江蘇樣本：構筑強大的橋梁“神經系統”

文 江蘇高速公路工程養護技術有限公司 陳策

結構健康監測技術是傳統人工檢測方法的重要補充，利用該技術構筑起橋梁的“神經系統”，有助于發現結構病害和隱患，保障橋梁安全與健康。

近年來，江蘇省在橋梁結構健康監測技術方面的研究和應用取得重要突破和進展，不但率先探索出頗具代表性的區域性長大橋梁健康監測數據中心管理模式；還率先規模性地在常規中小橋梁上推進健康監測技術的研究和應用，建立了較為完善的標準化體系，形成了一系列典型性工程應用成果和案例，為工程界和學術界提供了極具價值的參考樣本。

根據發達國家交通基礎建設和管理經驗來看，橋梁大規模建設之后，必然迎來大規模管養時代，常規檢測已無法滿足橋梁結構安全報警與評估的需要，尤其對于大跨度橋梁，需要通過結構健康監測系統來獲得其在運行狀態下的結構響應和自身特性，從而實現重大事件的報警預警和結構狀態的趨勢分析。

據不完全統計，我國已有500余座橋梁建立了不同規模的健康監測系統，其中江蘇省有近百座，占全國總數的20%。江蘇省對大跨度橋梁已經全部建立了較為完善的健康監測系統，且每年進行系統維護和數據分析，保障其正常穩定運行，從而有效獲得結構狀態變化信息。

長大橋梁健康監測技術的研究與應用

江蘇較早地開展了橋梁健康監測技術的研究與應用。應用方面，最早可追溯到1999年建設的江陰大橋健康監測系統。此后，該領域技術的研究和應用不斷加快，至2004年，江蘇已擁有大量健康監測技術自主知識產權，并實現了江陰長江公路大橋健康監測系統的自主升級改造，實現了潤揚長江公路大橋健康監測系統的自主設計和施工。自此，江蘇平均每年都會開展2～3項省級科研項目，對健康監測系統中的關鍵技術進行攻關研究。如2011年，江蘇省開展了重大專項科研課題“橋梁結構健康監測與狀態評價成套技術”，對橋梁用傳感器應用關鍵技術、長大橋梁健康監測系統數據處理與分析技術、大型懸索橋及斜拉橋健康監測系統預警及評估指標體系、基于結構健康監測的大跨預應力混凝土箱梁橋安全評估技術、中小橋梁結構安全狀態評價技術、系桿拱橋結構安全性評估及吊桿疲勞壽命預測技術、運營期多源環境場耦合作用下橋梁結構實用分析技術、中小橋梁快速檢測技術等進行了專項攻關研究，并獲得了重要科研成果，大幅推進了健康監測技術在江蘇省的推廣應用，并初步建立了橋梁健康監測技術的標準化體系。

為打造健康監測技術團隊，培養專業技術人才，構建科學化、專業化、標準化的橋梁健康監測養護管理模式，促進長大橋梁健康監測技術又好又快發展，2010年，江蘇交通控股有限公司（以下簡稱“江蘇交控”）聯合蘇交科集團股份有限公司率先成立了全國首個區域性長大橋梁健康監測數據中心——“江蘇省長大橋梁健康監測數據中心”（以下簡稱“數據中心”）。2020年，江蘇交控明確由江蘇高速公路工程養護技術公司作為數據中心的歸口管理單位，進一步發揮技術與數據的集成效應。

目前，江蘇已有近百座橋梁建立了不同規模的健康監測系統。

數據中心的四項重要工作如下：

圖2 江蘇省長大橋梁健康監測數據中心

圖3 接入江蘇省長大橋梁健康監測數據中心的長大橋梁

專業服務

為江蘇省長大橋梁提供全方位的健康監測技術服務，成為橋梁的專職“保健醫生”；保障系統正常穩定運行，并優化系統功能；存儲和管理全省長大橋梁健康監測數據，并對其進行跟蹤分析，剖析結構狀態變化趨勢，為養護維修提供科學依據。

技術提升

集中優勢力量，開展健康監測技術領域的瓶頸問題攻關研究，為江蘇省乃至全國建立較為完善的橋梁健康監測技術標準體系。

人才培養

培養健康監測技術專業人才，包括傳感技術、采集技術、通訊技術、軟件開發技術、信號處理技術、算法分析技術、數據挖掘技術、運維管理技術等專業人才。

開放共享

開放數據中心，供各企業人士進行參觀交流；開放監測數據，供研究人員開展研究；與各長大橋梁管理單位共享監測技術和研究成果，推進健康監測技術的快速發展和推廣應用。

常規中小跨徑橋梁監測技術研究與應用

我國中小跨徑橋梁量大、面廣，部分橋梁建設年代久遠，且受地震、洪水等自然災害影響，一些老舊中小橋梁結構狀態堪憂，常規檢測無法及時獲得其結構狀態變化情況和極端工況下的結構響應，因此，有必要建立健康監測系統。重點是，長大橋梁的健康監測系統無法直接復制到中小橋梁，詳見表1。

