1 前言

    近年來，隨著東海大橋、杭州灣大橋以及舟山大陸連島工程跨海大橋等跨海大橋的陸續(xù)建成，我國的跨海大橋建設(shè)水平已躍居世界前列。

    舟山大陸連島工程連接舟山、寧波兩市，全長49. 96 km（見圖 1）。工程包括 5 座跨海大橋，分別為岑港大橋、響礁門大橋、桃夭門大橋、西堠門大橋、金塘大橋。其中西堠門大橋采用主跨為 1 650 m 的兩跨連續(xù)鋼箱梁懸索橋，跨徑為世界第二，僅次于日本的明石海峽大橋（鋼桁梁懸索橋）；金塘大橋的主通為鋼箱梁斜拉橋，主跨 620 m，是我國在外海條件建設(shè)的跨度最大的斜拉橋。

圖 1 舟山大陸連島工程 5 座跨海大橋布置圖

    跨海大橋一般在建設(shè)過程中就要面臨諸多的技術(shù)挑戰(zhàn)，需要解決許多在常規(guī)橋梁建設(shè)中不會(huì)遇到的設(shè)計(jì)和施工難題，很多建設(shè)技術(shù)參數(shù)已經(jīng)突破了現(xiàn)有行業(yè)規(guī)范的考慮范圍，橋梁建設(shè)技術(shù)也在不斷的創(chuàng)新中發(fā)展。同時(shí)對處于復(fù)雜海洋環(huán)境中的跨海大橋，在其全壽命周期中，結(jié)構(gòu)不僅承受著車輛荷載的作用，而且還會(huì)遭受各種可能的突發(fā)性因素（如臺(tái)風(fēng)、地震、船舶撞擊等）的影響，從服役開始就面臨著損傷積累的威脅，在其漫長的服役期中，會(huì)不斷出現(xiàn)損傷、維修、再損傷、再維修，直到服役期結(jié)束。嚴(yán)格地講，橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)是在不斷地發(fā)生著變化。如果能夠?qū)绾４髽蚪Y(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測，針對易損構(gòu)件進(jìn)行實(shí)時(shí)的損傷診斷，就可實(shí)時(shí)了解結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)，及時(shí)完成必要的維護(hù)和修復(fù)，那么就可避免由于橋梁結(jié)構(gòu)整體失效所造成的工程事故。

    2 跨海大橋建設(shè)的技術(shù)研發(fā)需要長期的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)

    跨海大型橋梁處于陸海相交的海域環(huán)境中，這樣的區(qū)域一般地質(zhì)情況復(fù)雜，且海上風(fēng)、浪等自然氣候條件惡劣。以舟山大陸連島工程為例，橋址區(qū)的氣候同時(shí)受到西風(fēng)帶、副熱帶和熱帶輻合帶天氣系統(tǒng)的影響，天氣復(fù)雜多變，災(zāi)害性天氣類型多、發(fā)生頻繁，主要有暴雨、龍卷風(fēng)、連陰雷暴、颮線、寒潮和霧等，其中尤以龍卷風(fēng)、颮線、雷暴最為嚴(yán)重，對工程施工和運(yùn)營安全有影響。環(huán)境濕度和鹽度高的海洋氣候?qū)︿摻Y(jié)構(gòu)的侵蝕風(fēng)險(xiǎn)大。舟山地區(qū)是受臺(tái)風(fēng)影響頻繁的地區(qū)，平均每年 2. 56 個(gè)，臺(tái)風(fēng)最早出現(xiàn)在5 月份，最遲出現(xiàn)在 11 月份，且季風(fēng)盛行，風(fēng)力大。其中西堠門大橋處，10 m 高處 100 年重現(xiàn)期的最大風(fēng)速達(dá) 41. 12 m/s。西堠門水道潮流一般以不正規(guī)半日潮流為主，潮流運(yùn)動(dòng)形式大多為往復(fù)流，且流速大、有強(qiáng)烈旋渦，實(shí)測最大漲落潮漂流流速約 2. 66～3. 65 m/s，實(shí)測最大波高可達(dá) 2. 1 m，該水道通航繁忙。整個(gè)橋址區(qū)域地質(zhì)條件較復(fù)雜，地震基本烈度為Ⅶ度，為浙江最高地區(qū)。

