4.1.2 监测
结构健康监测技术的概念于20世纪30年代开始被提出，并被普遍认为是提高工程结构健康与安全及实现结构长寿命和可持续管理的最有效途径之一。结构健康监测技术的基本思想是通过测量结构的响应来推断结构特性的变化，进而探测和评价结构的损伤及安全状况。一般来说，结构健康监测系统包括传感与采集、信号传输与存储、结构状态参数与损伤识别，以及结构性能评估等。
4.1.2.1 传感技术
（1）传感系统如神经末梢，感知桥梁运行环境和响应特征。
传感器系统位于桥梁健康监测系统的最前端，是整个监测系统的“眼睛”，负责将荷载作用及结构响应的物理量转化为可供采集的光、电信号。传感器系统的设计不仅制约着健康监测的内容，而且直接决定了监测系统的可靠性和准确性。同时，由于传感器系统所处的工作环境复杂，传感器的使用寿命也决定了整个系统的使用寿命。
桥梁健康监测系统的目的和功能决定了监测内容和项目。由确定的监测项目，根据适应性和经济性的要求选取技术成熟、性能可靠的传感器。规范中监测项目可以分为作用监测和响应监测。作用监测传感器的主要内容是外部荷载作用，主要包括风速风向监测、环境温湿度监测、结构温度监测、交通荷载监测和偶然荷载监测。响应监测传感器的主要内容是结构整体响应和局部响应。其中，整体响应包括结构空间位移、主梁下挠、结构振动等，局部响应主要是结构局部应力。
（2）新型传感技术如雨后春笋般出现并迅速推广。
传感技术是实现结构健康监测的前提条件，其性能直接决定了监测效果的优劣。传感器要求具有高度感受结构力学状态的能力，能够将应变、位移、加速度等测量参数直接转换成采集信号输出。最早开发的传感器技术是电子式传感技术。随着力学、信息、网络等学科的研究发展及实际工程应用的需求，越来越多的诸如光纤传感技术、智能化无线传感技术、动态称重系统等新型传感技术得到了广泛应用。
在结构检测和监测项目中，加速度响应是一种常见的测量对象，技术发展已经相当成熟，目前在结构健康监测系统中常见的加速度计类型有伺服加速仪、压电式加速度计、电容式加速度计、应变片式加速度计、微电机系统（MEMS）加速度计、光纤光栅加速度计、激光测振仪。伺服加速仪又称力平衡式加速度计，是一种具有零频率响应的高精度传感器，具有优异的频率特性，非线性影响低于0.1%，被广泛应用在强震观测、低频和超低频工程振动测量领域。压电式加速度传感器基于压电晶体的压电效应工作，最常用的如PCB公司生产的ICP加速度传感器，将传统的压电加速度传感器与电荷放大器集于一体，提高了测试精度和可靠性。光纤光栅加速度计通常是利用惯性原理，通过感知惯性力所产生的位移或者应变来测得相应的加速度，具有更高的稳定性和抗干扰能力。微机电系统（MEMS）加速度计主要由传感元件和包括信号增幅、调整和输出的微电路组成，采集处理速度很快，可以在短时间内进行多次测量，得到比较平稳准确的平均值，配合无线数据传输技术可以实现大型结构的多点测量。
在结构健康监测、检测及静载试验中，桥梁挠度是评价结构安全的关键参数，因此结构在一定荷载作用下的位移是桥梁健康状态的重要指标。目前新型位移传感技术主要包括：①基于激光测量系统。系统由激光发射源和PSD或CCD探测器组成，根据激光定向直线传播原理，通过测量发射端和受信端的光程差实现位移测量，是一种非接触式测量，测量精度和分辨率都很高，但其动态测量对环境要求高，激光在传播过程中容易受环境湿度及气流影响。②数字图像相关性解析（DIC）。这是一种基于现代数字图像处理和分析技术的非接触式全场光学测试方法，其测试基本原理是分析加载变形前后被测物体表面的数字图像，通过一定的相关算法对相应数字图像的散斑特征点进行匹配跟踪，进而获取加载前后被测物体表面的位移变化信息，可实现可视化实时监测且无电磁干扰，但观测范围受设备性能影响，监测准确性受环境随机因素影响。③微波雷达。微波雷达设备主要包括雷达信号处理机和监控单元两大部分。通过改变雷达波束照射位置获得区域内目标全程各点的径向微变形数据，基于微波雷达侧位移设备可非接触式、多点同时监测桥梁振动位移，有望成为一种新的监测技术。④遥感技术。通过飞行器等不同搭载平台，利用合成孔径雷达或光学成像设备获得遥感图像，比较相同区域内在不同时段内的图像差异求得位移变化，实现自动化、智能化、专用化快速获取空间信息，目前存在分辨率不够的问题。
