1 橋梁監測系統
1.1 起源與發展
橋梁的狀態監測是由傳統土木類結構的可靠性評估發展而來的，透過這一評估手段對結構的各類缺陷進行診斷、排除，繼而進行狀態評估。這一技術最早起源於機械、航空領域的結構故障診斷(Structure Fault Diagnosis)。從 20 世紀 60 年代~80 年代，由於航空、軍工領域的技術革新與套用需求，各類損傷檢測技術開始出現，並得到了迅速發展。 早期的土木類結構由於構造簡單、材料耐用，且傳統(施工、設計)工藝較為成熟，同時結構也可在小裂縫狀態下正常使用，結構出現整體倒塌、破壞的機率較低，並且產生的社會影響也較小。因此對檢測方面的技術關註度較低，僅會對部份特別重要的結構進行可靠性評估。 近年來，隨著結構材料、工程技術的發展，各類大型結構如雨後春筍般出現。土木類結構也向著高聳化、智慧化和復混成的趨勢發展。橋梁行業在這一時期得到了快速發展，但與此同時也凸顯出許多問題，國內、外各類橋梁事故頻發。例如：1940 年，美國華盛頓州的塔科馬海峽大橋發生橋面折斷坍塌的事故[17]；1967 年美國俄亥俄州的Kanauga 吊橋由於超負荷運載，導致部份橋體倒塌；1994 年南韓首爾的桑蘇大橋由於設計和施工原因造成的坍塌；1999 年 1 月，位於中國重慶綦江縣的彩虹橋同樣由於設計、施工的原因，在成橋營運後垮塌，並造成了重大人員傷亡；2001 年，中國四川宜賓市的南門大橋由於橋面斷裂而坍塌；2013 年 2 月，中國三門峽市連霍高速路段的義昌大橋由於貨車爆炸引起的橋面斷裂，造成了重大人員傷亡。諸如此類觸目驚心的事故，更加印證了在施工、營運過程中監測的重要性。
2 國內外研究情況
為了更多地掌握橋梁在建設、營運期間的即時狀態資訊，以便對橋梁進行及時的維修、養護與評估，保障橋梁的安全施工與營運。近幾十年來，國內、外各大、中型橋梁上均安裝了不同壽命階段的監測系統。根據不同壽命階段的監測目的與科研目標，設定不同的監測內容與形式。下列是國內、外部份橋梁的健康監測系統情況介紹： (1)國外橋梁監測系統介紹 美國的 Ironton-Russell 懸索橋修建於 1922 年，該橋的跨徑布置為 117m+241m+117m。 該橋在長期營運中有過多次維修加固記錄，並在上世紀七十年代對該橋的梁板處進行加固。為對橋梁的健康狀況做出客觀評價，使其更好地發揮交通功能，相關單位在橋上安裝了健康監測系統，用來即時監控各部份的應力變化[25]。此後，該橋梁一直安全營運至今。直至 2016 年相關單位才將該橋拆除。 美國 Vincent Thomas 懸索橋建成於 1964 年。該橋梁跨徑布置為 154m+457m+154m。在 1980 年，相關部門對該橋進行了抗震效能部份的加固改造，在橋梁的重要位置安裝了 26 個加速度傳感器，用於監測橋梁的動力響應變化。在過去的幾十年中，該系統工作效能良好。已成功采集了數次地震數據(如 1987 年 Whittier-Narrows 地震和 1994 年的加州北嶺地震) [26]，為該橋的加固設計及這一地區建築的抗震研究做出了重大貢獻。 義大利的 Colle Isarco Viaduct 混凝土連續梁橋修建於 1969 年，該橋的主梁跨度為163m。在 1999 年，該橋建立了完整的健康監測系統，主要布置應變計、位移計和溫度計等各類傳感裝置共計 300 個左右。透過對橋址環境溫度和主梁及橋墩等重要截面的應變和撓度進行監測，保障橋梁的安全營運[27-28]。 美國的 Commodore Barry 鋼懸臂橋修建於 1974 年，該橋的中跨跨徑為 548m，兩邊跨跨徑為 274m。在成橋後的營運階段，橋上安裝了健康監測系統。主要監測在環境影響下橋梁各部份的靜(動)態響應。監測計畫主要包括：橋面溫度、應變和加速度，橋墩墩頂傾角、位移以及影響橋梁整體的風速、溫濕度等。並在橋梁各主要部件安裝網路攝影機，對整體橋梁進行即時的影像監控[29]。 希臘的 Halkis 橋是一座主跨為 215m 的懸索橋，該橋將伊夫亞島與希臘本土相連線。在 1994 年，在橋上安裝了健康監測系統，主要監測橋梁在地震作用下的動力響應。該系統主要包括 3 個 SSA-23 加速度記錄儀，36 個 FBA-11 加速度計和 4 個 FBA-13 加速度計。