中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復合型高新技術集團企業(yè)。
大型橋梁服役環(huán)境復雜惡劣，既可能遭受地震、臺風等“要命”的極端作用，又不可避免地承受長期車輛和風致交變（疲勞）荷載，以及腐蝕、凍融等長期環(huán)境侵蝕致使“短命”的作用。對付“要命”的作用，保障和提升橋梁結構“安全”性能，對付“短命”的作用，保障和延長橋梁結構“壽命”，是橋梁結構工程最為重要的任務和目標。
橋梁結構健康監(jiān)測集傳感器網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)采集與管理、數(shù)據(jù)建模、安全評定、壽命預測于一體，全天候不間斷地監(jiān)測橋梁荷載與環(huán)境作用、結構局部和整體響應，全壽命監(jiān)測建模荷載與環(huán)境作用、推斷或在識別結構損傷和性能退化。并在此基礎上，實時、定期或特殊極端事件下修正服役結構的計算模型、分析和定量評定結構的服役安全狀況、預測結構剩余壽命，把握和預警結構安全和壽命狀況，科學地支撐橋梁結構安全壽命的管養(yǎng)維護與維修加固。
我國目前已有400余座大型橋梁安裝了結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，隨著系統(tǒng)的運行、維護和升級，結構健康監(jiān)測愈來愈在橋梁服役安全評定和壽命預測等方面發(fā)揮著重要作用。同時推動橋梁結構，乃至土木工程結構由現(xiàn)階段的“安全”設計為主，逐步邁向“安全和壽命”設計、評定、預測與維護的新臺階。
橋梁結構安全、壽命與耐久性的關系
“安全”為主的設計內涵
橋梁結構、乃至所有土木工程結構現(xiàn)階段主要是“安全”為主的設計，其設計理論和方法的基本內涵有4點。
1.觀測、建模、定標確定自然災害等極端作用要素，如50年、100年基準或重現(xiàn)期設計風速，地震“小震、中震、大震”，相應重現(xiàn)期50、475、2475年等。
2.計算相應于設防（設計）極端作用下橋梁結構材料或構件的“荷載效應”，可能是線性、非線性或流-固耦合等方法的計算分析。
3.試驗、計算、分析確定結構材料或構件極限強度或抗力，如拉、壓、彎、扭、剪或失穩(wěn)等的材料極限強度或構件極限抗力，統(tǒng)稱為“構件抗力”。這個“構件抗力”基本上是指結構新材料、新構件的抗力，部分考慮極限抗力折減、耐久性折減，最后才確定“構件抗力”設計值。
4.驗算結構所有構件極限狀態(tài)下的安全要求是荷載效應要小于等于構件抗力。需要指出的是，這可以理解為不僅是結構“安全為主”的設計，而且是結構“構件安全”的設計。但是，同樣構件都安全的結構，“結構整體極限承載力”可能會有很大差別，這是目前結構設計沒有在“構件安全”設計的同時，兼顧“結構整體極限承載力”設計的一大缺陷。
結構壽命與安全相互關聯(lián)
結構壽命是結構安全性降低到最低要求、也即是結構“構件抗力”衰減或退化到等于極值“荷載效應”的持續(xù)時間。如圖1所示，結構抗力R(t)隨時間衰減、衰減達到極值荷載效應S要求的最低水平的持續(xù)時間，就是結構壽命或設計試用期T，即T=(t|R(t)=S)。
圖1 結構安全與壽命關系及分段評定與預測模型
在任意時刻ti評定和預測可以得到結構剩余壽命，即Tr＝T－ti。在結構壽命終止時刻T經維修加固提高結構抗力、繼續(xù)服役到抗力R(t)隨時間衰減再次達到最低水平要求的持續(xù)時間，稱為第一次維修后的剩余壽命，即Tr1＝T－T1。因此，結構壽命和安全是相互關聯(lián)的。
結構耐久性不等于結構壽命
