橋梁在建造和使用過程中，由于受到環(huán)境、有害物質(zhì)的侵蝕，車輛、風、地震、疲勞、人為因素等外來作用，以及材料自身性能的不斷退化，導致結(jié)構(gòu)各部分在遠沒有達到設(shè)計年限前就產(chǎn)生不同程度的損傷和劣化。這些損傷如果不能及時得到檢測和維修，則會影響行車安全和縮短橋梁使用壽命。
本文首先闡述了橋梁健康監(jiān)測的概念，又介紹了傳統(tǒng)的橋梁檢測方法，同時又介紹了一種新的橋梁健康監(jiān)測技術(shù)——光纖光柵技術(shù)，并對比了它們的優(yōu)缺點，這樣就為橋梁工程的發(fā)展開辟了新的空間。
1 橋梁健康監(jiān)測的概念
橋梁健康監(jiān)測的基本內(nèi)涵是根據(jù)結(jié)構(gòu)的主要性能指標 （如可靠性、耐久性等），結(jié)合無損檢測 （NDT）和結(jié)構(gòu)特性分析（包括結(jié)構(gòu)響應），從營運狀態(tài)的結(jié)構(gòu)中獲取并處理數(shù)據(jù)，目的是為了診斷結(jié)構(gòu)中是否有損傷發(fā)生，判斷損傷的位置，估計損傷的程度以及損傷對結(jié)構(gòu)將要造成的后果。通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)測與評估，為橋梁在特殊氣候、交通條件下或橋梁運營狀況嚴重異常時觸發(fā)預警信號，為橋梁維護、維修與管理決策提供依據(jù)和指導。
橋梁健康監(jiān)測根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)安全性、適用性和耐久性評估的需要和橋梁管理、決策部門的信息需求，并結(jié)合目前國內(nèi)的實際經(jīng)濟條件及橋梁現(xiàn)場監(jiān)測條件，確定橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)中實施的監(jiān)測項目，以實用性、可靠性為基礎(chǔ)，在一定程度上兼顧其先進性，并考慮到費用一效益（cost- benefit）的關(guān)系，確定各監(jiān)測項目。
2 傳統(tǒng)橋梁檢測方法
傳統(tǒng)橋梁檢測技術(shù)是通過人工目測檢查或借助于便攜式儀器測量得到的信息對橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)進行評估。人工橋梁檢查分為經(jīng)常檢查、定期檢查和特殊檢查。但是人工橋梁檢查方法在實際應用中有很大的局限性。傳統(tǒng)檢測方式的不足之處主要表現(xiàn)在：
1）需要大量人力、物力并有諸多檢查盲點，這對現(xiàn)代大型橋梁尤其突出。
2）主觀性強，難于量化。經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，雖然現(xiàn)代斜拉橋的分析設(shè)計與施工技術(shù)已日趨完善，但對某些響應現(xiàn)象，尤其是損傷的發(fā)展過程，尚處于經(jīng)驗積累中，因此定量化的描述是很重要的。
3）缺少整體性。人工檢查以單一構(gòu)件為對象，只能提供局部的檢測和診斷信息，而不能提供整體全面的結(jié)構(gòu)健康檢測和評估信息。
4）影響正常交通運行。對于較大型的橋梁通常需要搭設(shè)觀察平臺或用觀測車輛，無可避免需要實施交通控制。
5）周期長，時效性差。大型橋梁的檢查周期可達數(shù)年。在有重大事故或嚴重自然災害的情況下，不能向決策者和公眾提供即時信息。
從上可知，人工橋梁檢查程序和設(shè)施，無法直接和有效地應用于大型橋梁的檢測上。因此有必要建立一個針對大橋的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測和評估大橋在運營期間結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和使用性等。
3 光纖光柵技術(shù)應用于橋梁監(jiān)測
光纖光柵是 20 世紀 90 年代以來國際上新興的一種在光纖通信、光纖傳感等光電子處理領(lǐng)域有著廣泛應用前景的基礎(chǔ)性光纖器件。光纖光柵是以光纖為基本材料，通過激光加工形成的一種特殊器件，能夠?qū)M足布拉格條件的光進行反射，在實際工程中，要檢測的點如果受到應變、溫度、壓力、位移和加速度等變化，波長就會改變，這樣通過檢測波長的變化就可以檢測出此點的應力狀況。進而可以判斷出被檢測物體的安全狀況。
同傳統(tǒng)的電傳感器相比，光纖光柵傳感器具有以下優(yōu)勢：