透過 GPS 接收系統能夠快速接收相應資訊，並對其緊急處理，保證橋梁的安全營運。 英 國 北 愛 爾 蘭 地 區 的 Foyle 連 續 鋼 箱 梁 橋 建 成 於 1984 年 ， 跨 徑 布 置144m+233m+144m。該橋設定了全壽命階段(從施工期到營運期)的健康監測系統。在建設期間透過部份檢測儀器與埋設的監測傳感器裝置對橋梁的施工進行輔助校驗。在營運期間透過構建的監測系統對橋梁主梁的撓度變化、溫度影響、內部應變等因素進行即時監測，分析其對橋梁正常執行的影響，保障成橋後橋梁的安全使用執行[30]。 建成於 1984 年的珍島大橋是南韓當前最大的雙塔斜拉橋。2009 年 6 月，美國伊利諾大學香檳分校、日本東京大學和南韓科學院共同參與部署了該橋的健康監測系統。該系統的監測計畫包括：索力監測、橋塔傾斜、主梁的應力等方面，透過布置 70 個監測節點，113 個傳感器裝置。構建的龐大無線傳感器監測網路，為大橋的安全營運提供重要保障[31]。 泰國曼谷的 Rama IX 斜拉橋建成於 1987 年，其跨徑布置為 166m+450m+166m。該橋於 1995 年安裝了結構整體性與安全性線上警報系統(On-line Alerting of Structural Integrity and Safety System,OASIS)。該系統的監測裝置主要包括加速度計、風速計和溫度計等傳感器。透過橋梁管理部門的控制平台可對橋梁各部份構件的工作狀態進行即時監控與預警。 美國佛羅裏達州的 Sunshine Skyway 斜拉橋建成於 1987 年。該橋主跨 440m，設定的健康監測系統對橋梁從建設期到營運期這兩階段橋梁整體位移、內部應力、溫度和外部環境溫度進行監測，確保了橋梁建設階段的施工安全。並透過營運階段安裝的 GPS全球衛星定位系統，對橋梁的位移等變化進行即時監測，確保大橋的正常營運[32]。 1997 年建成的加拿大 Confedraion 橋是世界上著名的預應力混凝土箱梁橋，該橋全長 12.9km，跨徑布置為 165m+43×250m+165m。針對該橋設計了一套完整的健康監測系統。其中共設定加速度計、傾斜儀、應變計、水壓力計和溫度計等各類不同功能的傳感器共計 740 個。透過對大氣溫度、風力、地震等自然環境與海水侵蝕等因素影響下橋梁的靜(動)力響應變化進行即時監測，對橋梁的即時營運提供安全監測[33]。 英國 Flintshire 單塔斜拉橋建於 1998 年，跨徑布置為 194m+100m。在該橋的施工-營運全壽命階段，相關單位布置了一套長期的監測系統，對其全過程中的各類工作狀態(預應力張拉、應力、拉索索力、加速度響應)與環境影響(風速監測、溫度等)進行即時監測。
1998 年建成的丹麥 Great Belt East 懸索橋，跨徑布置為 535m+1624m+525m。在營運一段時間後，為更好地保障橋梁的安全使用，橋梁管理部門委托 COWI 公司為該橋建立完整的健康監測系統，主要針對橋梁重要部位(主箱梁、主纜、吊桿和索夾)的應力、橋面加速度、橋墩整體的傾角、混凝土應變、下部基礎結構的鋼筋腐蝕與周圍的土質監測、環境的溫濕度監測等方面，系統布置的傳感器數量多達 1000 個[35-36][34]。
建 成 於 1998 年 4 月 的 日 本 明 石 海 峽 (Akashi-Kaikyo) 大 橋 ， 跨 徑 布 置 為960m+1990m+960m，是目前世界上最長的懸索橋。該橋的健康監測系統的傳感裝置主要包括：風速計、地震儀、加速度計、GPS 全球定位系統、位移計以及溫度傳感器等。透過布置各類傳感器測量主梁各斷面位移、調質阻尼器(TMD)位移和氣候環境溫度、風力等影響因素，對橋梁進行即時監測[37]。 哥倫比亞的 Pereira-Dosquebradas 斜拉橋成橋通車於 1998 年，其主橋的跨徑布置為114.6m+211m+114.6m。該橋在成橋營運一段時間後便建立了完整的靜(動)力健康監測系統，布置了位移計、溫度計、加速度計、腐蝕計和傾角儀等各類傳感裝置共計 300 余個，但由於監測系統的維護不當，目前已出現較多傳感裝置損壞、遺失等問題[38]。
