一、為什么要做健康監(jiān)測？

根據(jù)我國橋梁建設(shè)的成就以及目前的形式，報告從我國橋梁發(fā)展的成就、橋梁安全的嚴(yán)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(diǎn)等方面介紹了“為什么要做橋梁健康監(jiān)測”

1、橋梁發(fā)展成就巨大

我國橋梁近20年的橋梁建設(shè)成就斐然，建設(shè)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(chuàng)造世界紀(jì)錄的大橋。

圖1港珠澳大橋

我國已經(jīng)邁入了橋梁建設(shè)的強(qiáng)國，橋梁規(guī)模已經(jīng)位居世界第一主要體現(xiàn)在：（1）從1990年~2018年，中國新增橋梁總數(shù)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(yán)峻

（1）橋梁垮塌事故時有發(fā)生

全國已有統(tǒng)計數(shù)據(jù)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(biāo)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(tǒng)計

（2）橋梁失效年限統(tǒng)計

對我國100座運(yùn)營期間橋梁垮塌的橋梁進(jìn)行統(tǒng)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(xué)者對世界范圍內(nèi)181起橋梁事故（其中美國55起、歐洲44起、中國70起）進(jìn)行了分析：從開通到出現(xiàn)事故的平均時間為29年；中國發(fā)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(xiàn)在以下幾個方面：

（1）我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展期建成的橋梁其特點(diǎn)：總量大、周期短、隱患多；

（2）橋梁使用超過25年后，進(jìn)入病害加速發(fā)展期；

（3）對比中美30年橋齡的橋梁占比可以發(fā)現(xiàn)，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(fā)展對比

4、傳統(tǒng)檢測方法的缺點(diǎn)

傳統(tǒng)檢查方法存在諸多缺點(diǎn)和不足主要體現(xiàn)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(diǎn)；

（2）主觀性強(qiáng)，難于量化；

（3）缺少整體性；

（4）影響正常交通運(yùn)行；

（5）周期長，實(shí)時性差。

基于傳統(tǒng)檢測方法的缺點(diǎn)和不足，對于大型橋梁在運(yùn)營期通過橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)能有效對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，對于橋梁的結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營提供科學(xué)的依據(jù)。對于橋梁檢測和橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測都是確保橋梁安全運(yùn)營的重要手段，未來在大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上可以進(jìn)行有機(jī)的融合，為最終實(shí)現(xiàn)智慧橋梁管理養(yǎng)護(hù)提供有力的支撐。

二、什么是橋梁健康監(jiān)測？

1、定義

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（structuralhealthmonitoring，SHM）指利用現(xiàn)場的傳感設(shè)備獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，通過對包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性分析，達(dá)到監(jiān)測、檢測結(jié)構(gòu)損傷或退化的目的。

2、其功能定位

（1）對橋梁總體和擔(dān)心出現(xiàn)的損傷部位，其類似于“神經(jīng)系統(tǒng)”；

橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)功能類似于人的神經(jīng)系統(tǒng)：傳感器相當(dāng)于“神經(jīng)系統(tǒng)”的末梢，用于感知結(jié)構(gòu)的響應(yīng)；傳輸網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”的神經(jīng)中樞，其功能是在傳感器和控制系統(tǒng)之間進(jìn)行信息傳輸和控制；結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評估類似于“神經(jīng)網(wǎng)路”的大腦，其功能是對紫銅的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并對結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行評估。

（2）對已發(fā)現(xiàn)的損傷部位，其類似于“心電圖背包”。

健康監(jiān)測對于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)損傷的部位通過實(shí)時的監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，能對損傷的發(fā)展變化以及損傷對結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行評估，其功能類似于對病人進(jìn)行“心電圖”監(jiān)測。

3、監(jiān)測系統(tǒng)的作用

（1）對突發(fā)性損傷，起作用是能提高發(fā)現(xiàn)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?qū)崿F(xiàn)觀察；

