本文根據橋梁結構健康監測係統必須能進行實時監測這一點，強調了動測法和（hé）識（shí）別累積損傷是橋梁（liáng）結構健（jiàn）康監測係統的關鍵技術。並（bìng）指出（chū）國內研究橋梁結構健康（kāng）監測係（xì）統關鍵技術的（de）人少，卻又設計、建造不少不（bú）能用的‘橋梁結（jié）構健康監測係統（tǒng）’，導致橋梁（liáng）結構健康監測係統的名聲變壞。本文探（tàn）討了其中的原（yuán）因。本文還討論了橋梁（liáng）結構健康監測係統中的（de）模態識別和（hé）損傷識別的特殊性，實時監測（cè）與封橋試驗的區（qū）別，和橋梁結構健康監測係統與人工檢查及橋梁管理係統的關係，並指出傳感器最優布點對橋梁結構健康監測係統的重要性，GPS在橋梁結構健康監測係統中的局限性，以及橋梁結構健康（kāng）監測係（xì）統完（wán）工（gōng）時真正的（de）工作才剛剛開始。最後，本文指出：目前迫切需要精選少量有代表性的特大橋建造高質量的橋梁結構（gòu）健康監測係統，而應當（dāng）停止盲目建造廉價的‘橋梁結構健（jiàn）康監測係（xì）統’。
1  前言
由（yóu）於我國橋梁損壞事故頻繁，國內近年來出現了建造橋梁結（jié）構健康監測係統的熱潮（cháo）。對在刊物上發表橋梁結構健康監測係統的（de）論文來說，幾年前就已進入報告研究成果的階段[1]，這兩年（nián）還發表國外文獻述評，反映出這些作者在國內本領域的落後狀態。但目前橋梁結構健（jiàn）康監測係統在國外（wài）還（hái）隻（zhī）是處於研究階段，涉（shè）及的偏於基礎性的（de）技術（shù）問題很多，也很難，許（xǔ）多關（guān）鍵問題遠沒有解決[1]。因此，國外還沒有形成成（chéng）熟的技術，所以國外（wài）也還沒有建成真正意義上的橋梁結構健（jiàn）康監測係（xì）統，國外大（dà）跨橋的結構健康仍然要靠人（rén）工檢查維護。雖然大跨橋本身已經有了成熟的設計施工技術，但是橋梁結構健康監測係統並沒有。國（guó）內在健康監測（cè）係統核心技術，特別是損（sǔn）傷識別的（de）研（yán）究方麵與國外（wài）差距較大。而且在建造這種係統方麵又形成一種狀態：主管橋梁結構健康監測係統的班子不了解橋梁（liáng）結構健康監測係統基本概念，也不知道橋梁結構健康監測係統涉及哪些技術，更不知道國內外哪些（xiē）單位掌握這些（xiē）技術；而做了深入研究的（de）班子沒機（jī）會參與設計橋梁結構健（jiàn）康監測係統；國外許多大學（xué）和公司發表了大量研究論文和報告，但被選擇承擔江陰橋橋梁結構健康監測係統的（de）英國Strainstall公司，卻從來沒在橋梁結構健康監測領域發表（biǎo）過任何有點分量的研究成果，顯（xiǎn）然，選擇這家（jiā）公司設計建造這（zhè）個係統是個（gè）錯誤。上述現狀的結果是：1, 我國第（dì）一個橋梁（liáng）結構健康（kāng）監測係統——江陰橋橋梁結構健康監測（cè）係統——基（jī）本上是個垃圾係統；2, 包括江陰橋在內的幾座橋的橋梁結（jié）構健康監測係統建成幾年來沒產（chǎn）生（shēng）一條對橋梁設計、管理（lǐ）有用的數據，也（yě）沒有一（yī）份像樣的監測報告，更不用提損傷識別（bié）了；3, 分擔提供元器件和安（ān）裝橋梁結構健康監測係統線路的單位，對一些國內設計所謂的‘橋梁結構健康監測（cè）係統’的班子的評價（jià）是‘一群騙子’；4, 鑒於國（guó）內已建成（chéng）的‘橋梁結構健康監測係統’的（de）這種狀態，國（guó）內一些（xiē）真正關心橋（qiáo）梁結構安全的人士反對安裝這（zhè）類垃圾係統。
