摘要：桥梁结构的安全监测是保证桥梁安全运营的重要手段，经过几十年历程，桥梁结构的安全监测与评估技术得到较大发展，各种方法也日趋成熟。综合大量相关文献，较系统全面地介绍了目前国内外采用的结构安全监测与评估的先进技术和方法，以供同行参考。
关键词：状态监测；病害诊断；动力响应；安全评估；寿命预测
桥梁结构的安全监测是保证桥梁安全运营的重要手段，自从20世纪50年代以来，人们就逐渐意识到它的重要性，进行了大胆和有益的尝试。近年来，随着大跨度桥梁建设的飞速发展，以及检测分析技术的不断提高，桥梁结构的安全监测已成为国内外学术界、工程界的研究热点，并伴随着各种监测技术和方法的研究成果已逐步进入实桥应用阶段。这些技术的成功应用将能确保桥梁的安全运营，延长桥梁的使用寿命。为使更多的桥梁工程技术人员了解桥梁结构的安全监测与评估技术，下面就目前较为成熟的主要技术方法作一介绍。
1、桥梁结构的安全监测桥梁安全监测属于结构安全监测范畴，结构的安全监测是由结构的状态监测与病害诊断两个过程构成，两者既有密切的联系又互有区别。状态监测是指通过某些方法对结构的特征参数，例如振动、应力、变形、温度等进行测量，将测定值与结构正常工作时的数值进行比较，以判别结构的工作状态是否正常。状态监测又称为简易诊断，在这个过程中只对结构有无病害进行评判，而不作分析。因此，通常只要恰当地选择监测参数、测点及监测周期，一般都能取得良好的效果。病害诊断是比状态监测更高层次的结构安全监测技术，它不但要对结构工作是否正常做出初步诊断，而且还要对结构产生病害的原因、部位和严重程度做出判断，从而为管理决策提供依据，这种诊断又称为精密诊断。简易诊断的目的是为了对结构的状态做出迅速有效的概括性评价，再结合经验做出初步判断；精密诊断的目的是对简易诊断判定为有异常的结构进行专门的测量、分析和判别，最后确定采取哪些必要的技术措施。从全过程看，状态监测是基础，采集的数据应准确无误，而病害诊断是在状态监测基础上的深入和发展，病害的预防和控制是病害诊断的最终目的。当结构出现病害时，结构的各种参量或其中部分参量表现出与正常状态不同的特征，这种差异包含着丰富的信息，如何找到这些病害的特征描述，并利用它进行病害的诊断和评估结构的安全度就是结构安全监测的任务。安全监测包括结构病害特征提取、病害分离与估计和病害评价与决策等几个方面的内容。
1.1结构状态监测桥梁结构状态监测有定期监测和连续监测，其主要内容如下。 （1）振动监测：以结构的振动、冲击、机械导纳以及模态参数为监测目标。
（2）声学监测：以噪声、声阻、超声、声发射为监测目标。
（3）温度监测：以温度、温差、温度场、热像为监测目标。
（4）性能趋向监测：以结构的各种主要性能指标为监测目标。
（5）强度监测：以力、应力、应变、扭矩为监测目标。
（6）表面形貌监测：以变形、裂纹、斑点、凹坑等为监测目标。
对于不同的监测对象，由于影响其工作性能的控制因素不同，所以监测的物理参数各不相同。振动和噪声的监测应用最为广泛，对于桥梁这种大型土木工程结构，通常以振动监测、强度监测和表面形貌监测为主要目标。上述这些监测对象对不同的结构具有不同的灵敏度，其效果也不同。因此，监测对象的选择是结构检测中至关重要的一步，通常选择灵敏度较高的特征参数作为监测对象，也可以几种参数联合使用。
1.2病害诊断根据所采用的病害特征描述和决策方法的差异形成了不同的诊断方法，概括起来有依赖于模型的诊断方法和不依赖于模型的诊断方法两大类。对于这两大类诊断方法，通常所采用的决策与分离方法如下。