結構，例如混凝土結構耐久性設計和評定，目前主要是從混凝土密實性、防止有害物質侵蝕、保護鋼筋不過度過速銹蝕等方面。設計和評定混凝土強度、保護層厚度、混凝土裂縫寬度、混凝土剝離程度、混凝土碳化深度以及其他有害侵蝕深度等。這些設計和評定指標是獨立的耐久性指標，目前還沒有與關乎結構安全的“構件抗力”建立起關系。因此，結構耐久性不等于結構壽命。 
圖2 某高速公路段交通基礎設施集群全壽命監(jiān)測
結構健康監(jiān)測的基本框架與集成系統(tǒng)
結構健康監(jiān)測的基本框架與系統(tǒng)包括以下主要方面——
1.監(jiān)測參量確定
監(jiān)測參量主要包括：荷載與環(huán)境作用，既包括關乎結構安全的極端作用，也包括影響結構抗力退化的長期交變（疲勞）荷載與環(huán)境作用；結構局部響應，如應力、應變等，其結果可以直接用于結構局部安全評定、或局部損傷表征與推斷；結構整體響應，如位移、加速度等，其結果可以直接用于結構整體安全評定、或間接用于振型和頻率識別、再進一步識別和定位結構損傷；結構局部性能，如裂紋、腐蝕等，其結果可以用于結構局部損傷演化表征、推斷或驗證。
2.監(jiān)測測點選擇和優(yōu)化
測點選擇和優(yōu)化需要根據(jù)監(jiān)測參量特點、用途和目的，進行精心的選擇和優(yōu)化，具體可參見《公路橋梁結構安全監(jiān)測系統(tǒng)技術規(guī)程》（JT/T1037-2016）。
3.監(jiān)測傳感器選擇和安裝
傳感器選擇要滿足監(jiān)測可靠性和耐久性要求，同時其布設安裝應滿足易維護性和可更換性要求。
4.軟硬件集成系統(tǒng)
集成系統(tǒng)包括傳感器網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)采集與傳輸、局域和廣域網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)分析與建模，以及結構損傷推斷與識別、結構計算模型修正、服役安全評定與壽命預測、乃至維修決策等軟硬件集成及其模塊化與標準化，部分如圖3所示。
圖3 橋梁結構健康監(jiān)測、服役安全評定與壽命預測
服役結構的安全評定
結構損傷通常是從材料層面損傷演化擴展的，結構需要多尺度建模、在材料細觀和構件宏觀等多尺度上處理損傷和修正模型。結構局部響應和局部性能監(jiān)測結果，可以直接用于結構局部材料和構件損傷表征和推斷，并直接用于修正相應的單元計算模型；結構整體響應監(jiān)測結果，如位移、加速度等，通?？捎糜谡裥秃皖l率識別、然后間接地用于結構損傷識別、定位和整體計算模型修正。由于橋梁結構個體的特殊性、局部損傷對整體識別參數(shù)的不敏感性，給基于整體（振動）響應的結構損傷識別和定位帶來了難以逾越的困難，結構局部損傷監(jiān)測推斷、單元計算模型修正，結合結構損傷識別、定位與整體計算模型修正可能是最為有效的途徑。
通過損傷推斷、識別、處理和模型修正，建立服役結構真實可靠的計算模型，是結構進一步計算分析、安全評定的基礎，也是服役結構安全評定和新建結構設計安全驗算最本質的區(qū)別。在此基礎上，結構服役安全評定可以分為三級。
安全一級評定：初期未損傷
服役結構安全一級評定主要針對建成運行初期階段、沒有發(fā)生損傷的橋梁結構，其安全評定基本與新建結構設計安全驗算相同。通過實時監(jiān)測的極值作用要素（如極值車流荷載、極值標準風速等）、關鍵構件控制截面材料應力或構件內力、結構控制斷面位移等，與相應設計值比較即可判定結構是否安全。目前，結構健康監(jiān)測在線實時安全評定和預警，基本都還只是基于此“安全一級評定”。
