橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)在橋梁運(yùn)營期的應(yīng)用

何清　唐文娟　李國威

摘要：在橋梁的長期運(yùn)營過程中，由于受到內(nèi)部和外部因素影響，橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性逐漸下降，而傳統(tǒng)的檢測方法不能完全滿足現(xiàn)今橋梁管養(yǎng)需要。因此，運(yùn)用橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，以信息化、自動化的方式對運(yùn)營期橋梁的健康狀況進(jìn)行監(jiān)測尤為重要。文章通過介紹橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，分析在橋梁運(yùn)營期使用橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的必要性，闡述運(yùn)營期橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用方法，并探討其未來發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：橋梁;健康監(jiān)測系統(tǒng);應(yīng)用;發(fā)展方向

中國分類號：U447文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，我國橋梁建設(shè)技術(shù)突飛猛進(jìn)，橋梁工程未來發(fā)展將逐漸從以建設(shè)為主過渡到以管養(yǎng)為主。長期以來，人們主要以人工巡檢的方式對橋梁進(jìn)行檢測，且通常是在發(fā)生一些危險(xiǎn)情況時(shí)才進(jìn)行檢測，而此時(shí)橋梁已經(jīng)出現(xiàn)了損壞，修復(fù)工作耗時(shí)耗力。因此，本文通過介紹橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，分析使用橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的必要性，結(jié)合某運(yùn)營期橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)際用例，闡述橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)在橋梁運(yùn)營期的設(shè)計(jì)思路及應(yīng)用方法，并提出橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)存問題及未來研究方向，旨在提供一定的參考與借鑒。

1 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)概述

近幾十年來，世界范圍內(nèi)由于設(shè)計(jì)、建設(shè)、管養(yǎng)手段不足或由于多種因素的耦合作用而導(dǎo)致的橋梁災(zāi)難性事故頻頻發(fā)生，橋梁結(jié)構(gòu)健康狀況問題逐漸引起人們的重視。20世紀(jì)90年代后期，我國香港特別行政區(qū)率先借助歐、美、日等橋梁強(qiáng)國的橋梁計(jì)算分析技術(shù)，結(jié)合香港地區(qū)高校的科研實(shí)力建立了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上開展探索性研究和設(shè)計(jì)創(chuàng)新，致力于橋梁的監(jiān)測和管養(yǎng)工作，為后期設(shè)計(jì)和建設(shè)的橋梁收集實(shí)測數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)響應(yīng)實(shí)測資料。

為實(shí)現(xiàn)在橋梁運(yùn)營期對橋梁的健康狀況進(jìn)行監(jiān)測與評估，從目前橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀來看，其具備以下特點(diǎn)：

（1）健康監(jiān)測系統(tǒng)由硬件和軟件組成，通過布設(shè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;

（2）主要監(jiān)測橋梁外部環(huán)境及橋梁結(jié)構(gòu)的物理和力學(xué)狀態(tài);

（3）可分析數(shù)據(jù)并對橋梁進(jìn)行整體性和安全性評估;

（4）隨著信息技術(shù)發(fā)展，使得橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)能夠獲得更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，并具有大容量和網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理能力。

2 應(yīng)用橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)必要性

雖然傳統(tǒng)的檢測手段以及健康保障體系經(jīng)過了長久的發(fā)展，但是這類檢測方式仍有許多不足之處，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）檢測的目的性差，檢測手法及檢測內(nèi)容大眾化，沒有根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)因地制宜地進(jìn)行檢測;

（2）檢測方面存在諸多盲點(diǎn)，內(nèi)部許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)無法檢測到或檢測不準(zhǔn)確;

（3）傳統(tǒng)人工檢測時(shí)效性差，不能隨時(shí)掌握橋梁健康狀況，無法做到提前預(yù)警或在突發(fā)情況下找出問題所在，很難為運(yùn)營期橋梁的管養(yǎng)與維護(hù)提供決策支持;

（4）人工記錄檢測信息效率低，主觀性強(qiáng)，無法對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確的處理分析和長期記錄與管理。