鑒於（yú）上述情（qíng）況，有必要對橋梁結構健康監測係統正名，使我國這一（yī）領域的（de）研究、建（jiàn）設盡早走入正軌。此外（wài），損（sǔn）傷識別的目的是剩餘承載力評定。這個重要問（wèn）題涉（shè）及：精確分（fèn）析模型，包括二維（wéi）和三維有限單元的應用，和結構（gòu）可靠度理論的應用。由於篇幅的（de）限製，作者將另文專門討論這個問題。
2  橋梁結（jié）構健（jiàn）康監測係統核心問題（tí）：識別累積損傷
橋梁結構損傷可以分為兩類（lèi）：突發事件（強烈地震、爆炸、撞船等）引起的損傷，和逐漸發展的累（lèi）積損傷。前者的發生時間甚至損傷（shāng）位置是已知的，因此可以立即臨時封橋（qiáo），在有限時間內完成檢查（chá）、維修和（hé）加固，而封橋狀態下的損傷檢查是成熟的常規技術，我（wǒ）國已經做（zuò）了（le）幾十年，沒有什麽根本性的困難（盡管技術上有發展的餘地）。累積損傷則不然（rán），累積損傷的初期並不危及（jí）安全，發展到一定程度後橋梁結構的（de）抗力降低到一定限值，就會引起（qǐ）重（chóng）大事故，我國近幾年的塌橋事故多屬於（yú）這種損傷。但事先不可（kě）能知（zhī）道在什麽時候抗力降低到某個限值，而橋梁結構在露（lù）天工作，並承受疲勞荷（hé）載，所以累積損傷（疲（pí）勞、鏽蝕）是橋梁的重要（yào）損傷形式。如果用（yòng）封（fēng）橋檢查的辦法（fǎ）對付累積損傷，則橋梁永遠處於（yú）封（fēng）橋狀態，根本不能用。對付累積損傷的傳統辦法是人工檢查。對普通橋梁，全橋人工檢查的（de）周期不會太長，人工檢查有把握保（bǎo）證橋梁的安（ān）全。但對特大橋，全橋人工檢查的周期長（zhǎng）達十年以（yǐ）上（美國金門橋用（yòng）先進設備噴漆（qī），一個周期（qī）要一年，我國武漢長（zhǎng）江大橋人工塗漆，一個周期要三年（nián），損傷檢查（chá）要比噴（pēn）漆困難得多（duō），全橋檢查的周期也要（yào）長得多），因此難以保證（zhèng）橋（qiáo）梁（liáng）結（jié）構的安全。用橋梁結構健康監（jiān）測係統對橋梁進行實時監（jiān）測正是在這個前提下提出的。因此，橋梁結（jié）構健康監測係統首先是針對（duì）特大橋，其（qí）次其核（hé）心任務是在正常交（jiāo）通狀態下連續地（dì）識別緩慢發展的累積損傷。
橋梁結構健康監測係統長期監測累積損傷時，有兩個要（yào）求：一是絲毫不能影響正常交通，否則與封橋試驗無異，二是盡可（kě）能在早期（qī）就測出累積損傷。這兩個要求（qiú）既限製了橋梁結構健康監測係統的（de）測試方法，也使（shǐ）橋梁結（jié）構健康監（jiān）測係統的損（sǔn）傷識（shí）別成為當今（jīn）國（guó）際上的重大難題。第一個要求導致根本不能用（yòng）靜力法進（jìn）行測試（shì），因（yīn）為一方麵任何靜力荷載都（dōu）會減少橋梁支（zhī）承交通荷載的能力，另一方麵，通車時橋梁結構的（de）形狀（zhuàng）在不斷變化，不存在（zài）靜（jìng）止的變形。