    環(huán)境條件對跨海大橋的設(shè)計(jì)、施工及后期養(yǎng)護(hù)都提出了更高的技術(shù)要求，其建設(shè)過程中面臨著諸多的技術(shù)挑戰(zhàn)，這些凝聚在設(shè)計(jì)和施工中的關(guān)鍵技術(shù)需要在運(yùn)營期通過健康監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)測數(shù)據(jù)來進(jìn)一步分析和研究。主要有：

    1）跨海大橋常常面臨惡劣的風(fēng)環(huán)境。高風(fēng)速條件下，大跨徑橋梁在結(jié)構(gòu)選型和構(gòu)造設(shè)計(jì)中必須考慮風(fēng)致破壞問題，針對結(jié)構(gòu)顫振和渦激共振必須采取有效的措施。例如，著名的美國塔科瑪大橋就曾遭受風(fēng)致破壞。而跨海大橋常常會(huì)采用跨越能力強(qiáng)的大跨徑懸索橋，懸索橋?qū)偃嵝越Y(jié)構(gòu)，抗風(fēng)問題顯得更為突出，所以確?？绾４髽虻目癸L(fēng)性能和抗風(fēng)安全是一個(gè)十分關(guān)鍵的技術(shù)問題。對實(shí)測風(fēng)環(huán)境和結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載下的反應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測十分必要。

    2）跨海大橋位于惡劣的海洋環(huán)境中，在這種環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕狀況要比其他環(huán)境下的嚴(yán)重得多。導(dǎo)致海水中混凝土腐蝕的因素主要包括：鋼筋銹蝕、凍害、化學(xué)腐蝕、結(jié)晶壓力以及海洋微生物作用、流水波浪的磨損與沖刷等。因此，防止鋼筋銹蝕延長結(jié)構(gòu)使用壽命，確保跨海大橋的耐久性是一個(gè)十分突出的問題，也需要長期給予監(jiān)測和關(guān)注。

    3）最近的二十余年，全球發(fā)生了許多次大地震，在這幾次地震災(zāi)害中都有一個(gè)共同特點(diǎn)，即由于橋梁工程遭到嚴(yán)重破壞，切斷了震區(qū)交通生命線，造成救災(zāi)工作的巨大困難，使次生災(zāi)害加重，導(dǎo)致了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此重大交通工程必須進(jìn)行地震安全性評價(jià)，并根據(jù)橋位處不同的地區(qū)地震安全設(shè)防要求，確定抗震設(shè)防措施。另外，對于處于通航海域的跨海大橋，確保其防船舶撞擊的安全性也是一個(gè)十分重要的問題。類似地震和船舶撞擊等突發(fā)災(zāi)害的災(zāi)后結(jié)構(gòu)評估也需要系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為支撐。

    4）跨海大橋多處于港口及船舶出入頻繁區(qū)域，海域航道繁忙，為滿足通航要求及地形條件的限制，避開深水基礎(chǔ)等因素，跨海大橋朝特大跨徑方向發(fā)展是一個(gè)趨勢。特大跨徑橋梁的全部作用效應(yīng)中以自重效應(yīng)占很大成分，因此跨度的增加依賴于材料科學(xué)的進(jìn)步，研發(fā)高強(qiáng)輕質(zhì)材料是跨海大橋發(fā)展的一個(gè)重要技術(shù)難題，如懸索橋鋼箱梁所用鋼板和纜索系統(tǒng)所用鋼絲等都直接支撐橋梁向更大跨度發(fā)展，這些新材料和新工藝的耐久性也需要進(jìn)行長期監(jiān)測。