南韓的 Seohae 雙塔斜拉橋[39]主跨為 470m，Yongjong 懸索橋[40]跨徑布置為125m+300m+125m，這兩座橋梁均建成於 2000 年。Gwangan 懸索橋的跨徑布置為200m+500m+200m，建成於 2003 年。為保障這三座橋梁的正常營運，管理單位在橋梁上布設了健康監測系統，主要監測橋梁的靜(動)力響應和風速、溫濕度等環境影響。Seohae 橋和 Yongjong 橋安裝的各類傳感器數量分別為 120 和 380 個。Gwangan 橋透過遠端影像處理技術，測量橋梁動態響應對橋梁進行即時監測[41]。
表 1.1 列出了國外部份已建成橋梁上布置的監測系統。
表 1.1 國外部份已建成橋梁的健康監測系統
(2)國內橋梁監測系統介紹
中國香港的青馬(Tsing Ma)懸索橋、汲水門(Kap Shui Mun)斜拉橋和汀九(Ting Kau)斜拉橋，均於1997年建成通車。這三座橋梁上安裝了「風和結構健康監測系統」(WASHMS) [42]。透過建設期間在結構內部埋設傳感器裝置(應變計、溫度傳感器和動態地磅等)和營運期間在橋梁表面貼上監測儀器(加速度計、位移計、風速儀、GPS 全橋衛星定位系統等)的方式，共布置各類采集裝置 774 個[43]，構建完整的 WASHM 系統，對橋梁使用壽命期間的即時狀況進行動態監測。同時這一監測系統也是目前世界上規模、投資最大的橋梁健康監測系統之一。 位於江蘇省境內的江陰長江大橋橫跨江陰市與靖江市之間，該橋通車於 1999 年，是長江上重要的跨江大橋之一，對推動周邊區域經濟發展具有重要作用。在成橋後不久，(2)國內橋梁監測系統介紹 中國香港的青馬(Tsing Ma)懸索橋、汲水門(Kap Shui Mun)斜拉橋和汀九(Ting Kau)斜拉橋，均於1997年建成通車。這三座橋梁上安裝了「風和結構健康監測系統」(WASHMS) [42]。透過建設期間在結構內部埋設傳感器裝置(應變計、溫度傳感器和動態地磅等)和營運期間在橋梁表面貼上監測儀器(加速度計、位移計、風速儀、GPS 全橋衛星定位系統等)的方式，共布置各類采集裝置 774 個[43]，構建完整的 WASHM 系統，對橋梁使用壽命期間的即時狀況進行動態監測。同時這一監測系統也是目前世界上規模、投資最大的橋梁健康監測系統之一。
位於中國江蘇的南京長江大橋建成於 1968 年。該橋是由中國自主設計、建造的首座公、鐵路兩用特大橋梁，其跨徑布置為 9×160 m +128m。該橋梁的健康監測系統中布置了應變計、加速度計、拾振器、地震儀、溫度計、風速風向儀和動態地秤等多種傳感裝置以及各類訊號處理裝置。透過這一系統主要監測橋梁主梁、橋墩等各部份構件的動力特性響應和橋址環境變化，為大橋的安全營運和後期的評估、維修養護工作提供重要依據[45-46]。 中國廣東的湛江海灣大橋於 2006 年 12 月 30 日正式通車投入使用，該橋為鋼與砼混合梁斜拉橋結構。其橋跨布置為 60m+120m+480m+120m+60m，橋梁全長 840m。在橋梁上設定的健康監測系統對其斜拉索拉力、橋塔箱梁應變、傾斜以及橋梁整體動力效能、主梁位移變化和橋址環境溫度進行即時監測。透過相應的數據采集和處理系統對監測數據進行及時有效的分析，對橋梁的異常動態行為進行預警與辨識，保障了橋梁的安全通行[47]。 建成於 2008 年的蘇通大橋位於中國的江蘇省地區，其主跨長達 1088m，是目前世界上第二跨度的斜拉橋。由於該橋規模宏大，且具有重要的交通樞紐與戰略意義，在建設初期便布置、預留了相應的測點與傳感通道。並由江蘇交科院、香港理工大學和東南大學共同合作，進行了「蘇通大橋結構的健康監測於安全評估系統設計」的研究計畫，以此為基礎在橋梁上設定了風速儀、溫濕度計、位移傳感器、加速度計、傾斜儀、GPS 全球衛星定位系統和各類應變計等傳感器共計 1440 個。透過極其龐大及完善的監測體系，為蘇通大橋的安全營運停工了重要保障[48]。 位於江蘇省蕪湖市的蕪湖長江大橋於 2000 年 9 月通車，該橋梁主體由斜拉橋部份和連續鋼桁架橋部份組成。主橋的健康監測系統啟用於 2003 年，由於該橋結構復雜，布置監測系統難度較高，透過石家莊鐵道大學的「蕪湖長江大橋健康監測、安全評估及報警系統的研究」這一研究課題，在該橋上布置了大量的監測傳感裝置(位移計、加速度計、動態應力測點、溫度測點、行車安全測試型號列車軸重檢測儀等) 。透過監測數據的處理對橋梁當前的即時狀態進行評價，掌握橋梁結構的整體效能，為橋上安全行車提供技術保障[49]。