這樣，橋梁結（jié）構（gòu）健康監測係統不得不采用（yòng）動測，但第一個要求（qiú）對動測也有嚴格的限製：不（bú）能用有加載裝置（激振器）的動測（例如航空航天器常用的多種高（gāo）精（jīng）度的MIMO、SIMO法），因為特大（dà）橋的大質量要求巨大的激振器，這不可能不影響交通。這迫使橋梁結構健（jiàn）康監測（cè）係統不得不采用脈動測試。由（yóu）於特大橋不可能（néng）進行實驗室試驗，隻能進行現場試驗，所以幹擾大，精度差。特大（dà）橋脈動激振力不可測，地脈動作用在基礎，脈（mò）動風則作（zuò）用在全橋每點的所有方向。最大的脈動激振力來自車（chē）輛，豎向激振力（lì）作（zuò）用在每個（gè）行駛中的車（chē）輪，橫橋向激振力來（lái）自變換車（chē）道的（de）車輪，順橋向激振力來自加速或減（jiǎn）速（sù）的車（chē）輪，它們時刻（kè）在變（biàn），有極強的隨機性。於是，不使用輸入數據，隻靠輸出數據的脈動測（cè）試精度（dù）自然低於有輸入的測試。
第二個要求形成了橋梁結構健康監測係統（tǒng）的關鍵技術。現有的最先進的動測法也隻勉強能測出剛度（dù）變化20％以上的損傷，這是完全不夠（gòu）的。提高動測探（tàn）傷的靈敏度成為國（guó）際前沿難（nán）題，涉及模態識別、損傷識別、計算機軟硬件技術、光（guāng）和電子技術的（de）多領域的問題（tí），近期內不大可能（néng）完全解決。
總之，識別突發損傷容易，識別累積損傷難，在正（zhèng）常交通狀態下識別累積損傷（shāng）難上加難。
3  橋梁結構健康監（jiān）測係統和人工檢查和橋梁管理（lǐ）係統的關係
傳統上探測橋梁結（jié）構損傷靠人工檢查，但由（yóu）於對特大橋（qiáo）人工檢查太慢，所以想出了用先進的計算機技術和測試技術組成橋梁結構健康監測係統來（lái）改進人（rén）工檢查。但由於目前（qián）自動（dòng）損傷識別的靈敏度太低，結構健康監測係統遠（yuǎn）不能取（qǔ）代人工檢查。所以，即使安（ān）裝了橋梁結構健康監測係統的橋，也仍然需要嚴密的人（rén）工檢查。我國現（xiàn）行人工檢查技術還不能適應（yīng）特大橋的需要，比如各類（lèi）鋼結構構件的損（sǔn）傷檢查還沒有可行（háng）的標準（zhǔn）。因此，發展和建立適合（hé）我國的特大橋人工檢查製度體係比建造橋梁結構健康（kāng）監測係統更重要，這包括各級別的檢查（日常檢查、主要檢查、重點檢查、全麵檢查）的內容、手（shǒu）段、檢查表格、評分標準、時間間隔等。也就是說，需要一個完整的特大橋的橋梁管理係統（BMS）。這個係統（tǒng）應能歸納（nà）結構退化模（mó）型，歸（guī）納各類維修費用模型，並（bìng）優化檢（jiǎn）修製度[2,3,4,5]。如果說 BMS是用計（jì）算（suàn）機技術提升橋梁管理技術水平的第一個層次（cì），則結構健康監測係統則是在更高層次上提升橋梁（liáng）管（guǎn）理的技術水（shuǐ）平。
4  實時監（jiān）測與封橋（qiáo）試驗及成橋驗收試驗的區別
