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桥梁监测
1 引言
在他这本关于岩土仪器的经典著作发表之前，提供了一些有用的建议：
“项目上的每一个仪器都应该被选择，以用来帮助去解决一个具体的问题：如果没有问题，就不应该有仪器”
结构健康监测(SHM)正成为桥梁工程领域日益关注的研究课题。 随着传感器和数据采集技术的不断发展，使在结构上安装广泛的监测系统成为可能。希望通过获得定量数据，将有可能促进“智能”结构的发展，监测系统能够补充基本上主观的视觉检查(这些做法目前被用作评估结构完整性和状况的主要手段。)
许多文章描述了监测具体桥梁结构的过程（例如，Brownjohn等人，1999年；Chang和Im，2000年；Wong,2004年；Lyncn等人，2006年；Staquet等人，2001年；Hoult等人，2001年；和Koo等人，2013年）。Webb(2014年）观察到，在许多情况下，监测系统不能提供桥梁拥有者和经营者所期望的有价值的见解。系统希望提供价值的明确说明经常缺失。Middletion等人（2014）讨论结构健康监测的现状和未来潜力。关于结构健康监测项目的许多报告只是简单记录新传感器和传感器部署能力。一些特殊的案例被证实是有价值的，例如Hammersmith立交桥（webb 等人，2014年），在那儿使用了远程结构健康监测技术调查了一个令人关注的具体问题。
在实施结构健康监测系统之前 ，应解决以下具体问题：
·监测活动的总体目标是什么？
·监测系统需要哪些信息去实现这些具体目标？
·你将从测量中获得的读数和期望值是多少？
·根据测量的结果决定着测量需要什么读数（和读数的频率）？
·什么技术将采取必要的测量？
·如何并且多少成本记录、解释、传播和储存信息，以及将使用什么通信方式将数据传输个最终用户？
·需要所有相关的受益者提供哪些投入以至于理解和管理有所期望？
·谁将承担与系统相关的资本和持续运营的成本，这些成本是否负担得起？
·如何量化所获得信息的价值/利益？
2 结构健康监测的利益相关者
结构健康监测的一些潜在受益者可以从桥梁监测中获得不同的好处。Andersen和Vesterinen（2006年）认为结构健康监测项目有七个关键受益者，总结如下表29.1, 从表中可以了解到每个人的各种需求、要求和目的。无论利益相关者如何，首要的目标是安全、性能和成本，这在不同程度上对所有的利益相关者都很重要。
表29.1 利益相关者的目的
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利益相关者 |
主要目的 |
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当局者 业主 用户 研究人员 设计师 承包商 经营者 |
记录和报告建筑物所需功能。 建筑物的可靠性必须满足规范和标准。 必须确定建筑物的可接受使用寿命 生命周期成本优化 建筑物所提供服务的可用性必须很高 必须安全地使用建筑物 建筑物的建模理论得到全面的验证 核查与记录最终设计 验证建筑物的应变和形状 可用性高 具有成本效益的运作和维护 识别不可接受的行为（例如震动）或过度磨损的原因 |
改编自Andersen和Vesterinen（2006）经许可使用
3 监测部署的类型
监测系统的规模和复杂性各不相同，从可能采取准静态测量的系统，从少量测斜仪或应变计来检测长期的变化，到利用环境振动测量进行结构识别或损伤检测。
许多研究已经发表，解释了桥梁监测项目的学术成果。为了明确结构健康监测部署的目标，最近提出了以下分类系统（Webb等 2014），这就明确解释了任何结构健康监测系统的主要目标。该分类系统提出，监测系统可以分为以下几种类型：
·传感器部署研究-系统用于演示新传感器或通信技术（类别1）