（1）阈值逻辑法或对比诊断法。这种方法简单明了，应用最广。首先通过初期的统计归纳、实验研究、分析计算，确定与各种状态一一对应的征兆（即基准模式或阈值），然后将获得的征兆与基准模式进行比较，立即可获得结构的状态。
（2）人工神经网络法。该法是20世纪80年代末90年代初才真正具有实用性的病害诊断方法。在实现病害诊断时分为两个阶段：学习阶段，选定合适的网络结构和模型，借助一定的学习算法，以能够反映系统的动态特性、建模误差和干扰影响的变量作为神经网络的输入，以对应的状态编码为期望输出，构成输入／期望输出样本，对神经网络进行训练，确定神经网络的权值和阈值，当学习收敛后冻结神经网络的权值和阈值；诊断阶段，使训练好的神经网络处于回想状态，对于一个给定的输入，便产生一个相应的输出，由输出与状态编码进行比较即可方便地确定病害。
（3）专家系统法。在桥梁使用过程中，若某时刻结构发生病害，领域专家往往可以凭视觉、听觉、嗅觉。触觉或测量设备得到一些客观事实，并根据对桥梁结构和结构病害历史的深刻了解很快就作出判断，确定病害的原因和部位。对于复杂结构的桥梁病害故障诊断，这种基于专家系统的诊断方法尤其有效。随着计算机科学和人工智能的发展形成的专家系统的方法，克服了基于模型的病害诊断方法对模型的过分依赖性，成为病害检测和隔离的有效方法，并在许多领域得到应用。
（4）模式识别法。这种诊断方法实现病害诊断的步骤分为两个阶段，即：离线分析，通过离线分析确定能够表达结构状态的特征向量集和以该特征向量集描述的病害模式向量，由此形成病害的基本模式集，并确定区分识别这些模式向量的判别函数；在线诊断，实时提取结构状态的特征向量，由判别函数对病害进行分离定位。
（5）模糊数学法。系统的状态有时是不分明、不确定的，因此可以用模糊集来描述。通过采用模糊聚类分析将模糊集分为不同水平的子集，由此判别病害最可能属于的子集。另一个有效的方法是首先建立起病害与成因的模糊关系矩阵R，如果当前病害成因向量的模糊隶属度为C（Charactoristic），则病害D（Disease）通过模糊合成加以确定，D=R*C。另外，模型假设检验法，贝叶斯决策函数法，特征量统计检验法和逻辑代数法等也用于结构的病害诊断。
2、桥梁结构安全监测的动力响应法结构在各种激励下的动力响应是其整体状态的一种度量。由于结构的质量、刚度和阻尼特性在结构损伤而发生病害时会因此而改变，其动力响应也必将发生变化，这种变化可以通过振动测试方法得到。
2.1 动力响应监测的振动模态法如何准确地检测出结构参数（刚度、阻尼和内部荷载）的变化，为结构状态和病害程度的评估提供一个量化的方法，振动模态方法就是一个行之有效的方法。桥梁的振动模态通常可用常规的试验模态测试分析的方法得到，通过测量不同部位的振动响应，可获得桥梁结构振动模态参数的变化，以此确定结构的工作状态。与其它无损监测方法相比，振动方法具有经济有效而且使用起来比较安全的优点。而且在许多其它领域已经有几十年的发展历史，积累了丰富的成功经验。因此，振动模态测量方法在桥梁结构安全监测领域的发展非常迅速。模态测试分析时需要注意4个方面问题：①便捷的可控激振方法；②恰当的传感器及振动测点网络；③数据采集系统；④分析软件，能够从含噪声的测试信号中提取所期望的模态信息。对结构病害敏感参数的选择是振动模态测量中的重要环节。这些敏感参数可分为两大类，一是振动模态参数，如固有频率、阻尼比和模态振型；另一类是应力应变参数，如应力分布、应变能和应变模态。另外还有诸如能量转换率等其它的指标参数。其中，通过振动模态参数对结构病害的评估出现较早，下面给出一些常用参数识别中的几种诊断方法。