截至2017年年末，全國公路橋梁達(dá)83.25萬座，總長5 225.62萬m，比上年增加2.72萬座、308.66萬m。其中，特大橋梁4 646座、826.72萬m，大橋91 777座、2 424.37萬m。而橋梁在長期運(yùn)營過程中由于受到車輛荷載、環(huán)境、材料等因素影響導(dǎo)致結(jié)構(gòu)響應(yīng)往往超出設(shè)計(jì)預(yù)期。在我國橋梁管養(yǎng)工作越來越重要，橋梁安全健康狀況監(jiān)測和預(yù)警需求越來越迫切的今天，為保證橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)營期內(nèi)的安全，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用尤為重要。在橋梁運(yùn)營期應(yīng)用橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)可對橋梁的結(jié)構(gòu)安全狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，對結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)進(jìn)行提前預(yù)警，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行長期記錄和分析等，從而為橋梁管養(yǎng)提供理論依據(jù)與決策支持，盡量延長橋梁運(yùn)營壽命。

3 橋梁運(yùn)營期橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用需因地制宜，根據(jù)所需監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和地理環(huán)境、系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模以及造價(jià)要求來確定橋梁在運(yùn)營期內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)、功能、總體框架和運(yùn)作流程，并根據(jù)監(jiān)測目標(biāo)和功能需求確定以下內(nèi)容：

（1）確定需要監(jiān)測的環(huán)境及使用荷載，并根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范確定荷載在各種極限狀態(tài)下的分布、幅值等。

（2）結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，確定傳感器的選型和布設(shè)方法，以確保選用的傳感器能夠?qū)蛄簝?nèi)部狀況進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測;建立全橋視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對橋梁外部狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻監(jiān)測，隨時(shí)了解橋梁通行狀況及外部情況。

（3）確定結(jié)構(gòu)安全評估的方法與預(yù)警系統(tǒng)，對結(jié)構(gòu)損傷、性能退化或突然狀況進(jìn)行預(yù)警或識別，保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營。

（4）確定數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析、顯示、存檔等要求，從而掌握結(jié)構(gòu)性能演化規(guī)律，為橋梁結(jié)構(gòu)耐久性、可靠性評估提供數(shù)據(jù)支持。

（5）健康監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合人工檢測，建立橋梁管理系統(tǒng)，為橋梁管理養(yǎng)護(hù)及維修加固提供技術(shù)支持。

3.2 監(jiān)測內(nèi)容

在橋梁運(yùn)營期，其內(nèi)力與變形情況復(fù)雜，并且在風(fēng)或地震等荷載作用下，會影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，因此橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容通常包括以下幾個(gè)方面：

（1）環(huán)境荷載，包括風(fēng)荷載、溫度荷載。由于橋梁特別是大跨度橋梁結(jié)構(gòu)對風(fēng)荷載較為敏感，風(fēng)速矢量是重要監(jiān)測參數(shù)。同時(shí)，大跨度橋梁結(jié)構(gòu)對溫度荷載反應(yīng)顯著，通過對溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測，可獲得橋址氣溫變化規(guī)律，對橋梁運(yùn)營狀態(tài)進(jìn)行分析與評價(jià)有著重要作用。

（2）車輛荷載。車輛荷載是橋梁結(jié)構(gòu)主要的運(yùn)營荷載，也是導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷的重要因素。通過長期的監(jiān)測可為車輛荷載分析系統(tǒng)錄入大量數(shù)據(jù)，從中獲取車輛荷載基本特征和屬性。

（3）動態(tài)特性。動態(tài)特性是反映結(jié)構(gòu)本身健康狀態(tài)的重要指標(biāo)，通過監(jiān)測應(yīng)用結(jié)構(gòu)參數(shù)和損傷識別技術(shù)，有助于對橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)做出評價(jià)。

（4）結(jié)構(gòu)響應(yīng)，包括變形、應(yīng)力、索力等。可實(shí)時(shí)了解結(jié)構(gòu)變形情況與變形性質(zhì)，分析變形規(guī)律、速率與趨勢，可預(yù)警結(jié)構(gòu)隱患。對橋墩、主梁等重要構(gòu)件和關(guān)鍵部位的受力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況和局部損傷部位，是健康監(jiān)測的重要內(nèi)容。而由于索力、吊桿等關(guān)鍵承重構(gòu)件的內(nèi)力直接反映結(jié)構(gòu)狀態(tài)，因此可及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷或狀態(tài)改變。

