健康监测在桥梁工程中的应用？
作为四大文明古国之一，中国有着悠久灿烂的文化。在桥梁工程领域，我国周秦时期，梁-索-浮三种桥型基本具备；汉代以栈桥建设为主。隋唐时期，技术越来越成熟，达到了飞跃。宋代时期，全面开展，规模较大；元明清时期日益繁荣，清朝中后期技术开始落后。与同时期的世界水平相比，中国在相当长的历史时期内处于世界先进水平，修建了无数桥梁，并有大量优秀作品代代相传。
始建于605-616年的赵州桥，不仅是中国，也是世界上最早、保存最完好的空心石拱桥，对世界后世的桥梁建设产生了深远的影响。跨越赵县渭河，是一座两端大拱叠加小拱的开肩单孔弧形石桥，用于导流。它由28个纵向并排的石拱门组成。其建筑结构奇特，自古就有“天下第一”的美誉。1991年，赵州桥被美国土木工程师学会评选为全球第12个“国际土木工程”。安平桥有“天下第一桥长”的美誉，建于800多年前的南宋，全长2000多米。它不仅是中国最长的石梁大桥，也是世界上最长的石梁大桥。还有卢沟桥，位列中国三大著名古桥之首。洛阳桥(又名万安桥)，在世界造桥史上首创使用筏板基础和牡蛎固基础；泸定桥，跨度103m；广济桥，中国乃至世界上最早的带活动开关的石桥，等等。
此时，现代化的钱塘江大桥、武汉长江大桥、南京长江大桥，吹响了中国向现代化桥梁国家进军的号角。据不完全统计，截至2009年底，我国公路、铁路、公铁桥梁总数已达60多万座，仅长江、黄河上的桥梁就有250多座。其中，长江及其支流脱脱、通天河、金沙江有近130条，黄河有120多条。在已建成的斜拉桥、悬索桥、拱桥、梁桥中，有24座跻身世界同类型桥梁前十，占60%。其中斜拉桥6座，其中苏通长江大桥(主跨1088m的钢箱)和香港昂船洲大桥(主跨1018m的分离式钢箱)分别位列第一和第二；4座悬索桥，舟山西堠门大桥(主跨1650m的分体式钢箱；世界第一)和润扬长江大桥(主跨1490m钢箱)分别位列第二和第四；拱桥8座，重庆朝天门长江大桥(主跨552m连续钢桁系杆拱)和上海卢浦大桥(主跨550m钢箱提篮系杆拱)分别位列第一和第二。梁式桥6座，重庆石板坡长江大桥(主跨330m连续钢-混凝土混合刚构)排名第一。宁波杭州湾大桥全长36公里，为世界之最。东海大桥全长32.5Km；舟山大陆连岛工程全长54.68公里；；上海长江隧桥工程——南隧北桥，隧道长8.9Km，桥长10.3Km，是迄今为止世界上最大的隧桥结合工程。
无论何种形式的桥梁，其基本材料大多可以归为石材、木材、混凝土、钢材等类型，而这些材料都存在不同程度的耐久性问题，需要特别注意。因此，随着我国桥梁建设高潮的到来，对重要桥梁的运行进行实时监测越来越迫切，在国际桥梁领域最新发展趋势的指引下，桥梁健康监测日益成为国内发展的热点。
桥梁健康监测系统发展简介
虽然健康监测是最近二十年才出现的技术方向，但我们发现结构监测的概念自古就有:在中国，通常在古塔上安装各种铃铛，这些铃铛具有在结构强烈晃动时提醒游客撤离的预警功能。此外，中国的监测传感技术历史悠久:汉代古籍中就有大气温度和风速风向测量的记载。1969年，Lifshitz和Rotem撰写的论文被视为第一篇阐述现代结构健康监测概念的论文——通过动态响应监测评估结构健康状态；因此，桥梁健康监测在世界范围内蓬勃发展。
工程领域:1987年在全长522米的三跨连续钢箱梁桥福伊尔大桥上布设传感器，监测桥梁运营阶段主梁在车辆和风荷载作用下的振动、挠度和应变响应。这个系统是最早安装的比较完整的健康监测系统之一。大跨度桥梁上也安装了监测系统，如挪威的Skamsundet斜拉桥、丹麦的法罗跨海斜拉桥和主跨1624m的大贝尔特东悬索桥、加拿大的邦联连续刚构桥和日本的明石海峡大桥。在1997期间，在香港的三座桥梁上安装了风力和结构监测系统，即青马大桥、汲水门大桥和汀九桥。随后，在大陆的东海大桥、虎门大桥、徐浦大桥和江阴长江大桥建立了不同规模的结构监测系统。
在学术领域:65438-0988年在日本东京召开的第九届世界地震工程大会(9WCEE)上，国际上首次讨论了土木工程的主动控制。1994年，国际结构控制学会(IASC)正式成立，首届国际结构控制会议(1ST world conf。结构控制)在同一年举行。为适应形势发展的需要，2006年后，国际结构控制学会(IASC)会议更名为世界CONF。结构控制与监测。
健康监测的主要研究进展
纵观桥梁健康监测的发展历史和现状，主要有以下技术问题和研究进展:
首先，健康监测系统的总体设计。健康监测系统的总体设计原则包括以下几项:(1)根据桥梁结构易损性分析结果和养护管理要求布置监测点；(2)从结构安全性、耐久性和可用性的要求出发，对结构进行监测，采用实时监测和定期监测相结合的方法，以最少的传感器和数据完成工作；(3)以结构位移监测为主，力、应力、模态分析为辅。监测内容主要包括荷载来源、系统特性和结构响应。目前健康监测系统的设计主要是基于经验和项目资金的限制，而传感器系统的设计并没有明确的标准。同时，通过健康监测系统获取对结构状态评估起关键作用的数据也没有明确的方法。
