【摘要】桥梁健康监测通过实时监控结构的整体行为，为桥梁的维修、养护与管理决策提供依据和指导。本文以大跨度悬索桥为切入点，总结近些年来桥梁健康监测的研究状况，着重介绍了结构损伤识别、状态评估现状以及悬索桥软件系统，并对未来的桥梁健康监测发展方向进行了预测。
【关键词】大跨度悬索桥 健康监测系统 现状 展望
1前言
我国自上世纪90年代开始进入大跨度悬索建设的快速发展阶段，截止2012年，分布在全国各地的最大跨度超过1000 m的悬索桥已有十几座之多。大跨度悬索桥作为高投资的大型工程项目，对于交通运输、民生经济有着巨大的影响。
大跨度悬索桥梁健康监测系统涉及传感器子系统、现场总线控制系统、分布式数据采集系统及智能及远程数据传输与控制系统。此外，大跨度悬索桥梁健康监测还涉及到静力损伤识别、频域损伤识别、时域损伤识别及大跨度悬索桥状态评估模型及算法。可见大跨度悬索桥梁健康监测具有跨学科、跨专业的大型复杂背景。表1给出国内部分大跨度悬索桥健康监测现状。
2监测现状
2.1结构损伤识别现状
结构的损伤，即对结构现在及未来有不良影响的因素总称。损伤识别，就是在结构在输入部分和响应部分部分已知的条件下，求解识别结构系统当前状态。其具有：1、激励的不确定性；2、响应的不完备性；3、识别问题的复杂性。总之，对结构系统的识别的问题，是需要有限元分析、非线性分析、优化算法等多种综合运用协调求解，计算量相当大，对结构损伤的仍处于研究的快速发展阶段，国内外学者竞相提出各种新的理论与方法。
目前，损伤识别按识别方法分，主要包括以下两大类：
1、 有反演的结构损伤识别方法。选取待识别的各参量（包括损伤指标、结构参数、刚度矩阵等）作为优化变量，设计目标函数，通过不断修正有限元模型，得到结构损伤识别各参量的最优化值，使最后正向计算结果能够尽可能与实测结果吻合。
损伤诊断的模型修正类方法的解决途径如文献[6]提到的：首先，对不完备模态进行扩阶，结合统计理论考虑建模误差及测试误差的影响，接着，与指纹法或其它方法相结合为模型修正提供先验信息，进一步减小计算量，最后注意扩阶带来的误差，注意综合考虑数学物理约束。
损伤识别优化的智能算法类如人工神经网络方法、遗传算法[2]。
2、 现代模式识别方法。无反演性是其具有的一大特点。基于现代模式识别理论，构造各种损伤情况下的基本模式向量，之后通过对比实际模式向量与基本模式向量，得出最终的损伤位置与损伤程度。
2.2状态评估现状
状态评估的程序一般包括信息收集，分析评价及结论决策等三大部分。针对大跨度悬索桥，在信息收集阶段的主要监测内容一般包括了环境参量（如交通流量、气温湿度、风等）、几何状态参量（如索塔位移、加劲梁线形、主缆线形）、振动状态参量（如地震等）。具体到对不同的大跨度悬索桥，监测内容略有差别，如地处舟山，东边宁波的西堠门大桥尤其增加了对海水状态的信息采集；地处贵州南部安顺境内的坝陵河特大悬索桥，着重加强了对振动的监测与信息采集。
对于大跨度悬索桥梁状态评估是一个综合性概念的范畴，主要包括安全评估、功能评估及满足性评估等三个方向。目前，对桥梁状态评估的理念和方法有了长足的发展，如可靠度理论，层次分析法、模糊理论、专家系统以以及各种新的人工智能算法在大跨度桥梁状态评估中应用，如遗传算法、神经网络、模拟退火等。
2.3悬索桥软件系统
悬索桥软件管理系统，是为决策者从提供被监测悬索桥各项性能指标，使其高效、准确、及时地了解桥梁状态，以便采取最优的维护维修方案，从而跳出了直接面对繁杂的悬索桥各各构件。因此，建立对悬索桥的软件系统，是达到对悬索桥运营过程中养护的高标准、高质量、高效率与高机动性等目标的必由之路。对悬索桥软件系统的开发与应用对整个健康监测系统具有重要意义。
国内自上世纪80年代中期开始，逐步开展了对桥梁软件系统及至对一片区域所有桥梁的管理系统开发与应用的研究当中。如北京市公路管理局、四川省路研究所、广东省公路研究所等就先后建立了针对各地区的桥梁管理系统。
3未来发展展望
3.1从研究现状分析
大跨度悬索桥造价昂贵，尽管目前我国在悬索桥健康检测方面已有较为深入的研究和探索，但整体上依然处于初始阶段，这是由于我国整体桥梁健康监测的项目和种类较为匮乏，这尤其体现在对已有的监测数据的管理和处理方面没能建立高效科学的系统。
本文以桥梁健康监测的现状为基础，对悬索桥监测进行了较为详细的分析，我们可以从研究的现状分析，目前桥梁检测系统正在向智能化算法处理的方向进行发展：
a） 应用智能传感器作为信息收集来源；
b） 文件处理系统实现模块化处理；
c） 同时能够时时实现信息资源的网络共享；
d） 实现提前预警和时时在线评估的系统功能；
e） 尽量最优的悬索桥损伤计算。
3.2未来的主要优化角度
统观各种现有的桥梁监测方法，未来的主要优化方向在于两点：一是传感器自身的技术革新；二是监测系统本身的二次开发。在已经取得的宝贵经验基础上，我国将可以对即将修建的多做大跨度悬索桥进行更为深入的研究，从而使我国的监测技术能够快速革新。笔者认为主要的研究方向为：
1. 探索并建立更为快速有效地传感器布置算法。虽然目前在航天领域已有相关的研究，但在桥梁模态实验中依然有较大难度，如：怎样运用尽可能少的传感器获得最为有用的数据等等；
2. 在整个行业内建立一整套悬索桥健康监测的相应规范。目前我国在监测桥梁中，如：润扬长江大桥，江阴长江大桥等等，均未有统一的评价指标；
3. 增大该方向的人才培养，在国家层面给予经济和科技支持。目前，各高校尚未形成桥梁监测的相关培养体系，对相关问题的研究无法达成统一的认识。
3.3总结
总而言之，笔者认为大力发展悬索桥健康监测项目是十分有意义的。随着行业内对桥梁的要求逐步增高和全社会对桥梁安全性的顾虑不断累积，有必要建立一个可靠持久，并具有经济效益的一整套桥梁监测指导规范。从现在的发展趋势可以看出，在自动化技术不断革新的今天，监测的成本得以不断降低，对于大跨度复杂悬索桥的监测已经成为现实。
包括重庆市的寸滩长江大桥在内的国内多座大跨度悬索桥结构监测系统已经开始建立，可以相信，随着时代的不断发展和监测方法的不断明晰，桥梁健康监测评价系统将会逐渐成为现代桥梁的主流，一个全新的智能安全化的桥梁时代将会在不久的将来成为现实。
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基金项目：第五届重庆大学SRTP项目，
项目编号：1201001104108。