    5）由于大型跨海大橋（尤其是斜拉橋、懸索橋）的力學(xué)行為和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相對復(fù)雜，橋梁結(jié)構(gòu)受多重荷載和環(huán)境效應(yīng)作用，在大橋設(shè)計(jì)階段就完全精確地掌握和預(yù)測結(jié)構(gòu)成橋后的受力狀態(tài)是非常困難的。結(jié)構(gòu)理論分析?；诶硐牖挠邢拊x散模型，并且分析時(shí)常以很多假定條件為前提，試驗(yàn)研究的模擬也可能與實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)不完全相符。

    因此，通過橋梁健康監(jiān)測所獲得的實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜力反應(yīng)來驗(yàn)證大型跨海大橋的各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，監(jiān)測結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)成為一個(gè)十分重要的研究方向，可為跨海大橋建設(shè)提供更多的技術(shù)信息，可為進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)和施工水平提供參數(shù)指標(biāo)依據(jù)。

    在跨海大橋建成后，就需要一個(gè)完善的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)來測試結(jié)構(gòu)在運(yùn)營過程中的各種反應(yīng)信息，并通過有效的損傷識(shí)別方法來了解和分析大橋結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和服役能力，來校核和驗(yàn)證設(shè)計(jì)及施工的合理性和正確性。由于跨海大橋在建設(shè)技術(shù)上的超前性和結(jié)構(gòu)體系上的復(fù)雜性，其對健康監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建及損傷識(shí)別算法的性能也提出了更高的要求。

    3 跨海大橋健康監(jiān)測的發(fā)展及系統(tǒng)構(gòu)建

    3. 1 橋梁健康監(jiān)測的發(fā)展

    20 世紀(jì) 40 年代到 50 年代，國外土木結(jié)構(gòu)的損傷檢測發(fā)展主要是對結(jié)構(gòu)缺陷原因的分析和修補(bǔ)方法的研究，檢測工作大多采用以目測為主的傳統(tǒng)方法；60 年代到 70 年代，開始注重對結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)和評估方法的研究，多種現(xiàn)代檢測技術(shù)被應(yīng)用到土木結(jié)構(gòu)中；80 年代以來，土木結(jié)構(gòu)的損傷檢測進(jìn)入了逐步完善的階段，結(jié)構(gòu)檢測方面制定了一系列的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)損傷檢測與基于有限元分析和智能評估的損傷識(shí)別相結(jié)合得到了迅速的發(fā)展。我國在20 世紀(jì) 70 年代以后，隨著結(jié)構(gòu)抗震、抗風(fēng)研究的發(fā)展，才逐步開始結(jié)合可靠性評估和安全維修鑒定進(jìn)行土木工程結(jié)構(gòu)損傷檢測的研究 ［1］ 。后來，計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和人工智能等學(xué)科的知識(shí)不斷被應(yīng)用到結(jié)構(gòu)損傷檢測中，人們不僅應(yīng)用各種檢測手段和檢測工具在現(xiàn)場對結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試，還應(yīng)用各種理論方法在計(jì)算機(jī)上結(jié)合有限元計(jì)算對結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)進(jìn)行分析，來識(shí)別在現(xiàn)場無法察覺的結(jié)構(gòu)損傷，并發(fā)展出了一門專門的技術(shù)即損傷識(shí)別。

    近年來，隨著我國大型橋梁工程的興建，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測得到了極大的重視，越來越多的人在從事這方面的研究，越來越多的橋梁結(jié)構(gòu)中安裝了實(shí)時(shí)的健康監(jiān)測系統(tǒng)。國際上出現(xiàn)了針對重要工程結(jié)構(gòu)的長期健康監(jiān)測系統(tǒng)。長期健康監(jiān)測系統(tǒng)是由永久性安裝在結(jié)構(gòu)上的傳感器和數(shù)據(jù)采集輸出等軟硬件設(shè)備組成的系統(tǒng)，它以結(jié)構(gòu)的荷載、環(huán)境、響應(yīng)等為監(jiān)測對象，為及時(shí)地評價(jià)結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)提供了豐富的資料，可實(shí)時(shí)地通過現(xiàn)場安裝的損傷檢測儀器和計(jì)算機(jī)輔助完成的損傷識(shí)別技術(shù)對結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)做出評價(jià)。長期在線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)對硬件和軟件都提出了更高的要求，大大推動(dòng)了損傷檢測和損傷識(shí)別技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)把人工巡檢和自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集相結(jié)合，豐富觀測信息，已成為大型橋梁健康監(jiān)測的一個(gè)新趨勢。隨著測試手段和分析技術(shù)的提高，許多國家都開始在一些大跨橋梁中設(shè)置健康監(jiān)測系統(tǒng)，在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和損傷識(shí)別方面進(jìn)行了卓有成效的研究  。

