本文选自中国工程院院刊《Engineering》年第6期

作者：YozoFujino，DionysiusM.Siringoringo，YoshikiIkeda，TomonoriNagayama，TsukasaMizutani

来源：ResearchandImplementationsofStructuralMonitoringforBridgesandBuildingsinJapan—AReview[J].Engineering,,5(6):-.

编者按

钢铁和钢筋混凝土技术的发展为大跨度桥梁和高层建筑的建设提供了动力。日本是世界上自然灾害频发多发的国家，如地震活动、季节性强风和台风等，为此，日本重视对建筑结构的监测，并以评估建筑结构对极端事件的响应程度为目标的。目前，随着建筑结构监测技术的不断开发与进步，监测系统所收集到的数据被用来验证设计假设、更新技术参数、优化振动控制系统的性能等，助力建筑结构全生命周期的监测。

中国工程院院刊《Engineering》年第6期刊发横滨国立大学藤野阳三（YozoFujino）教授科研团队的《日本桥梁和建筑结构监测的研究与实施综述》一文。文章对日本桥梁和建筑结构监测的发展进行了回顾，主要介绍了振动技术在桥梁、建筑物和道路路面等建筑结构监测中的应用。通过介绍结构监测的典型实例，文章总结了利用分布式传感器阵列对桥梁和建筑物进行结构监测以及利用车辆对桥梁路面和混凝土路面进行监测的方法。最后，文章指出了日本结构监测技术的发展前沿。

一、引言

在实行国家开放、废除德川幕府时期实行的长达两个多世纪的严格的贸易限制政策后，日本终于在年明治维新期间，引进了现代基础设施建设技术。在此期间，人们开始使用金属作为建筑结构材料。19世纪70年代左右，日本开始使用以铆接技术制造的铸铁和锻铁作为建造新桥梁的材料。坐落于日本长崎市的Kurogane桥（跨度为27m）是日本第一座现代铸铁桥。从年开始，钢材迅速取代了锻铁，成为金属桥的首选材料。年的日本关东大地震（GreatKantoEarthquake）揭露了锻铁材料的诸多弊端，此后，日本的桥梁建筑材料大多选用了高强度钢。Kiyosu桥是一座坐落于日本东京SumidaRiver上的眼杆链式自锚式悬索桥，桥梁跨度为m，是该时代铆接式桥梁的典型代表。

在20世纪初，钢筋混凝土在基础设施中的使用变得更加普遍，在20世纪50年代，预应力技术被广泛应用于多种简单建筑结构构件。先进的钢铁和钢筋混凝土技术的出现为大跨度桥梁和高层建筑的建设提供了动力。

在日本这样的群岛国家，大跨度桥梁是连接岛屿和规避海湾的交通枢纽的重要组成部分。大跨度桥梁的建设始于第二次世界大战结束之后，年，坐落在日本长崎市的长达.7m的钢拱桥——Saikai桥竣工。此后，日本掀起了建造大跨度桥梁的潮流，日本本州-四国联络桥项目（Honshu–ShikokuBridgeProject，HSBP）的实施标志着大跨度桥梁的建造达到顶峰。HSBP是连接日本本州和四国群岛的一项国家级桥梁建设项目，该项目从年开工至年全面完工。连接线路由主要的大跨度桥梁组成，其中AkashiKaikyo大桥是整条线路中最长的悬索桥，Tatara大桥是最长的斜拉桥。到目前为止，日本共建造了15座悬索桥、3座斜拉桥和1座跨度大于m的桁架桥。表1为部分桥梁列表。

表1日本最大跨度大于m的桥梁

年，日本东京被选为夏季奥运会的主办城市，日本建筑业开始蓬勃发展。这给日本主要城市在战后重建时期基础设施的建设带来了新的发展。20世纪70~90年代，建筑结构工程的技术发展迅速，尤其是在抗震与抗风设计和建筑领域。20世纪60年代，与抗震相关的一些法规还明确禁止建造高层建筑。直到年，第一座高层办公大楼才被建造完成。这座36层、高m的霞关大厦（KasumigasekiBuilding）于年完工，是当时日本东京的一座现代办公高层建筑。这一标志性建筑的出现改变了人们对日本和其他地震多发地区不能建设高层建筑的看法。从那时起，越来越多的高层建筑在市区被建造起来，到现在为止，高度超过m的高层建筑已达到40多座。

