结构健康监测在桥梁检测中的作用及应用

结构健康监测在桥梁检测中的作用及应用

刘欢1   季天宇2

陕西交控通宇交通研究有限公司  陕西西安  710118

摘要：研究先概述结构健康监测技术的定义与原理与主要方法（包括激励响应法、振动分析法、图像处理技术等），然后从实时监测系统、数据处理与分析两个重要角度切入分析结构健康监测在桥梁检测中的应用，旨在为桥梁检测工作指明方向，实现准确的结构健康监测结果，保障桥梁工程的高质量建设和安全使用。

关键词：结构健康监测；桥梁检测；作用

桥梁作为重要的基础设施，在日常使用中承受着各种外部因素的影响，可能出现诸如结构疲劳、裂缝等问题，若不及时检测和维护，会对桥梁的安全性和稳定性造成威胁。因此，探讨结构健康监测技术在桥梁检测中的重要性和应用路径变得尤为关键。

本研究旨在深入探讨结构健康监测技术在检测和解决困扰桥梁基础设施问题中的关键作用。通过利用创新的监测系统和分析技术，结构健康监测有助于实时评估桥梁状况，从而能够及时采取干预措施，防止灾难性故障。基于这一探索，旨在加深对结构健康监测技术及其在桥梁检测中的应用价值和策略的认识，最终为建设更具弹性和可持续性的桥梁工程铺平道路。

1.结构健康监测技术概述

结构健康监测包含一套旨在持续评估和跟踪基础设施状况的技术。结构健康监测的核心原理是检测与预期结构行为的偏差，表明潜在的损坏或恶化情况。通过集成传感器、数据采集系统和分析工具，结构健康监测使工程师能够实时监控关键结构参数，从而促进缺陷的早期检测和主动维护。

激励响应方法是结构健康监测中的一项基本技术，涉及对结构施加受控载荷或振动并分析其动态响应。该方法可以识别结构刚度、阻尼和固有频率的变化，这些变化可以表明损坏或异常的存在，这种方法的核心是通过施加已知形式的激励，如力或振动，并测量结构的响应，如位移、速度和加速度，从而推断出结构的动态特性。

振动分析是结构健康监测中采用的另一种重要方法，利用传感器来测量结构对环境或诱发振动的动态响应。通过分析频率、振幅和相位特性，工程师可以深入了解结构完整性并检测裂缝或变形等异常情况。

此外，图像处理技术在结构健康监测中发挥着重要作用，利用摄像机或其他成像设备捕获的视觉数据来识别表面裂纹、腐蚀或其他可见的恶化迹象。通过整合这些方法，结构健康监测提供了一个全面的工具包，用于评估关键基础设施资产的运行状况和性能。

2.桥梁结构损伤与监测需求

随着时间的推移，桥梁会遭受各种结构损伤，可能会损害其完整性和安全性。最常见的损坏形式包括疲劳、裂纹和腐蚀。

由于重复的加载和卸载循环而发生疲劳，导致桥梁材料逐渐弱化。疲劳、超载或环境因素可能会导致裂缝的产生，对结构稳定性构成重大威胁。腐蚀通常因暴露在湿气和除冰盐中而加剧，会削弱钢铁和混凝土构件的强度，加速老化。

为了应对这些挑战，可以使用结构健康监测技术确保桥梁结构的安全性和稳定性。传统的检查方法，例如目视评估或定期手动测试，可能无法总能捕获损坏的早期迹象或提供对结构健康状况的实时洞察。结构健康监测能够持续监控关键参数，从而及早发现异常情况和潜在危险。通过利用传感器数据和高级分析，结构健康监测系统可以检测结构行为的变化，识别损坏的发生和进展，并触发及时的维护干预，保障公共安全，延长桥梁工程的使用寿命，降低维修成本，减少对交通网络的干扰。