·异常监测-系统用于检测某物已发生变化或者某物随时变化（类别2）
·模型验证-用于比较结构性能和结构分析模型的预测性能的技术（类别3）
·阈值检测-将关键参数与通常从结构模型导出的阈值进行比较一警告潜在问题的系统（类别4）
·损伤检测-利用结构识别和模态分析等先进技术来检测和定位受损的系统（类别5）
Webb（2014年）和Webb等人（2014年b）证明了绝大多数已发表的结构健康监测研究只是报告了用于验证结构模型的结构健康监测系统的部署（图29.1第三类），从一个或多个关键利益相关者需求都是角度，很少有讨论或解释系统的目的的报告。这些部署通常由研究人员进行操作，用来演示新的传感器或通信技术，如微机电系统（MEMS传感器）或无线传感器网络（WSNs）。这种部署没有意图向资产所有者或经营者提供及时的价值，尽管这种现场演示最终可能导致新的结构健康监测技术拥有更大的行业信心。
损害检测（第5类）已经尝试实施。例如，Catbas 等人（2013）和Wenzel（2009）的详细方法，分别使用结构识别和环境振动测量。
图29.1文献中报告的一些现有监测系
的分类以及这些数据的安装数量。（
数据由Webb等人2014b提供）
虽然人们承认，关于部署研究的原因，可能在文献中没有详细陈述，但是令人感兴趣的是，很少提到资产所有者所得出的价值。通常，结构健康监测系统的价值演示似乎是一个低优先级。
4 用于结构健康监测的测量技术
桥梁结构健康监测系统用到了不同的传感器，这些传感器既可以测量施加在结构上的荷载，也可以测量其应变。在审阅了31份关于结构健康监测部署的详细介绍的出版物之后，Webb（2014）确定了各种监测技术的大致流行率（图表29.2）。图标29.2列出了Gastineau等人更详细地描述的25种监测技术。（2009），在第三栏中，本作者提供了每一项的简要说明。对所有这些技术的深入研究将超出本章的范围。因此，我们将更详细地关注传感器技术的发展，这些技术对于结构健康监测的发展具有潜在的用途，尤其是作者提到的具有实际经验的技术；即（一）计算机视觉；（二）声波发射技术（AE）；（三）光纤维变传感器；（四）MEMS传感器；（五）于东称重系统；（六）腐蚀监测系统
图表29.2用于桥梁监测装置的31
个传感器类型（数据由Webb提供）
4.1 计算机视觉技术
计算机视觉系统允许从数字图像的扫描和解释中提取信息。它们可以用于各种各样的任务，包括三位重建、施工进度监测、几何检查、组件统一性和扰度检测。为了加强结构健康监测发展提供了新的机会，特别是随着建筑信息建模技术（BIM）的日益突出。计算机视觉技术可能会消除视觉检查工作中固有的主观性。如果检测可以自动化，计算机视觉技术能够为构建或操作过程提供更高的智能水平。
4.2声波发射技术（AE）
声波发射技术（AE）涉及到用敏感的声学传播器，来检测由于钢板中裂纹扩展或预应力钢丝索股断裂而产生较小的弹性应变波。对于后者，解释历史数量见下表29.2。
表29.2 Gastineau等人对于结构健康监测系统技术类型的描述
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系统技术 |
说明（和部署示例） |
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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 |
3D激光扫描 加速度计 声波发射 自动激光全站仪 拖链 混凝土电阻率 数字图像相关性 （DIC） 电化学疲劳传感系统 阻抗（电阻抗后张力钢筋） 电阻应变片 疲劳寿命指标 光纤 全球定位系统（GPS） 地面穿透雷达（GPR） 撞击回声 红外热像仪 线性极化电阻（LPR） 线性电位器 线性变量微分变压器 宏观腐蚀速率监测 半细胞电位测量/氯化物含量 扫描测量 倾斜仪 超声波C扫描 振动导线应变片 |
