).
2.理論研究
十多年來，橋梁健康監測理論的研究主要集中在結構完整性評估和損傷識別方面。由於基於振動信息的完整性評估技術在航空航天、機械等領域的深入研究和應用，這類技術已經作為除無損檢測技術之外土木結構中最重要的完整性評估方法而被廣泛研究。人們致力於基於振動測量的完整性評估方法研究的另壹個原因是，橋梁運營過程中的結構振動信息可以通過環境振動方法獲得，因此這種方法具有實時監測的潛力。
結構完整性評估方法可分為三類:模式識別方法、系統識別方法和神經網絡方法。結構模態參數常被用作結構的指紋特征，也是系統識別方法和神經網絡方法的主要輸入信息。此外，基於結構應變模態、應變曲率和其他靜態響應的評估方法也顯示了其檢測不同程度損傷的能力。然而，盡管壹些完整性評估技術已經成功地應用於壹些簡單的結構，但它們不能可靠地應用於復雜的結構。阻礙該技術應用的主要原因包括:①結構和環境中的不確定性以及非結構因素的影響；②測量信息不完整；(3)測量精度不夠，測量信號有噪聲；④橋梁結構冗余度大，測量信號對結構局部損傷不敏感。
此外，從評價方法上看，目前大跨度橋梁的安全性評價基本沿用常規的中小橋梁分級評價方法，是壹種定性的、表面的主要以結構外觀和正常使用性能為主的安全性評價。
二，橋梁健康監測的新概念
橋梁健康監測的基本內涵是對橋梁的結構狀態進行監測和評估，在特殊的氣候、交通條件或嚴重異常的橋梁運行狀況下，為橋梁觸發預警信號，為橋梁養護和管理決策提供依據和指導。為此，監測系統監測以下方面:
橋梁結構在正常環境和交通條件下的物理和機械狀態；
橋梁的重要非結構構件(加支座)和輔助設施(如振動控制元件)的工作狀況；
結構構件的耐久性；
橋梁的環境條件；等壹下。
與傳統的檢測技術不同，大型橋梁健康監測不僅要求具備快速、大容量的信息采集和通信能力，而且力求實時監測結構的整體行為，智能評估結構的狀態。
然而，橋梁結構健康監測不僅僅是對結構狀態進行監測和評估。由於大型橋梁(尤其是斜拉橋和懸索橋)的力學和結構特點及其所處的特定環境，在橋梁設計階段要完全掌握和預測結構的力學特性和行為是非常困難的。大跨度斜拉橋的設計依賴於理論分析，通過風洞和振動臺模擬試驗預測橋梁的動力性能，驗證其動力安全性。然而，結構理論分析往往基於理想化的有限元離散模型，分析往往基於許多假設。風洞或振動臺試驗中對橋梁風環境和地震動的模擬可能與真實橋址環境不完全壹致。因此，通過橋梁健康監測獲得的實際結構的動靜態行為來驗證橋梁的理論模型和計算假設具有重要意義。事實上，國外壹些重要橋梁在建立健康監測系統時，都強調利用監測信息來驗證結構的設計。
橋梁健康監測信息反饋在結構設計中的深遠意義在於，結構設計方法和相應的規範和標準可能得到改進；此外，對橋梁在各種交通條件和自然環境下的真實行為的理解以及對環境荷載的合理建模是未來實現橋梁的關鍵。“虛擬設計”的基礎。
還應該註意到，橋梁健康監測不僅會帶來對特定橋梁設計的監測系統和反思，還會成為橋梁研究的“現場實驗室”。盡管橋梁抗風抗震領域的研究成果和新材料、新技術的不斷湧現推動著橋梁的發展，但大跨度橋梁的設計仍存在許多未知和假設，超大跨度橋梁的設計也有許多問題需要研究。同時，橋梁結構控制和健康評估技術的深入研究和發展還需要結構現場試驗和調查。橋梁健康監測為橋梁工程中的未知問題和超大跨度橋梁的研究提供了新的契機。從橋梁結構及其運行環境中獲得的信息不僅是對理論研究和實驗室調查的補充，而且可以提供關於結構行為和環境規律的最真實的信息。此外，橋梁振動控制和健康評估技術的發展和應用還需要現場試驗和調查。
綜上所述，大型橋梁的健康監測不僅是傳統橋梁檢測和結構評估的新技術，還被賦予了結構監測和評估、設計驗證和研發的意義。
第三，健康監測系統的設計
1.監控系統的設計標準
從表1給出的兩個大型橋梁健康監測系統的測點布置可以看出，兩個監測系統的監測項目和規模有較大差異。這種差異除了橋型、橋址等環境因素外，主要是由於各監測系統的投資和/或建立各系統的目的(或對系統的功能要求)不同。因此，橋梁監測系統的設計實際上有意無意地遵循著壹些準則。