3.结构健康监测在桥梁检测中的应用

3.1实时监测系统

建立桥梁实时监控系统旨在确保这些关键基础设施的安全性和使用寿命，该系统集成了各种传感器、数据采集设备和分析工具，持续评估桥梁结构的健康状况。

首先，传感器的选择和放置是构建有效监控系统的关键考虑因素。传感器可能包括加速计、应变计、位移传感器和腐蚀传感器，战略性地放置在整个桥梁上以捕获相关的结构参数[1]。这些传感器通常连接到中央数据采集单元，该单元实时收集和处理数据。

一旦传感器就位，下一步就是实施数据传输机制，将信息从传感器中继到中央监控站。这可以使用有线或无线通信网络来实现，具体取决于桥梁的位置、可达性和环境条件等因素。 Wi-Fi、蓝牙或蜂窝网络等无线技术提供灵活性和可扩展性，即使在偏远或难以到达的位置也可以远程监控桥梁。

实时监控系统的核心是数据处理和分析组件。使用先进的算法处理和分析从桥梁收集的原始传感器数据，以提取有关结构健康状况的有意义的见解，这涉及信息过滤、信号处理和特征提取技术来识别指示损坏或恶化的模式。

3.2数据处理与分析

数据处理和分析是利用结构健康监测技术早发现和解决桥梁问题的关键方面。采用各种方法和技术来解释从安装在桥梁结构上的传感器收集的数据。

一种主要方法涉及利用信号处理技术来分析原始传感器数据。应用滤波、傅里叶变换和小波分析等信号处理方法从传感器信号中提取有意义的信息[2]。过滤技术有助于消除噪声和伪影，确保仅分析相关数据。傅里叶变换有助于将信号分解为频率分量，从而能够识别与结构健康指标相关的特征频率。小波分析可以定位数据中的瞬态事件或异常，有助于检测结构行为的突然变化。

此外，统计分析在识别监测数据的模式和趋势方面发挥着重要作用。采用回归分析、假设检验和时间序列分析等统计方法来评估观察到的与预期行为偏差的统计显著性。通过分析随时间变化的趋势，工程师可以检测表明桥梁结构恶化或损坏的状况。

此外，先进的机器学习算法越来越多地被用来分析监测数据并预测未来的结构行为。监督学习、无监督学习和深度学习等机器学习技术可以识别数据中的复杂模式和相关性，从而能够更准确地预测结构健康状况并及早发现异常[3]。

通过集成这些数据处理和分析方法，结构健康监测系统可以为工程师提供及时、可操作的桥梁结构健康状况洞察，促进主动维护并确保这些关键基础设施资产的长期安全性和可靠性。

总体而言，结构健康监测在桥梁检测中的应用在早期检测、主动维护和提高安全性方面提供重要支持力。通过建立实时监测系统并实施先进的数据处理和分析技术，工程师可以有效监测桥梁结构的健康状况，并及时采取措施减轻潜在风险，延长桥梁工程的使用寿命，保障交通运营的安全性和持续性。

结束语：

总之，这项研究强调了结构健康监测技术在确保桥梁结构的安全性和寿命方面的重要价值。通过提供对结构完整性的实时洞察以及检测疲劳、裂纹和腐蚀等早期损坏迹象，结构健康监测推动实现主动维护策略，从而增强公共安全和基础设施的恢复能力。

展望未来，基于桥梁检测的结构健康监测研究有望取得重大进展，这包括整合人工智能和机器学习等新兴技术，以实现更准确、更高效的数据分析，以及开发能够在无需人工干预的情况下持续评估的自主监控系统。此外，人们越来越重视使用遥感和无线传感器网络来扩大监测覆盖范围并提高对关键基础设施数据的可访问性。通过采用这些进步，结构健康管理技术有望改变桥梁维护工作模式，为更安全、更可持续的交通网络构建做出贡献。

参考文献：

[1]黄学漾.中小跨径斜拉桥健康监测系统设计及应用[J].福建建设科技,2023(6):105-109.

[2]张胜卓.桥梁，隧道的“移动医生”桥隧坡一体化动态监测及数字化管养技术研究及应用[J].中国公路,2015(07):110-111.

[3]伊廷华,郑旭,杨东辉,等.中小跨径桥梁结构健康监测系统轻量化设计方法[J].振动工程学报,2023,36(2):458-466.