大跨度軌道懸索橋健康監測問題思考與對策

吳韜　漆勇

摘要：大跨度軌道懸索橋整體剛度相對較弱，在列車荷載作用下，結構變形大，動力響應明顯，實施健康監測時，在動力特性監測、結構狀態信息獲取、與人工檢測的融合和結構安全性評估等方面存在一定的挑戰，基于此，提出適應性解決策略，并闡述大跨度軌道橋梁健康監測領域發展的前景：新型傳感設備研發、海量信息有效處理、無線通訊技術發展和行業標準化建設。

關鍵詞：懸索橋；健康監測；動力特性；評估

一、引言

隨著城市軌道交通[1]建設步伐的加快，軌道橋梁的建設取得了矚目的成績：從1960年加拿大魁北克建成的世界上第一座軌道斜拉橋——North Romaine River Railroad Bridge，跨度為61m；到2011年中國建成的世界最長跨度單軌橋——重慶市軌道交通三號線一期工程嘉陵江特大橋；再到中國正在建設的世界最大跨度雙塔雙索面自錨式懸索橋——重慶軌道環線鵝公巖軌道專用橋。然而，作為大跨度軌道懸索橋，具有整體剛度相對較弱、列車荷載激勵強烈、結構響應明顯的特點，加之，在運營期內，受材料老化、疲勞荷載反復作用、復雜環境等因素影響，橋梁結構難免出現損傷或者存在一定安全隱患。

另一方面，通信網絡、信號處理、人工智能等技術的不斷發展，加速了橋梁健康監測系統的實用化進程。工程實踐表明，健康監測系統能夠及時發現結構的損傷與質量退化，實現結構定性、定位和定量分析，可以為橋梁的管理養護提供客觀依據，具有良好的經濟效益和社會效益。

因此，利用健康監測系統對大跨度軌道懸索橋進行實時、在線、動態監測，并作出安全性評估，愈顯重要。

二、健康監測內容與系統架構

1.健康監測內容。橋梁健康監測是運營期間以結構安全狀況評估為目標的長期實時監測，針對大跨度軌道懸索橋，監測內容如表1。

2.健康監測系統架構。健康監測系統應具有采集、傳輸、處理、管理、評估與預警等功能，為降低系統的復雜程度，且方便維護和升級，一般采用模塊化設計。一套完整的健康監測系統，由六大子系統組成，如圖1。

（1）傳感器系統：由測試結構物理參數及其周圍環境的傳感設備組成，獲取荷載、環境與結構響應信息。

（2）數據采集與傳輸系統：由數據采集單元和數據傳輸網絡構成，用于信號采集、處理、緩存和傳輸。

（3）數據處理與控制系統：用于例行數據處理與分析、結構狀態監控與預警、系統狀態監控與預警及系統遠程操控。

（4）評估系統：用于執行原始監測數據分析、結構狀態評估及診斷與預測分析。

（5）數據管理系統：用于存取監測數據及分析結果。

（6）檢查與維護系統：用于檢查與維護傳感器、數據采集單元、數據傳輸網絡和顯示設備等。

三、問題剖析

橋梁健康監測系統發展日新月異，成績斐然，但應用于大跨度軌道懸索橋中，仍存在一定的挑戰。

（1）列車荷載作用下大跨度軌道懸索橋結構動力特性監測。大跨度軌道懸索橋具有輕、柔、窄等特征，由于所受列車荷載作用結構面廣、激振強烈、動力響應明顯，加之，動力特性的演化將直接關乎結構的安全性，因此，動力特性的監測難度大，且格外重要。

（2）橋梁結構狀態信息的全面、準確獲取。大跨度軌道懸索橋施工階段會進行施工期間監測[2]，運營階段會進行健康監測，但有效實現兩階段的無縫連接仍是項目的技術瓶頸，加之，傳感設備缺陷、信息處理不當、服役環境復雜等因素，導致結構狀態信息難以全面、準確獲取。

（3）人工檢測與實時監測的有效融合。傳統的管理系統主要依賴常規的人工檢查和專項檢測等手段得到的信息，但在實際應用中具有一定的局限性。同時，由于健康監測系統規模、傳感器布設、信息傳遞等方面的限制，僅依靠健康監測系統采集的數據而對大跨軌道懸索橋進行評估是不完整的，加之，對結構在復雜環境和列車荷載作用下響應的認識和經驗不足，難以給出準確有效的預警模式。

（4）基于健康監測信息的在役橋梁安全性評估理論與技術。實用橋梁安全性評估方法的開發與應用，仍處于基礎性探索階段，是橋梁健康監測領域發展的主要制約因素之一，由于評估理論和技術的不完善、軌道懸索橋結構體系的復雜性等因素，致使對橋梁難以施行客觀、有效的評估。