表 1.2 列出了國內部份已建成橋梁上布置的監測系統。
表 1.2 國內部份已建成橋梁的健康監測系統
(3)國內、外橋梁監測系統中的傳感器布置
由此可以看出，越來越多的橋梁透過布置監測系統，為橋梁的施工、營運安全提供保障。表 1.3 列出了國內、外部份橋梁監測系統的傳感裝置布置情況。
表 1.3 國內、外部份橋梁監測系統的裝置布置情況
3 全壽命周期監測中的問題研究
3.1 測點的最佳化布置
(1)概述
在全壽命監測系統中，各類傳感器裝置(加速度計、應變計、溫濕度計和位移計等)可獲得橋梁在不同階段時的各類狀態資訊。透過采集足夠數量、類別的結構資訊，可為橋梁的損傷辨識與當前狀態的評價提供重要依據，因此這些裝置是監控訊號采集系統中最重要的組成部份。 目前針對這一方向，國內、外學者進行了大量的研究[50-54]。其中傳感器的最佳化布置問題是這一模組中的研究熱點問題[55-58]。對於傳感器數量[59-60]和布置位置的確認[61-63]是最佳化布置問題中的主要研究方向。一般來說，布置的傳感器數量越多、位置越密集，得到相應的橋梁模態特性(頻率、振型)會更加完整可靠。但由於現場測試環境與施工條件的限制，在 FEM 模型的全部節點截面布置傳感器存在諸多問題，難以實作。 從成分因素分析：一方面，傳感器裝置屬於高精度儀器，購置成本較高昂，出於經濟方面考慮，不可能在橋梁上進行大規模布置。另一方面，布置大型橋梁的監控系統的采集模組，還需將諸多類別的傳感器與采集訊號處理、放大終端相連線。其終端裝置與連線電纜線也需要一定成本。因此根據不同橋梁監控的側重性，對其不同功能、重要性的局部構件截面進行分類、分級標準的傳感器布置是非常重要的。 從養護因素分析：橋梁自施工階段開始到長期營運階段，結構表貼及內部埋設的傳感裝置需在幾年甚至幾十年的時間裏，長期處於橋址環境的(晝夜、四季)溫差變化和(地震、風)偶然荷載的影響作用。因此，對於傳感裝置的穩定性、耐用性具有較高要求。如監控系統中布置的傳感器數量過多，不僅加大了後期養護部門對傳感器定期效能檢查的工作量，還會由於部份傳感器裝置屬於國外進口、產品更新淘汰或生產廠家倒閉等諸多因素，加大傳感器的維修與養護難度。因此在長期的監測系統中選擇合適數量與種類的傳感器是很有必要的。
(2)研究現狀
目前，針對於傳感器最佳化問題，國內、外相關研究人員進行了下列研究： 有效獨立法(Effective Independence)是由 Kammer 於 1991 年提出來的，透過這一方法，他對宇宙空間站結構進行傳感器的最佳化布置，得到了較好的結果[64]。許多學者根據他提出的這一方法為基礎，進行了不同方向的延伸研究。 如何雲、余文柏[65]以有效獨立法和模態保證準則為基礎，對一簡支鋼桁架橋進行傳感器最佳化布置，得到了 6、8、10、12 個傳感器布設工況下的布設順序，並透過各階模態之間 MAC 的對比分析，得到了最合適的傳感器數量與位置的布置。 北京工業大學的程建旗、閆維明等[66]以頻響函式作為加權系數，對傳統的有效獨立法進行改進。改進後的方法可彌補了傳統 EI 法會得到振動能力較低的測點的這一缺陷。以一座矮塔斜拉橋為例，對其進行加速度傳感器的最佳化布置。並采用 MAC 準則和抗噪效能準則對該方法進行評價，其結果表明該方法的最佳化布置效果較好，可有效地保障模態向量的線性獨立。 大連理工大學的李東升、李宏男等[67]以正交三角(QR)分解代替傳統的有效獨立法中資訊陣的特征值分析或矩陣的求逆，大振幅減少計算量並提高了計算結果的穩定性。繼而引入修正的 Gram-Schmidt(MGS)演算法和 Housholder 變化，進一步提高其計算效率。以美國的 I-40 橋為例，以傳統的有效獨立法為基礎，采用改進後的方法對其進行傳感器位置的布置，驗證了這一方法的有效性。 西北工業大學的吳子燕、代鳳娟等[68]以有效獨立法(EFI)和運動能量法(KEM)為基礎，提出了一種新的傳感器最佳化布置方法：有效獨立-驅動點殘留誤差法(EFI-DPR)。