（1）简易模态参数比较法。 一般说来，结构病害会使桥梁的整体固有频率降低而模态阻尼比升高。通过固有频率、阻尼比和振型的变化可以判断结构病害。假设：式中：ai和bi分别是第i阶固有频率和阻尼比的变化率；fui和Cui；分别是桥梁未发生病害时第i阶固有频率和阻尼比；fdi和Cdi分别是桥梁病害时第i阶固有频率和阻尼比。根据ai和bi的数值变化就可知道桥梁是否有病害及病害程度。这种诊断方法计算简便，但频率和阻尼比的变化度较小，对桥梁局部微观结构病害的反映不灵敏。有时不同位置的结构病害会造成相近的模态参数的变化，以至于不能确定结构病害的确切位置。因此这种方法仅能作为初步诊断。
（2）MAC和COMAC模式诊断法。 MAC（模态保证准则）是利用模态振型相关的原理来诊断结构是否受到病害。设ψA表示结构未病害时的振型，ψB表示结构病害时的振型。它们两者之间的相关可用MAC值表示：MAC的值在0与1之间。当值趋于1时，表结构未受到病害；当值越趋于0时，表示结构的病害程度越严重。在MAC值确定了结构病害的第i阶模态后，结构具体的病害模态坐标节点位置可用以下公式确定式中：Lmax是振型数目。COMAC（坐标模态保证准则）的值也在0与1之间。当值趋于1时，表示振型上该结点未发生病害。
（3）模态能量转换比方法。一般来说，桥梁的固有频率尤其是基频是判断桥梁病害的一个很好的晴雨表，但由于一些未知的原因，有时用方法(1)并不能很好地对桥梁的病害作出准确的诊断，下面利用一种新的参数来诊断桥梁的病害，即模态能量转换比法。假设桥梁病害前后质量、阻尼比和刚度的变化不是很大，因此，我们可以认为发生病害前和病害后的非比例阻尼结构是由对应的比例阻尼结构演变而来的。设： 式中：ωi1和ωi2是由试验得到的病害前后非比例阻尼结构的固有频率及实桥结构的固有频率；ωpi是经过有限元计算得到的对应比例阻尼桥梁结构的固有频率；εi1和εi2是能量转换比。模态能量转换比变化的灵敏度要比固有频率变化灵敏度高1000倍。故可避免结构病害后固有频率、阻尼比不一定下降且下降幅度小而带来无法诊断的现象。
2.2 动力响应监测的应变模态法应变是位移的一阶导数。对应于每一阶位移模态，则必有与其对应的固有应变分布状态，这种与位移模态相对应的固有应变分布状态称之为应变模态。和位移模态一样，应变模态反映了结构的固有特征。对于线性系统，其振动方程为：为了使公式推演简单明了，以下仅以结构的一维问题为例，给出纵向应变模态表达式。设结构沿纵向的位移为U，则纵向应变为：引入结构的模态坐标并运用模态叠加概念，可得到结构的总位移为：
由式可见，由于通常应变测量是非全场测量，因此应变模态向量元素数与位移模态向量元素数不等，所以应变传递函数矩阵既不是对称矩阵也不是方阵。因此，要得到全部模态参数，必须测量应变传递函数矩阵的每一行和每一列。这意味着建立应交响应预测模型所需的工作量是建立位移模态的两倍。
由位移频响函数：[H]=[φ][Yr][φ]T （19）和应变频响函数：[Hξ]=[ψε][Yr][φ]T （20）可以看出它们具有相同的模态质量、模态刚度和模态阻尼。因此，在求取结构的应变场时，可以采用任何方法求取结构的位移模态振型及模态参数，然后固定一点激励，对其余各测点进行应变响应测量，得到[Hε」矩阵的一列，经数据处理后即可得到应变模态向量｛ψεr｝，进而求得应变响应模型。由于测量结构的应变模态时需要在测点粘贴应变片，而且工作量很大。因此，采用结构受力时的曲率模态是一种比较简单的测量方法，即用位移测量来间接检测应力和应变，它避免了应变片测量的局限性。2.3动力响应监测的动力系数法当车辆在桥面上行驶时，桥梁会发生振动。
