结构健康监测究竟如何防止桥梁垮塌？
结构健康监测（SHM）通过传感器持续或定期测量桥梁状态，并对数据进行分析，以检测可能预示损伤的变化。其关键在于及早发现问题——在它们演变为灾难性故障之前。例如，在堪萨斯城一座钢制公路桥上，采用无线大面积应变传感器的系统成功追踪了交通荷载下的疲劳裂纹扩展，并通过“裂纹扩展指数”标记裂纹恶化情况[4]。这使得工程师能够在裂纹引发坍塌前进行修复。
另一种方法利用机器学习来学习桥梁的“正常”振动模式，一旦出现异常便发出警报。一项为期两年的试点项目在一座铁路桥梁上使用低成本无线加速度计，结果表明该方法能够检测出异常的频谱峰值——即振动频率的变化——这些变化可能预示着潜在的结构问题[3]。该系统可提供自动化的实时预警，这一点至关重要，因为人工检测频率较低，且可能遗漏地下损伤[2]。
结构健康监测能预防哪些桥梁失效——其局限性又是什么？
SHM在检测某些类型的损伤方面表现尤为出色，但也存在盲区。例如，自20世纪90年代以来，由冲刷（桥梁基础周围侵蚀）导致的水力故障约占桥梁失效的50%，且这类故障往往毫无预兆地发生[6]。动态SHM系统可通过追踪桥梁振动响应的变化来监测冲刷情况，2022年的一项研究展示了如何计算安装此类系统在洪水期间支持应急管理的财务效益[5]。然而，同一篇综述指出，水力故障的准确检测难度极大，且许多桥梁仍未配备监测系统。
另一方面，SHM在检测螺栓松动或疲劳裂纹等局部损伤方面表现出色。一种改进的YOLOv5计算机视觉系统在桥梁图像中检测螺栓的准确率达到87.3%，有助于识别可能导致对称性失效的松动或缺失螺栓[1]。但该技术并非完美无缺——一项对三十年SHM研究的全面回顾指出，“桥梁SHM尚未完全具备可靠提供损伤存在性全局信息的能力”[7]。这意味着SHM能告知系统存在异常，但若无额外检测，可能无法精确定位问题所在或评估其严重程度。
结构健康监测对大多数桥梁来说是否经济实用？
成本历来是结构健康监测（SHM）大规模应用的主要障碍，但近年来低成本传感器与物联网（IoT）技术的进步正在改变这一局面。2022年的一项研究推出了一款名为LARA的低成本Arduino加速度计，其噪声密度为51 µg/√Hz，采样频率达333 Hz——性能与价格高昂得多的商用传感器相当——并成功用于测量一座人行天桥的固有频率[8]。这使得连续监测对更广泛的结构而言变得经济可行。
物联网集成通过无线数据传输和云端分析进一步降低了成本。一项针对采用碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料修复桥梁的案例研究，使用了由应变计、温度传感器和裂缝检测传感器组成的网络，这些传感器连接至现场控制单元，并将数据传输至桥梁管理单元以实现持续评估[9]。作者认为，这种方法能够“普及”结构健康监测（SHM），使其可扩展至数千座桥梁[3]。然而，初始安装和数据分析仍需专业知识，且信息的价值必须与成本进行权衡——2022年的一项研究提供了一种计算受冲刷风险桥梁财务收益的方法[5]。
本文引用的文献
基于改进YOLOv5的桥梁结构健康监测螺栓定位检测
改进后的YOLOv5计算机视觉系统在检测桥梁图像中的螺栓时达到了87.3%的精确率，有助于识别可能导致结构失效的松动或缺失螺栓。
基于群体的桥梁结构健康监测
基于群体的结构健康监测（SHM）可通过在相似桥梁之间共享数据，弥补单一结构损伤状态数据不足的问题，但每座桥梁都具有独特性，因此需要进行相似性评估。
基于数字孪生的铁路桥梁结构健康监测与物联网融合：案例研究
一个采用低成本无线加速度计与机器学习技术的数字孪生系统，在两年间成功检测到某铁路桥梁的异常振动模式，并实现了自动化实时预警。
基于无线大面积应变传感器的钢桥疲劳裂纹结构健康监测
采用裂纹增长指数算法的无线大面积应变传感器（WLASS）成功追踪了堪萨斯城一座钢制公路桥梁在交通荷载作用下的疲劳裂纹扩展情况。
量化洪水冲刷作用下桥梁结构健康监测信息的价值
一项采用贝叶斯决策分析的方法，计算了在桥梁上安装动态结构健康监测系统以支持洪水冲刷事件期间应急管理的经济效益。
液压桥梁失效综述：历史统计分析、失效模式及预测方法
基于对近200年间约1700起桥梁事故的分析，自20世纪90年代以来，水力因素（冲刷、洪水、流冰）约占桥梁失效原因的50%。
三十年来基于统计模式识别的桥梁结构健康监测范式
经过三十年的结构健康监测（SHM）研究，该技术仍未能完全可靠地提供桥梁损伤存在的全局信息。
低成本桥梁无线结构健康监测
基于Arduino的低成本加速度计（LARA）实现了51 µg/√Hz的噪声密度和333 Hz的采样频率，性能可与高精度商用传感器媲美，并在人行天桥上完成了验证。
物联网技术在桥梁结构健康监测中的应用：案例研究
基于物联网的结构健康监测系统，通过使用应变片、温度传感器和裂缝检测传感器，成功对一座采用碳纤维增强复合材料（CFRP）修复的桥梁进行了监测，并将数据传输至桥梁管理单元。