以一座三跨連續橋為例，利用模態保證準則和抗噪效能最好準則對這三種方法進行對比分析。其結果表明：有效獨立-驅動點殘留誤差法得到的傳感器最佳化布置的 MAC 非對角元最小，其效果最好，能最大程度的保留原結構特性。 清華大學的李戈、秦權等[69]首次將遺傳演算法引入橋梁傳感器的最佳化布置研究。以香港青馬懸索橋為例，對其加勁梁和橋塔進行傳感器的最優布置。采用廣義遺傳演算法對各種求得該橋梁上最優傳感器測點布置，透過計算結果表明，該方法能夠求得全域最優解，具有很好的套用前途。 哈爾濱工業大學的高維成、徐敏建等人[70]采用遺傳演算法對一短程線球面網殼結構進行傳感器最佳化布置的研究。將利用 QR 分解得到的傳感器位置作為第一代父群，繼而進行可行解編碼的復制、交換和突變操作。透過這一隨機叠代方法，可得到最優的測點集合群。文中算例結果表明其效果好於傳統的 QR 分解方法得到的結果。 長安大學的劉來君、倪富陶等[71]針對橋梁健康監測中的傳感器最佳化布置問題，提出了一種多段交叉的遺傳最佳化演算法。以一座連續剛構橋為例，對其演算法設定一定的叠代次數。隨著叠代次數的增加，傳統的一段遺傳演算法和文中提出的多段遺傳演算法的 MAC 矩陣最大非對角元均呈現下降趨勢，但隨著交叉段數的增加，其下降更加明顯，最佳化效果更好。 田莉、陳換過等[72]針對結構傳感器的最佳化布置問題，提出了一種自適應模擬退火遺傳演算法。該演算法以二維結構編碼的遺傳演算法為基礎，采用自適應的交叉機率和變異機率，並引入模擬退火演算法作為單獨算子，使得族群達到最優適應度。透過一板殼結構的傳感器最佳化布置算例，證明該演算法的有效性。
而上述的隨機類演算法雖有較好的並列性、和全域最優解的性質，但往往存在收斂速度慢、叠代次數多等缺陷，特別是對於自由度較多的大型橋梁結構，其套用性較差。因此序列法便作為橋梁等結構進行傳感器最佳化的首選方法。 華中科技大學的黃民水、朱宏平[73]在 2007 年采用序列法中的逐步累積法對一座高速公路橋梁進行傳感器的最佳化布置。該方法以 QR 分解的模態置信度矩陣為基礎，逐步從剩余可布測點位置中選取最佳測點融入最佳化測點集合中，使得橋梁上布置的傳感器數量達到預期或其 MAC 矩陣的最大非對角元不超過預設閥值。透過這一方法，可得到較合理的傳感器最佳化布置，且計算過程簡單、精度也滿足工程要求。 華中科技大學的黃民水、朱宏平等[74]在 2008 年又采用序列法中的逐步消減法對該橋梁進行傳感器的最佳化布置。該方法也以 QR 分解的 MAC 矩陣為前提，從已選取測點集合中剔除對目標函式貢獻最小的測點，使得整體傳感器布置達到預設或模態置信度矩陣的最大非對角元達到預設值。透過這類序列方法，可得到良好的傳感器最佳化布置，具有較好的可行性和工程套用前景。
(3)存在問題與不足
透過以上文獻的研究成果[64-74]可知，目前對於橋梁測點最佳化布置方面，已有部份研究成果。但需進一步提高測點最佳化效果，還有待進一步研究。
3.2 計算模型修正
(1)概述
真實橋梁成橋後初始狀態對應的有限元模型稱為基準有限元模型[75]。在橋梁的全壽命監測系統中，「基準模型」的精確與否會對監控效果與品質產生較大影響，因此確定準確的「基準模型」是非常重要的。一般情況下，監測單位透過設計部門提供的橋梁(施工、材料和構造)圖紙，采用數值、仿真分析軟體建立橋梁對應的 FEM(finite element model)模型。其模型的(幾何、材料)參數、各施工階段與成橋後的受力狀態、邊界條件和靜(動)力響應等均與實際工程相對應，基本可以反映真實橋梁的即時工作狀態。但由於選取分析軟體和實際工程的局限性，模型與實橋參數的貼合性較差，存在較大差值。 一方面，由於在軟體的建模分析過程中對橋梁結構會采用一定程度的簡化(邊界條件、連線條件等)並引入相關理想化假定(忽略阻尼、非線性因素等)。另一方面，在實際橋梁的現場建設過程中，由於施工工藝的局限、現場管理的疏忽和部份材料效能的不穩定，最終的實際橋梁與相關圖紙的設計參數與標準會存在一定程度的差異(如混凝土強度、部份鋼結構的焊接工藝、養護標準等)，使得透過監測系統采集到的結構參數與 FEM模型仿真參數存在一定的初始差值。