由於（yú）特大橋橋梁（liáng）結構健（jiàn）康監測係統隻（zhī）能靠實時監測，因此其方法與必須在封橋狀態下工作的橋梁（liáng）檢查和成橋驗收試（shì）驗根本（běn）不同。後者主要靠靜力加載試驗，而橋梁結構健康監測係統（tǒng）隻能靠（kào）動測。動測不（bú）但所用設備根本不同，考慮因（yīn）素不同（如采樣率、頻帶寬度等），而且需要複雜（zá）的結構動力學知識。特別是由於（yú）脈動測試精（jīng）度差，所以（yǐ）需要（yào）特殊（shū）的模態識別和損傷識別技術，這種技術在理論（lùn）上的難度（dù）遠甚於以結構抗震為目的的結構動力學。此外封橋狀態下工作的橋梁檢查和成橋驗收試驗的設備和線路（lù）都是一次性的，不必（bì）考慮穩定性和耐久性，但設備（bèi）和線路的穩定性和耐久性對橋梁結構健康（kāng）監測係統卻是非（fēi）常重要的。
目前國內一些設計（jì）橋梁結構健康監測係統的人總在靠靜力測試，這一（yī）方麵反映他們對橋（qiáo）梁結（jié）構健康（kāng）監測係統沒有真正的認識，另一方麵反映他們缺（quē）少結構動力學的知識。
5  模態識別和損傷識別
橋梁結（jié）構健康監測係統用動測進行損傷識別一般分兩步：先進行模態識別，然後進行損傷識別。此外，由於模態參數與環境之（zhī）間有密切關係，所以橋梁結構健康監測係統也應當具備環境測試功能，特別是（shì）異常荷載（zǎi）的報警功能，但這些方麵要比自動損傷識別容易得多（duō）。
5．1 模態識別
由於纜索（suǒ）支（zhī）承（chéng）橋梁固有的非（fēi）線性和非經典阻尼性質，以及脈動法輸入的非平穩性和非白噪聲性質，目前我國橋梁測試界普遍采用的頻域識別（FRF函數（shù）法）法精度太差。多種時域識別法有更高的精度和效率，如RD函數法、ERA法等[6,7]。但這些方法對使用者有很高的理論要求。這些方法識別出的模態參數的誤差分析，在國際上（shàng）還（hái）是空白（bái）。我國橋梁工程界在模態識別方麵與國際差距更大，迄今國內連起碼的橋梁動力試驗的標準都沒有，關於需要（yào）多少個測點（diǎn）、需要測多少階模態、要不要與分析模型的結果對比、滿足什麽條件的模態參數才是合乎要求的，以及對阻尼分布不均勻的橋（qiáo）梁要不（bú）要測複（fù）振型等全無規定。這個狀態距離設計橋梁結構健康監測係統的要求甚遠。
5．2 損傷識別（bié）
大量研（yán）究證明（míng）：直接用自振頻率或振型識別損傷是失敗的，因為（wéi）兩者對損傷不敏感。人們進而發現：把它們（men）加以處理，組成各類（lèi）損傷識（shí）別指標（biāo）（結構指紋）則（zé）會顯著提高對損傷的靈敏度（dù）。目前發現的比（bǐ）較靈敏的損（sǔn）傷識別指標（biāo）是模態柔度矩（jǔ）陣、曲率模態、模態應變（biàn）能比等[8,9]，它們比自振（zhèn）頻率或（huò）振型靈敏20－400倍，但目前仍不夠靈敏。
靜力損傷（shāng）識別法（fǎ）有時使用反分析來識別損（sǔn）傷，用測得的變（biàn）形和荷載確（què）定剛度矩陣中的係數。但由於其（qí）方程數少（shǎo）於未知量數，屬於不適定問題，需要使用優化條件（某個量最小），而這個條件沒有物理意義。由於這個（gè）方法理論（lùn）上沒有真解，所以永遠不知（zhī）道誤差多大。用在動力問題上（shàng）問題就更大了（le）。
