“一橋飛架南北，天塹變通途”，橋梁對(duì)我們的基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要，橋梁和人一樣，也會(huì)有“生老病死”，它需要定期維護(hù)，以確保汽車、卡車、鐵路車輛和經(jīng)常通過(guò)它們的行人的安全。但是，許多橋梁的歷史都有30年或更長(zhǎng)了，市民有可能每天都要穿過(guò)存在結(jié)構(gòu)缺陷的橋梁。因此，只有通過(guò)科學(xué)的檢測(cè)與監(jiān)測(cè)，才能及時(shí)、準(zhǔn)確掌握橋梁技術(shù)狀態(tài)，保證其安全健康。

先看一組數(shù)據(jù)

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)橋梁建設(shè)取得了飛速發(fā)展，橋梁數(shù)量在2011年便已超過(guò)美國(guó)，成為世界**橋梁大國(guó)。1990年至2018年間，我國(guó)新增橋梁總數(shù)占全世界的47%，年均新增公路橋梁2.57萬(wàn)座。目前，我國(guó)已有超過(guò)87萬(wàn)座公路橋梁，超過(guò)20萬(wàn)座鐵路橋梁。

隨著蘇通長(zhǎng)江公路大橋、港珠澳大橋等一批**橋梁的建成，在跨徑排名世界前十的斜拉橋、懸索橋中，我國(guó)已“霸占”了一半以上的席位。在日新月異的橋梁建設(shè)發(fā)展進(jìn)程中，有以下四個(gè)問(wèn)題值得我們?nèi)ニ伎肌?/span>

橋梁傷病不得不防輕則“減壽”重則垮塌

橋梁建成通車只是實(shí)現(xiàn)其生命價(jià)值的起點(diǎn)，只有保證健康與安全，才能發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

在服役期內(nèi)，載荷疲勞效應(yīng)、環(huán)境腐蝕和材料老化等因素的耦合作用，都將不可避免地導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)損傷累積和抗力衰減，從而降低其抵抗災(zāi)變的能力，這些損傷如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并得到修復(fù)，輕則將影響行車安全，縮短橋梁使用壽命，重則將導(dǎo)致橋梁突然破壞甚至垮塌。

要保證運(yùn)營(yíng)期橋梁的安全與健康，首先要準(zhǔn)確把握橋梁當(dāng)前的技術(shù)狀態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)。

從歐美發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)來(lái)看，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展期間建成的橋梁，往往存在技術(shù)力量稀釋、搶趕工期等問(wèn)題，所以普遍存在嚴(yán)重隱患；與此同時(shí)，通常橋梁在建成20到30年后，也將進(jìn)入病害多發(fā)期。

在役長(zhǎng)大橋梁安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室收集了**447座橋梁垮塌的案例，從其中184座有公開(kāi)資料標(biāo)明事故成因的案例來(lái)看，49%是由于運(yùn)營(yíng)期人為因素及管養(yǎng)不足所造成的。

事故呈現(xiàn)“低齡”特點(diǎn)安全形勢(shì)明顯好轉(zhuǎn)

資料顯示，我國(guó)當(dāng)前橋梁平均橋齡僅為18.2年（美國(guó)為43.2年），尚未進(jìn)入高齡、高危期，普遍還很“年輕”，而且隨著近年來(lái)橋梁領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)體系與管理制度建設(shè)日趨完善，設(shè)計(jì)、施工與管養(yǎng)技術(shù)快速發(fā)展，監(jiān)管力度不斷加強(qiáng)，危舊橋加固改建速度不斷加快，公路橋梁的安全形勢(shì)已發(fā)生較明顯好轉(zhuǎn)。“十二五”期間，我國(guó)公路橋梁總數(shù)以年均3.6%的幅度逐年增長(zhǎng)，危橋數(shù)量卻以年均4.45%的幅度不斷減少，橋梁安全事故總體處于下降態(tài)勢(shì)。

然而，值得重視的是，西南交大學(xué)者對(duì)我國(guó)70起橋梁事故進(jìn)行分析的結(jié)果顯示，從開(kāi)通到出現(xiàn)事故的平均時(shí)間僅為25年（低于同期對(duì)世界181座橋梁分析得出的29年這一平均時(shí)間）；在役長(zhǎng)大橋梁安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)我國(guó)100座運(yùn)營(yíng)期事故橋梁進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析也表明，發(fā)生事故時(shí)橋齡≥50年的不到15%，事故橋梁平均壽命僅為29.36年。

老齡進(jìn)程加速推進(jìn)先天不足 后期缺養(yǎng)

目前，我國(guó)上世紀(jì)80年代和90年代初修建的橋梁已開(kāi)始大量進(jìn)入重大維修養(yǎng)護(hù)期，管養(yǎng)壓力與安全風(fēng)險(xiǎn)必然逐年加大，且當(dāng)前一些橋梁在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中已暴露出“先天不足”“后期缺養(yǎng)”等問(wèn)題，系統(tǒng)地提升橋梁服役性能和安全保障能力已刻不容緩。

中美橋齡數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)比美國(guó)橋梁發(fā)展來(lái)看，其大規(guī)模建設(shè)期為上世紀(jì)50年代到70年代；1950年時(shí)，美國(guó)橋齡在30年以上的橋梁占比為17.5%，到1970年，這個(gè)數(shù)字已發(fā)展為37.7%，其工作重心也開(kāi)始逐步轉(zhuǎn)向管養(yǎng)。2016年，美國(guó)橋齡在30年以上的橋梁占比為62.3%，其90%的經(jīng)費(fèi)已用于養(yǎng)護(hù)維修，僅有10%的經(jīng)費(fèi)用于新建。