    美國在 20 世紀(jì) 80 年代中后期開始在多座橋梁上布設(shè)傳感器，監(jiān)測環(huán)境荷載、結(jié)構(gòu)振動(dòng)和局部應(yīng)力狀態(tài)，用以驗(yàn)證設(shè)計(jì)假定、監(jiān)視施工質(zhì)量和實(shí)時(shí)評定服役安全狀態(tài)，例如，佛羅里達(dá)州的 Sunshine SkywayBridge 橋上安裝了 500 多個(gè)傳感器，可以通過近距離及遠(yuǎn)距離兩種方式，采集橋梁各階段的位移、應(yīng)變、溫度信息，并通過這些信息分析結(jié)構(gòu)及材料隨時(shí)間變化的規(guī)律。

    丹麥對 Great Belt 跨海斜拉橋進(jìn)行了施工階段及通車首年的監(jiān)測，目的是通過監(jiān)測數(shù)據(jù)來分析關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)，掌握施工最不利階段結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)以及獲取運(yùn)營后對結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修所需的橋梁健康記錄。

    挪威在主跨 530 m 的 Skarnsundet 斜拉橋上安裝了全自動(dòng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)能對風(fēng)、加速度、傾角、應(yīng)變、溫度、位移等進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測，以實(shí)現(xiàn)對全橋結(jié)構(gòu)狀態(tài)實(shí)時(shí)了解的目的，并能檢驗(yàn)設(shè)計(jì)和施工是否完善。

    泰國曼谷 RamaIX 斜拉橋與韓國 Namhae 懸索橋分別于 1994 年和 1996 年安裝了結(jié)構(gòu)整體性安全在線警報(bào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能對結(jié)構(gòu)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。

    香港的幾座大跨橋梁、內(nèi)地的虎門大橋、徐浦大橋、江陰長江大橋、南京三橋、錢江四橋等都安裝了健康監(jiān)測系統(tǒng)，在運(yùn)營期間對結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。其中香港的青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋上安裝了當(dāng)時(shí)世界上規(guī)模最大的實(shí)時(shí)安全監(jiān)測系統(tǒng)，即風(fēng)與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。三座橋上的監(jiān)測系統(tǒng)包括傳感器系統(tǒng)、信息收集系統(tǒng)、信息處理和分析系統(tǒng)，傳感器系統(tǒng)由約900 個(gè)各類傳感器及有關(guān)附件組成。

    3. 2 大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成

    橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是集結(jié)構(gòu)監(jiān)測、系統(tǒng)識(shí)別及結(jié)構(gòu)評估于一體的綜合監(jiān)測系統(tǒng)，其內(nèi)容包括荷載監(jiān)測、幾何變位監(jiān)測、結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測等。整個(gè)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)就像一個(gè)醫(yī)生，對結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行診斷，首先對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)輸入荷載觀測，然后測量結(jié)構(gòu)體系受激勵(lì)所產(chǎn)生的反應(yīng)，通過各種測試儀器得到測試數(shù)據(jù)后，先完成數(shù)據(jù)處理，再結(jié)合數(shù)值模型的先驗(yàn)知識(shí)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行診斷，分析結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的損傷。最后對結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)進(jìn)行評估，確定維修和養(yǎng)護(hù)對策。一個(gè)完善的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)如圖 2 所示 。