國內近來熱衷於ANN法，實際上這個方法從來沒有解決過（guò）一個實際損傷識別問題。一（yī）個ANN的能力取決於（yú）其訓（xùn）練（liàn）樣本，樣本的質量完全限製了ANN的（de）解題能力（lì）。我國目前的研（yán）究完全用有限元分析（xī）模型來訓練ANN。而越是（shì）精細的分析模型，問題就越多。工（gōng）程經驗表明：凡是分析模型準（zhǔn）確的構件都（dōu）不會出現問題，分析模型中越（yuè）是不準確的部（bù）位，越可能發生問題。所（suǒ）以用有限元分析模型訓練的ANN在損（sǔn）傷識別方麵基本上是廢物。於是，我國目前的（de）ANN研究隻集中（zhōng）於改變神經（jīng）元層數（shù）、改變神經元節點數，調整（zhěng）權（quán）重係數，調整傳輸係數。這些都是四（sì）則運算，屬於小學生（shēng）能做的事。這可能是ANN對那麽多人（rén）有吸引力的原因。而（ér）如（rú）何采集實（shí）際有損橋梁反應的樣本、采（cǎi）集的樣本量多大才夠、采集的代價多大、需要采集多長時間、以及采集到樣本的可能性（xìng），卻沒有（yǒu）人討論。這反映研究者的目的不是在應用，而是為發表（biǎo）論文。這種（zhǒng）論文大（dà）量發表就形成泡沫科（kē）技。
總之，目前最靠（kào）得住的損傷識別方法還是損傷（shāng）識別指標這個方法。但它也（yě）有根本（běn）性的矛盾：模態反應剛度（dù），是力－變形曲線的斜（xié）率，但結構安全性與強（qiáng）度直接相關，強度（dù）則對應力變形曲線的最大值。裂縫集中在幾點，對（duì）一根構件（jiàn）的（de）總剛度（dù）影響小，鏽蝕則分布在較大（dà）的（de）一片，對剛（gāng）度影響較大，因此，用基於模態參數的損傷識（shí）別指標識別（bié）鏽蝕損傷要（yào）比（bǐ）裂（liè）縫損（sǔn）傷靈敏些。根本上說，不懂動測、不懂（dǒng）損傷識別的人不可能設計出真正的橋梁結構健康監測係統。
6  傳感器最優布點問題（tí）
特大橋構件多，自（zì）由度多。有（yǒu）限（xiàn）元（yuán）分析模型往往有成千上（shàng）萬個自由度。橋梁結構健康監測係統需要高質量（liàng）的（de）傳感器，有限的經費不容（róng）許安（ān）裝這麽多個傳感（gǎn）器。於是所測的振型是不完全振（zhèn）型，用不完全振型建立的損傷識別（bié）指標也是不完全指（zhǐ）標。於是需要研究怎樣用這些不完全（quán）指標有效地識別損傷。這就是傳（chuán）感器（qì）最優布點問題——最高效率地使用有限的傳感器[10]。盡管國外有大量（liàng）這方麵的論（lùn）文（wén），但目前國內外特大橋橋梁結構健康監測係統的傳感器布點全（quán）沒有（yǒu）經過優化。
7  GPS的問題
近來我國在橋梁結構健康監測係統方麵興起了GPS熱。GPS的優點（diǎn）是：可（kě）測量（liàng）大範圍絕對位移；在大霧、暴雨中可工作。但缺點是低靈敏度，和低采樣率（隻能測低頻分量，測不出塔墩振（zhèn）型），和高成本（測點少，測不出振型）。GPS目前的性能：靜態靈敏度：±1mm，采樣率1 Hz; 動態靈敏度：水平（píng）±5mm,  豎向±10mm，最高采樣率20Hz, 國外可達50Hz，但對華禁運。