1）多個相同或不同類型的傳感器可以串接復用在一根光纖上，系統(tǒng)集成度高；
2）單根光纖上串接的傳感器間隔可以是幾厘米或幾十公里，直接實現(xiàn)遠程傳輸測量精度和分辨率高；
3）傳感器的零偏值不漂移，屬于絕對量測量，長期工作性能穩(wěn)定；
4）環(huán)境適應性好，可長期用于高溫、高濕及存在化學侵蝕等的惡劣環(huán)境；
5）重量輕，體積小， 安裝使用方便；
6）以光信號中心波長值表征被測量，不受光強波動及傳輸光纖彎曲損耗等影響。
傳感器串接鏈具有自愈合功能：正常工作時，只需將傳感串接鏈的首端或尾端接到光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀即可實現(xiàn)所有傳感器信號的同時檢測；一旦施工中的意外情況或其他災害導致傳感器串接鏈斷損， 則可以將傳感鏈的另一端也接到光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀，此時以斷點為界，左右兩側(cè)所有的傳感器分別通過串接鏈的首端和尾端連接到光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀進行檢測，實現(xiàn)自愈合。
基于光纖光柵傳感系統(tǒng)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是一個以橋梁結(jié)構(gòu)為平臺，應用新型光纖光柵傳感技術(shù)，對橋梁上關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)變形、環(huán)境溫度分布、地下水位、結(jié)構(gòu)振動等多項參數(shù)進行實時監(jiān)測的綜合監(jiān)測 系統(tǒng)，它能夠?qū)崟r監(jiān)測橋梁在各種環(huán)境、荷載等因素作用下的結(jié)構(gòu)響應，并能有效地提供橋梁養(yǎng)護管理的科學依據(jù)，顯著提高橋梁的整體管理水平，從而能夠最大限度地確保橋梁安全運營，預診斷橋梁病害和延長橋梁使用壽命。
該系統(tǒng)具有如下特點：
1）準分布式全光測量及傳輸。
光纖光柵傳感器本身為無源器件，傳感信號的感測及傳送均為光信號，因而監(jiān)測現(xiàn)場沒有電子設(shè)備，不受電磁干擾，無需做雷擊防護。
2）測試精度高且具有準確的測點空間定位能力。
光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)小巧且布設(shè)距離沒有限制，可以準確定位各測點的空間位置。實時性好，系統(tǒng)中所有監(jiān)測點的同步數(shù)據(jù)采集頻率可在毫秒級到秒級設(shè)定。
3）系統(tǒng)安裝及長期使用過程中無需定標。
光纖光柵本質(zhì)穩(wěn)定，不存在零點漂移。由于光纖光柵采用光中心波長表征物理量測量值，屬于數(shù)字量，光源的老化衰減及傳輸光纖布設(shè)、使用過程中由于彎曲、擾動而引入的光信號衰減不影響測量精度。光纖傳感分析儀無可動部件，長期使用無需標定。
4）高可靠性。
光纖傳感器和傳輸線路均為石英光纖，可在惡劣溫濕度環(huán)境保持數(shù)十年工作壽命。
4 結(jié)語
橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測不只是傳統(tǒng)的橋梁檢測技術(shù)的簡單改進，而是運用現(xiàn)代傳感與通信技術(shù)，實時監(jiān)測橋梁運營階段在各種環(huán)境條件下的結(jié)構(gòu)響應與行為，獲取反映結(jié)構(gòu)狀況和環(huán)境因素的各種信息，由此分析結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)、評估結(jié)構(gòu)的可靠性，為橋梁的管理與維護決策提供科學依據(jù)。同時，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測對于驗證與改進結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法、開發(fā)與實現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)控制技術(shù)以及深入研究大型橋梁結(jié)構(gòu)的未知問題具有重要意義。因此，健康監(jiān)測為橋梁工程的發(fā)展開辟了新的空間。