圖 2 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

    如在舟山連島工程橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中，主要的目的是完成橋梁安全狀態(tài)的獲知，采取的新思路是通過相對靈活和主觀的人工巡檢和相對固定和客觀的傳感器監(jiān)測來獲得橋梁結(jié)構(gòu)安全的基本信息，并通過結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估及損傷識(shí)別等技術(shù)來獲得較為直觀的橋梁結(jié)構(gòu)安全信息。系統(tǒng)建立的目的是使橋梁的養(yǎng)護(hù)管理人員能夠及時(shí)獲得易于理解的橋梁安全狀態(tài)信息。針對不同的構(gòu)件危險(xiǎn)性分析來采用不同的監(jiān)測巡檢策略，大橋結(jié)構(gòu)總體受力狀態(tài)的把握，通過布設(shè)自動(dòng)化傳感測試系統(tǒng)來獲取橋梁受力狀態(tài)的主要信息。大橋構(gòu)件及附屬設(shè)施表觀局部損傷的探明主要通過電子化人工巡檢定期直接檢測。

    為確保在大橋運(yùn)營期對結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位的結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測，舟山連島工程中安裝了目前世界上最大規(guī)模的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，覆蓋金塘和西堠門兩座大橋，這個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)已在西堠門大橋安裝了 350 多個(gè)傳感器，在金塘大橋安裝了近 600 多個(gè)傳感器，這些傳感器包括風(fēng)速儀、溫濕儀、溫度計(jì)、加速度傳感器、GPS、傾斜儀、壓力變送器、位移傳感器、電阻應(yīng)變片、索力傳感器、支座反力計(jì)等。同時(shí)，系統(tǒng)中集成了傳感測試、信號(hào)分析、智能控制、人工智能等目前最新的技術(shù)和設(shè)備。采用工業(yè)以太網(wǎng)和分布式信息融合技術(shù)為大橋管養(yǎng)提供智能支持，實(shí)現(xiàn)了全方位的結(jié)構(gòu)監(jiān)測，西堠門大橋的系統(tǒng)布置如圖3 所示 。

圖 3 西堠門大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng) (單位:cm)

    整體上看，由于儀器技術(shù)和通信技術(shù)的提高，以及各種檢測手段的不斷發(fā)展，目前橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中的硬件水平和獲取原始測試數(shù)據(jù)的能力已不是至關(guān)重要的技術(shù)難題，而目前面臨的挑戰(zhàn)是，對于大型復(fù)雜橋梁，如何用有限的傳感器和檢測手段去獲取相對無限的結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息，同時(shí)面對海量的監(jiān)測數(shù)據(jù)和多源結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息，如何進(jìn)行有效的綜合利用，通過信息管理系統(tǒng)和管理決策系統(tǒng)能夠智能化地為橋梁管理服務(wù)。