4.1.2.2 采集与传输
（1）现有采集与传输系统过程烦琐，涉及多个处理流程。
数据采集和传输子系统主要完成对传感器信号的调制、采集，以及将采集到的传感器信号进行初步的预处理，并将经初步预处理后的数据传输到后台计算机进行桥梁健康分析与评估。子系统的硬件部分通常由数据采集工作站和数据传输网络组成。除此以外，子系统还包括数据采集与传输软件。
数据采集系统由传感器输出信号、信号调理硬件、数据采集设备及相关配套软件组成。传感器输出信号特征直接决定数据采集设备的选择。传感器输出信号主要分为模拟信号和数字信号。由于传感器输出的模拟信号通常极其微弱，无法被数据采集系统直接采样，而且由于受周围环境的干扰会产生很多噪声，所以必须对传感器输出信号进行调理。信号调理器可以将传感器产生的模拟量信号进行放大、隔离、滤波等处理，从而获得标准化信号。模数转换器主要是对经过调理后的信号进行模拟量转换成数字量（A/D）转换，将调理过的模拟量信号转换为计算机可识别、处理的数字信号。
数据传输网络负责传输各个数据采集单元的数据至数据处理和控制系统。数据传输离不开对网络框架的依赖。目前计算机网络应用主要采用物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层的五层结构框架，此框架中的每一层都有协议或者方法的选择。
大型的桥梁健康监测系统一般包含多个数据采集单元，将各个数据采集单元的大量数据实时地传送到数据处理和控制中心是重要的一步。数据传输系统包括通信网络和通信协议。本章中的通信网络对应相对底层的物理层和数据链路层内容，通信协议对应网络中网络层、传输层、应用层相对高层的内容。
（2）无线传输技术或成新热门研究方向。
近年来出现的无线传感技术在国内外都受到了高度重视，但目前还属于实验和发展阶段。此研究最初来自美国军方和自然科学界。无线传感网络技术由于自身的组织性、成本低、高容错性及灵活性等优点，在军事、医疗健康、环境科学、空间探索等领域都有着非常广泛而深远的应用前景。一开始，无线传感技术在结构健康监测系统的传感器上安装无线的通信器件，从而实现无线传输，这样就可以降低成本。在我国，某些高校和科研所已把该技术应用于土木结构健康监测，可以将无线传感技术与无线局域网和网络技术互相结合，来实现数据的无线远程传输、管理以及存储，从而达到对结构通过远程来监测的目的。
4.1.2.3 结构状态参数与损伤识别
（1）信号分析手段为自然环境下桥梁状态参数识别提供可能性。
基于环境随机激励的结构健康监测技术以行车荷载、风载、地震等自然环境激励作为系统输入，经动力测试得到动力响应信息（加速度、应变等响应）进行结构模态参数识别。基于环境振动的加速度模态识别理论发展历史悠久。早在1977年，Abdel-Ghaffar和Housner等便首次在金门大桥上进行环境振动测试分析得出结构的动力特性。在随后的40年里，大量的环境振动下利用加速度响应对结构参数进行识别的方法被研究出来。S.R.Ibrahim（1977）利用ITD法构造自由响应采样数据的增广矩阵识别系统模态参数。美国Langley中心的Juang和Pappa（1984）利用特征系统实现算法（ERA）通过奇异值分解得到系统参数。Peeters（2004）利用PolyMAX进行结构模态参数识别。BrownJohn等利用NExT、SSI和p-LSCF3种模态参数识别方法对Humber Bridge的频率、阻尼和振型进行了识别与比较。Catbas等基于环境振动测试数据，结合随机减量法和CMIF方法识别布鲁克林桥的基本模态参数（频率、阻尼和振型）等。随着监测数据及系统复杂性的不断增加，环境振动加速度数据的采集也由传统的有线测量向无线传感网络过渡，且随着数据采集硬件的不断发展，监测数据的长度和质量都得到提升，保证了采集数据的可靠性。此外，利用识别的结构模态参数（自振频率、频响函数及位移模态、模态柔度等），可进行结构有限元模型修正，基于修正后的精确有限元模型可很好地进行结构的安全评估和长期性能预测。