多年来，横滨地标塔（YokohamaLandmarkTower）一直是日本最高的一座建筑物。横滨地标塔建于年，高m，是一座集办公和购物为一体的大厦。年，一座总高度为m、集办公和购物为一体的新建筑物——AbenoHarukas竣工。这是目前日本正在使用的较高的建筑物。日本目前最高的建筑物是建于年的东京晴空塔（TokyoSkyTree），该建筑物高m。此塔可作为广播塔、餐厅和观测塔使用。

土木建筑与其他工业产品有一个很重要的区别。土木建筑的每一个建筑结构都是独一无二的。它们是根据当地不同的地理和地质条件设计的，是利用不同的建筑材料和采用不同的施工技术建造而成的。没有一个土木建筑是完全相同的。它们与大量生产的商品有很大不同。土木建筑的另一个重要特征是，土木建筑是被作为社会资产而建造的，并被预计会长期发挥作用，所以土木建筑的寿命通常很长，有些甚至可以长达数百年。因此，确保所建的基础结构满足设计要求和设计假设是十分必要的。为了确保建筑结构的高耐用性和长效使用寿命，检查建筑结构的实际状况也很重要。从另一个角度看，大跨度桥梁和高层建筑的设计和施工的进展与复杂的模型、分析和先进的技术分不开。所以，对与这些新模型、分析和技术相关的不确定性条件进行量化和监测是十分必要的，以确保其应用的准确性和有效性。为此，研究人员对大型重要建筑结构进行了长期或短期的结构监测，并获得了非常有价值的信息。

建筑结构监测通常涵盖许多方面和涉及多种方法。在文中，我们强调了振动技术在桥梁、建筑物和道路路面等建筑结构监测中的应用。振动是建筑结构监测的方法之一，因为振动响应能反映建筑结构的整体和局部性能。基于振动技术的监测系统是抗震和抗风建筑结构研究的一项重要工作。在地震监测方面，日本气象厅（JapanMeteorologicalAgency，JMA）主要利用位移型地震仪进行地震运动观测。然而，在抗震建筑结构的研究中，因为加速度在建筑结构的运动方程中是作为结构的直接输入运动，所以加速度记录比位移记录更方便。此外，传统的地震仪可以记录大地震时饱和振幅振动。

年，一场破坏性极大的内陆地震——福井地震（FukuiEarthquake）（所涉及的地震的详细信息请参见表2）发生后，日本开始着手开发强震仪。年，日本强震动加速度仪委员会（Strong-MotionAccelerometerCommittee，SMAC）开发了SMAC加速度仪（以该委员会的名字命名）。SMAC加速度仪是一个模拟装置，可以记录高达1g（g=9.8m·s–2）的三轴加速度。年，日本在建筑物中总共安装了25个SMAC加速度仪，这标志着日本开始了建筑结构的地震响应监测。到年，日本已经安装了约个SMAC加速度仪。这些装置从年的新潟地震（NiigataEarthquake）、年的十胜冲地震（Tokachi-okiEarthquake）和年的宫城地震（Miyagi-okiEarthquake）等事件中获取了有价值的地震测量数据。从这些测量数据中总结出的经验已被用来设计日本的高层建筑。

自20世纪80年代后期以来，SMAC地震仪系统逐渐被淘汰。随着信息技术和数字记录技术的发展，新型加速度计应运而生。现代加速度计通常是一种小型的微电子机械系统（MEMS）。近年来，研究人员对无线传感器网络进行了大量的研究和开发。在日本，无线传感器网络在建筑结构监测中的实际应用已经在几项研究中得到证实。无线传感器网络在应用中存在两个问题：一个是无线通信的稳健性，另一个是功耗的降低。无线传感器网络的这些问题还有待于进一步研究。

