为“香江长虹”护航——香港大跨桥梁结构健康监测的发展

大跨桥梁结构健康监测系统在动态监测桥梁结构的运行状况和保障桥梁结构运营期间的安全性和持续性方面发挥着重要的作用。大跨桥梁结构健康监测在香港的应用始于上世纪90年代，历经25年的发展，现在正进入一个新的阶段。

1997年5月，主跨1377米的公铁两用大桥-青马悬索桥，主跨475米的三塔公路大桥-汀九斜拉桥，主跨430米的公铁两用大桥-汲水门斜拉桥相继在香港建成通车，与三座大桥一起设计、施工、安装的结构健康监测系统也同时投入使用。仅安装在青马大桥上的健康监测系统当时就有10类约300个传感器。10年后，即2007年7月，深港西部通道香港段主跨210米的斜拉桥建成通车，安装在大桥上的结构健康监测系统也随之启动。深港西部通道斜拉桥的健康监测系统包含11类约450个传感器。主跨1018米的昂船洲斜拉桥于2009年12月建成通车，它的结构健康监测系统有17类约1500个传感器。而主跨200米的香港将军澳拱挢在2022年12月建成通车，它的结构健康监测系统由19类共1000个传感器组成。香港大跨桥梁结构健康监测系统的发展整整历经了25年。

图1 昂船洲斜拉桥

图2 将军澳拱桥

最新的香港大跨桥梁结构健康监测系统主要由9个子系统组成：传感器系统、数据采集和传输系统、数据处理和分析系统、数据管理系统、结构健康预警系统、评估系统、评级系统、检测系统和养管系统。与最初仅包含前面6个子系统的大跨桥梁结构健康监测系统相比,最新的监测体系通过将结构健康评级系统、检测系统和养管系统融合于结构健康监测系统,来实现大跨桥梁结构全寿命的健康养护和管理。

图3 香港大跨桥梁结构健康监测系统构造图

香港大跨桥梁结构健康监测系统所监测和检测的项目可以分成4类：（１）桥梁环境荷载和作用；（２）桥梁运营荷载；（３）桥梁结构特性；（４）桥梁结构响应和状态。桥梁环境荷载和作用主要包含风荷载、地震荷载、温度荷载、冲击荷载、沉降荷载、冲刷荷载、腐蚀。桥梁运行荷载主要指公路荷载、铁路荷载、自重荷载。桥梁结构特性分静力特性（静力影响线）和动力特性（频率、振型、阻尼）。桥梁结构响应和状态主要有索力、预张力、支座反力、位移、扭转角、加速度、应力/应变、疲劳、裂缝、锈蚀、剥落、错位。在详细分析所监测和检测的4类变量以及结构抗力的基础上，香港大跨桥梁结构健康监测系统设置以下6个主要功能来确保桥梁结构的使用性，安全性和可持续性：

（１）确定大桥的环境荷载及其作用；

（２）检验当前桥梁设计理论与方法；

（３）验证新的分析方法和计算程序；

（４）诊断损伤和评估结构性能；

（５）协助桥梁结构全寿命养护管理；

（６）帮助政府在紧急情况下迅速做出正确的决定。

以青马大桥为例。该结构健康监测系统采集了25年的数据，其实测数据的分析与应用概括如下。

分析了风速仪测得的随时间变化的台风以及季风数据。得到了平均风速、风向、风攻角，以及湍流强度、湍流积分尺度、脉动风谱、脉动风概率密度函数、脉动风联合概率密度函数、脉动风平稳特性、脉动风非平稳特性和脉动风相关性。用识别出的风特性检验了该桥梁抗风设计所使用的风特性，也用实测数据验证了一些新的分析方法和计算程序。

分析了动态称重系统测得的随时间变化的公路车辆数据。获得车辆类型、车辆数量、车道分布、车轴荷载、车辆荷载以及荷载谱。用识别到的交通量及荷载检验了该桥梁设计使用的公路交通量及交通荷载，也用实测数据验证了一些新的分析方法和计算程序。

对应变计测得的随时间变化的列车数据加以分析，获得列车数量、车体转向架数目，以及转向架荷载分布。用识别出的铁路交通量及荷载检验了该桥梁设计使用的铁路交通量及交通荷载，也用实测数据验证了一些新的分析方法和计算程序。

同时分析了环境温度传感器和结构温度传感器测得的随时间变化的温度数据。获得了大气环境温度、桥梁结构温度、桥梁结构有效温度，并分析了它们之间的相关性。用识别到的温度特性检验了该桥梁设计使用的相应规范值，也用实测数据验证了一些新的分析方法和计算程序。

