桥梁结构健康监测技术应用、瓶颈与突破

一、为什么要做健康监测？

根据我国桥梁建设的成就以及目前的形式，报告从我国桥梁发展的成就、桥梁安全的严峻形势、在役桥梁老龄化的加速到来以及人工检查存在的缺点等方面介绍了“为什么要做桥梁健康监测”

1、桥梁发展成就巨大

我国桥梁近20年的桥梁建设成就斐然，建设了以港珠澳大桥、苏通长江公路大桥、西堠门大桥、杭州湾大桥、北盘江大桥以及卢浦大桥等一大批创造世界纪录的大桥。

图1港珠澳大桥

我国已经迈入了桥梁建设的强国，桥梁规模已经位居世界第一主要体现在：（1）从1990年~2018年，中国新增桥梁总数占全世界47%；（2）从2009年~2018年，年均新增公路桥梁2.57万座；（3）截止到2018年底，我国公路桥梁超过852000座，铁路桥梁超过200000座。

2、桥梁安全形势依然严峻

（1）桥梁垮塌事故时有发生

全国已有统计数据桥梁垮塌案例的桥梁447座，桥梁垮塌事故的原因各异。中国184座有公开资料标明确定事故成因的桥梁垮塌事故，其主要事故成因见图2。

图2桥梁垮塌事故成因统计

（2）桥梁失效年限统计

对我国100座运营期间桥梁垮塌的桥梁进行统计，平均服役年限超过50年的为15%，100座桥梁平均服役年限为29.36年。

西南交大学者对世界范围内181起桥梁事故（其中美国55起、欧洲44起、中国70起）进行了分析：从开通到出现事故的平均时间为29年；中国发生事故桥梁平均桥龄仅为25年。

3、在役桥梁老龄化加速到来

我国在役桥梁老龄化主要体现在以下几个方面：

（1）我国经济高速发展期建成的桥梁其特点：总量大、周期短、隐患多；

（2）桥梁使用超过25年后，进入病害加速发展期；

（3）对比中美30年桥龄的桥梁占比可以发现，美国从18%增长到60%，用了约60年的时间，而中国只要不到30年（见图3）。

图3中美桥梁30年桥龄发展对比

4、传统检测方法的缺点

传统检查方法存在诸多缺点和不足主要体现在以下几个方面：

（1）需要大量人力、物力和财力并有诸多检查盲点；

（2）主观性强，难于量化；

（3）缺少整体性；

（4）影响正常交通运行；

（5）周期长，实时性差。

基于传统检测方法的缺点和不足，对于大型桥梁在运营期通过桥梁结构的健康监测系统能有效对关键参数进行监测，对于桥梁的结构的安全运营提供科学的依据。对于桥梁检测和桥梁结构的健康监测都是确保桥梁安全运营的重要手段，未来在大数据的基础上可以进行有机的融合，为最终实现智慧桥梁管理养护提供有力的支撑。

二、什么是桥梁健康监测？

1、定义

结构健康监测（structuralhealthmonitoring，SHM）指利用现场的传感设备获取相关数据，通过对包括结构响应在内的结构系统特性分析，达到监测、检测结构损伤或退化的目的。

2、其功能定位

（1）对桥梁总体和担心出现的损伤部位，其类似于“神经系统”；

桥梁结构的健康监测系统功能类似于人的神经系统：传感器相当于“神经系统”的末梢，用于感知结构的响应；传输网络相当于“神经网络”的神经中枢，其功能是在传感器和控制系统之间进行信息传输和控制；结构的状态评估类似于“神经网路”的大脑，其功能是对紫铜的采集数据进行处理和分析，并对结构的状态进行评估。

（2）对已发现的损伤部位，其类似于“心电图背包”。

健康监测对于已经发现损伤的部位通过实时的监测数据的分析，能对损伤的发展变化以及损伤对结构的影响进行评估，其功能类似于对病人进行“心电图”监测。

3、监测系统的作用

（1）对突发性损伤，起作用是能提高发现速度；

（2）对累积性损伤，使趋势推演成为可能；

（3）对隐蔽部位，能够实现观察；

（4）对桥梁的设计进行验证，并能对今后的设计起指导作用。

4、系统的组成

桥梁健康监测系统的组成包括感知层、传输层、数据层和应用层四个层级，其分别对应传感器子系统、数据采集与传输子系统、数据存储与处理子系统、损伤识别与状态评估子系统四个子系统。系统组成框架见图4，典型桥梁健康监测组成图见图5。

图4桥梁健康监测系统的组成图

图5香港某桥健康监测系统

5、系统监测参数

系统监测的参数包括结构的响应、自身特性、环境参数三大类，其对应的监测指标和设备见图6。

图6监测指标和监测设备

三、当前发展状态及主要问题是什么？

当前的发展状态

1、技术成熟度曲线

桥梁健康监测系统的发展大致要经历了五个阶段，详见技术成熟度曲线（图7）：

图7桥梁健康监测系统成熟度曲线图

（1）技术萌芽期

20世纪90年代，桥梁结构健康监测开始在中国得到应用。例如：青马大桥、江阴长江公路大桥和虎门大桥等。

（2）期望膨胀期

2005年前后，大家对健康监测技术所能发挥作用的期望非常高，所建的桥梁健康监测系统的规模也普遍较大，通常单个系统规模都超过了3,000,000美金。

（3）泡沫化的低谷期

但是，大家很快地发现，桥梁健康监测技术还并不成熟，尚不能发挥预期的全部作用。所以，在2010年前后，桥梁结构健康监测技术就落到了泡沫化的谷底。

（4）稳步爬升的光明期

近年来，随着传感、采集、通讯、存储，特别是计算机分析与人工智能的快速发展，健康监测技术在中国又重新得到认可，并取得了较快发展。

这是目前我国桥梁健康监测系统发展正经历的阶段，随着技术的发展桥梁健康监测系统除了在大型桥梁上的成熟应用，其在中小桥梁的应用也在逐步开展。

（5）实质生产的高峰期

这是桥梁健康监测系统未来要经历的阶段，随着人工智能、大数据、5G技术的发展，未来桥梁健康监测系统的发展将出现高峰期，将进一步推动智慧桥梁管理的实现。

2、政策层面

2013年交通运输部发布了《关于进一步加强公路桥梁养护管理的若干意见》提出：特大、特殊结构和特别重要桥梁的养管单位，要利用现代信息技术，建立符合自身特点的养护管理系统和健康监测系统。

2016年发布的《十三五公路养护管理发展纲要》中指出，高速公路运行实时监测覆盖率东、中部达到100%，西部地区重点路段达到100%。加强长大桥隧健康监测和动态运行监管，完善桥梁隧道运行监管制度。

2018年发布的《公路长大桥隧养护管理和安全运行若干规定》提出：长大桥隧经营管理单位应逐步建立长大桥隧结构监测体系，设置专人或委托专业机构对桥隧的结构状态和各类外部荷载作用下的响应情况进行监测，及时掌握长大桥隧的结构运行状况。

3、标准层面

目前我国已发布和在编写的桥梁健康监测系统相关的国家、学会以及地方标准有10多项，将进一步推动和规范桥梁健康监测系统的发展。