在无线传感器网络的开发过程中，从基于振动技术的建筑结构监测系统中所获取的数据被用于多种用途，包括监测极端情况下建筑结构的响应及为设计和工程的再开发提供反馈。20世纪90年代，随着越来越多的桥梁和高层建筑的修建，结构监测系统被应用于施工过程，大型建筑结构的振动控制变得越来越普遍。随着建筑结构的不断发展和监测系统的不断完善，建筑结构在不同环境和不同负载条件下的响应数据也得到不断积累。这些数据可被用于评估建筑结构的状况、指出潜在的损坏并有助于维修和（或）改造决策的提出。监测数据也为建筑结构的维修和管理提供依据。

表2文中所涉及的地震清单

Mw:momentmagnitude.

文中综述了土木结构的结构监测策略和实践，重点介绍了日本在这方面的研究工作和实施情况以及作者本人的一些经验。在对实际桥梁和建筑物的振动监测数据进行分析的过程中，研究人员得到了一些新的和意想不到的发现，由此可见监测的重要性。主要包括桥梁结构监测和建筑结构监测两部分内容。每个部分的监测案例按照类型、策略和目的进行归类。

二、桥梁结构监测

（一）大跨度桥梁设计验证的监测

动态性能是大跨度桥梁设计时需要重点考虑的因素。由于大跨度桥梁的柔韧性和低阻尼的特点，其在整个使用寿命期内可能会发生各种类型的振动。空气动力稳定性和地震响应是设计中需要主要考虑的问题。因此，对日本的大跨度桥梁在早期研发阶段、设计阶段和竣工阶段分别进行动态测试是十分普遍的。研究人员有时候在施工阶段就会安装监测系统，并在施工结束后再多保留几年。这类监测数据已被用于验证与地震载荷和风载荷相关的设计假设。在下面的章节中，我们针对设计验证将描述一些与监测相关的研究工作。这些设计验证以抗风载荷和抗地震载荷以及建筑结构响应为研究对象。

1.风振响应设计验证的监测

在日本大跨度桥梁的开发初期，力的量化（尤其是风载荷）的相关问题在设计过程中是非常重要的。历史经验的不足和设计假设较大的不确定性，使得通过大规模实验测试进行验证成为重要的设计步骤。从年到年，研究人员为了验证抗风设计方法，为HSBP建造了一个十分之一截面的桥梁模型，其中包括明石海峡大桥。研究人员对长度约8m的桁架加劲梁进行了自然风测试（图1）。实验结果测得的阻力系数与风洞试验的估计值一致。

图1（a）大型桥梁模型（由本州-四国桥梁管理局提供）；（b）insitu模型响应（观测）和风洞试验的估计值（平均风速为12.6m·s1、海拔0°）的对比

在桥梁设计的早期阶段，随着传感器技术和信息系统的发展，这种尝试最终发展成为了在桥梁使用寿命期间使用永久性测量装置进行监测。例如，图2显示了在桥梁竣工阶段，明石海峡大桥的测量仪表数据。该图显示了利用全球定位系统（GPS）测量得出的平均风速和横向位移之间的关系。由于桥梁跨度足够大，GPS定位可以较准确地测量出桥梁的位移。由实验得出的观测值与设计平均值比较接近，最大值较为保守且具有合理的余量。此外，研究人员对HSBP中各种大跨度桥梁的功率谱、湍流强度和自然风空间相关性的测量数据进行了研究，并对设计假设进行了验证，结果发现这些数据处于合理的范围内。

图2（a）明石海峡大桥的监测系统；（b）明石海峡大桥10min平均风速与中梁横向位移的关系；（c）测量和设计规范的比较（由本州-四国桥梁管理局提供）。1A和4A——锚固；2P和3P——主桥塔；β——风斜交角（即迎面而来的风与桥梁轴线法线的夹角）。经J-STAGE许可，转载自参考文献,以及经J-STAGE许可，转载自参考文献，6