共同考慮這兩方面因素，透過全壽命監測系統采集得到的實際橋梁結構參數與 FEM模型得到的分析參數之間的差異便不容忽視，甚至部份參數可能出現較大差異，在全壽命監測系統中必須引起重視。這便是橋梁模型初始修正的意義所在。 此外，在橋梁的施工或營運過程中，還可能會出現各種突發狀況(地震、颶風、車船撞擊等)。必須在對其進行相應處理後(維修、檢測)及時對橋梁進行模型修正分析，得到較為準確的橋梁有限元模型。這便是橋梁模型即時修正的意義。
(2)研究現狀
目前，國內、外學者針對於模型修正問題，進行了許多研究[76-78]。 東南大學的郭彤、李愛群等[79]采用特征值靈敏度的最佳化方法，對潤揚長江大橋進行了模型修正。將模型修正問題轉化為最佳化約束問題進行求解，對有限元模型與實際橋梁測試參數進行振型匹配與模態的相關性分析，並選取有限元模型中靈敏度較高的參數進行最佳化修正。透過模型修正，可使有限元模型參數更好地與實際結構數據相擬合。同時，這一最佳化修正操作，也不會使其物理意義失效。總體而言，該方法概念清晰、收斂計算較快，可為橋梁的全壽命周期中的監測系統提供較為可靠的基準模型。 哈爾濱工業大學的張坤、段忠東等[80]以東營黃河公路大橋為例。首先對全橋進行有限元模型分析，提取其模態參數作為模型修正的物件。然後利用實際橋梁監測系統采集到的動力特性參數作為模型修正的依據。利用特征值靈敏度法，透過修正結構的剛度、品質因素來考慮局部構件的彈性模量、密度和帕松比等參數對其貢獻大小進而確定其靈敏度大小。調整有限元模型中部份構件參數，來減少有限元模型與實際橋梁動力參數之間的差異，從而使得修正後的有限元模型能夠更準確地反映出橋梁的真實狀態。結果表明，修正後的模型可較準確地反映實際橋梁的真實情況，可為橋梁的長期監測提供基準模型。 西南交通大學的姚昌榮、李亞東[81]針對大跨橋梁結構的健康監測進行了基於靜力效能的模型修正問題研究。透過將橋梁的靜(動)載試驗中采集到的位移、頻率等參數作為分析物件，根據敏感性的不同來選取合適的待修正特性參數，並在修正過程中引入各種約束條件使分析物件與修正參數處於有效範圍波動，從而對分析模型中的參數進行修正，使其頻率與位移等狀態變量更接近真實結果。透過這一方法對一座斜拉橋的健康監測系統進行模型修正研究。其結果表明，修正的模型與實際橋梁結構相關性較好，能夠用於健康監測系統。
福州大學的宗周紅和夏樟華[82]提出了一種模態柔度與靜力撓度相結合的模型修正方法。首先根據一簡支梁模型，設定不同的工況，比較分析其不同工況目標函式下的修正效果差異，得到結構的部份修正經驗參數。然後透過靈敏度法並考慮上述經驗參數，以一座下承式拱橋加固工作為例項，進行修正參數的選取。透過 ANSYS 有限元軟體提供的零階方法和一階方法進行選取參數進行最佳化修正，得到該橋加固後的修正基準有限元模型。與靜(動)力測試數據相比，修正後模型得到的分析參數與之吻合度較高，可用來對橋梁加固後的即時工作狀態進行即時監測和評估。 王蕾、郁勝等[83]將 RBF 神經網路技術引入到橋梁健康監測的模型修正方法研究中。以一座混凝土剛構-連續梁橋為例，透過靈敏度法選擇合適的修正參數。將該橋有限元模型的分析頻率作為輸入，設計參數的修正系數作為輸出，進行神經網路訓練。透過這一方法訓練得到修正後的動力特性參數能夠較好地吻合實橋監測系統中傳感器的測試數據，能更準確地反映出真實橋梁的即時工作狀態與動力特性。
(3)存在問題與不足
透過以上文獻的研究成果[76-83]可知，對於橋梁的計算模型修正問題，國內、外已有大量學者進行研究。其中，靈敏度法因其概念清晰、最佳化效果好，被廣泛套用於模型修正工作中。但對於結構不同階次影響、局部構件修正等問題卻鮮有文獻報道。
3.3 局部損傷定位與程度辨識
(1)概述