第二，传感传输技术。传统传感技术易受干扰、传输线长等缺点已不适应桥梁健康监测的发展要求。在现代科学技术的支持下，近年来发展了许多新的传感技术，其中光纤传感、无线传感、GPS技术和互联网数据通信技术是主要的技术代表。传感器的优化布置越来越受到人们的关注。传感器的类型、数量和布置位置与监测效果有很大关系。在客观条件下，传感器的数量总是有限的。如何合理布置有限的传感器，使其发挥最大效能，是健康监测的关键技术之一，也是未来发展的方向之一。
第三，数据融合技术。多传感器数据融合技术因其强大的时空覆盖能力和对多源不确定信息的综合处理能力，可以有效地对结构系统进行监测和诊断。目前发展起来的数据融合技术主要有:加权平均、卡尔曼滤波、贝叶斯估计、统计决策理论、证据理论、模糊推理和神经网络。现有的健康监测系统大多停留在数据采集和简单的数据分析阶段，桥梁健康监测系统会产生大量的测试数据。对这些测试数据和信息进行整合和解释，并对结构的真实状态进行合理的评估仍然非常困难。
第四，系统与损伤识别理论研究。目前，主要的研究方法是基于振动的结构损伤识别方法和模型修正方法。作为结构状态评估的重要组成部分，结构损伤识别是近年来健康监测的研究热点之一，出现了结构频率、位移模态、应变模态、曲率模态、应变能、刚度、柔度、能量法、频响函数等一系列损伤识别方法。模型修正方法主要基于运动方程、试验结果和有限元模型构造约束的优化问题，不断修正结构刚度、质量和阻尼的分布，使其响应尽可能接近实际响应。结构模型修正可以为健康监测提供基准模型，也可以为基于测试结果反演的结构损伤识别和性能模拟提供良好的基础。
第五，结构健康评估。结构状态评估法主要利用反映结构性能的可能的内部信息来评估结构的工作状态，如施工和运行。目前主要有可靠性理论、层次分析法、模糊理论、神经网络和专家系统。健康监测系统的结构状态评估需要从结构监测的大量数据中提取能够反映结构特征的特征，从而完成对结构的实时、定期评估，这必然涉及到结构数据的特征提取、数据融合和性能决策等。，但目前，这方面的工作做得很少。
桥梁健康监测实例——东海大桥
东海大桥于2002年6月26日正式开工建设。经过35个月的艰苦建设，于2005年5月25日实现结构性连通。它是中国第一座真正意义上的跨海大桥。东海大桥起于上海市南汇区鲁超港，北接沪芦高速公路，南跨杭州湾北部水域，到达浙江嵊泗县小洋山岛，全长约32.5公里，其中陆上段约3.7公里，鲁超港新大堤至乌龟岛的近海段约25.3公里，乌龟岛与小洋山岛的连接段约3.5公里。桥梁按双向六车道、紧急停车带的公路标准设计。桥宽31.5m，设计时速80km，设计荷载按重型集装箱密集布置校核，可抗12级台风和7级地震，设计基准期100。东海大桥是上海国际航运中心洋山深水港区一期工程的重要配套工程，为洋山深水港区提供集装箱陆运、供水、供电、通讯等服务。东海大桥的建成通车，为洋山深水港的建成和进一步发展，为加快上海国际航运中心建设奠定了坚实的基础。东海大桥当时被上海市政府列为“一号工程”，重要性不言而喻。在结构建设的同时，健康监测系统的布局也被提上日程。从2006年6月5日至2006年10月，东海大桥监控系统顺利布置并于2007年投入使用。
东海大桥的监测内容主要是环境参数、结构静动力响应和结构耐久性。其中，环境参数主要包括风速、地震、波浪和冲刷等。结构响应主要包括斜拉桥桥塔的变形、连续梁的挠度、阻尼器和伸缩缝的变形、主梁的损伤、主梁和桥塔的振动以及斜拉索的应力。结构耐久性监测包括钢结构的疲劳和混凝土结构的慢性腐蚀。
东海大桥采用的基本监测方法包括:用FBG传感器测量应力和温度；用全球定位系统监测结构变形:用疲劳传感器测量桥梁疲劳。全桥* * *使用478个传感器，其中主跨使用169个传感器。
数据评价体系分为线上评价和线下评价。网络监测是一种自动监测系统，不仅可以判断结构的安全性，还可以对采集的数据进行分析。自动监控系统还可以自动决定是否有必要警告管理人员，并立即开始离线评估。离线评估系统可以进行一些更高级的分析，如结构静力分析、模态分析、桥梁力学行为和环境因素修正分析等。这个系统需要专家进行大量的结构分析和判断，然后给出桥梁状态的综合评价。
桥梁结构的监测数据不仅包括正常运行状态，还包括桥梁结构在极端荷载(如台风、地震、爆炸、船舶碰撞等)下的响应。).拿到大量的监测数据后，还需要更深入的分析整理。首先要区分数据中哪些部分是环境变化引起的结构响应，哪些是结构损伤引起的，然后通过图表等形式展现数据中所包含的内在规律和变化，进而对结构的整体情况进行评价。
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