（4）對橋梁的設(shè)計進(jìn)行驗(yàn)證，并能對今后的設(shè)計起指導(dǎo)作用。

4、系統(tǒng)的組成

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成包括感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層四個層級，其分別對應(yīng)傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲與處理子系統(tǒng)、損傷識別與狀態(tài)評估子系統(tǒng)四個子系統(tǒng)。系統(tǒng)組成框架見圖4，典型橋梁健康監(jiān)測組成圖見圖5。

圖4橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成圖

圖5香港某橋健康監(jiān)測系統(tǒng)

5、系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)

系統(tǒng)監(jiān)測的參數(shù)包括結(jié)構(gòu)的響應(yīng)、自身特性、環(huán)境參數(shù)三大類，其對應(yīng)的監(jiān)測指標(biāo)和設(shè)備見圖6。

圖6監(jiān)測指標(biāo)和監(jiān)測設(shè)備

三、當(dāng)前發(fā)展?fàn)顟B(tài)及主要問題是什么？

當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顟B(tài)

1、技術(shù)成熟度曲線

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展大致要經(jīng)歷了五個階段，詳見技術(shù)成熟度曲線（圖7）：

圖7橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)成熟度曲線圖

（1）技術(shù)萌芽期

20世紀(jì)90年代，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測開始在中國得到應(yīng)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(jiān)測技術(shù)所能發(fā)揮作用的期望非常高，所建的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的規(guī)模也普遍較大，通常單個系統(tǒng)規(guī)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(fā)現(xiàn)，橋梁健康監(jiān)測技術(shù)還并不成熟，尚不能發(fā)揮預(yù)期的全部作用。所以，在2010年前后，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)就落到了泡沫化的谷底。

（4）穩(wěn)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(jī)分析與人工智能的快速發(fā)展，健康監(jiān)測技術(shù)在中國又重新得到認(rèn)可，并取得了較快發(fā)展。

這是目前我國橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展正經(jīng)歷的階段，隨著技術(shù)的發(fā)展橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)除了在大型橋梁上的成熟應(yīng)用，其在中小橋梁的應(yīng)用也在逐步開展。

（5）實(shí)質(zhì)生產(chǎn)的高峰期

這是橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)未來要經(jīng)歷的階段，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、5G技術(shù)的發(fā)展，未來橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展將出現(xiàn)高峰期，將進(jìn)一步推動智慧橋梁管理的實(shí)現(xiàn)。

2、政策層面

2013年交通運(yùn)輸部發(fā)布了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理的若干意見》提出：特大、特殊結(jié)構(gòu)和特別重要橋梁的養(yǎng)管單位，要利用現(xiàn)代信息技術(shù)，建立符合自身特點(diǎn)的養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)和健康監(jiān)測系統(tǒng)。

2016年發(fā)布的《十三五公路養(yǎng)護(hù)管理發(fā)展綱要》中指出，高速公路運(yùn)行實(shí)時監(jiān)測覆蓋率東、中部達(dá)到100%，西部地區(qū)重點(diǎn)路段達(dá)到100%。加強(qiáng)長大橋隧健康監(jiān)測和動態(tài)運(yùn)行監(jiān)管，完善橋梁隧道運(yùn)行監(jiān)管制度。

2018年發(fā)布的《公路長大橋隧養(yǎng)護(hù)管理和安全運(yùn)行若干規(guī)定》提出：長大橋隧經(jīng)營管理單位應(yīng)逐步建立長大橋隧結(jié)構(gòu)監(jiān)測體系，設(shè)置專人或委托專業(yè)機(jī)構(gòu)對橋隧的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和各類外部荷載作用下的響應(yīng)情況進(jìn)行監(jiān)測，及時掌握長大橋隧的結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀況。

3、標(biāo)準(zhǔn)層面

目前我國已發(fā)布和在編寫的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)相關(guān)的國家、學(xué)會以及地方標(biāo)準(zhǔn)有10多項(xiàng)，將進(jìn)一步推動和規(guī)范橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展。