（2）传统动力学指标精准度不够，难以实现结构损伤识别。
尽管加速度模态识别理论已发展得如此成熟，但将环境振动加速度模态识别方法用于工程实践中仍有很大的局限性。因为即使得到非常精确的有限元模型，利用环境振动频响函数也只能识别出结构的基本模态参数（如固有频率、阻尼比和位移模态振型），这些参数并不能有效地进行结构长期性能评估。因为从环境振动中识别的频响函数和真实频响函数只是形状相同而幅值并不同，而结构的基本模态参数识别与频响函数的绝对幅值无关，所以当前很少有人对环境振动数据计算频响函数的幅值进行研究。但是环境振动频响函数的幅值却对结构柔度识别至关重要。笔者团队研究了从仅有输出数据的环境振动测试中识别结构未缩放位移柔度的方法，并从理论上揭示出环境振动下频响与理论频响之间的关系：形状相似但是频响幅值不同。
利用环境振动位移频响用模态参数识别算法（如PolyMAX法）可以识别出基本模态参数，根据所识别基本模态参数、结构模态质量与频响函数的关系计算得出结构模态质量，进而由已识别出的各类参数推导得出结构非缩放位移柔度矩阵。该矩阵具有工程意义，可以用其了解所研究结构的相对刚度分布和预测静力荷载下的结构变形。但是由于环境激励力的强度未知，得不到结构真实位移柔度，仍无法得到结构深层次信息。基于加速度测量的位移模态结构损伤识别方法已进行了充分的研究，包括频率法、模态振型方法，以及延伸出的模态曲率法、模态柔度法、应变能法等。但是研究表明，这些指标对损伤并不敏感。例如，损伤不能导致频率的显著改变，且受温度因素影响，模态曲率法、应变能法、柔度差法在有噪声情况下可能发生误判。因此，基于加速度模态这一宏观特征所衍生出来的各个指标对结构的微观损伤并不敏感，难以满足实际工程的需求。
（3）新技术、新方法为桥梁损伤识别提供可能性。
基于加速度测量的模态理论发展较为成熟，但是在应用过程中还存在诸多局限性，特别是对结构微小损伤的识别无法有效实现。基于点式应变测量的应变模态理论虽有一定发展，但远不如基于加速度的模态分析理论发展成熟。究其原因，传统的点式应变对结构局部信息（如局部小孔、切槽）敏感，因此它不适合进行以结构宏观信息识别为目的的模态分析。长标距传感技术所输出的是一定标距长度内的平均应变，因此在反映结构局部信息的同时，具有能够反映结构宏观模态信息的特点。基于此，吴智深团队进行了一系列的基于长标距应变的应变模态理论分析，创新性地扩展了传统的应变模态理论。
通过调研发现：①长标距应变FRF是个更类似位移FRF，而不同于速度或加速度FRF的物理量，因此对低频响应更为敏感，更适用于高柔度结构（高层建筑、大跨桥梁和缆索）的监测和模态识别；②基于位移FRF和基于长标距应变FRF提取结构固有频率和阻尼比等价有效；③与位移FRF相比，长标距应变FRF实部、虚部的模态常量与之不同，但是相位相同，因此结构区域分布应变模态分析理论，能够从频率、振型、阻尼、相位角等各方面全面代替传统的加速度模态体系，解决了其只反映宏观而不能精确反映局部特性的问题。
基于区域分布的长标距应变模态理论解决了传统点式应变的不足，建立了应变与转角的关系，实现了宏观与微观相结合，且通过改进的共轭梁法进行挠度计算可以准确反演位移模态，不存在传统点式应变模态计算位移模态时误差被放大的问题。基于区域分布的长标距应变能够反映结构的裂纹宽度和微小损伤的特性，许多基于应变模态的损伤指标被提出，如长标距应变模态振型曲率差、长标距应变模态振型平方差、长标距应变能、长标距应变柔度等。因其包含了损伤的直接信息，故能很好地识别复杂损伤，且根据模态参数构建的灵敏度方程可以进一步实现结构的损伤定量。