（5）地震監(jiān)測。與傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)相比，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的重要特點(diǎn)之一是可對偶然性災(zāi)害進(jìn)行記錄，為災(zāi)后評估和振動響應(yīng)提供依據(jù)，對于運(yùn)營期橋梁的健康狀況評估有著重要意義。

接下來將以某運(yùn)營期橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)為例，簡述橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)在橋梁運(yùn)營期內(nèi)的應(yīng)用。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

某運(yùn)營期橋梁全長1 050 m，采用（108+3×188+108） m連續(xù)剛構(gòu)，引橋采用30 m預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，跨徑組合為：5×30 m+（108+3×188+108） m+4×30 m，主橋橋墩采用薄壁式，引橋橋墩采用樁柱式橋墩。

4.2 監(jiān)測重點(diǎn)

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測范圍的選取遵循傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測和人工檢測相結(jié)合原則，監(jiān)測內(nèi)容要能滿足結(jié)構(gòu)安全及綜合評價(jià)、結(jié)構(gòu)狀態(tài)及損傷識別要求，根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定該橋監(jiān)測重點(diǎn)：

（1）動力響應(yīng)監(jiān)測。掌握大橋箱梁振動響應(yīng)，用于計(jì)算結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)和振動類突發(fā)事件預(yù)警;

（2）內(nèi)力監(jiān)測。在應(yīng)力變化幅度較大位置布設(shè)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測以考察疲勞狀況;

（3）變形監(jiān)測。掌握主梁撓度變形和梁端位移實(shí)時(shí)情況;

（4）溫度監(jiān)測。由于溫度對結(jié)構(gòu)溫度影響較大，因此要實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)構(gòu)溫度和大氣溫度;

（5）交通荷載。安裝攝像頭以監(jiān)控交通量情況，并在橋梁兩邊設(shè)置動態(tài)稱重系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)掌握交通荷載情況。

4.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該橋正在使用的健康監(jiān)測系統(tǒng)包括設(shè)備供電系統(tǒng)、自動化傳感測試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)四部分，可在橋梁運(yùn)營期對主河橋主橋橋面交通狀況、橋梁長期受力情況、周邊環(huán)境狀態(tài)、橋面及橋下情況等多種參數(shù)提供實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，如圖1所示。

4.4 主要系統(tǒng)應(yīng)用

4.4.1 自動化傳感器系統(tǒng)

由傳感器系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成。以梁、墩身為主要監(jiān)測對象，以結(jié)構(gòu)靜力、動力、變形以及結(jié)構(gòu)與環(huán)境溫度為重點(diǎn)監(jiān)測內(nèi)容，布設(shè)相應(yīng)的監(jiān)測儀器，建立起結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。

4.4.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集基站主要由硬盤錄像機(jī)、采集單元以及工控機(jī)組成。共設(shè)有兩個(gè)采集基站，一個(gè)負(fù)責(zé)交通荷載監(jiān)測和部分視頻監(jiān)測;另一個(gè)負(fù)責(zé)環(huán)境、視頻、主梁變形、結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測等。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由局部光纖或電纜網(wǎng)絡(luò)和整體光纖網(wǎng)絡(luò)組成，局部光纖或電纜網(wǎng)絡(luò)將各傳感器或攝像頭連接到數(shù)據(jù)采集單元，整體光纖網(wǎng)絡(luò)將各數(shù)據(jù)采集單元連接成星形網(wǎng)絡(luò)，并將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)服務(wù)器。

4.4.3 數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)

該系統(tǒng)將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理，并展示到健康監(jiān)測系統(tǒng)平臺頁面上，從而可在異地實(shí)時(shí)觀測橋梁健康狀況，獲取監(jiān)控與分析數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)網(wǎng)站包括四個(gè)模塊，可實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄分析、預(yù)警、狀態(tài)評估、損傷識別等功能，具體模塊功能如表1所示。

隨著橋梁運(yùn)營期的安全狀況日益受到重視，橋梁檢測需求逐漸增多，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)綜合現(xiàn)代傳感器、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)管理、結(jié)構(gòu)分析等技術(shù)對運(yùn)營期橋梁進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，它的應(yīng)用對橋梁管養(yǎng)、日常運(yùn)營維護(hù)有著重要作用。