四、適應性解決策略

（1）結構動力特性分析與動力響應全面監測。軌道列車的快速運行，會誘發橋梁結構產生空間振動，結構動力特性是進行結構動力響應分析的前提，因此，針對大跨度軌道懸索橋動力響應監測，可按如下步驟進行：

1）采用空間桿系有限元模型進行計算分析，了解結構的頻率分布和振型特點。

2）進行車-橋系統耦合振動分析，確定監測參數與測點布置。對于位移幅值較大的結構，監測參數主要是位移和應變，位移測點應布置在振動荷載作用下結構位移變化最顯著且易于穩固安裝監測傳感器、方便測量的位置，應變傳感器則宜先進行標定。

3）監測信息采集與評估。依據所采集的動力響應監測信息，通過與理論計算的對比分析，參照對應的規范或標準，實現動力響應監測評估。

（2）橋梁全壽命監測機制與穩定可靠系統。

1）全壽命監測機制。在軌道懸索橋施工階段，通過選用高性能、長壽命預埋傳感器，最大限度在結構運營過程的一定時期內繼續獲取結構的相關響應信息。同時，在長期健康監測表貼傳感器部署時，考慮和預埋傳感器的對應關系，通過表貼與預埋傳感器的監測信息相關性，實現預埋與表貼貫穿橋梁全壽命周期的監測機制。

2）穩定可靠系統。

①合理選擇傳感設備。根據軌道橋梁特點、列車荷載要求與監測環境，綜合考慮靈敏度、頻率響應特性、線性范圍、穩定性、精度等因素，按照“效益—費用比”最大化原則，選擇穩定可靠的傳感設備。

②增設組態控制箱。組態控制箱主要功能為數據采集和監視控制，“組態”是指用戶通過類似“搭積木”的簡單方式來完成自己所需要的軟件功能，“控制”是指通過計算機信號對自動化設備或過程進行監視、控制和管理。

③異常信息分析處理與信息重構。采用時域、頻域、時頻域分析方法進行過濾或去噪處理，實現粗差、偶然誤差的過濾，利用趨勢曲線法或神經網絡法進行失真信息重構，以插補、替代、加權調整的方式進行缺失信息修復。

（3）人工檢測與實時監測相結合模式。通過日常巡查、定期檢查和專項檢查，將人工檢測信息納入實時健康監測數據庫，并將分析結果作為結構整體安全性評估的考慮因素，實現人工檢測與實時監測的有效融合，保證評估的客觀性。

（4）多種安全評估理論與技術相互補充、驗證。現階段，對橋梁結構進行安全性評估的方法主要包括統計分析、模糊理論、專家系統、層次分析、極限分析、可靠度分析[3]等，實施大跨度軌道懸索橋評估時，應綜合使用多種安全評估理論與技術，形成相互補充、相互驗證的模式，按安全一級評估和安全二級評估[4]的方式進行。

五、結語

（1）橋梁服役期長達幾十年、甚至上百年，而傳統的傳感設備壽命相對較短，因此，利用新理論、新效應研究開發可靠、穩定、耐久的橋梁監測傳感設備顯得尤為緊迫。

（2）伴隨監測系統運行時間的增加，監測信息呈現數據量大、數據格式復雜等趨勢，在實施必要的過濾或去噪分析、重構與修復時，應以傳感設備所采集數據的形式進行數據換算與標準化、異常識別與處理等有效處理過程，構建數據分析模型[5]，按結構損傷識別和安全評估所需的輸入格式提供給服務器進行后續處理。

（3）無線通訊技術的發展，不但可以有效減少信息傳輸線纜的數量，還可以避免因線纜老化對信號采集質量的影響，對健康監測具有重要貢獻，應用前景廣闊。

（4）大跨度軌道橋梁建設速度快、規模大，但針對健康監測項目，仍缺乏相應的規范或標準，因此，建立軌道橋梁健康監測系統標準化體系，實現行業規范化，勢在必行。

參考文獻：

[1]中華人民共和國國家標準.《城市軌道交通工程基本術語標準》（GB/T 50833-2012）[S] . 北京：中國建筑工業出版社，2012.

[2]中華人民共和國國家標準.《建筑與橋梁結構監測技術規范》（GB 50982-2014）[S] . 北京：中國建筑工業出版社，2014.

[3]中國工程建設協會標準.《結構健康監測系統設計標準》（CECS 333：2012）[S] . 北京：中國建筑工業出版社，2012.

[4]中華人民共和國交通運輸行業標準.《公路橋梁結構安全監測系統技術規程》（JT/T 1037-2016）[S] . 北京：人民交通出版社，2016.

[5]李志銳.橋梁健康監測系統在線結構分析及狀態評估方法分析[J].工程技術：文摘版，2016（8）.