桥梁监测为什么很重要？

　　司南导航www.sinognss.com：“一桥飞架南北，天堑变通途”，桥梁对我们的基础设施至关重要，桥梁和人一样，也会有“生老病死”，它需要定期维护，以确保汽车、卡车、铁路车辆和经常通过它们的行人的安全。但是，许多桥梁的历史都有30年或更长了，市民有可能每天都要穿过存在结构缺陷的桥梁。因此，只有通过科学的检测与监测，才能及时、准确掌握桥梁技术状态，保证其安全健康。

　　改革开放以来，我国桥梁建设取得了飞速发展，桥梁数量在2011年便已超过美国，成为世界第一桥梁大国。1990年至2018年间，我国新增桥梁总数占全世界的47%，年均新增公路桥梁2.57万座。目前，我国已有超过87万座公路桥梁，超过20万座铁路桥梁。

　　随着苏通长江公路大桥、港珠澳大桥等一批世界级桥梁的建成，在跨径排名世界前十的斜拉桥、悬索桥中，我国已“霸占”了一半以上的席位。在日新月异的桥梁建设发展进程中，有以下四个问题值得我们去思考。

　　桥梁伤病不得不防轻则“减寿”重则垮塌

　　桥梁建成通车只是实现其生命价值的起点，只有保证健康与安全，才能发挥其应有的作用。

　　在服役期内，载荷疲劳效应、环境腐蚀和材料老化等因素的耦合作用，都将不可避免地导致桥梁结构损伤累积和抗力衰减，从而降低其抵抗灾变的能力，这些损伤如不能及时发现并得到修复，轻则将影响行车安全，缩短桥梁使用寿命，重则将导致桥梁突然破坏甚至垮塌。

　　要保证运营期桥梁的安全与健康，首先要准确把握桥梁当前的技术状态及发展趋势。

　　从欧美发达国家经验与教训来看，经济高速发展期间建成的桥梁，往往存在技术力量稀释、抢赶工期等问题，所以普遍存在严重隐患;与此同时，通常桥梁在建成20到30年后，也将进入病害多发期。

　　在役长大桥梁安全与健康国家重点实验室收集了国内447座桥梁垮塌的案例，从其中184座有公开资料标明事故成因的案例来看，49%是由于运营期人为因素及管养不足所造成的。

　　事故呈现“低龄”特点安全形势明显好转

　　资料显示，我国当前桥梁平均桥龄仅为18.2年(美国为43.2年)，尚未进入高龄、高危期，普遍还很“年轻”，而且随着近年来桥梁领域标准体系与管理制度建设日趋完善，设计、施工与管养技术快速发展，监管力度不断加强，危旧桥加固改建速度不断加快，公路桥梁的安全形势已发生较明显好转。“十二五”期间，我国公路桥梁总数以年均3.6%的幅度逐年增长，危桥数量却以年均4.45%的幅度不断减少，桥梁安全事故总体处于下降态势。

　　然而，值得重视的是，西南交大学者对我国70起桥梁事故进行分析的结果显示，从开通到出现事故的平均时间仅为25年(低于同期对世界181座桥梁分析得出的29年这一平均时间);在役长大桥梁安全与健康国家重点实验室对我国100座运营期事故桥梁进行的统计分析也表明，发生事故时桥龄≥50年的不到15%，事故桥梁平均寿命仅为29.36年。

　　老龄进程加速推进先天不足 后期缺养

　　目前，我国上世纪80年代和90年代初修建的桥梁已开始大量进入重大维修养护期，管养压力与安全风险必然逐年加大，且当前一些桥梁在运营过程中已暴露出“先天不足”“后期缺养”等问题，系统地提升桥梁服役性能和安全保障能力已刻不容缓。