    4 跨海大橋損傷識(shí)別的特點(diǎn)分析及方法選擇

    面對橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)所提供的大量監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，目前的損傷識(shí)別方法在工程應(yīng)用上還難以令人滿意。在橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別領(lǐng)域，發(fā)展比較快，研究比較多的是基于振動(dòng)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法。起初，人們首先想到的是找到一種不隨結(jié)構(gòu)系統(tǒng)輸入變化，而對系統(tǒng)參數(shù)變化敏感的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征，來識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷前后的系統(tǒng)參數(shù)變化情況。因此結(jié)構(gòu)固有頻率、振動(dòng)模態(tài)等動(dòng)力指紋被采用來進(jìn)行損傷識(shí)別。這種基于測試頻率的方法被 Adams 和 Cawley首次提出來進(jìn)行損傷識(shí)別 。由兩種最初的基于頻率和基于模態(tài)的損傷識(shí)別方法不斷改進(jìn)，目前已經(jīng)發(fā)展出了多種不同的損傷識(shí)別方法，如基于模態(tài)曲率、模態(tài)應(yīng)變、模態(tài)應(yīng)變能等以及頻率和模態(tài)組合的方法。針對具體的研究對象，這些方法都展示出了各自獨(dú)到的特色 。隨后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和交叉學(xué)科理論的滲透，研究人員先后發(fā)展了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法、基于遺傳算法的方法、基于統(tǒng)計(jì)理論的方法、基于小波分析的方法和基于信息融合的方法等。結(jié)果表明，這些方法應(yīng)用于常規(guī)的橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別分析，比傳統(tǒng)的方法有優(yōu)勢，能得到更理想的識(shí)別結(jié)果，特別是基于小波分析的方法更顯示了它在結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別中的獨(dú)到之處 。但是在大型跨海橋梁中，健康監(jiān)測系統(tǒng)往往規(guī)模巨大，測點(diǎn)和傳感器數(shù)量多，針對單一易損構(gòu)件采用統(tǒng)一的損傷識(shí)別方法可能無法滿足復(fù)雜的結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)識(shí)別，因此，需要針對不同的可能致?lián)p荷載和不同類型的可能結(jié)構(gòu)損傷來發(fā)展有不同損傷識(shí)別目的的算法，以實(shí)現(xiàn)跨海大橋中復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分布式損傷識(shí)別。

    從系統(tǒng)認(rèn)知的角度看，橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別問題是一個(gè)系統(tǒng)辨識(shí)過程，就是在一定外激勵(lì)輸入下，在系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，確定所測結(jié)構(gòu)系統(tǒng)參數(shù)變化的過程，也就是一個(gè)“黑匣”認(rèn)知問題。結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的目的就是通過獲得結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的輸入（荷載激勵(lì)用）和輸出（結(jié)構(gòu)響應(yīng)）信息，應(yīng)用各種算法來認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的參數(shù)變化情況。如果把橋梁結(jié)構(gòu)當(dāng)作一個(gè)線性系統(tǒng)來進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，目前已有較成熟的損傷識(shí)別方法。然而，實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)，特別是跨海大橋在多數(shù)情況下并不能完全作為一個(gè)線性系統(tǒng)，如大型跨海大橋，其在局部構(gòu)件損傷過程中完全是一個(gè)時(shí)變的非線性系統(tǒng)。但是，由結(jié)構(gòu)檢測發(fā)展來的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法，過去一般不考慮結(jié)構(gòu)損傷的過程，只是針對損傷前后的結(jié)構(gòu)檢測信息來識(shí)別損傷，而且大多數(shù)損傷識(shí)別方法都假設(shè)結(jié)構(gòu)處于線性范圍，并不考慮損傷發(fā)展的非線性特性。這些方法在簡單橋梁結(jié)構(gòu)和模型試驗(yàn)中都取得了比較好的損傷識(shí)別效果，但是無法真正應(yīng)用到大型跨海橋梁和實(shí)際工程中。實(shí)際上，大型橋梁結(jié)構(gòu)由于材料的非彈性變形、邊界條件漸變、支座及節(jié)點(diǎn)連接的非線性等因素，再加上大跨橋梁本身的結(jié)構(gòu)非線性，使得結(jié)構(gòu)在荷載和環(huán)境溫度等因素作用下，成為一個(gè)非線性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，無法應(yīng)用線性系統(tǒng)損傷識(shí)別的經(jīng)典方法。