对无车辆荷载以及常温下风速仪测得的风数据，以及加速度仪、GPS和应变片测得的桥梁结构的加速度、位移、应变应力响应进行分析。获得桥梁结构加速度、位移、应力响应、风速和风向的统计关系，以及风引起的桥梁结构的累积疲劳值。用识别到的统计关系检验了该桥梁通过风洞试验所获取的相应统计关系和该桥梁设计使用的相应规范值，也用实测数据验证了一些新的分析方法和计算程序。

在常温下无风和公路荷载的情况下，分析应变计测得的铁路荷载，以及加速度仪、GPS和应变片测得的桥梁结构加速度、位移和应变应力响应。获得了桥梁结构的加速度、位移、应力响应与铁路荷载的统计关系，以及列车引起的桥梁结构响应的影响线和累积疲劳值。用识别到的统计关系、影响线和疲劳值检验了该桥梁的设计值，也用实测数据验证了一些新的分析方法和计算程序。

同时分析了常温下无风和无铁路荷载时动态称重仪测得的公路荷载（包括荷载试验），以及加速度仪、GPS和应变片测得的桥梁结构加速度、位移、和应变应力的响应。获得了桥梁结构的加速度、位移和应力响应与公路荷载的统计关系，以及公路车辆引起的桥梁结构响应影响线和累积疲劳值。用识别到的统计关系、影响线和疲劳值检验了该桥梁设计值，同时也用实测数据验证了一些新的分析方法和计算程序。

同时分析了无风无车辆荷载下环境温度传感器和结构温度传感器测得的温度数据，以及GPS和应变片测得的桥梁结构位移和应变应力响应。获得了桥梁结构位移、应力响应与温度的统计关系。用识别到的统计关系检验了该桥梁的设计值。同时也用实测数据验证了一些新的分析方法和计算程序。

健康监测系统测量得到的桥梁结构响应是多种荷载同时作用下的响应。因此，如果要确定某几种荷载共同作用下结构的某种响应，就需要选择适当的测量记录，然后再作深入分析。例如，要估计钢结构某处在风荷载和车辆荷载共同作用下的累积疲劳，就要取该处的应变片在风荷载和车辆荷载共同作用下所测得的应力时程进行疲劳分析。但是，要想从健康监测系统测量得到的多种荷载同时作用下，结构响应时程中分解出每个荷载单独作用下的响应时程就比较困难。

大跨桥梁钢结构，特别是正交异性钢桥面板，在长期的交通荷载作用下极易产生疲劳裂纹，导致疲劳破坏。为对钢结构各阶段的疲劳损伤状态进行定量评估，提出结合三维多尺度（厘米级大尺度、毫米级宏观尺度、微米级微观尺度）有限元建模方法和大桥多维监测信息来更新多尺度有限元模型的方法，并通过编写程序将上述方法转化为人机交互的计算技术。

一座大跨桥梁通常由成千上万的构件组成,它们分别由不同材料制成，并用不同方式连接起来,　因此大跨桥梁结构庞大、构造复杂。而结构健康监测系统的传感器类型和数量总是有限的，仅仅根据采集数据进行大跨桥梁结构性能评估并作出运维决策的方法并不全面。而通过发展多种传感器优化布置技术来实现大跨桥梁整体及局部响应的重构。

大跨桥梁的抗风设计需要对其作抖振分析，为此首先需要明确环绕大跨桥梁的脉动风场。然而，安装在大跨桥梁上的风速仪数量十分有限，如何根据风速仪所测得的有限点风速时程来重构整座大桥的脉动风场？我们研发了大桥脉动风场的条件模拟技术。以同样目的，我们还研发了大跨度桥梁非平稳地震场的条件模拟技术。  

公路交通流荷载是大跨桥梁结构的主要移动荷载。准确实时地确定车辆数量、车辆类型、车辆荷载在大桥每个车道上的作用大小和分布，对明确大桥的交通管理和确保大桥结构的安全和使用性能非常重要。目前主要依靠动态称重系统进行交通流荷载的识别。但该系统仅能识别所通过的车辆的类型和荷载，却无法准确地确定车辆及其荷载在大桥车道上的分布。而基于此，发展了融合动态称重系统和计算机视觉的大跨桥梁公路交通流荷载识别技术，其中计算器视觉通过多个高速摄像机和图像信息处理技术加以实现。