风洞试验通常采用截面模型来确定气动阻尼和刚度。在风洞测试中，风速因子的变化是已知的，但这在已建成的大跨度桥梁的全尺寸试验中几乎没有得到证实。为了了解和确认空气动力学刚度和阻尼的变化情况，研究人员对日本Hakucho大桥[全长m（m+m+m）的三跨悬索桥]进行了风振响应的建筑结构监测（图3）。从施工结束后到年正式通车之前，研究人员在桥上每隔30~55m安装一个加速度计，记录了在不同风速条件下连续数周的建筑结构风振响应数据。

图3（a）Hakucho桥；（b）环境振动测量的运动型传感器布局（Z1~Z19表示传感器的位置）。已确定的变化：（c）气动阻尼和刚度与风速的关系；（d）摩擦力产生的阻尼和刚度与风速的关系。经AmericanSocietyofCivilEngineers许可，转载自参考文献，5和经ElsevierLtd.许可，转载自参考文献，7

研究人员采用反分析方法评估了建筑结构在环境振动和强风条件下的性能。结果表明，在一般情况下，自振频率随着风速的增大而减小，而阻尼比随着风速的增大而增大。研究人员在实验中将空气动力和摩擦力对风速的影响进行了量化。结果表明，空气动力对风速的影响远小于支座摩擦力对风速的作用。空气动力对风速的影响约为摩擦力对风速影响的1%，其特性与风洞试验中空气动力的特性一致[图3（c）]。作者认为，这些试验结果是对风洞试验中空气动力与大跨度桥梁全面监测结果的阐述和比较，这在世界上尚属首次。

此外，研究人员发现相位差的局部效应主要集中在主梁的边缘。该发现可被用于确定由支座处摩擦力引起的附加阻尼和刚度的作用[图3（d）]。由支座处摩擦力引起的阻尼和刚度的变化趋势比较明显，即在振动较小的情况下主梁显示出低阻尼高刚度的特性。当风速增加时，阻尼也增加，即当支座脱落时，刚度会因建筑结构变形的增加而降低。参考文献[18]给出了风速对刚度和阻尼影响的详细说明。在对桥梁的长期抗震监测中，研究人员也观测到了由支座处摩擦力引起的附加刚度和阻尼的影响，详情请见参考文献。

2.抗震设计验证的监测

从建筑结构监测中获得的抗震响应数据已被用于验证抗震设计。日本最长的斜拉桥——多多罗大桥（TataraBridge）（图4）就是其中的一个例子。1年日本广岛附近发生的Geiyo地震（Mw=6.7）对多多罗大桥产生了强烈刺激。桥梁现场的最大地面加速度为cm·s–2。对地震响应的观测表明，根据监测系统记录的地震动计算出的响应谱的实际地震载荷低于设计规范。研究人员通过模拟分析的方法研究了桥梁的抗震性能，验证了建筑结构模型和假设。模拟结果与实际观测到的地震响应基本一致。

图4（a）Tatara桥；（b）在1年广岛附近发生的Geiyo地震中，桥梁抗震设计响应谱与所观测到的响应谱之间的比较；（c）Tatara桥的监测系统（单位：m）（由本州-四国桥梁管理局提供）。EW：东西方向；NS：南北方向；V：垂直方向。P1、P2和P3是桥墩；P4是桥梁端部的桥墩

大跨度桥梁抗震分析中的一个重要工程问题是地震动的空间变化。因为大跨度桥梁的支座被大跨度结构隔开，所以导致地震波传播滞后，进而产生了这种空间变化。在年日本阪神（神户地区）大地震（Mw=6.9）期间，研究人员根据所观测到的地震响应，对日本Onaruto桥进行了此类分析。研究表明，地震动的空间变化增加了主梁的垂直响应。其他大跨度桥梁（包括1年广岛附近的Akinada桥）的垂直梁响应也有类似的增加趋势。

在1年日本广岛附近发生的Geiyo地震中，第一座来岛海峡大桥（KurushimaKaikyoBridge）坍塌。研究人员将观测到的地震动应用到了动态三维有限元分析中，并验证了失效的中心支撑杆组件的设计性能。通过重新分析从极端事件中获取的观测数据，可以为验证和更新设计提供有价值的信息。