GPS的這些限（xiàn）製導致它不能測非振幅點，也不能測高於20 Hz發振動（dòng）分量。一個振型是由振（zhèn）幅點、非振幅點和節點組成的，脈動（dòng）振型振幅（fú）小，非（fēi）振幅點位移更小，因此GPS是測不出振型的。所以不可能用來進行損傷識別。既便測出了最大位移幅（fú），也不知道有沒有損傷，又說明什麽？至多在位移超過一個限值時可以報警（jǐng）。過分（fèn）注重（chóng）GPS也是一部分人（rén）靜力學思維的結果。
8  橋梁結構健康監測係統建成後的專業管理維護、研究班子，
橋梁結構健康（kāng）監測係統在現場工作，環境惡劣，光電設備使用壽命本來就（jiù）比結構構件短，因此不但必須（xū）使用高（gāo）性能、高質量的元器件，還要考（kǎo）慮備用元器（qì）件（jiàn），和維修更換容易。所以造價會很高。花這樣多的錢，特大橋值得（dé），普通橋根本不值得（dé）。試（shì）圖建造低價橋梁結構健康監測係統（tǒng）就是白扔錢。在（zài）目前階段我國不宜普遍建造橋梁結構健康監測係統，但精選個別幾座代表性的大橋建造高質（zhì）量的（de）橋梁結構健康監測係統卻是必要的。因為它們（men）提供了高水平的研究試驗平台。因為由於（yú）研究經費的限製，我國有關研究連（lián）模型（xíng）試（shì）驗都做不起。這極（jí）大地阻礙著我國橋梁結構健康監測係統的研究進（jìn）展。一座大橋的風洞模型試驗尚且要幾百萬，而且（qiě）其結果與實際的出入還（hái）很大。有了高質量的（de）橋（qiáo）梁結構健康（kāng）監測（cè）係統，就可以隨時做足尺全橋試驗，從而大大加速我國橋梁結構健康（kāng）監測（cè）係統整個領域的研（yán）究。但有兩點要注（zhù）意：
一是一個橋梁結構健康監測係統的（de）建成並非工作的結束。這個（gè）係統（tǒng）老化速度高於（yú）橋梁結構的老化速度，因此需要一支受過專業訓練（liàn）的維護隊伍，而且還需要一支數據處理和研究數據並發現問題的研究隊伍。這需要長期的經費支（zhī）持。沒有（yǒu）這兩支隊伍，建成的橋梁結構健康監測係統終成廢物。
二是橋梁結構（gòu）健康監測係統應當設計成開放（fàng）式（無終端）係統，以便於隨時更新硬件和軟件。
9  結論
橋梁結構健康監測（cè）係統必須能進行實時監（jiān）測，與封橋試驗有根本不（bú）同，因此靜力試驗法根本不能用於橋梁結構健康監測（cè）係統。於是動（dòng）測法和識別累積損傷是橋梁結構健康監測係統的關鍵技術。國內對（duì）橋梁結構健（jiàn）康監（jiān）測係統關鍵技術的研究少，卻又（yòu）設計、建造（zào）不少‘橋梁結構健康監測係統’，而這些橋（qiáo）梁結構健康監測係統根本不能用。橋梁結（jié）構健康（kāng）監測係統中的模態識別不得不用精度差但不需輸入的脈動法。目前損傷識別指標相對更適（shì）合橋梁結構健康監測係統的損傷識（shí）別。目（mù）前橋梁結構健康監測係統技術水平還不能取代人工檢查（chá）。安裝（zhuāng）了橋梁結構健康監測係統的橋梁仍然需要人工檢查。我國迫切需要完善特大橋的人工檢查標準，及相應的橋梁管理係（xì）統。傳感器最優布點對橋梁結構健（jiàn）康監測係統十分重要，GPS在橋（qiáo）梁結構健（jiàn）康（kāng）監測係統中有局限性。橋梁結構（gòu）健康監測係統完工時真正的（de）研究工作才剛剛開始。目前迫切需要精選少量有代表性的特大橋建造高質量的（de）橋梁結（jié）構健康監測係統，而應當停（tíng）止盲目建造廉價的‘橋梁結構健康監測係統’。