2014年，我國(guó)橋齡在30年以上的橋梁占比為18.4%，根據(jù)當(dāng)前建設(shè)情況和相關(guān)規(guī)劃推測(cè)，2034年，這一占比將增加為42.4%；2044年，將增加為62.7%。對(duì)比中美30年以上橋齡的橋梁占比可以發(fā)現(xiàn)，美國(guó)該比例從18%增長(zhǎng)到60%，用了約60年，而中國(guó)只要大約30年，從這個(gè)角度來(lái)看，中國(guó)橋梁老齡化正在加速到來(lái)。

技術(shù)研究走向“四化”傳統(tǒng)模式 難當(dāng)重任

隨著橋梁數(shù)量增加、橋齡日增，橋梁管養(yǎng)壓力與資金缺口必然日益增大，以人工檢查、經(jīng)驗(yàn)決策和糾正式養(yǎng)護(hù)為特點(diǎn)的傳統(tǒng)管養(yǎng)模式，將越來(lái)越難以滿足現(xiàn)代橋梁管養(yǎng)需求，為實(shí)現(xiàn)提質(zhì)、增效、降本的橋梁養(yǎng)護(hù)本質(zhì)需求，必然要求橋梁管養(yǎng)模式逐步轉(zhuǎn)向以精準(zhǔn)決策和預(yù)防性養(yǎng)護(hù)為特色的智慧管養(yǎng)模式。

而要實(shí)現(xiàn)智慧管養(yǎng)，首先必須準(zhǔn)確掌握橋梁的技術(shù)狀態(tài)、先進(jìn)的檢測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)，進(jìn)而保證橋梁安全與健康。

隨著對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)要求、服役要求、以及長(zhǎng)期性能要求的提高，對(duì)橋梁檢測(cè)與監(jiān)測(cè)及其相關(guān)的病害診斷與分析技術(shù)的研究呈現(xiàn)出新的趨勢(shì)，主要表現(xiàn)為深入化、集成化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化四大特征：

深入化

結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理研究正逐步從微觀向宏觀、從短期向長(zhǎng)期、從單因素向多因素耦合拓展。

集成化

無(wú)損檢測(cè)裝備與養(yǎng)護(hù)維修裝備的小型化、專業(yè)化、集成化程度正日益提高；健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中傳感、采集與傳輸設(shè)備的高度集成將是大勢(shì)所趨；依托BIM平臺(tái)，設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、養(yǎng)護(hù)、維修的信息將高度集成融合。

標(biāo)準(zhǔn)化

不僅是傳統(tǒng)意義上的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、養(yǎng)護(hù)管理措施和質(zhì)量評(píng)定方法的標(biāo)準(zhǔn)化，也包括為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通而快速推進(jìn)的信息標(biāo)準(zhǔn)化工作。

智能化

云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通訊技術(shù)的快速發(fā)展，已為橋梁檢測(cè)與健康監(jiān)測(cè)技術(shù)提供了重要技術(shù)支撐，檢測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)正在逐步融合，結(jié)構(gòu)病害的早期識(shí)別、趨勢(shì)推演、自動(dòng)檢測(cè)評(píng)分、安全風(fēng)險(xiǎn)自動(dòng)排序、養(yǎng)護(hù)資金智能優(yōu)化配置、橋梁壽命預(yù)測(cè)等都將成為可能。

傳感器如何保護(hù)橋梁？

當(dāng)傳感器被用于探測(cè)災(zāi)難性結(jié)構(gòu)故障的早期預(yù)警時(shí)，它們也在收集地震或颶風(fēng)等自然天氣事件后必要的結(jié)構(gòu)維修的重要數(shù)據(jù)。

一種無(wú)線傳感器裝置，也稱為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，具有連接到處理單元、通信單元和電源單元的傳感單元。傳感器還具有存儲(chǔ)內(nèi)存的作用。

傳感單元可以包括一個(gè)或多個(gè)傳感器，用于獲取感興趣的任何物理現(xiàn)象的數(shù)據(jù)，例如溫度、濕度、應(yīng)變和加速度。還有一個(gè)信號(hào)調(diào)節(jié)單元，它包含一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog-to-digital converter，ADC）單元，用于轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)。處理單元是節(jié)點(diǎn)的主控制器。它負(fù)責(zé)管理無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，包括感知和無(wú)線通信。它通常由具有處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力的車載電腦（即微控制器單元）組成。

當(dāng)我們監(jiān)控橋梁時(shí)，我們可以應(yīng)用大量的傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)構(gòu)建一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensors network，WSN），而傳感器則構(gòu)建數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以獲取兩種類型的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)：

控制和數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)

控制和數(shù)據(jù)子系統(tǒng)收集和處理數(shù)據(jù)，然后采取適當(dāng)?shù)念A(yù)定措施來(lái)解決或防止交通問(wèn)題。

通信子系統(tǒng)

通信子系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線鏈路實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)之間的通信。這些鏈路依賴于傳輸介質(zhì)，可以是射頻（RF）、光、聲或磁感應(yīng)鏈路的形式。

當(dāng)然，傳感器并不是利用技術(shù)確保我們基礎(chǔ)設(shè)施安全的**方法。邊緣計(jì)算、5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)與其他尖端技術(shù)相結(jié)合，正在為許多國(guó)家的公民提供突破性的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)步措施。

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