另一个重要的设计验证案例是阻尼值的合理估算和相关机理的恰当阐述。合理估算阻尼值并阐述相关机理是非常困难的，因为相关机理比较复杂以及被估计的值对激发条件又十分敏感。尽管如此，一些研究人员还是利用大跨度桥梁的抗震记录对阻尼机制进行了阐述并估算了阻尼值。例如，Kawashima等利用Suigo桥（长度为.45m的双跨连续钢箱梁斜拉桥）的33次抗震记录阐明了桥塔和桥面板的阻尼特性。结果发现，阻尼比与实测的加速度相关，同时取决于建筑结构部件和震动刺激的方向。

从日本鹤见翼桥（TsurumiTsubasaBridge）通车起，研究人员就开始对大桥进行强震观测，并获取了一些重大地震记录。在4年10月23日发生的日本新潟（新潟县）地震中，抗震记录显示地震震动持续时间较长，抗震响应的位移幅度的阻尼较小。研究人员从横滨湾大桥（YokohamaBayBridge）10次地震的抗震记录中发现，随着地震震级的增加，垂直和水平方向上低阶模态的阻尼比均有增加的趋势。对于小震级地震，平均阻尼比为2%；然而，随着地震震级的增加，不同方向上的阻尼比显着增加，最高可达4%~5%，从而导致其比先前建议的2%要大。

（二）隔震系统性能验证的桥梁监测

日本桥梁采用隔震抗震技术已经有30多年。日本第一座抗震隔离桥是宫川大桥（MiyagawaBridge）。桥梁主梁为三跨连续非组合钢梁，长度为.8m。这座桥位于静冈县春野町，该桥于年3月通车，是从全国选出的用于基础隔震系统建设试点项目的8座桥梁之一。铅芯橡胶垫（LRB）被用作隔震装置。为了检查抗震隔离桥的抗震响应特性，研究人员在宫川大桥上的桥墩墩帽、主梁和自由场处安装了强加速度传感器。年4月25日，JMA记录到一次4.9级地震，震中位于日本静冈县。这是日本隔震桥梁监测系统的第一次地震记录。对记录进行分析有助于研究人员确定在基础隔震桥设计中所采用的一些重要方面。

接下来对几个中短跨度和长跨度抗震隔离桥监测的案例研究进行了阐述。在年日本阪神（神户地区）大地震发生之前，日本的一些桥梁就被安装了基础隔震系统，其中一些还被安装了地震监测系统。年阪神（神户地区）大地震使这种基础隔震系统第一次遭受强烈震动。在抗震隔离桥上安装结构监测系统的最初目的是为了确定地震刺激下隔震系统的性能。由于隔震技术是一种新兴的先进技术，因此，利用从实际事件中获得的地震响应记录来验证此类桥梁的设计程序和模型的准确性是十分必要的。

研究人员对基础隔震桥在大地震中的表现性能进行了详细的研究。他们选取的研究对象为日本西部关西地区的松之滨（Matsunohama）高架桥（图5）。该桥于年开放通车，是阪神高速公路上的第一座基础隔震桥。该桥是四跨连续钢箱梁桥，桥梁全长为.5m，曲线半径为m。在年日本阪神（神户地区）大地震中，该桥距离震中中心东南方向约35km处。松之滨高架桥有两座基础隔离桥：A桥和B桥。Chaudhary等采用系统识别的方法研究了隔震系统在年日本阪神（神户地区）大地震中的性能。研究表明，使用简单的等效线性二自由度（2-DOF）集中质量模型来捕获基础隔离的松之滨高架桥的整体性能是可行的。该项研究证实，基础隔震系统的性能是令人满意的。因为它可以有效地解耦上部建筑结构与下部建筑结构，进而通过滤除其他频率，使得主梁的地震响应频谱只包含了上部主要建筑结构频率。

图5抗震隔离的松之滨高架桥。（a）总体布局和强震仪；（b）桥墩墩帽和抗震支座的照片；（c）墩帽和主梁上传感器的位置。BH：钻孔。P20~P32表示桥墩的位置。经AmericanSocietyofCivilEngineers许可，转载自参考文献，0

