大型橋梁結構智能健康監測系統集成技術探索

郭 騫

（遼寧省交通規劃設計院公路養護技術研發中心，遼寧 沈陽 110111)

前言：我國目前擁有幾十萬座橋梁，并且橋梁的數目每年都在增長，但是，隨著橋梁的大量使用，橋梁的結構會隨著時間的推移而老化，而且橋梁每年受到的損傷的不斷積累，在橋梁上行走的車輛的逐漸增多，車輛的載重也在不斷的增大，這些狀況都在加速橋梁結構的老化，同時，很少會有施工單位對橋梁結構進行養護和維修，使得現在的橋梁的結構已經越來越不能夠滿足國家規定的質量，橋梁結構的安全問題已經逐漸引起了人們的廣泛關注，并逐漸成為當前最受交通管理部門重視的問題之一，大型橋梁結構智能健康監測系統集成技術的發明能夠讓人們更好的了解橋梁的受損傷和老化的情況，從而加大對橋梁結構的養護和維修力度，保證橋梁的質量。

1、建立橋梁健康監測系統的重要意義

結構的健康監測是指利用現場的無損傳感技術，通過對包括結構響應在內的結構系統特性分析，達到監測結構損傷或退化的目的。對橋梁結構進行健康監測能夠讓人們更好的了解橋梁結構中各個部分的受損傷和老化的情況，從而更好的對橋梁結構進行維修。人們在很久以前就認識到了對橋梁結構進行安全監測的重要性，但是，當時的科技發展水平不足以滿足對橋梁結構進行健康監測的目的，僅有的監測方法也比較落后，使用的效果也不是很理想，隨著科學技術的進步，研究人員一直沒有放棄對橋梁健康監測系統的研究，特別是在現在，人們為了獲得更方便的交通環境，修建的橋梁工程都是大跨度的工程，每天在橋梁上行走的車輛數以萬計，如果不能夠保證橋梁結構的質量就會導致非常嚴重的事故，因此，建立橋梁健康監測系統具有非常重要意義。首先，建立橋梁健康監測系統可以合理地進行交通管理，保證生命與財產的安全，比如說可以在大風天氣橋面振動過大時關閉大橋，減少對橋梁結構的損傷。其次，建立橋梁健康監測系統能夠實現實時或準實時的損傷監測，對實橋結構任何時候出現的損傷進行定性、定位和定量分析以防患于未然，起到預警預報的作用。而且建立橋梁健康監測系統能夠對監測出來的損傷進行原因分析，并提供維修建議，還能夠在新建的結構完工后使用前進行安全驗收測試，保證橋梁結構的質量。當發生突發事件，如強烈地震、意外大風或其他嚴重事故之后能夠對橋梁結構進行剩余壽命評估。最后，監測所得的數據和分析結論對于橋梁結構的設計和建造者來說都是十分寶貴的資料，這些監測資料可以提高人們對大型復雜結構的認識，使得人們更好的完善大型橋梁的結構[1]。

2、大型橋梁結構智能健康監測系統集成方案分析

2.1橋梁結構智能健康監測系統及其功能分析

橋梁健康監測系統包括智能傳感器子系統，數據采集與處理及傳輸子系統，損傷識別與模型修正和安全評定子系統，數據管理子系統。其中傳感器子系統為硬件系統，功能為感知橋梁結構的荷載和效應信息，并以電、光、聲、熱等物理量形式輸出，該子系統是健康監測系統最前端和最基礎的子系統。在對大型橋梁結構進行健康監測時，需要先使用智能傳感器子系統對所需要監測的橋梁結構進行掃描，智能傳感器子系統就會將橋梁的各種信息輸出來，方便監測人員更加方便的了解橋梁結構的具體信息，既能夠省時省力，又能夠避免因為監測人員對橋梁信息的不了解而做出錯誤的判斷[2]。

損傷識別、模型修正和安全評定子系統是由損傷識別軟件、模型修正軟件和結構安全評定軟件組成。在損傷識別、模型修正和安全評定子系統的運用中，首先起到作用的就是損傷識別軟件，損傷識別軟件會對橋梁結構的整體進行掃描，以確定橋梁結構的各個部分是否存在損傷，一旦發現橋梁結構中存在損傷或者老化的情況，模型修正軟件就會對如何維修橋梁結構的損傷的方案進行評估，并找到最適合該橋梁結構的維修方案，之后，安全評定軟件就會對當前的橋梁結構的安全水平進行評定，如果只是輕微的損傷和老化，那么就只是簡單的提醒監測人員，而如果橋梁結構的損傷和老化非常的嚴重，就會對監測人員發出警告，提醒人們迅速的對橋梁進行維修。同時損傷識別和模型修正以及安全評定的結果將能夠自動存入數據管理子系統中，并針對不同的橋梁建立不同的檔案，以便人們能夠很好的查詢該橋梁的監測的歷史，以及容易出現損傷和老化的原因及位置，從而更好的解決問題。

2.2健康監測系統集成方案分析

橋梁健康監測系統由多個子系統組成，每個子系統承擔著不同的功能，由不同的硬件和軟件實現。健康監測系統的集成是指將系統內不同功能的子系統在物理上、邏輯上、功能上連接在一起，以實現信息綜合和資源共享，提高系統維護和管理的自動化水平及協調運行能力。由于健康監測系統的集成主要是通過軟件系統實現健康監測系統軟硬件的接口，因此，系統集成的問題即具體為在某一通用軟件平臺上的各功能軟硬件之間的接口和調用問題，這一通用軟件平臺稱為系統集成的“核心軟件”。在智能健康監測系統中最重要的子系統就是數據管理子系統，因為數據管理子系統中存儲了所有的橋梁結構的監測結果，并將這些結構統一存儲到了數據庫中，同時，數據庫需要自動將這些監測結果進行分類，并合理完善的對其進行管理，方便橋梁維護的管理者更好的了解橋梁的具體的受損傷的情況，從而做出最適合橋梁的維修方案。此外，數據庫內的資料還是很好的建筑研究資料，橋梁建筑設計人員可以通過對數據庫內的數據進行研究，找到橋梁結構出現損傷和老化的大部分原因以及在橋梁設計與施工中存在的不足的地方，從而在以后的橋梁設計中避免這些問題，保證橋梁結構的質量。

2.3軟件集成技術

軟件集成主要包括兩個方面的內容，一是指各子系統軟件之間的接口、調用及合理的觸發機制，二是指各軟件同數據庫之間的接口、通訊。目前大型橋梁結構健康監測系統集成技術已經逐漸從網絡化向智能化轉變，更加方便操作，網絡化的軟件集成技術還需要操作人員通過使用計算機來操縱系統對橋梁結構進行監測，而智能化的軟件集成技術卻可以不需要操作人員下指令就能夠自動的對橋梁結構的質量進行監測，并將監測結果反饋給橋梁結構的管理者，更加方便對橋梁進行隨時隨地的監測。

3、結語

綜上所述，大型橋梁結構智能健康監測系統集成技術對延長大型橋梁的使用壽命，提高橋梁結構的質量，減少大型橋梁在使用中的損傷和老化有著重要的意義。

[1]范峰；陳明；錢宏亮；金曉飛；沈世釗；；FAST健康監測數據管理及集成系統的開發研究[A]；慶祝劉錫良教授八十華誕暨第八屆全國現代結構工程學術研討會論文集[C]；2011年。

[2]范峰；陳明；金曉飛；王化杰；王偉；永昕群；王林安；；滄州鐵獅子結構健康監測數據管理及集成系統研究[A]；第二屆結構工程新進展國際論壇論文集[C]；2011 年。