近年來，各類橋梁在其壽命的不同階段出現了不同程度的損傷，這不僅影響了其施工、使用的安全，還對其長期耐久性和後期的營運壽命造成較大損害。因此為了保證橋梁在建設、營運期間的安全，運用現代化的傳感技術與各種監測手段，對橋梁的全壽命過程階段中各種狀態進行即時監控，已被廣泛套用在國內、外的各類橋梁上[84-90]。 橋梁結構的損傷辨識是全壽命監測中的核心問題之一[91]，主要包括其位置的定位和程度的確定。在橋梁的建設期間，橋梁出現損傷不僅會對施工人員的人身安全造成危害，還會影響成橋後的品質等級。在橋梁成橋後的長期營運過程中，橋梁出現損傷不僅會影響其交通功能，還會影響其使用壽命。因此，在橋梁損傷出現初期對其進行預警。可保證橋梁全壽命過程的安全[92-93]。 但如何根據全壽命監測系統采集到的對應數據，分析結構相應的動力響應，得到橋梁的各階頻率、(位移、加速度等)模態振型情況還是目前亟待解決的問題之一。透過對比橋梁結構損傷前後相應的模態振型曲線變化和隨營運時間變化的振型曲線變化規律，可對橋梁出現損傷的位置及其損傷程度進行進一步研究分析。
(2)研究現狀
由結構動力特性變化，對其損傷程度進行反算求解是目前橋梁結構損傷辨識的一種比較成熟的演算法。針對這一方法，國內外的許多學者都對橋梁損傷方面做了大量的研究工作[94-97]。 矩陣類方法是橋梁損傷辨識中一種比較有效的方法，一些學者根據矩陣變化對結構的損傷辨識進行了不同程度的研究。 如林賢坤和覃柏英等[98]根據橋梁損傷與局部剛度的變化關系，提出了一種基於結構剛度矩陣變化的方法。分析橋梁結構損傷前後其剛度矩陣出現變化的單元位置及其變化程度，進而確定橋梁出現損傷的具體位置及其程度。采用的簡支梁數值模擬算例表明，該方法可成功地辨識損傷出現的位置及其程度，可進一步套用於實際工程的研究。 黃玉坤、胥琳等[99]對傳統的剛度法進行了改進，引入了損傷程度系數的概念。並進一步研究了橋梁物理參數的變化值與其損傷程度大小之間的函式關系。透過測試一座彎坡連續剛構橋在營運過程中的動力參數與理論模型結果對比分析，進而反算出橋梁結構的實際工作效能，直接確定其損傷程度的大小。 由於結構頻率是和剛度成正比例關系，因此如果需要得到更精確的結果，則必須提供結構的高階頻率，這在一定程度上加大了檢測的難度。而柔度卻和結構頻率成反比關系，並且只需要較低的頻率就能得到結構準確的損傷位置和範圍，因此也有一些學者從這一方面進行研究。 如楊華[100]根據結構損傷前後柔度矩陣對角線元素的變化率確定結構的損傷位置，結合剛度矩陣的變化量確定結構的損傷範圍，得到較為理想的結果。 孫國[101]提出一種改進的柔度陣方法，以柔度陣部份的對角元變化率作為損傷指示函式，將剛度變化對映到剛度矩陣中，利用損傷指示函式的局部化特征實作對結構進行局部檢測。並推導了有關計算公式，對不同損傷狀態進行數值模擬，將不同方法的辨識結果進行了比較，驗證了該方法的有效性。 橋梁一般為梁板式結構，主要承擔各類荷載的作用。當局部出現損傷情況時，會使損傷處結構的曲率模態出現突變。根據這一特性，可將其作為損傷檢測的動力指紋資訊。 Pandey 等[102]首次將曲率模態參數作為結構損傷辨識的指數進行研究。透過損傷前後曲率模態的變化情況來判斷損傷出現的位置與曲率模態變化率來確定損傷程度的大小。透過懸臂梁和簡支梁的模型例項分析證明了該方法的有效。
常軍、任永輝等[103]以曲率模態參數為基礎，引入隨機子空間方法，進行了橋梁結構損傷辨識的研究。采用隨機子空間方法從環境激勵中提取橋梁結構準確的模態參數，透過分析得到其曲率模態，對橋梁損傷位置及程度進行辨識。透過一座三跨連續鋼橋模型為例，驗證了該方法的有效性，可套用於實際結構的損傷辨識。 中南大學的劉義倫、時聖鵬等[104]從采用曲率模態類指標進行橋梁損傷辨識的優勢入手，根據傳感器的布置、曲率模態獲取來源等方面得到曲率模態進行損傷辨識的公式。並對其曲率振型中的零點處理、損傷程度的確定這些問題進行討論研究分析。根據一座三跨連續梁橋的例項，證明了該方法的有效。 近年來，由於人工智慧技術的發展，一些學者也將神經網路方法[105-108]、遺傳演算法[109-112]與機率隨機類演算法[113-114]引入橋梁損傷辨識的研究中。
(3)存在問題與不足
透過以上文獻的研究成果[84-114]可知，橋梁的損傷辨識問題是橋梁監測中的重點研究問題之一，國內、外諸多學者進行了不同方向的研究。其中，曲率模態類參數因其易得到、顯性好，被廣泛套用於橋梁的損傷辨識問題中。但常見於損傷位置的確定，對於損傷程度的定量辨識，目前研究較少。
3.4 營運後階段的狀態評估
(1)概述