图6显示了年日本阪神（神户地区）大地震主震及余震的观测结果。结果表明，随着地震强度的增加，两座桥梁的自振频率均逐渐降低。第一模态频率的降低与隔震作用下支座刚度的降低有关。第二模态频率的降低与桥梁下部结构刚度的降低有关。第一模态的阻尼比与隔震器相关，其在B桥上的阻尼比比在A桥上大。这是由两座桥梁所采用的隔震系统的特性所导致的。研究人员在Yama-age桥上设立了类似的地震监测系统并进行了地震响应分析。值得注意的是，该桥的抗震隔离系统采用的是高阻尼橡胶（HDR）支座。年，该桥受到了阪神大地震的冲击。隔震系统从实际地震中识别出了隔震支座，该支座的性能与安装之前的预期性能一致。预期性能是通过载荷试验得到的，其位于建模不确定性（即摩擦的影响）的范围内。

图6模态参数随地震强度的变化。（a）自振频率（ω0）；（b）阻尼比（ξ）。上标A和B分别表示A桥和B桥；上标1和2分别表示第一模态和第二模态

在上述两种情况中，将确定后的刚度和阻尼系数与等效线性化的实验值进行比较，可以进一步评估隔震支座的性能。由较小的建筑结构元件引起的摩擦力会影响上部建筑结构的动力特性，并大大增加建模的不确定性，从而降低基础隔震的效果。研究人员发现，微小建筑结构元件对隔震系统会产生影响。研究人员利用这种反馈信息，改进了公路高架桥隔震系统的设计和使用。

通过对年日本阪神（神户地区）大地震中隔震桥的地震响应的观测，研究人员认为隔震系统比橡胶垫的侧向力分布体系更具优势，因为其阻尼性能在很大程度上降低了响应位移。因此，在年日本阪神（神户地区）大地震后，隔震系统的使用率显著增加。在由日本国土交通省（MLIT）管理的国家高速公路上，大约有座桥梁和座新建桥梁均采用了隔震设计。此外，隔震系统也被应用于现有桥梁的加固。

大跨度桥梁比中小跨度桥梁具有更大的变形性能。大跨度桥梁的地震载荷通常要小于风载荷。然而，由于大跨度桥梁的主梁重量较大，由桥梁的上部建筑结构引起的惯性载荷可能很大。因此，通过进一步延长自振周期来降低地震载荷的做法是常用的隔震方法。具体做法是，通过使用专门设计的塔梁连接系统来隔离梁与塔，从而达到隔震目的。然而，在降低地震载荷的同时，可能会因为桥梁的变形性能导致建筑结构的过度位移。因此，在对大跨度桥梁进行隔震处理时，需要谨慎考虑是否要降低地震载荷。

日本的一些大跨度斜拉桥均采用了塔梁连接的方法来延长桥梁的自振周期。例如，位于日本名古屋的MeikoTriton斜拉桥采用了弹性缆索将主塔和主梁沿纵向相连接，从而使自振周期延长至大约2~3s。位于日本横滨的鹤见翼桥（TsurumiTsubasaBridge）在主塔和主梁之间采用了弹性约束缆索体系，并使用叶片式液压油阻尼器来控制位移。另一个例子是日本的东神户大桥（Higashi-KobeBridge）。为了延长大桥的自振周期，桥梁施工人员在塔楼和墩帽的所有支座处沿纵向放置了能自由活动的支撑物。为了提高桥梁的安全性和增加阻尼，桥梁施工人员在主梁端部安装了叶片式液压油阻尼器。

在日本，一些大跨度桥梁（包括已安装有隔震系统的桥梁）均安装了密集排列的永久性地震监测系统。横滨湾大桥就是其中之一（图7）。由于该桥被建造在软土上，所以需要特殊的隔震系统。该桥位于活动断层附近，靠近年日本关东大地震的震中。特殊的地理条件使得桥梁的抗震性能成为首要考虑的问题。因此，为了验证抗震设计以及监测桥梁在地震作用下的性能，研究人员在该大桥上安装了一套密集排列的综合监测系统。监测系统主要被用于评估桥梁的抗震性能、验证和比较抗震设计以及观测可能出现的损坏。研究人员对桥梁抗震记录进行分析时，重点

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