淺談公路橋梁健康監測技術與應用

吳金華

摘 要：本文以馬鞍山長江公路大橋健康監測系統為例，對公路橋梁健康監測相關技術和應用進行了闡述分析。首先對公路橋梁健康監測系統的系統架構、監測內容和測點選擇進行了論述，然后對各子系統進行了具體分析，最后對健康監測系統的發展趨勢進行了展望。

關鍵詞：公路橋梁;健康監測技術;應用

隨著我國特大、特殊結構橋梁越來越多，自然破壞、腐蝕老化、超載、交通事故等種種問題，都給橋梁管養帶來了諸多難題。如何才能真正做到主動預防式管養？公路橋梁健康監測系統為橋梁管養者提供了一個有效的管理手段。健康監測系統可以實時監控感知橋梁，隨時掌握橋梁的運行狀況，通過對監測數據的分析挖掘，可以對橋梁的結構性能和發展演變趨勢做出科學預測，以便提前對橋梁實施預防性維護，有效延長橋梁的使用壽命。下面就以馬鞍山長江公路大橋健康監測系統為例，對公路橋梁健康監測系統的相關技術和應用做簡要論述。

一、系統架構

健康監測系統主要包括傳感器子系統、數據采集與傳輸子系統以及數據管理與控制子系統。其中，傳感器子系統主要包括前端各類監測傳感器;數據采集與傳輸子系統主要包括安裝在外站機柜內的各種數據采集設備和通信設備，數據采集設備將接入的傳感器監測信號經過濾波、轉換等必要處理后變成數字信號，再經通信設備上傳至工控機和上一級子系統;數據管理與控制子系統是整個監測系統的核心部分，主要負責監測數據的存儲、處理、分析、展示、調用以及預警評估等工作。

二、監測內容和測點選擇

（一）監測內容

健康監測內容一般應根據橋梁的結構特點、運營時間、運營環境、交通荷載等因素具體確定，應遵循“先進性、通用性、經濟型、可靠性”的原則。具體監測內容一般包括以下幾個方面：

1、交通荷載監測。主要利用動態稱重與抓拍系統來完成，通過對過往車輛實施車型、軸重、總重以及車速等參數的的實時監測，充分了解橋梁斷面的交通流信息，從而為其他監測參數的設計確定和養管單位的營運管控提供決策依據。

2、環境監測。主要是對溫度場、濕度、風速風向、地震動、船撞等方面進行實時監測。結構溫度能為結構應變監測提供溫度補償數據;路面溫度的實時監測，在雨雪冰凍等極端天氣下能及時為養管單位提供寶貴信息;此外，根據相關規范規定，特定類型特定區域的大橋需進行風速風向、地震動、船撞等參數監測。

3、結構整體響應監測。主要對大橋結構振動、位移及變形等方面進行監測。振動監測就是監測橋梁在車輛荷載、自重以及其他環境外力的綜合作用下，橋梁的頻率、振幅等參數的變化，進而準確掌握和預警橋梁剛度的變化;對橋梁鞍座、伸縮縫位移進行監測，有助于了解橋梁的整體動力特性;監測橋梁在多種外力的綜合作用下，橋梁的幾何線性變化量，能有效反映當前大橋的內力狀態。

4、結構局部響應監測。主要包括應變、索力、裂縫等參數監測。應變監測就是監測橋梁在活載與長期荷載作用下的應力變化情況，以便及時知道橋梁結構是否存在缺陷和隱患;實時監測吊索拉索在大風、交通荷載等外力作用下的加速度響應及索力變化情況至關重要，這樣能充分掌握橋梁的整體動力特性;對于存在裂縫的橋梁，還有必要對其裂縫進行監測，以掌握裂縫的發展趨勢，確保橋梁的運行安全。

馬鞍山長江公路大橋分為左汊懸索橋和右汊斜拉橋，綜合考慮各種影響因子，針對性設計部署了溫濕度、風速風向、地震船撞、振動、位移、GPS、撓度變形、應變、索力等多種監測傳感器，實時監測大橋的運行狀態，為大橋的安全運行保駕護航。