4.1.2.4 结构性能评估
（1）结构安全性评估方法百花齐放，各有所长。
结构状态评估是指通过各种可能的、结构允许的测试手段，测试出能够反映其当前的工作状态的内部信息（损伤等），在此基础上运用某种状态评估理论，对构件及结构整体的施工、运营等工作状态进行评估，以确定结构的安全性、耐久性。因此，桥梁结构的状态评估包括结构安全性、耐久性两方面的含义。目前，桥梁安全性评估方法所采用的理论主要有可靠度理论、层次分析法、模糊理论、神经网络及专家系统等。
采用可靠度理论对桥梁结构物进行安全性分析时，首先要找出赖以进行分析的极限状态。为此就要分析结构系统或构件的失效模式，然后按所定义的极限状态确定极值荷载和临界强度，并求得相应的失效概率、可靠度及可靠性指标等。
层次分析是美国运筹学家A.L.Satty在20世纪70年代提出的。AHP法是多指标综合评价的一种定量方法，它通过确定同一层次中各评估指标的初始权重，从而将定性因素定量化，在一定程度上检验和减少了主观的影响，使评价更趋于科学化，权重的计算方法可用乘积方根法、求和平均法。
模糊综合评估法是借助模糊数学的一些概念，对实际问题进行评估的方法。它是以模糊数学为基础，应用模糊关系合成的原理，将一些边界不清、不易定量的因素定量化进行评估的方法。如果客观事物对象本身不明确，事物的分类没有明显的界限，即事物既可以属于这类也可以不属于，则可以考虑采用这种方法。
遗传算法最早于20世纪70年代由美国密执安大学的John Holland提出。它是基于自然遗传和自然选择的思想，类似于达尔文“适者生存”理论方式的寻优方法。它主要是通过编码、进化、选择、交叉和变异五种操作来实现。遗传算法的强大寻优功能可以较好地满足可靠性计算与分析的要求。
模糊神经网络法采用神经网络的结构和模糊逻辑的推理机制，将神经网络和模糊系统有机地结合在一起，可以有效地发挥各自的优势并且弥补各自的不足。神经网络是一类模拟生物神经系统结构、由大量处理单元组成的非线性自适应动态系统。它具有学习能力、记忆能力、计算能力及智能处理功能，能在不同程度和层次上模仿大脑的信息处理机理，具有非线性、非局域性、非定常性和非凸性等特点。其研究成果广泛用于模式识别、自动控制、图像处理、语言识别等领域。
（2）结构安全性评估方法仍有局限性，仍需完善。
Engelun等采用抽样统计方法和蒙特卡罗法计算桥梁结构系统可靠度。Reddy等将结构的失效概率作为模糊随机事件的概率模型，从而建立了结构可靠度统一分析模型。Enright和Frangopol基于贝叶斯原理来预测桥梁结构的承载力和可靠度的时变特性，同时结合检测数据预测桥梁的运营状态。Frangopol等基于监测数据评估了一座桥的弦杆和桁梁，其监测的荷载效应标准差由理论计算得到。
Akgul和Frangopol探索了桥梁的全生命周期内性能分析的一般性方法，其研究成果已应用于多座处于运营期的混凝土桥梁中。Stewart和Mullardl提出了一种时空相关的可靠度分析方法，研究和预测处于侵蚀环境中的混凝土桥梁裂纹发生的可能性和损伤程度。未来的研究方式趋向于利用现有桥梁实时监测数据（挠度、加速度、应变、位移，以及风、温湿度等），分析桥梁结构局部和整体的性能。同时可利用监测数据与概率知识相结合，建立桥梁安全性评估的概率模型，提供更为准确的评估信息。
目前桥梁健康监测对运营状态评估等方面的研究还不够深入和完善。综合国内外现状来看，不同类型的大跨径桥梁，结构失效形式情况多而复杂。针对不同跨径的桥梁选择那些失效形式对应的结构可靠度仍需具体研究。同时，缺少对处于运营阶段现有损伤状态的桥梁可靠性评估。