桥梁的结构安全之隐患

重庆作为山城，巫山与武陵山山峰连绵、缙云与铜锣沟壑纵横；重庆作为江城，长江与嘉陵江两江环抱、乌江与涪江穿城而过。山城与江城融合的重庆，出门要爬坡上坎、外出要穿沟过江，桥梁就成了重庆交通的必然选择，造就了重庆桥梁数量多、种类全、技术新、奇迹多的格局。伴随着经济的飞速发展，重庆的交通流量呈爆炸式增长，使作为交通咽喉的桥梁承受着越来越大的压力，几乎所有的桥梁都严重饱和、超过设计通行极限，引发了桥梁的结构安全问题。而这个问题不仅是重庆的，更是一个全国性、全球性的问题。

改革开放40多年来，我国桥梁建设的数量之多、类型之全、跨径之大、速度之快举世瞩目，创造出一项项桥梁建设的世界纪录。但受当时的建设质量控制与科学管理水平限制，遗留了一些先天的质量缺陷。另一方面，我国汽车工业的迅速发展，使汽车保有量的增加远远超过了交通建设与规划速度，使桥梁承受的交通流量迅速超过其设计极限，部分城市主干道桥梁的实际交通流量有的甚至超过设计极限的20倍，桥梁超负荷、超限运行成为常态，这使桥梁不堪重负、性能严重退化、寿命大为缩减，导致桥梁垮塌事故频繁发生，仅2001～2011的十年间就发生40余起桥毁人亡的特大恶性垮塌事故。此外，我国目前的城市、公路、铁路等桥梁100余万座中，存在不同程度的结构性缺陷与功能性蜕化的几乎接近1/3，因此随时掌握这些桥梁的蜕化情况、准确评估它们的安全性，就成了保证桥梁结构安全、避免恶性垮塌事故的基本手段。

欧美等西方发达国家也存在类似问题，如美国现有70余万座公路桥梁，其中一半以上已经超过50年的设计使用年限，每年用于桥梁维修的费用超过50亿美元，但是近年来桥梁垮塌事故仍然不断，2000～2008年发生桥梁倒塌的恶性事故就有16起。因此如何确保桥梁运行的结构安全，已经成为美国各级政府的一大心病。

桥梁的结构安全之梦想

为了确保桥梁结构安全、避免恶性垮塌事故，就必须全面掌握桥梁的性能蜕化情况、准确评估它们的安全性，因此各国都加大了对桥梁的检查与维护力度，投入的资金越来越多，与检查的频度越来越高，使得桥梁的常规检查技术越来越成熟与规范。

桥梁的常规检查，是对桥梁进行的一种定期“体检”，其方法及过程与人的定期体检类似。人的定期体检是需要打断正常的工作与生活秩序到医院去，并在空腹、脱衣等条件下，用透视、超声、生化等仪器，获取人的相关生理参数，最终通过与正常指标的比较而完成体检的。

桥梁的常规检查则需要封闭桥梁、阻断交通，在桥梁的各个关键部位安装上应变、变形、振动等不同类型的测量仪器，然后将不同大小的荷载施加到桥梁的不同位置处，并同步测量其加载前后不同工况条件下的动静态结构参数及其变化，最后将这些实际数据与理论计算结果进行对比，从而完成结构的安全性以及残余寿命的评估。这个过程少则需要10数小时，多则需要数十小时，且测量工作的劳动强度大、效率低，面对如此众多的桥梁，桥梁管理部门不管如何加大投入、疲于奔命，也难以保证所有桥梁都能获得定期检查，更不能保证危桥、病桥在病情加重前能够获得及时的检查与诊治。

此外，由于实际桥梁的数量众多而管理部门的人手有限，不得不增加人力、物力、财力的投入，加班加点，终年忙碌。但即使大幅增加了桥梁的维护检测费用也仍然无法满足规定的检查频度与要求，导致每座桥定期检查的时间间隔太长、获得的数据量有限、结果受人为因素影响较大，因此极易发生对重大事故隐患的误诊与漏诊。最典型的漏诊案例如我国的重庆綦江彩虹桥、美国的明尼阿波利斯市州际公路桥。1999年1月4日，重庆市綦江彩虹桥整体垮塌，导致54人落水、40人死亡；2007年8月1日，美国明尼苏达州明尼阿波利斯市州际公路桥垮塌，造成50辆车坠河、9人死亡、数十人受伤。而这两座桥在发生恶性垮塌事故之前不久，都是通过了常规检查的。