太阳辐射和环境空气温度会引起大跨桥梁日常和季节性的环境热效应，而桥梁构件的温度变化则会显著影响桥梁的整体挠度和变形。此外，由于结构的冗余、轴承和伸缩缝的运动限制，以及桥梁内温度的不均匀分布，通常会产生热应力，而温度条件的变化也会对结构振动特性产生重大影响。因此，温度，包括结构温度和环境空气温度，是桥梁监测系统中经常测量的参数之一。由于温度传感器数量有限，因而需要进行数值热分析，以获得监测系统无法获取的大桥详细的温度信息。同时，温度场数值模型及其分析结果亦要用真实数据加以验证。技术人员必须将温度场的数值分析和现场监测结合起来，开展基于结构健康监测系统的桥梁温度场模拟。

当车辆在易出现大风的地区的大跨桥梁上行驶时，由于受移动车辆和脉动风的影响，桥梁将产生相当大的振动。而此类振动反过来会对道路车辆的运行安全构成威胁。此外，当道路车辆驶离桥塔时，会突然遇到一股侧向阵风，易使车辆发生倾翻。因此，道路车辆在侧向阵风和发生振动的大桥上运行的安全性，是决定是否让桥梁关闭或使车辆减速的关键。前提则是需要进行风-车-桥相互作用的分析。为了保证分析结果的正确性，应将结构健康监测系统的多尺度有限元建模和模型更新技术、脉动风模拟技术、公路交通流荷载识别技术加以融合，再进而完善。

尽管大跨桥梁结构健康检测系统和监测系统的作用都是为了保证大桥结构的安全性和可持续性，但它们的工作目前相对独立。在检测系统中，将桥梁构件分类并作状态评级来决定每类构件检测时间的间隔是一项十分重要的任务，但目前构件状态评级存在较大的不确定性，因而基于结构健康监测系统的桥梁状态评级技术应运而生，它利用结构健康监测的结果来确定状态评级中的关键性和非主要因素，再利用高斯云模型或模糊数学模型及分析层次法，对各类构件进行状态评级，进而决定其检测时间的间隔。

绝大多数大跨桥梁的损伤发生在局部区域内，开始时非常小，对桥梁的动力特性的影响甚微。再加上大桥环境变化的影响以及传感器数量和类型的局限性，使得对其的损伤识别极其困难，而许多现有损伤识别方法应用效果很不理想。一种基于结构健康监测系统的4Ｍ大桥损伤识别技术，能够利用多尺度有限元模型，多种传感器优化布置和结构响应重构，形成从整体到局部的多层次多时域的损伤识别方法。

上述的结构健康监测和检测技术正在融入结构健康监测系统的人机交互平台中。

首先，从大跨桥梁健康监测系统测量所得到的多荷载效应中来提取单独荷载效应仍然比较困难。其次,由于传感器数量有限，难以获悉大部分构件的信息，导致无法对大桥结构进行全面评估。而大跨桥梁荷载识别和损伤识别的两个反演问题也尚未解决。由于大跨桥梁结构系统的复杂性，传感器数量的有限性，疲劳荷载的随机性和荷载作用的长期性，使得桥梁结构疲劳损伤评估成为一项挑战性极强的任务。如何利用健康监测技术使得大跨桥梁检测（状态评级系统）更加科学、准确、及时、经济，目前尚未形成行之有效的解决方案。反之，如何运用桥梁健康检测技术使得大跨桥梁健康监测更加及时、准确和经济，也仍处于探索阶段。此外，目前所使用的结构健康监测技术还无法真正地实现大桥的维养、决策、全生命周期的智慧运维。

当前，以物联网、大数据、人工智能等新技术为代表的数字浪潮席卷全球，数字世界和物理世界正形成两大体系平行发展并相互作用的趋势。在这种背景下，数字孪生技术应运而生。数字孪生包含四个基本要素：物理实体的数字孪生体、物理实体数据收集及融合、物理实体与数字孪生体的互动协作、数字孪生体提供的预测与优化等功能。由此可见，健康监测技术与数字孪生技术有相似之外，但后者包含更多的内容，要求更严，具有解决一些大难题的潜力。从2015年起，香港大跨桥梁的结构健康监测技术就开始向结构健康数字孪生技术转化。图4和图5所示的大桥疲劳损伤的数字孪生和全寿命运维的数字孪生就是两个典型的例子。

图4 大跨桥梁疲劳损伤的数字孪生

图5 大跨桥梁全寿命运维数字孪生的基本构成