顯然，監控系統的設計首先要考慮建立系統的目的和功能。前面提到的橋梁健康監測的三個方面的意義，也是橋梁健康監測的目的和作用。對於特定的橋梁，建立健康監測系統的目的可以是橋梁監測評估，也可以是設計驗證，甚至可以是研發；也可以是兩個甚至全部。壹旦確定了建立體系的目的，就可以基本確定體系的監測項目。此外，監測系統中各監測項目的規模以及所用傳感儀器和通信設備的確定需要考慮投資的極限。因此，在設計監控系統時，有必要對監控系統方案進行成本效益分析。成本效益分析是建立高效合理的監控體系的前提。
根據功能需求和成本效益分析，可將監測項目和測點設計到所需範圍，並優化選擇和安裝系統硬件設施。因此，功能需求和效益成本分析是設計橋梁健康監測系統的兩個標準。
2.監測項目
不同的功能目標需要不同的監控項目。大跨度橋梁監測系統的監測項目大多以結構監測和評估為主，有的還兼顧結構設計驗證，甚至有的監測項目以研究橋梁問題為目的。文獻在對我國多座運營中的斜拉橋進行大量病害調查和檢測分析的基礎上，提出了斜拉橋狀態監測與評估的代表性監測方案。
如果監測系統具有結構設計驗證的功能，則需要獲得更多結構系統識別所需的信息。因此，對於有剩余支座的大跨度橋梁，應在橋塔、加勁梁和索/纜中布置更多的傳感器，以獲得更詳細的結構動力行為，驗證結構設計中的動力分析模型和響應預測。此外，必須在支架、擋塊和壹些連接部件上安裝傳感器，以獲取反映其力傳遞和約束條件的信息。
目前，壹些監測系統的目的之壹是發展結構完整性和安全性評估技術。雖然結合橋梁問題研究的監測系統並不多見，但有些系統也有專門用於研究的監測項目。與理論研究相關的監測項目可以根據所要研究問題的性質來確定。從目前橋梁工程的發展來看，借助橋梁健康監測可以進壹步研究或論證以下問題。
抗風:包括風場特性觀測、自然風場中的結構行為和風穩定性。
抗震方面:包括研究各種場地地震動的時空變化、土-結構相互作用、行波效應以及多點激勵對結構反應的影響。通過監測墩頂和墩底的應變、變形和加速度建立恢復力模型對橋梁抗震分析具有重要意義。
結構的整體性態:包括研究結構在強風和強地震動作用下的非線性特性，橋址環境條件的變化對結構動力特性和靜態(內力分布、變形)的影響等。這對於開發基於監測數據的整體評價方法是非常重要的。
結構局部問題:如邊界、連接條件、鋼梁焊縫疲勞等疲勞問題、組合梁界面(包括剪力鍵)失效機理等。纜索承重橋梁的纜索和吊桿的振動、減振和局部破壞機理也值得進壹步觀察和研究。
耐久性:橋梁結構的耐久性還有很多問題需要進壹步研究。應特別註意電纜和吊桿的腐蝕和生銹。
基礎:采用大直徑樁也帶來壹些設計問題，對於中直徑樁直接套用原有的計算方法不太合理。借助大型橋梁監測系統，調查大直徑樁的變形規律，研究樁的承載力，也是設計部門的需要。
四。摘要
(1)橋梁結構健康監測不僅僅是對傳統橋梁檢測技術的簡單改進，而是利用現代傳感和通信技術，實時監測橋梁運營階段在各種環境條件下的結構響應和行為，獲取反映結構狀態和環境因素的各種信息，從而分析結構健康狀況和評估結構的可靠性，為橋梁的管理和養護決策提供科學依據。同時，大型橋梁結構健康監測對於驗證和完善結構設計理論和方法、發展和實現各種結構控制技術、深入研究大型橋梁結構未知問題具有重要意義。因此，健康監測為橋梁工程的發展開辟了新的空間。
(2)大型橋梁健康監測的意義體現了從事橋梁養護管理、設計咨詢和理論研究的人們的關註。監控系統的設計應基於功能需求和效益成本分析。此外，監控系統的設計要進行優化和分析，要考慮系統實現中非常重要的通信問題。
(3)對於大跨度斜拉橋和懸索橋，完整性評估只是結構安全狀態評估的壹部分，僅通過完整性評估無法說明橋梁結構的安全狀態。同時，大跨度橋梁的力學特性決定了其安全性評估在理念和方法上不同於常規中小橋梁。
(4)大跨度橋梁結構安全狀態評估的目的是控制橋梁運營風險，支持減災決策。因此，結合橋梁健康監測系統的安全性評估，應該可以通過獲得的監測數據來評估橋梁結構的基本狀態和結構行為。定期或在偶然事件(如地震)後識別關鍵部位的結構損傷和變化，客觀、定量地評價橋梁結構在其生命周期各階段的承載能力、抗風能力和抗震能力。
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