安全二級評定：中后期有損傷
服役結構安全二級評定可以適用于服役中后期、有損傷的橋梁結構，其安全評定必須包括損傷推斷、識別與處理，結構單元和整體計算模型修正，結構構件和整體極限承載力計算分析。然后，其一是類似新建結構設計的構件安全驗算；其二，由于服役中后期結構實際不可避免地有不同程度損傷、逐一構件安全驗算很有可能部分構件不滿足類似設計的安全要求。因此，從結構整體極限承載力驗算和把握結構安全，將成為結構安全評定的一項重要內容。例如結構整體極限承載力與結構整體設計荷載下承載力比較，可以驗算和把握結構整體安全余度，這是服役結構安全評定要從構件安全驗算，邁上整體極限承載力安全驗算的一項新要求和新發(fā)展，也是與結構設計安全驗算第二個重要不同的區(qū)別?！豆窐蛄航Y構安全監(jiān)測系統(tǒng)技術規(guī)程》（JT/T 1037-2016）給出了橋梁結構安全二級評定的基本框架，需要進一步總結、梳理和規(guī)范相關計算和評定方法。同時開發(fā)計算和評定軟件，使之真正成為橋梁結構健康監(jiān)測在線或離線評定工程實用的手段和工具。
安全三級評定：后期壽命預測
服役結構安全三級評定主要包括，從當前評定時刻之后預測結構性能衰減、安全性降低、剩余壽命等。此級評定防患于未然，對服役中后期的橋梁結構尤為重要。目前國內外還沒有系統(tǒng)的理論和方法，下一節(jié)內容會簡要闡明如何基于結構健康監(jiān)測和其他相關成果逐步建立起這一理論和方法。
結構長期監(jiān)測、分析與壽命預測
橋梁結構可能遭受的自然災害等極端作用要素，主要通過長期觀測得到的年最大值統(tǒng)計確定年最大值概率分布，然后再確定諸如50年、100年基準期或重現(xiàn)期設防（設計）作用要素，如50年、100年基準期或重現(xiàn)期最大風速。這樣的極端作用要素年最大值概率分布相對準確地統(tǒng)計確定，一般需要30年左右的觀測數(shù)據(jù)，50年最大值的地震作用統(tǒng)計甚至需要所有相關的歷史數(shù)據(jù)。極端作用要素年最大值概率分布是目前結構安全設計主要的作用或荷載標準依據(jù)。
橋梁結構長期承受的諸如車輛和常態(tài)脈動風等交變（疲勞）荷載，以及腐蝕、凍融等長期環(huán)境侵蝕作用，這些長期作用直接導致結構疲勞、腐蝕、凍融等損傷積累，致使結構材料、構件等抗力衰減，是服役結構安全性退化和剩余壽命預測的荷載或作用標準依據(jù)。橋梁結構多數(shù)長期交變荷載或作用基本沒有統(tǒng)計模型和設防（設計）標準，這是結構壽命預測和設計無法實現(xiàn)的主要原因之一。長期交變荷載或作用要素統(tǒng)計建模，需要全天候連續(xù)監(jiān)測（觀測）數(shù)據(jù)；考慮長期交變荷載或作用要素基本符合年等概率發(fā)生的假定，相應的統(tǒng)計建模一般有1～3年或3～5年的數(shù)據(jù)，就能夠建立基本準確的模型和標準。結構健康監(jiān)測的第一類監(jiān)測參量就是長期荷載或作用要素，監(jiān)測數(shù)據(jù)是完成這一任務的主要來源，而且隨著監(jiān)測的持續(xù)還可以不斷提供數(shù)據(jù)、不斷修正統(tǒng)計模型。
計算原理與方法
例如，根據(jù)某橋梁疲勞統(tǒng)計風速譜建模和風致?lián)p傷進行分析，由結構健康監(jiān)測一年風速監(jiān)測數(shù)據(jù)確定，有風時間 Tw(單位為s），比方說，風速大于3m/s的時間。按照我國標準得到了一年風速（大于有風標準的風速）全部每10分鐘平均風速樣本集，統(tǒng)計確定年風速概率分布符合威布爾分布——