狀態評估是橋梁監測的延續性工作，其評估效果、能力強弱是橋梁各類檢測效果的階段性考核與監測系統的成果性考核[115-117]。主要包括以下類別的評估： ① 橋梁施工過程監控中的階段性評估； ② 橋梁成橋驗收檢測後的成果性評估； ③ 橋梁營運過程健康監測系統中的即時狀態評估； ④ 橋梁加固後的效果性評估； ⑤ 橋梁全壽命過程監測系統中的即時狀態評估與重點監測評估。 在橋梁的施工過程中，對其重要施工工序、幾何輪廓線形與各關鍵截面的撓度變形進行即時監控與定期檢測是非常重要的。在施工監控中，及時對監控系統采集到的數據進行分析，結合各類評估方法對橋梁施工中的階段性過程進行效果估計與評價是橋梁施工監控中的關註重點[118-119]。
在橋梁完工後，對橋梁進行驗收檢測(校驗橋梁尺寸與強度能否滿足其設計要求)，對其進行成果性評估也是非常重要的。 在橋梁建成後的營運過程中，相關部門會在一些大中型重點橋梁上布置健康監測(Bridge Health Monitoring，BHM)系統，對橋梁的即時狀態進行監測[48,120-121]。這一系統的思想主要是以構建「橋梁結構狀態辨識與安全評估」的思想為基礎，建立完善的「橋梁全天候即時狀態監測」系統[122]。透過這一系統可采集到橋梁完整的各類狀態資訊。引入完善的「橋梁整體安全評估」體系，對部份參數設定相應的預警閥值，進行即時安全警戒。並結合人工日常視覺檢測與各類評價系統，保障了橋梁的正常營運與結構安全。 透過健康監測系統中的評估體系可得到營運階段橋梁的即時工作狀態。當橋梁由於長期營運的疲勞累積與徐變等因素引起的撓度超限變形與結構效能弱化較大時，應及時對橋梁進行加固、維修處置，當維修加固完成後，應對其進行驗收檢測和加固後的狀態與效果評價[123]。如橋梁結構破壞特別嚴重，無法透過局部維修與加固繼續使用營運時，須對其進行拆除或整體改造處理。 本文提出的全壽命監測工作中的狀態評估，主要包括施工期和營運期這兩階段的監控、監測與檢測工作，以及各階段的狀態評估工作。
(2)研究現狀
國內、外相關學者針對這一問題進行了許多方面的研究。 如蘭州交通大學的李子元和陳娟[124]對橋梁結構狀態評估這一問題進行了綜述性研究。詳細介紹了現階段國內外主流的評估理論(方法)和橋梁評估過程，並對現階段評估模式的不足和發展趨勢進行了分析討論。透過這一研究方向文獻的闡述，對了解橋梁評估發展具有一定意義。 東南大學的郭彤、李愛群等[125]對大跨橋梁結構的狀態評估問題進行了綜述性研究。首選回顧了橋梁評估理論的發展歷史，介紹了目前橋梁常用的評估理論和方法。然後對橋梁健康監測與評估系統進行了詳細分析闡述。最後從可靠度理論方面，對下一階段橋梁狀態評估工作進行了展望。 同濟大學的譚金華, 陳惟珍等[126]從橋梁外觀調查入手，詳細介紹了幾種以目視檢測為基礎的橋梁狀態評估方法。透過對各評估方法中的優缺點進行對比研究分析，提出了一些改進建議。對一座橋梁的病害檢測結果進行狀態評估校驗分析，結果表明，透過本文建議改進後的方法可較好「關聯」實際工程結構的真實情況，可套用於實際橋梁的狀態評價工作。
許宏元、候旭等[127]對火災後橋梁的損傷辨識與狀態評估方面進行了研究。首先提出橋梁火災影響後的損傷辨識與狀態評估的步驟，然後較詳細地對橋梁在受到火災影響下的損傷特點與損傷辨識的問題進行分析，最後對火災後橋梁的承載能力評估和耐久性評估進行了闡述。透過兩座橋火災後的損傷評估和加固例項介紹，對火災後橋梁的狀態評估研究具有一定的指導意義。 範劍鋒、袁海慶等[128]采用神經網路的方法對橋梁進行模型修正，並利用修正後的模型對橋梁進行狀態評估。以一座混凝土斜拉橋為例，對這一方法進行驗證，結果表明了該方法的有效，可用於評估橋梁的當前狀態。
(3)存在問題與不足
透過以上文獻的研究成果[115-128]可知，橋梁的狀態評估問題是橋梁長期營運後階段對橋梁維護、管理工作中的重點。相關部門透過各類檢測、監測手段，對橋梁當前狀態進行評估，保證橋梁的安全使用。但目前的評估手段過分依賴專家的主觀判斷。因此，如何有效地減少評估中的人為因素，提高狀態評估的客觀性，也是目前橋梁狀態評估的研究方向之一。
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