5 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)存問題與發(fā)展方向

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)在橋梁運(yùn)營期的應(yīng)用，在很大程度上解決了傳統(tǒng)橋梁檢測的不足，并在可靠性、易維護(hù)性等多方面取得了較好的成效，但在實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)了尚存的一些問題：

（1）缺乏相關(guān)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)對監(jiān)測內(nèi)容與監(jiān)測方式、傳感器布設(shè)方法等進(jìn)行評估;

（2）電子產(chǎn)品如傳感器存在耐久性低、不穩(wěn)定等問題;

（3）結(jié)構(gòu)狀態(tài)預(yù)警功能缺乏實(shí)用性研究，可靠性待提升;

（4）安全評估方法尚且不夠完善，未能合理利用監(jiān)測系統(tǒng)對橋梁健康狀況和安全狀態(tài)進(jìn)行綜合評價(jià);

（5）監(jiān)測與養(yǎng)護(hù)管理沒有得到很好的連接，監(jiān)測數(shù)據(jù)未能進(jìn)行有效運(yùn)用;

（6）橋梁健康情況、結(jié)構(gòu)狀況、傳感器布設(shè)情況未能更加直觀地體現(xiàn)。

隨著橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)日趨成熟，從目前應(yīng)用現(xiàn)狀及存在問題來看，未來橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的主要研究方向?yàn)椋?/p>

（1）監(jiān)測內(nèi)容和方式應(yīng)結(jié)合實(shí)際分情況、分階段實(shí)施，并進(jìn)行傳感器選型以及布設(shè)方法優(yōu)化研究，形成具有實(shí)用性的評估標(biāo)準(zhǔn);

（2）硬件設(shè)備及產(chǎn)品通過技術(shù)研究不斷革新;

（3）基于健康監(jiān)測技術(shù)對實(shí)測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場情況等進(jìn)行分析，優(yōu)化算法將損傷程度分級量化，形成更加合理的預(yù)警閾值;

（4）對橋梁健康監(jiān)測和狀態(tài)評估系統(tǒng)進(jìn)行探索研究，側(cè)重于對橋梁整體性、耐久性和安全性的監(jiān)測與評估;

（5）監(jiān)測系統(tǒng)與管理相結(jié)合，為管理養(yǎng)護(hù)、維修加固提供科學(xué)依據(jù)，更好地為橋梁檢測所服務(wù);

（6）將監(jiān)測系統(tǒng)與BIM（建筑信息模型）技術(shù)相融合，以三維方式更直觀地展現(xiàn)橋梁各結(jié)構(gòu)狀況及傳感器布設(shè)等情況。

6 結(jié)語

綜上所述，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)不只是對傳統(tǒng)橋梁健康檢測技術(shù)的簡單改進(jìn)，而是結(jié)合現(xiàn)代信息化技術(shù)為橋梁健康狀況進(jìn)行監(jiān)測、分析、評估和應(yīng)用研究，并提供科學(xué)的依據(jù)，在橋梁運(yùn)營期的應(yīng)用有著重要意義。目前橋梁健康檢測系統(tǒng)尚且有不足之處，在一定程度上還不能滿足現(xiàn)階段的橋梁建設(shè)快速發(fā)展的需要，其未來的發(fā)展和應(yīng)用還需要各界共同探索與研究，讓橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)向更加實(shí)用、便捷、經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展，進(jìn)一步提高我國橋梁健康監(jiān)測的整體水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]交通運(yùn)輸部.一圖看懂2017年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)[J].中國公路，2018（7）：16-18.

[2]張學(xué)卿，任子偉.橋梁檢測技術(shù)及其工程實(shí)踐應(yīng)用研究[J].科技與創(chuàng)新，2015（13）：6-8.

[3]李占全，張小江，李懷雷，等.外觀檢查在橋梁養(yǎng)護(hù)管理中的作用分析[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2014（4）：4.

[4]鄭 淳，廖 威.大跨徑橋梁運(yùn)營期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].廣州建筑，2015，43（7）：36-41.