智能桥梁结构健康监测概述

智能桥梁结构健康监测概述摘要：桥梁结构受自然环境和荷载的影响，结构体系会出现劣化或其他病害，不符合正常使用的要求。因此，需要一个智能健康监测系统对桥梁进行监测和评估，及时反馈信息，指导管理者维护维修。本文主要介绍了智能桥梁结构健康监测系统在国内外的应用现状，以及监测系统的组成和主要监测参数，为桥梁健康监测和加固提供借鉴。关键词：桥梁结构、健康监测系统、组成、监测参数、传感器0引言桥梁在交通建设中扮演着重要的角色，它保障车辆和人的通行，对安全要求高。桥梁在服役期间难免会受到自然环境和重车荷载的影响而出现各种形式的病害，造成结构使用性能和耐久性能的退化。因此，建立智能桥梁结构健康监测系统，对桥梁结构出现的病害及时监测出来并反馈信息，为桥梁维护维修提供数据，保证桥梁结构的安全性和耐久性，具有十分积极的现实意义。桥梁结构健康监测不仅实现了对结构的监控和评估，成为桥梁养护的“现场实验室”，更重要的是为以后的设计规范作参考，为大跨度桥梁的研究作指引。桥梁健康监测系统的建立，不仅具有现实意义，还具有重要的研究价值。1国内外应用现状桥梁结构健康监测是对桥梁结构进行损伤或病害识别的策略。损伤和病害改变了材料的性质或结构的性能，会影响桥梁结构体当前和未来的安全和耐久性。在上世纪50年代开始，已建成的桥梁市场时常失效和破坏，破坏前往往不被重视和维护，造成严重的人员伤亡和损失。自此，人们开始重视桥梁结构健康的监测，但监测手段以人工检查为主，细微的病害得不到及时发现和维护，养护成本比较大。随着信息时代的到来和发展，人们开始利用传感技术、数据传输与管理技术和计算机技术，对桥梁结构进行智能的监测，提高了监测和养护效率。1.1国外研究现状20世纪80年代开始，桥梁健康监测得到了欧美加等国家的重视，在一些重要桥梁或复杂结构上建立里结构健康监测系统，但传统的监测系统并不能实现对桥梁结构的长久监测。随着计算机技术和其他数据处理技术的成熟，逐渐出现了能对桥梁结构进行长期实时快速监测的智能桥梁健康监测系统。德国柏林Westend大桥在1994年安装了36个传感器始，其后不断增加监测通道，永久记录桥梁结构的交通荷载、应力应变状态和结构健康情况，连续提供健康状况方面的监测数据。美国CommodoreJohnBarry大桥安装了97个传感器的健康监测系统，自998年起提供监测数据并评估结构的环境情况、振动阻尼器工作状态和结构的安全性能。建于上世纪70年代的德国ESK551大桥，在出现挠曲和弯曲裂纹后，于1996年安装健康监测系统来监测环境变化和可变荷载引起的结构变形。1.2国内研究现状我国的信息技术起步比较晚，但随着经济的发展和技术的成熟，上世纪90年代后也对桥梁结构的健康开始关注，更新和改进桥梁结构健康监测系统。香港的汀九大桥和青马大桥，内地的虎门大桥、江阴长江大桥、苏通大桥等桥均已安装或正在安装智能桥梁健康监测系统，通过传感器获取监测信息，实现病害预警。为保障桥梁工程结构的安全运营，智能健康监测系统是养护维修必不可少的技术手段，对桥梁结构健康和评估预警具有极其重大的现实和研究意义。2桥梁结构健康监测组成为实现桥梁结构的健康监测和诊断，评估结构安全性，智能桥梁健康监测系统应具有精确性、完整性和适用性。智能桥梁结构健康监测包括以下四个部分：①数据采集系统（传感器系统）；②数据传输系统；③数据处理系统；④远程综合管理系统。数据采集系统主要依靠传感器采集数据。传感器位于整个监测系统的最前端，用于获取最初的数据，对监测效果起着决定性作用。安装的传感器把监测到的物理量，按照一定的原理转换成其他信号传输到数据处理系统。数据传输系统连接了采集和处理系统，传输技术有有线传输和无线传输两种。有线传输会给结构增加额外的负担，电缆内部的噪声可能会降低传输质量。无线传输初始成本和维护成本都比较高，但安装方便。应合理采用传输技术，把监测成本降低。数据处理系统是对传输来的数据进行存储，通过文本或图表的形式显示，把处理结果发送给远程管理和监控计算机。远程综合管理系统是利用网络或监控软件对桥梁结构进行监视，把监测的数据进行分析和诊断，评估出结构的健康状况，并由工程师提出适当的修复建议。3桥梁结构健康监测主要参数及其对应的传感器桥梁健康监测的内容是选择监测参数，应根据桥梁结构的特点和健康要求，有目的地确定监测内容。确定监测参数后，选用适用的传感器类型，不能一味追求高性能，避免造成不必要的监测成本。下面总结和讨论重要等级桥梁的监测参数及其对应的传感器。（1） 裂纹。裂纹宽度的测量可以利用裂纹测量仪和热像仪。裂纹测量仪可安装在结构或嵌入结构中，随着裂纹宽度的扩展，裂纹测量仪的参考球对之间的距离可被显示出来，进而监测到裂纹的宽度。热像仪是一种非接触式的监测方法，使用热成像相机对测量结构表面发射的辐射，获得监测结构表面的热成像图，根据成像图分析得出裂缝的宽度，但热像仪不能监测出裂缝的深度。（2） 位移。由于荷载或温度作用而产生的位移是决定整体结构状态的重要参数。位移传感器、温度传感器、水准测量、全球定位系统（GPS）等传感器或设备可以测量结构的局部位移或整体位移。（3） 力。力是度量结构构件是否达到其强度的指标，测力计可以测量构件承受的力。测力的传感器可以不受其他元件的影响，把力转换成信号传递给其他系统。（4） 腐蚀。腐蚀是钢筋混凝土桥健康监测的一个重要参数。通过检测腐蚀的起始与扩散，可以进行及时有效的修复。腐蚀传感器可以检测腐蚀的起始与腐蚀速率。腐蚀传感器被嵌入混凝土板里，在混凝土表面和钢筋深度之间的四个不同深度进行测量。（5） 温度。为了测量结构或构件的温度，可采用铂电阻温度计和热电偶温度计等传感器。铂电阻温度计是通过电阻与温度成比例变化来测量温度的，随着温度的升高，电阻增大。测量出铂的电阻后，通过换算关系，得出构件的温度。热电偶是常见的温度传感器，由两种不同的材料组成，在一端连接在一起，当温度变化时，结点处会产生电压。风。对于大跨度桥梁来说，风荷载对结构的影响至关重要。测量风荷载的传感器由气压表、超声波风速计、螺旋桨风速计。这些传感器可以测量风的速度、角度和方向。4结语桥梁作为重要的交通结构，结构的健康状况影响到运营的安全、使用性能和结构的耐久性。智能桥梁结构健康监测系统通过传感器的原始数据收集、传输、分析和处理，对结构的状态进行监测和预警，给工程人员养护桥梁作指导，具有重要的现实意义和科学研究价值。本文主要概述了智能桥梁结构健康监测系统国内外应用现状，简析了监测系统的组成，以及监测的主要参数及其对应的传感器。参考