日本桥梁和建筑结构监测的研究与实施综述丨Engineering(20)

图16 明石海峡大桥的性能。（a）在2003年台风“埃陶”期间，通过GPS传感器测得的主梁中心处的横向位移以及风速与时间的关系；（b）根据随机振动理论，由加速度计计算的位移估算值与由GPS传感器测得位移值之间的比较（估算结果与观测结果一致）。经J-STAGE许可，转载自参考文献，1996
由于与传统的位移测量相比，加速度测量可以被应用于各种形状和位置相对任意的结构，因此，研究人员利用加速度测量得到的数据研究了参考位移估计需要定点的问题。实际载荷下的最大位移是评估现有结构性能的重要指标。但是，直接的位移测量需要一个固定的参考点，并且这种方法在实际的土木结构中通常很难实现且成本很高，而加速度测量可以在多种情况下轻易实现。因此，有研究者提出了一种基于随机振动理论的加速度响应的最大位移响应的快速评估方法。研究人员从随机振动理论中的响应统计出发，首先推导出了响应加速度与响应位移之间关系的数学表达式。然后，通过数值模拟和利用在明石海峡大桥上的实际测得的数据评估了该方法的准确性，并验证了其适用性。该方法在位移测量方面扩大了结构评估和监测的应用范围，位移是桥梁的主要性能指标。
环境测量对于评估结构耐久性变得越来越重要。对于大跨度悬索桥，空气监测及缆索和箱形梁内的分监测对于避免发生结构腐蚀和盐分渗透非常重要。现代的大跨度桥梁都采用了干式空气喷射系统（图17）以保护主缆索免受腐蚀。图17（b）显示了外部空气与明石海峡大桥主悬索内部空气之间的湿度比较，由此可知该系统的优势。

图17（a）明石海峡大桥的干式空气喷射系统；（b）主缆索的湿度监测。由本州-四国桥梁管理局提供
大跨度桥梁环境监测中的另一个挑战性问题是对桥塔塔脚处冲刷作用的评估。例如，施工人员每两年使用一次勘测船对明石海峡大桥进行超声波探测。到目前为止，尚未观测到桥塔塔脚处被严重冲刷的痕迹。但是我们应该认识到，在超声波勘测的时间间隔期内可能会发生能引起冲刷的自然灾害，因此对桥梁进行连续或永久的监测是十分必要的。事实证明，为地震或大风期间桥梁的动态响应所设计的常规监测系统是有用的，但是，为了合理地维护和管理大跨度桥梁，进一步开发监测系统以适应桥梁的维护和管理需求是十分必要的。