其中統(tǒng)計參數(shù)c＝1.2，k＝4.8。利用結構健康監(jiān)測多個年份的風速監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行年風速概率分布統(tǒng)計分析，還可進一步修正上述模型參數(shù)。假定或利用實際監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計確定平均風速對應的脈動風速均符合Davanport隨機過程功率譜。這樣，以上三者一起構成了該橋梁疲勞風速譜。利用該疲勞風速譜，可以進一步計算分析或預測該橋梁結構年或若干年的風致疲勞損傷。具體步驟如下：
首先，計算確定某等級或任意平均風速x對應的脈動風速下的疲勞損傷：D（x）＝Σni/Ni。其中ni和Ni分別是在該風速等級下等級i應力水平循環(huán)圈數(shù)和極限允許圈數(shù)。這就是材料試驗發(fā)展的Miner損傷機制的應用。
其次，計算確定風致年（1年）疲勞累積損傷：DY＝ ΣD(x)p(x)Δx Tw/TY。其中p(x)是平均風速x對應的概率值；Δx是某等級平均風速x對應的等級區(qū)間，如［3,5］(m/s)；時間 TY是1年的總時間（單位為s）。
最后，計算確定風致M年（如5年）的總疲勞累積損傷：DM＝MDY
上述計算分析或預測確定風致疲勞累積損傷后，可進一步應用損傷與抗力衰減的關系，分析或預測抗力衰減，評定和預測結構安全性退化和剩余壽命。這里整個過程的評定和預測需要結構長期作用監(jiān)測數(shù)據(jù)和模型、服役結構當前準確的計算模型和內力重分析、結構材料和構件的損傷機制、結構損傷與抗力衰減的關系，然后再進行結構計算模型修正、結構構件和整體承載力分析，最后得到安全評定和壽命預測結果，此結果可進一步作為結構維修決策的依據(jù)。
橋梁結構其他類似交變（疲勞）荷載，如車輛荷載，長期環(huán)境侵蝕作用及耦合作用的累積損傷、抗力衰減、安全評定和壽命預測可按照上述原理和方法實施。這里最關鍵的是長期作用模型和損傷機制、乃至長期作用耦合模型和耦合損傷機制。這些還需要下大力氣研究和發(fā)展，也即橋梁結構從“安全”為主的科學分析和設計，邁向“安全和壽命”的科學分析、設計和預測還有很長的路要走，恰好結構健康監(jiān)測為實現(xiàn)這一目標提供了新的手段和途徑。
上述結構健康監(jiān)測及服役安全評定與壽命預測可概述為圖3所示的理論、方法和技術框架與系統(tǒng)，其中維修報廢決策也同時需要結構性能退化速率、服役安全狀況和壽命長短的評定和預測結果，以及其他功能和社會經濟的約束，決策是否值得維修或報廢。
結構健康監(jiān)測集傳感網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)采集和管理、數(shù)據(jù)分析建模以及結構損傷識別、安全評定、壽命預測、維修決策等硬軟件系統(tǒng)于一體，實際是現(xiàn)場真實、足尺結構的長期試驗系統(tǒng)，可以全天候不間斷地獲取結構長期荷載和環(huán)境作用，以及結構局部和整體響應等大量數(shù)據(jù)，是現(xiàn)代結構試驗技術新的拓展和發(fā)展。在大量數(shù)據(jù)的基礎上，拓展和推動結構環(huán)境作用、服役性能、損傷演化、安全評定、壽命預測、維修決策等方面新的認識和新的知識，是土木工程發(fā)展又一重要的手段和途徑。因此，結構健康監(jiān)測與結構理論、模型試驗、數(shù)值計算將共同成為推動土木工程發(fā)展的四驅之輪。
作者 / 歐進萍 李惠 李順龍
作者單位 / 哈爾濱工業(yè)大學土木工程學院