（二）測點選擇

健康監測系統的測點一般應選擇布置在橋梁結構的關鍵敏感部位，所選擇的關鍵控制界面和控制點應該最容易出現疲勞響應，或者最容易實現實時監測功能，采集到的數據應該能全面客觀反映橋梁整體和局部結構的發展變化。

1、交通荷載監測一般采用動態稱重系統，稱重測點宜選擇在混凝土路面上，應覆蓋所有車道，確保每臺過往車輛都能檢測到。

2、環境監測測點一般應選取橋面兩側、塔頂、拱頂、主梁跨中等關鍵截面，船撞監測測點宜選擇在最易遭受船舶撞擊的橋墩處。

3、結構整體響應監測測點一般應選擇振幅最大、變形最大的部位。振幅監測需避開節點位置;結構整體變形監測點應選取兩跨跨中截面或1/3截面，并科學布設基準測點和相對沉降測點;位移測點一般布置在鞍座或主梁兩端伸縮縫處。

4、結構局部響應監測應力測點應布設在受力較大的關鍵部位、最易損壞并易導致整體坍塌的關鍵部位和截面;索力監測點應選取索力值較大、長度規格不一的吊索和拉索進行布設;裂縫應選取裂縫較大、發展演變較快、影響整體結構的典型性裂縫進行監測。

三、傳感器子系統

1、交通荷載監測。一般采用不停車動態稱重系統，采用壓電式稱重傳感器，將應力轉換為電壓信號輸出，再經過控制器轉換計算得到單軸重，最后累加計算得到整車重量。在稱重的同時，通過線圈或者紅外觸發進行抓拍。

2、環境監測。主要包括溫濕度計、風速風向儀、地震船撞監測傳感器等。采集到的信號一般以電壓信號、電流信號、光信號或者RS232/485信號輸出。不同類型信號的傳輸距離、抗干擾能力都不一樣，應根據現場情況靈活選擇。光纖光柵傳感器憑借抗電磁干擾能力強、體積小、傳輸距離遠等優點被廣泛應用。

3、結構整體響應監測。振動傳感器一般采用加速度傳感器，有壓電式、磁電式等多種類型，要求具有較高的測量精度和低頻測量性能;伸縮縫位移一般采用拉繩式位移計測量，有電壓式和電流式多種類型;橋梁的整體變形可以通過GPS系統和撓度計進行監測。GPS系統具有很高的測量精度和測量頻率，但是建設成本較高;撓度計建設成本較低，但也能很好滿足線形監測的需要。

4、結構局部響應監測。目前國產的應變、索力傳感器和裂縫計已經能完全滿足健康監測的要求。與其他傳感器對比，光纖光柵應變計分辨率高、測量范圍大、抗腐蝕性能好、耐久性強，已被廣泛應用。

四、數據采集與傳輸子系統

數據采集與傳輸子系統由工作站、數據采集與傳輸軟件以及數據傳輸網絡等組成，一般部署在外站，可以根據距離遠近采用集中式或分布式布置，主要負責傳感器信號的采集、調理、預處理和傳輸，要求能自動連續采樣，斷電恢復后能自動重啟、自動校時和采集;傳輸誤碼率低，數據失真小。數據傳輸一般都采用光纖自愈環網模式，可以有效確保數據傳輸的穩定性。

五、數據管理與控制子系統

數據管理與控制子系統主要包括服務器、磁盤陣列、工作站以及對應的軟件系統，是整個健康監測系統最核心的部分。它主要負責監測數據的接收、存儲、處理、分析、展示與預警等功能。目前普遍還是采用C/S架構，但隨著5G、云計算、大數據等新一代信息技術的飛速發展，基于B/S結構的云平臺化設計已經逐漸推廣應用。

六、結語

總之，公路橋梁健康監測技術是一種能夠實現對橋梁進行在線監控、實行預測性維護的重要技術手段。上文主要對傳統的健康監測系統的相關技術和應用進行了闡述分析。隨著新一代信息技術的不斷發展，健康監測技術將向簡單化、平臺化、實效化快速演進，必將對公路橋梁的全壽命周期管理起到更加重要的作用。

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