公路桥梁结构健康监测与损伤识别技术研究

公路桥梁结构健康监测与损伤识别技术研究

杜海燕    吴建钧

浙江国恒建设有限公司    浙江杭州    311100

摘要：随着公路桥梁扮演交通网络中不可或缺的角色，其健康状态直接关系到交通安全与效率，本研究围绕公路桥梁结构健康监测与损伤识别技术进行深入分析，首先评估桥梁在交通系统中的重要性及损伤对其安全性和功能性的影响，接着探讨了当前公路桥梁结构健康监测技术的分类、原理与应用，包括传统监测与现代智能监测方法，研究重点放在利用数据分析、机器学习与人工智能进行损伤识别和定位评估的方法，旨在提高桥梁维护效率与准确性，确保交通安全。

关键词：公路桥梁；结构健康监测；损伤识别

引言：公路桥梁作为交通基础设施的关键组成部分，其健康状况对于维持交通流畅与安全至关重要，近年来，桥梁损伤事件频发，给公众安全与交通运输带来了严重威胁，因此，开展公路桥梁结构健康监测与损伤识别技术研究，不仅能够及时发现和处理潜在风险，还能提升桥梁维修维护的科学性和有效性，本研究旨在通过先进的监测技术与损伤识别方法，为桥梁健康管理提供科学依据与技术支持，进一步提升公路桥梁的安全性与服务寿命。

一、公路桥梁在交通系统中的作用

公路桥梁作为现代交通系统不可或缺的组成部分，承担着连接分隔地区、促进区域经济发展和保障交通流畅的重要角色，它们跨越自然障碍如河流、峡谷或其他路段，有效缩短了旅行距离，提高了交通效率，同时也为偏远地区提供了与外界联系的重要通道，促进了资源的合理分配和地区经济的均衡发展。在紧急情况或自然灾害发生时，公路桥梁更是救援和救灾物资运输的关键通道，保障了社会功能的正常运行和人民生命财产的安全，随着技术的进步和建筑美学的发展，公路桥梁在提升地区景观和城市形象方面也扮演着越来越重要的角色。

二、桥梁损伤对安全性和功能性的影响

桥梁损伤对其安全性和功能性产生的负面影响是深远和多方面的，从安全性角度看，损伤如裂缝、腐蚀或结构变形会削弱桥梁的承载能力，增加发生突发结构性失败的风险，这种失败可能导致重大的人员伤亡和财产损失；从功能性角度考虑，即使损伤不立即威胁到桥梁的结构安全，它也可能导致桥梁无法正常使用，如限重、限速或完全关闭，这不仅影响日常交通流动，造成交通拥堵和延误，还可能影响紧急服务的响应时间，例如救护车和消防车的通行，此外，桥梁损伤还会导致维修成本增加，对公共预算造成负担，长期来看，频繁的维修和限制措施会削弱桥梁作为交通网络关键节点的功能，影响区域经济的发展和社会活动的正常进行[1]。

三、公路桥梁结构健康监测技术

3.1监测技术的分类

公路桥梁结构健康监测技术的分类体现了多学科交叉的先进应用，主要包括基于传感器的监测、无损检测技术、遥感技术及智能监测系统等，基于传感器的监测技术，如应变计和加速度计，直接安装在桥梁关键结构上，实时监控桥梁的应力、变形和振动等指标，从而评估桥梁的健康状况，例如：光纤传感器因其高灵敏度和抗干扰能力，被广泛应用于监测桥梁的微小裂缝和变形。无损检测技术，如超声波检测和磁通泄漏检测，能够在不损害桥梁结构的前提下评估内部损伤和腐蚀情况，这对于评估桥梁的内部结构安全性至关重要；遥感技术，特别是利用卫星和无人机搭载的激光扫描和摄影测量技术，能够对桥梁进行大范围的表面监测，快速识别可能的损伤和变形；智能监测系统，结合人工智能和机器学习算法，能够自动分析监测数据，识别异常模式，预测潜在损伤，大大提高了监测效率和准确性。