　　中美桥龄数据对比

　　对比美国桥梁发展来看，其大规模建设期为上世纪50年代到70年代;1950年时，美国桥龄在30年以上的桥梁占比为17.5%，到1970年，这个数字已发展为37.7%，其工作重心也开始逐步转向管养。2016年，美国桥龄在30年以上的桥梁占比为62.3%，其90%的经费已用于养护维修，仅有10%的经费用于新建。

　　2014年，我国桥龄在30年以上的桥梁占比为18.4%，根据当前建设情况和相关规划推测，2034年，这一占比将增加为42.4%;2044年，将增加为62.7%。对比中美30年以上桥龄的桥梁占比可以发现，美国该比例从18%增长到60%，用了约60年，而中国只要大约30年，从这个角度来看，中国桥梁老龄化正在加速到来。

　　技术研究走向“四化”传统模式 难当重任

　　随着桥梁数量增加、桥龄日增，桥梁管养压力与资金缺口必然日益增大，以人工检查、经验决策和纠正式养护为特点的传统管养模式，将越来越难以满足现代桥梁管养需求，为实现提质、增效、降本的桥梁养护本质需求，必然要求桥梁管养模式逐步转向以精准决策和预防性养护为特色的智慧管养模式。

　　而要实现智慧管养，首先必须准确掌握桥梁的技术状态、先进的检测与监测技术，进而保证桥梁安全与健康。

　　随着对桥梁的结构要求、服役要求、以及长期性能要求的提高，对桥梁监测及其相关的病害诊断与分析技术的研究呈现出新的趋势，主要表现为深入化、集成化、标准化、智能化四大特征：

　　深入化

　　结构损伤机理研究正逐步从微观向宏观、从短期向长期、从单因素向多因素耦合拓展。

　　集成化

　　无损检测装备与养护维修装备的小型化、专业化、集成化程度正日益提高;健康监测系统中传感、采集与传输设备的高度集成将是大势所趋;依托BIM平台，设计、施工、检测、监测、养护、维修的信息将高度集成融合。

　　标准化

　　不仅是传统意义上的检测、监测、养护管理措施和质量评定方法的标准化，也包括为实现数据互联互通而快速推进的信息标准化工作。

　　智能化

　　云平台、大数据、物联网和移动通讯技术的快速发展，已为桥梁检测与健康监测技术提供了重要技术支撑，检测与监测技术正在逐步融合，结构病害的早期识别、趋势推演、自动检测评分、安全风险自动排序、养护资金智能优化配置、桥梁寿命预测等都将成为可能。

　　传感器如何保护桥梁?

　　当传感器被用于探测灾难性结构故障的早期预警时，它们也在收集地震或飓风等自然天气事件后必要的结构维修的重要数据。

　　一种无线传感器装置，也称为无线传感器节点，具有连接到处理单元、通信单元和电源单元的传感单元。传感器还具有存储内存的作用。

　　传感单元可以包括一个或多个传感器，用于获取感兴趣的任何物理现象的数据，例如温度、湿度、应变和加速度。还有一个信号调节单元，它包含一个模数转换器(analog-to-digital converter，ADC)单元，用于转换模拟信号。处理单元是节点的主控制器。它负责管理无线传感器节点的操作，包括感知和无线通信。它通常由具有处理和数据存储能力的车载电脑(即微控制器单元)组成。

　　当我们监控桥梁时，我们可以应用大量的传感器节点来构建一个无线传感器网络(wireless sensors network，WSN)，而传感器则构建数据采集子系统，无线传感器网络可以获取两种类型的数据采集子系统：

　　控制和数据分析子系统

　　控制和数据子系统收集和处理数据，然后采取适当的预定措施来解决或防止交通问题。

　　通信子系统

　　通信子系统通过无线链路实现无线传感器节点之间的通信。这些链路依赖于传输介质，可以是射频(RF)、光、声或磁感应链路的形式。

　　当然，传感器并不是利用技术确保我们基础设施安全的唯一方法。边缘计算、5G、物联网、人工智能和机器学习与其他尖端技术相结合，正在为许多国家的公民提供突破性的基础设施进步措施。

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