当桥梁发生病害时，其动力响应值会增大。因此，在桥梁的关键部位（如桥墩底部）布置一些诸如加速度计、速度传感器和应变传感器之类的拾振器，测量桥梁的动力响应，通过信号调理后记录分析，判断响应值是否超过允许值或超过多少，由此对桥梁的安全性进行评判。动力系数是指桥梁由于振动而增加的应力或动挠度对于静载所增值的比率。当桥梁发生病害时，动力系数必然会增大。用电阻应变片或红外线挠度仪可测量桥梁的动、静应力和动、静挠度信号，然后利用信号采集系统采集信号，采用专用软件检测和记录车辆行驶引起的时程应力和时程挠度并计算动力系数，分析动力系数是否超过允许值，从而可对桥梁的局部或整座桥梁的安全状态作出评估。动力系数法的特点是方法简单，传感器易于安装。可进行长期的在线监测和通过网络实现远距离操作。对环境无污染，成本较低。
3、桥梁结构的安全评估与寿命预测
3.1 安全评估安全监测的目的是对结构的安全性进行客观评价，以此来指导车辆的通行，为桥梁的维护、加固提供科学依据。桥梁的安全评估是指利用特定的信息，对运营中的桥梁进行可靠性分析并作出决策的过程。桥梁安全评估的本质是根据连续监测或周期性监测所得到的特征参数的历史数据来推断其发展的趋势并确定结构的残存寿命。桥梁结构从正常到不正常的发展，导致缺陷发生的过程称为劣化过程或损伤过程，由于桥梁的种类和结构形式多种多样，劣化过程的类型也各不相同。劣化过程大体上有以下几种基本类型。
（1）比例劣化型：劣化程度与使用时间成正比；
（2）加速劣化型：劣化程度与时间的关系为幂函数或指数函数；
（3）急剧加速劣化型：从某一时刻开始，结构状态急剧恶化；
（4）突发劣化型：没有预兆地在某一时刻突然损坏。
3.2结构寿命预测的常用方法
（1）理论模型法。对所监测的结构研究得比较透彻，已建立了计算寿命的模型，可以推断其寿命。由于理论模型法受到很大的限制，故应用较少。
（2）累积应力跟踪法。按照结构所受的应力的累计量来推断劣化程度，主要适合急剧加速劣化型和突发劣化型。
（3）特征参数跟踪法。定期或连续测量结构的某些特征参数，运用平滑、外推等技术推断劣化的程度。这种方法适合于比例劣化型、加速劣化型和急剧加速劣化型，应用范围广泛。特征参数跟踪法是根据监测所得到的特征参数的历史数据来确定下一次诊断时间，推断到达该时刻的特征参数值，并确定结构的残余寿命和发生病害的概率。通常需要事先知道结构初期的特征参数值X0、特征参数的界限值Xc和结构的标准寿命，还要知道近期的历史数据，即最近n次的监测结果X1，X2，…，Xn。然后进行相对劣化度εi计算，即： 若结构劣化度为零，即Xi=X0；若εi=1，即Xi=Xc表明结构已达到劣化的界限。可见，0%26lt;εi＜l。为了用相对劣化度εi来预测结构的寿命，需要对数据，ε1，ε2，……ε。，进行曲线拟合或平滑处理，通常采用最小二乘法对数据进行二次曲线或者指数曲线拟合。在此引入时间ti，将相对劣化度εi进行二次曲线拟合：式中：m为指数。若m=1则为等权平均，即各个时刻的数据点的“权”相同；当m＞1时，则加大了最近数据的“权”。一般可令：m=λεn (23)式中：λ为大于零的常数，称为权常数。此式表明当前相对劣化度越大，则越强调最近数据的作用。式（23）中的常数可根据Q为最小时可求出，即目前桥梁设计依据的是结构可靠度理论，因此，在桥梁安全评估与寿命预测中采用多个特征参量综合分析将得到更为合理的结果。
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