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1. 前言

隨著大跨度橋梁設(shè)計的輕柔化以及結(jié)構(gòu)形式與功能的日趨復(fù)雜化，大橋的安全運營成為關(guān)系到一個國家的交通、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、軍事乃至人民生命財產(chǎn)安全的重要問題。由于大型橋梁工程往往具有投資大、設(shè)計周期和使用年限長、工作環(huán)境惡劣，易受周圍大氣、溫度、濕度及天氣的影響而發(fā)生劣化以及長期承受動荷載等特點，因而對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期的健康監(jiān)測及狀態(tài)評估就顯得非常必要。大型橋梁的健康監(jiān)測技術(shù)也因此成為橋梁工程學(xué)科研究和發(fā)展的一個重要領(lǐng)域［1-4］。隨著計算機技術(shù)、通訊技術(shù)及各類傳感技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。力求對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體行為的實時監(jiān)控和結(jié)構(gòu)狀態(tài)的智能化評估。在結(jié)構(gòu)經(jīng)過長期使用或遭遇突發(fā)災(zāi)害之后，通過測定其關(guān)鍵性能指標(biāo)， 獲取反映結(jié)構(gòu)狀況的信息， 分析其是否受到損傷。如果受到損傷，還要分析其可否繼續(xù)使用以及剩余壽命等。這對確保橋梁的運營安全，及早發(fā)現(xiàn)橋梁病害，延長橋梁的使用壽命起著積極的作用。

2. 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展,特別是交通網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展,橋梁建設(shè)的形式和功能更加復(fù)雜多樣化。加之跨度也愈來愈大,以及建橋的巨大投資和它在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要作用,橋梁的健康監(jiān)測和安全評估工作已愈來愈受到人們的重視。各項重大工程結(jié)構(gòu)中，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測得到了最廣泛、最深入和最系統(tǒng)的研究與發(fā)展。國外橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用可以追溯到20世紀(jì)80年代，當(dāng)時英國對北愛爾蘭的新Foyle橋安裝了長期監(jiān)測儀器和自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以校驗大橋的設(shè)計并測量和研究車輛、風(fēng)和溫度荷載對大橋動力響應(yīng)的影響［5］。此后，隨著現(xiàn)代傳感技術(shù)、計算機技術(shù)與通訊技術(shù)、信號分析與處理技術(shù)及結(jié)構(gòu)分析理論的迅速發(fā)展，許多國家都開始在一些新建和既有大型橋梁中建立結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。我國橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代，依托我國大規(guī)模基礎(chǔ)建設(shè)的背景，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)在我國得到了廣泛的應(yīng)用。與世界其他國家相比，我國橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)具有數(shù)量多、橋梁規(guī)模大的特點。

從目前國內(nèi)外主要我國橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測目標(biāo)、系統(tǒng)功能及系統(tǒng)運營等方面來看，目前國內(nèi)外我國橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用已取得了許多可喜的成果與進(jìn)展，主要反映在

2.1 通過測量結(jié)構(gòu)各種響應(yīng)的傳感裝置，能夠獲取反映結(jié)構(gòu)行為的記錄，并在橋梁通車運行后連續(xù)或間斷地監(jiān)測結(jié)構(gòu)狀態(tài)，力求獲取橋梁結(jié)構(gòu)連續(xù)、完整的信息；有的新建橋梁監(jiān)測系統(tǒng)從施工監(jiān)控開始，力求連續(xù)、完整的記錄結(jié)構(gòu)信息。

2.2 監(jiān)測內(nèi)容全面，除了監(jiān)測結(jié)構(gòu)本身的狀態(tài)和行為（應(yīng)力、位移、傾角、加速度、動力特性等）以外，還強調(diào)對環(huán)境條件（風(fēng)、地震、溫度、車輛荷載等）的監(jiān)測和記錄分析，同時試圖通過橋梁正常車輛與風(fēng)荷載下的動力效應(yīng)來建立結(jié)構(gòu)的總體監(jiān)測樣本，并借此開發(fā)實時的結(jié)構(gòu)整體性與安全性評估技術(shù)。

2.3 監(jiān)測儀器多樣、先進(jìn)，監(jiān)測功能不斷完善，很多監(jiān)測系統(tǒng)都具有快速大容量的信息采集、通訊與處理能力，并實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享。另外，一些重要設(shè)施的工作狀態(tài)，例如斜拉索振動控制裝置等也納入長期監(jiān)測的范圍。

2.4 橋梁結(jié)構(gòu)損傷診斷理論與方法的研究取得了一定的進(jìn)展，開發(fā)了各種基于頻率、陣型、陣型曲率、應(yīng)變陣型等改變量的損傷檢測和定位技術(shù)，在處理方法上探尋了MAC（模態(tài)保證標(biāo)準(zhǔn)）法、COMAC(坐標(biāo)模態(tài)保證標(biāo)準(zhǔn))法、柔度矩陣法、矩陣振動修正法、非線性迭代法等。這些方法各具特色，在局部的范圍內(nèi)取得里積極的效果。近年來，更多的研究者致力于采用智能算法和先進(jìn)信號分析來發(fā)展結(jié)構(gòu)損傷診斷方法，例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、模糊數(shù)學(xué)方法、小波變形方法、Hilber-Huang變換方法和信息融合技術(shù)等。
2.5 發(fā)展了包括可靠度理論、層次分析法、模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法以及專家系統(tǒng)等多種橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估方法，并且初步應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中。

傳統(tǒng)的橋梁檢測方法主要依賴于動靜載試驗和檢測人員的現(xiàn)場目測。輔以混凝土硬度實驗、超聲波探測、腐蝕作用實驗等多種檢測手段。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著現(xiàn)代傳感與通信技術(shù)的發(fā)展，無損檢測技術(shù)更是出現(xiàn)了前所未有的發(fā)展勢態(tài)，先后涌現(xiàn)出一大批新的檢測方法和檢測手段，使無損檢測技術(shù)向著智能化、快速化、系統(tǒng)化的方向發(fā)展。近年來，致力于橋梁檢測，研究人員提出了許多成功的方法對橋梁進(jìn)行非破壞性評估。一些新的方法被廣泛應(yīng)用于橋梁檢測，如利用相干激光雷達(dá)測試橋梁下部結(jié)構(gòu)的撓度，利用全息干涉儀和激光斑紋測量橋體表面的變形狀態(tài)，利用雙波長遠(yuǎn)紅外成像檢測橋梁混凝土層的損傷，利用磁漏攝動檢測鋼索、鋼梁和混凝土內(nèi)部的鋼筋等等。隨著振動實驗?zāi)B(tài)分析技術(shù)的發(fā)展，運用振動測試數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力模型修正理論得到了充分的發(fā)展，為橋梁結(jié)構(gòu)的安全檢測開啟事了新的途徑。 基于振動模態(tài)分析技術(shù)，人們研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)是整體狀態(tài)的一種度量，當(dāng)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度和阻尼特性發(fā)生變化時，選用結(jié)構(gòu)振動模態(tài)作為權(quán)數(shù)，對結(jié)構(gòu)損傷前后的模態(tài)變化量進(jìn)行加權(quán)處理，從而實現(xiàn)對單元損傷的識別和有效定位。

3. 健康監(jiān)測系統(tǒng)在大跨度橋梁中的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代傳感技術(shù)、計算機與通訊技術(shù)、信號分析與處理技術(shù)及結(jié)構(gòu)振動分析理論的迅速發(fā)展，大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全評價技術(shù)，近年來已成為國內(nèi)外工程界和學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點。