桥梁结构健康监测

在本文中，我们将简要回顾桥梁结构健康监测．桥梁和交通基础设施受到极端环境载荷条件的影响，如雪、雨、风暴和极端高温。这可能会导致加速恶化工艺在建筑材料，如混凝土和钢材。此外，物理负载(由日益增加的交通、超载和移动卡车的冲击引起的)会加速老化和恶化的过程。这些可能会对这些建筑物的承载能力造成负面影响(Dong等。2010）.

声明的问题

意大利莫兰迪桥的坍塌是2018年发生的最新灾难之一，造成43人死亡，数十人受伤[维基百科］．除了大桥倒塌的巨大后果之外，每个国家的交通系统，特别是主要走廊的交通系统的中断，对经济增长和公民的日常生活都有巨大的影响。

据明尼苏达州交通部(Mn/DOT)报道，I-35W大桥的故障在2007年造成了1700万美元的经济损失，在2008年造成了4300万美元的经济损失。根据这项研究，道路使用者因绕道及无法过江而产生的成本估计为每天4,000元[源］．

我们对桥梁如何响应和应对不同的操作和环境要求的理解，可以使我们保持这些结构的安全性和可用性。最近的进展结构健康监测(SHM)和计算技术促进了智能桥梁监测系统的部署，以实现主动维护和管理。

桥梁结构健康监测

桥梁结构结构健康监测(SHM)通常是指设计、开发和实施损伤检测或表征策略的过程，用于结构状况的实时评估。典型的SHM系统包括三个主要组成部分:

• 一个传感器网络,

• 一种数据处理系统(包括数据采集、传输和存储)，

• 以及为决策提供支持的健康评价体系[Housner等，1997］．

SHM的过程通常包括在某一段时间内(无论是短期还是长期)对结构进行监测，使用适当的传感器和设备阵列，根据传感器获得的测量结果提取损伤敏感特征，并分析数据以确定结构的当前状态[Tan等。2009］．

SHM的优势

单孔位微吹气扰动传感器可以无缝与自动化分析系统集成，提供24/7连续远程在线监测桥梁结构中的不同组件。从结构中收集的数据被传输回现场采集和分析系统，执行所有必要的分析;当记录到异常响应时，将创建警告信息并发送给负责桥梁维护和监测的人员。

桥梁所有者和操作员可以通过自动分析和连续报警系统提醒潜在的缺陷和异常。在一个非常基本的SHM设置中，关于潜在缺陷的类型和位置的警报将被发出，并从桥梁传递给桥梁所有者/管理者。在更高级的设置中，可以从数据中提取诸如条件排名、实时损伤位置和早期故障迹象等信息。

对于大多数桥梁业主来说，最主要的担忧是对假警报的担忧。然而，最近信号处理和数据处理、自校准系统和自检测功能的发展消除或减少了昂贵的误报警和不必要的现场访问。一般来说，一个设计良好的SHM系统具有以下潜力:

• 在操作和环境变化下主动监测结构性能
• 通过减少早期发现的故障，延长桥梁的剩余寿命
• 利用实时状态数据优化检查预算
• 减少不必要的维护和生命周期成本
• 增加对结构完整性和公共安全的信心
• 避免关闭和停机进行例行检查

结构健康监测的实践现状

随着传感器技术和无线通信的发展，各种结构健康监测系统已经开发出来。下面介绍三种用于桥梁结构实时监测的主要解决方案。

Vibration-based监控

基于振动的监测技术是最早提出的桥梁状态评估方法之一。这些技术是基于这样一个概念:桥梁物理特性的任何变化，无论是局部的还是分布的，都将被其动态特性的演变所捕获。在结构工程中，典型的动力特性是指固有频率、振型等模态参数。由于模态参数与结构动力特性高度相关，可以通过模态特性的变化来确定结构缺陷的位置和严重程度。为了研究桥梁的动力特性，应测量结构在受控或环境激励下的振动响应。大多数基于振动的监测方法主要利用加速度计获得的数据来监测桥梁的全局响应。加速度计通常用于测量桥梁构件在特定位置的垂直和/或水平加速度。根据传感器仪表布局的设计，从这些传感器获得的信息可用于异常事件的检测和定位。

以监测

虽然基于振动的监测方法适用于监测桥梁结构的整体行为，但其在局部监测结构动力特性轻微变化的效率是值得怀疑的。因此，最近的趋势是使用局部监测方法来注意桥梁构件力学性能的微不足道的变化。

由于损伤通常发生在局部，应变监测方法可作为桥梁关键部位的局部监测手段。光纤传感器和应变计是用于应变监测的最流行的传感器之一。放置应变传感器网络可以帮助确定由于异常事件(如桥梁超载)而受到过度应力或变形的桥梁构件。

声发射

声发射(AE)技术也用于桥梁构件受力的实时检测。声发射波是由于材料的微观结构变化而迅速释放应变能而产生的应力波，它可以在结构中传播。这些波是由材料内的局部震源产生的，具有定位震源起始的能力。由于各种材料相关的损伤机制，桥梁构件(如钢和混凝土)中存在的载荷条件的变化会导致这些构件以弹性波的形式发射能量。这些波可以通过放置在桥梁构件表面的声发射传感器捕捉到。对从传感器接收到的信号进行分析可提供有关发射源的信息。

声发射远程传感器持续监听材料中的特定声波或发射;AE系统可以定制，在以下情况下发送警报并通知桥梁操作员:

• 裂缝产生或扩大
• 悬挂线或缆绳断裂
• 意外撞击发生
• 发生脱位或变质
• 活跃的腐蚀传播

现实的挑战

桥梁结构健康监测有潜力收集大量的信息，各种结构组件的损伤状态在全局和元素级别。这些海量的数据可以作为结构性能历史的知识来源，对决策者来说是有价值的东西。

与统计模型完全集成的现代SHM系统似乎是一个很有前途的解决方案，它将减少民用基础设施的停机时间，降低维护成本，并通过消除高风险活动(如绳索通道目视检查、高空作业、暴露于辐射、密闭空间作业)来提高工人的安全。然而，实现一个可靠的传感器网络和理解收集到的数据仍然具有挑战性。

在硬件方面，主要挑战之一是设计一个有效的结构传感器网络，能够收集足够和可靠的损伤状态信息。在这一阶段，仪器工程师面临着三个主要问题，即用于测量感兴趣结构的传感器的类型、位置和数量。数据的所有权、安全性和管理是另一个挑战。

在分析方面，对实时数据进行有意义的解释，并将其集成到决策协议中，将具有挑战性。虽然市场上有各种各样的SHM传感器，但对数据驱动决策支持算法的开发关注较少。一个客观的决策工具会深入研究大数据，并帮助提醒桥梁所有者当前结构状态的任何可察觉的变化。大数据和云计算的兴起将帮助工程师更好地查看实时数据，并有效地将这些数据转化为业主和维护经理的决策结果。