用于构件结构的三维点云模型；例如Park等人（2007）用于确定结构的模态特性：例如Matsumoto等人（2010） 检测裂缝产生的声波传播或钢丝断裂;例如Nair和 Cai（2010） 对于大量目标进行3D位移监测；例如Psimoulis和Stiros（2013） 用于检测混凝土桥面浅层分层的声学技术，例如Perenchion（1989） 提供正在发生的腐蚀可能性指示。 一种用于跟踪在不同时间拍摄的图像集之间的相对运动，允许导出连续应变场的图像处理技术。例如Lee等人（2012）和white 等人（2013）又称粒子图像测速。 一种通过不断监测表面电流流动来检测金属结构疲劳裂纹的无损技术。 电阻变化检测后张拉筋防腐缺陷的技术。 依赖于由结构导管包围的钢筋，该导管将钢筋和浆液从周围混凝土中电隔离。；例如 Elsener(2005) 常见的应变计形式，虽然容易受到热变化的影响。 问题包括质量的变化. 用于指示组件可能剩余疲劳寿命的牺牲传感器;例如Zhang等人（2007b） 可以提供离散或连续测量各种参数，如应变，温度和氯离子浓度。例如Rodrigues 等人（2010） 卫星系统，提供三维位置信息。 一种技术，涉及雷达脉冲，以查看地下特征，如钢筋或预应力筋。 分析锤击反射声波，以检测一些地下缺陷。 通过结构的热流中断可以表明损坏，如混凝土板的分层。例如Washer等人（2010） 提供混凝土腐蚀可能性的指示。 基于电位分压器原理的位移传感器。 非常坚固的位移传感器，由三个螺线管围绕一个滑动铁磁芯组成。 提供腐蚀可能性指示的技术。 测量混凝土中的电化学势或氯离子浓度可以显示腐蚀发生的可能性。 超声波和雷达技术已经用来检测冲刷，但潜水员的检查可能是评估任何冲刷程度的唯一可靠方法。 用于测量物体相对于地球引力场的角度，通常使用力平衡传感器。 超声波检测可以用来检测材料内部的一些缺陷。 由连接到结构上的牵引钢丝组成的应变计，其自然频率随施加的应变而变化.例如DiBiagio（2003） |
发生的电线断裂，然后量化对整个桥梁电缆的影响仍然是一个挑战，除非从桥的生命开始，声波发射技术系统已经很到位了。
4.2.1 AE案例研究：Hammersmith 立交桥
AE传感器由承包商（Watson,2010）使用，在伦敦的Hammersmith立交桥上检测预应力钢丝断裂的损失，并将输出数据提供给剑桥大学的研究小组进行分析（Webb等人，2014年a）.断线率在2011年3月左右开始上升（见图29.3），并且，在随后的几个月里这座桥越来越受到关注，导致最终这座桥停止使用。关闭后进行了侵入性的调查以及改造活动。这种监测技术是损伤损伤检测的一个类别，被用来调查腐蚀/电线断裂等具体问题，随后向资产所有者产生价值，资产所有者将对翻新策略做出明智的决定。
图29.3 在Hammersmith天桥的AE监测过程中检测到的断丝累计数。（改编自Webb等人，2014a）
4.3 光纤应变传感器
光纤应变测量的实验部署（第1类）的一个例子是位于英国剑桥郡的九井桥。（关于部署的更多细节见下文Hoult等人，2009）。该三跨预应力混凝土桥梁西跨有6根梁是在预制厂用光纤灌注混凝土施工（见图29.4至29.6），允许沿着预应力梁的长度进行分布应变测量。光缆在梁的一端进入，沿较低的预应力股运行，在每一个梁的末端向上一个剪切环节，然后沿上预应力股返回，从而完成光纤在梁中的回路。预拉索释放后，安装后立即进行读数，复合原位混凝土板层铸造后也进行读数。通过这些得到的结果，人们能够对各种现象进行研究，包括：预应力筋松散、初始弹性性能差、混凝土徐变和收缩，以及对温度影响的研究（见下文Webb,2014）。在这些情况
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