    如 Farrar 在對美國 40 多座橋梁的測試分析中，就發(fā)現(xiàn)當(dāng)一座橋梁中的一個(gè)重要板梁剛度下降了96. 4 %，導(dǎo)致整個(gè)橋梁的截面剛度減少了 21 % 時(shí)，結(jié)構(gòu)的頻率損傷指標(biāo)在損傷前后卻并沒有明顯的變化 。另外，由于實(shí)際結(jié)構(gòu)的荷載激勵(lì)測試很困難，且代價(jià)昂貴，因此大多數(shù)損傷識(shí)別方法常常通過不考慮系統(tǒng)輸入（激勵(lì)力），僅考慮系統(tǒng)輸出（結(jié)構(gòu)響應(yīng)）來完成損傷識(shí)別，以逃避結(jié)構(gòu)外激勵(lì)不易觀測的困難，如基于環(huán)境激勵(lì)的結(jié)構(gòu)脈動(dòng)測試就試圖從響應(yīng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析上了解結(jié)構(gòu)參數(shù)信息。而實(shí)際上，不同的外激勵(lì)荷載決定了不同的結(jié)構(gòu)損傷方式和損傷機(jī)理，同樣也需要采取不同的損傷識(shí)別技術(shù)，放棄系統(tǒng)輸入端的信息，僅憑系統(tǒng)輸出端的信息必然會(huì)降低對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)能力。并且極端荷載所造成的結(jié)構(gòu)突然損傷與致?lián)p荷載作用過程有著天然的和必然的聯(lián)系，這也要求在跨海大橋的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別中必須考慮荷載激勵(lì)本身的特征信息。

    因此，跨海大橋結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別應(yīng)該更多地針對具體的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)外激勵(lì)特征，如深入研究強(qiáng)風(fēng)荷載的特征風(fēng)譜，并考慮損傷過程和個(gè)別易損構(gòu)件的損傷機(jī)理來開展研究，走精細(xì)化的分布式損傷識(shí)別的研究道路，并且更多地從現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析中提升技術(shù)方法的精確性，用信息融合的手段來解決系統(tǒng)龐大、信息冗余的問題，從而提高結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)的可靠性和工程可應(yīng)用性。

    5 結(jié)語

    鑒于跨海大橋在建設(shè)技術(shù)方面的超前性、探索性和工程本身的重要性，同時(shí)考慮到其所服役的自然環(huán)境的相對惡劣性，去構(gòu)建一個(gè)完善的健康監(jiān)測系統(tǒng)，采取有效的損傷識(shí)別方法以實(shí)現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)測和診斷，并對可能出現(xiàn)的損傷和災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測、評估，這已經(jīng)成為目前大型跨海橋梁建設(shè)的客觀需求，同時(shí)也是橋梁健康監(jiān)測研究蓬勃發(fā)展的自身要求。然而大型跨海橋梁健康監(jiān)測的研究還面臨很多需要進(jìn)一步解決的問題。

    1）優(yōu)化傳感器測點(diǎn)布置是損傷信息來源的重要保障。目前，傳感器的類型多樣，精度各異，它們能采集到結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)物理量、力學(xué)物理量、狀態(tài)物理量等信息。如何在大系統(tǒng)中合理布置這些不同類型和一定數(shù)量的傳感器，還需要針對具體的跨海大橋的健康監(jiān)測策略和所采用的損傷識(shí)別方法進(jìn)行研究。

    2）實(shí)際的跨海大橋在自然環(huán)境中，監(jiān)測數(shù)據(jù)受許多不確定因素的影響，如溫度效應(yīng)、動(dòng)力特性的波動(dòng)等，這些因素引起的測試信號(hào)變化與損傷引起的信號(hào)變化耦合在一起，使得損傷識(shí)別面臨挑戰(zhàn)，還有測試儀器精度和設(shè)備干擾也會(huì)使得信息失真。因此如何克服環(huán)境因素的影響甄別出反應(yīng)結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的信息還需要進(jìn)一步研究。

    3）在大型健康監(jiān)測系統(tǒng)中，如何結(jié)合易損構(gòu)件的危險(xiǎn)性給各測試參數(shù)設(shè)定合理的預(yù)警指標(biāo)閾值是個(gè)關(guān)鍵問題，這個(gè)技術(shù)實(shí)際上涉及到整個(gè)系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)分析的精確度、數(shù)據(jù)監(jiān)測和損傷識(shí)別的準(zhǔn)確性以及橋梁管理決策的科學(xué)性。在目前已有的監(jiān)測系統(tǒng)中還沒有很好地解決這個(gè)問題。