因此各国桥梁界都有一个共同的梦想：让桥梁具有感观，能够自动感觉结构的工作状态；让桥梁具有大脑，能主动诊断自身的异常；让桥梁具有神经，能及时预警自身的危险。如果这个梦想能够成真，就能弥补桥梁现有常规定期检查的不足、提高突发恶性事故预报的准确率，才可能从根本上避免桥梁突发性恶性垮塌事故。

桥梁的结构安全之希望

承载着桥梁工程界的美好梦想，桥梁结构安全监测技术应运而生。

如图1所示，桥梁的结构安全监测技术，是通过光纤光栅解调仪监测系统，利用各种先进的传感器，通过植入到桥梁结构的关键部位方式、从传感器直接获取桥梁结构的状态信息，反馈到光纤光栅解调仪监测系统；利用现代通信与网络技术，通过远程传输方式、将桥梁结构的状态信息传送到桥梁管理部门；它利用结构工程与软件工程技术，通过大数据技术、实现桥梁结构状态数据的智能处理及结构安全的自动预警。因此，它是信息技术与结构工程技术融合的前沿技术，一旦这个梦想能够实现，就能够实现桥梁结构状态参数的在线、实时、全天候自动监测；就可以使桥梁管理者不用到现场，不用再每天加班加点、疲于奔命，也不用再封闭桥梁、阻止桥梁的正常通行；桥梁管理者足不出户，就可在管理中心随时了解桥梁的运行状况，就可全面了解桥梁的结构衰变情况。

有了光纤光栅解调仪监测这个技术，桥梁使用者就可以随时掌握桥梁的结构状态，可能及时发现桥梁的事故隐患与先兆，避免重大恶性垮塌事故。更为重要的是，当桥梁维护者通过光纤光栅解调仪结构安全监测系统发现桥梁的承载特性从F0(t)衰变为F1(t)、其使用寿命可能从设计寿命t设计缩短为实际寿命t衰减 时，就可以及时对受损桥梁进行科学维护保养，消除早期的微小隐患、避免其发展为重大的结构失效，并通过科学的加固技术，使桥梁的承载特性提升为F2(t)、从而使其用寿命延长至t延寿，因而能大大节省桥梁的养护与重建费用。

此外，基于光纤光栅解调仪监测技术，桥梁设计与建设者可以构建桥梁结构的真实试验场，利用实际的桥梁结构数据，对桥梁的新设计、新结构、新材料、新工艺进行验证，并改进与提升桥梁的设计与制造技术，降低桥梁的建设成本。

因此，光纤光栅解调仪监测系统的桥梁结构安全监测技术，是桥梁与土木工程界一个革命性技术，既能够提高桥梁结构的运行安全性，延长桥梁的使用寿命，降低桥梁的维护保养费用；又能够提高桥梁的设计与建设水平，降低桥梁的建设成本。

要实现这个目标、圆这个梦，就必须使桥梁具有感觉器官、中枢神经、思维大脑，而这就要求必须针对桥梁结构的特殊要求，研制开发专用传感器系统（感觉器官）、自动采集与网络传输系统（中枢神经）、数据处理与智能预警系统（思维大脑）。

针对这个目标，美国自20世纪80年代中后期开始，进行了桥梁结构安全监测技术的探索，经30多年的努力，取得重大进展，逐步在提高结构安全性、延长桥梁寿命、降低成本诸方面展现了光明的前景与未来的希望。为此，美国政府与桥梁界提出了“桥梁结构安全监测技术翻番、桥梁维护成本减半”的宏伟目标。

作为发展中大国，我国在桥梁的数量与规模方面已经跃居全球第一，而桥梁的超负荷运行情况也最为严重，因此对FBG光纤光栅解调仪桥梁结构安全监测技术的需求也最为强烈。FBG光纤光栅解调仪桥梁结构安全监测技术自20世纪90年代在国内萌芽以来，受到各界的高度重视，并依托国内众多的桥梁、极其旺盛的需求，成为全球发展最迅速、应用规模最大的国家，在国际的桥梁结构安全监测领域，是最具活力、最受瞩目的国家，已经有越来越多的大型桥梁，大中桥梁使用了这套光纤光栅解调仪监测方法。为国际桥梁结构安全，做出了值得骄傲的贡献。