3.2长期监测与实时监测的比较

长期监测与实时监测在桥梁健康监控领域扮演着互补的角色，二者的主要区别在于监测频率、数据分析方法以及应用目的，长期监测通常涉及在较长的时间尺度上收集桥梁结构的数据，如年度变化、季节性影响或长期趋势，适用于评估桥梁材料的老化过程、长期变形和环境影响的累积效应，例如：使用光纤传感器连续记录几年内的温度和应力变化，以评估桥梁的疲劳寿命和材料退化。相反，实时监测侧重于捕捉桥梁结构的即时状态和快速变化，如交通荷载造成的应力响应或地震后的结构表现，对于紧急响应和即时决策至关重要，实时监测的一个典型应用是安装加速度计和倾斜仪，用于在地震发生时实时评估桥梁的动态响应，从而快速决定是否需要紧急封桥或进行检修，长期监测提供了桥梁健康状态的宏观视角，有助于规划维护和加固工作，而实时监测则关注微观变化，可用于防灾减灾和紧急管理，结合这两种监测方法，可以实现对桥梁结构安全的全方位保障，确保其在日常使用和极端事件中的稳定性与安全性[2]。

四、桥梁损伤识别方法

4.1数据分析与处理方法

在桥梁健康监测领域，数据分析与处理方法是将从各种传感器收集的大量数据转化为有用信息，从而评估桥梁结构健康状态的关键步骤，这些方法包括信号处理、统计分析、数据融合和机器学习等，信号处理技术，如傅里叶变换，用于分析从加速度计或应变计中获得的振动信号，以识别结构的自然频率变化或异常振动模式，这对于早期识别结构损伤特别有效；统计分析方法，如时间序列分析，可用于从长期监测数据中识别趋势和周期性变化，帮助理解桥梁的老化过程，数据融合技术结合了来自不同传感器和监测技术的数据，通过提高数据的综合性和一致性，增强了损伤检测的准确性和可靠性。近年来，机器学习方法，特别是深度学习，因其在处理大规模数据和识别复杂模式方面的优势而变得越来越流行，通过训练模型识别桥梁正常与异常状态之间的差异，机器学习可以自动预测潜在的结构问题，例如：使用卷积神经网络分析和分类桥梁表面裂缝的图像数据，实现自动化损伤识别。

4.2损伤定位与评估方法

损伤定位与评估方法在桥梁健康监测中起着至关重要的作用，它们不仅能够识别桥梁结构中的损伤位置，还能评估损伤的严重程度，为维修和加固提供依据，这些方法通常依赖于先进的算法和技术，如基于振动的损伤定位技术和基于应力响应的评估方法，基于振动的定位技术利用结构的动态响应，通过分析振动模式的变化来定位损伤；例如：损伤会导致结构的局部刚度降低，从而改变结构的自然频率和振型，通过对比损伤前后的振动特性，可以准确地定位损伤位置。另一方面，应力响应技术，如应变计测量，通过监测特定区域内的应力变化来识别和评估损伤，损伤区域的应力集中效应会导致局部应力水平的显著变化，数字图像处理技术和机器视觉也被广泛应用于损伤识别，通过分析桥梁表面的裂缝宽度和分布，可以直观评估损伤的严重程度，例如：利用无人机携带的高分辨率相机拍摄桥梁表面，再通过图像处理软件自动识别和测量裂缝特征，这种方法不仅效率高，而且能够覆盖桥梁的难以接近区域[3]。

结束语：随着技术的进步和社会对桥梁安全性与可靠性要求的不断提高，公路桥梁结构健康监测与损伤识别技术的研究与应用成为了桥梁工程领域的重要发展方向，通过综合利用各种监测技术和数据分析方法，我们不仅能够及时发现并评估桥梁的损伤情况，还能为桥梁的维护和修复提供科学依据，大大提高了桥梁的安全性和服务寿命，未来，随着人工智能、大数据等技术的进一步融合应用，桥梁健康监测领域将迎来更加广阔的发展前景。

参考文献：

[1]王琛. 桥梁健康监测中传感器优化布置研究与展望 [J]. 科技创业月刊, 2016, 29 (11): 15-17.

[2]项贻强,周畅,李毅等. 桥梁结构在线健康监测预警系统Ⅱ——损伤识别的信号分析及提取方法 [J]. 交通科学与工程, 2009, 25 (02): 33-39.

[3]蒋志. 桥梁结构健康监测和损伤识别 [J]. 广西城镇建设, 2007, (06): 59-62.