表1 常規中小跨徑橋梁健康監測系統特點與對策措施

江蘇通過“橋梁結構健康監測與狀態評價成套技術”和“面向感知公路的國省干線橋梁簡易型狀態監測系統研究”等科研項目，打破了常規中小橋梁健康監測系統的多項瓶頸問題，使橋梁健康監測技術被成功推廣應用到大量中小橋梁上。

“十三五”期間，江蘇還在全國范圍內率先啟動了干線公路上75座特殊橋梁（復雜特大橋梁、特殊結構橋梁、特別重要橋梁）的健康監測系統建設計劃，并建立了“江蘇省普通干線公路橋梁結構安全監測數據中心”，使健康監測技術在江蘇實現了更大范圍的推廣應用。

江蘇橋梁健康監測技術典型成果

江蘇省通過對大量科研項目開展技術攻關，并經過大量橋梁健康監測項目的實踐驗證，獲得了一系列科研和應用成果，主要如下：

科研獎項

基于多座大橋長期實測數據，江蘇首次建立了華東沿海地區強/臺風實測風譜模型，如圖4所示，形成了橋梁健康監測成套關鍵技術、橋梁群協同監測技術等多項重要技術，獲得了包括國家科技進步二等獎1項、國家技術發明二等獎1項、江蘇省科技進步一等獎2項、中國公路學會科學技術獎特等獎1項在內的50余項科研成果獎項。這些科研成果使得健康監測技術更具實用性，能夠切實指導橋梁養護管理工作的開展和推進，有效保障橋梁結構安全。

圖4 華東沿海地區強/臺風譜模型

技術標準化

江蘇省率先建立了較為完善的健康監測技術標準化體系，包括橋梁健康監測系統的設計、實施、檢評和維護四大部分標準體系，發布了江蘇省地方標準《橋梁結構健康監測系統設計規范》（DB32 T 3562-2019）和《光纖傳感式橋隧結構健康監測系統設計、施工及維護規范》（DB32 T 2880-2016），編制了《公路橋梁健康監測系統數據庫架構設計規范》、中國公路學會團體標準《公路橋梁結構健康監測系統施工質量檢驗與評定指南》等。

監測系統建設與維護

雖然健康監測技術已經獲得了重大突破和較為廣泛的應用，但仍存在較多問題，需要工程界和學界共同努力，依托技術的快速發展，進一步加以突破和解決。

為更好地提供健康監測系統的維護服務和數據分析服務，保障健康監測系統長期穩定運行和深入數據挖掘，江蘇率先成立了“江蘇省長大橋梁健康監測數據中心”和“江蘇省普通干線公路橋梁結構安全監測數據中心”，這一數據中心模式的探索和應用，不僅促進了健康監測系統的維護工作長期有效開展，有效保障了系統穩定運行，而且優化了系統的管理和應用工作機制，使得系統能夠更加充分地發揮作用，同時也加快了江蘇省健康監測技術的發展和應用。這一模式還在天津、安徽等地得到推廣和應用。

數據分析典型成果

特大橋梁的健康監測數據分析，每月編制數據分析月度報告，每年編制數據分析年度報告，從不同維度、不同深度分析監測數據，獲得橋梁結構的狀態信息；常規中小跨徑橋梁健康監測數據分析，每季度編制數據分析季度報告，將監測數據與常規檢測相結合，從而獲得橋梁結構狀態信息。

鏈接：

江蘇橋梁健康監測數據分析典型案例

突發事件及時報警：江陰大橋主梁遭受船舶撞擊

對健康監測系統記錄的3次船撞數據進行分析與研究，構建了三指標船撞報警體系，分別利用梁端水平轉角的幅值超限、能量衰減特性和功率譜密度三個指標聯合判斷，可實現船撞發生后1分鐘內報警。

圖1 江陰大橋船撞事件報警方法研究

累計損傷趨勢分析：懸索橋伸縮縫病害成因分析與處置

江陰長江公路大橋伸縮縫設計壽命40年，但使用5年后就出現嚴重病害，通過對健康監測系統的梁端位移數據進行分析發現，伸縮縫鋼梁之間的滑塊累計位移遠大于廠家給定的設計值，導致滑塊快速磨損。了解病害成因后，廠家重新設計了滑塊，使其更加耐磨，同時，江陰大橋還在梁端增添了縱向阻尼器。潤揚大橋在設計時設立中央扣，大幅減小了伸縮縫累計位移，伸縮縫滑塊的改進和橋梁受力結構的微調，大幅增加了伸縮縫的使用壽命。

關鍵指標連續監測：路面溫度連續監測

路面溫度是橋梁養護作業中的重要參數，夏季高溫時，需要根據路面溫度情況，及時灑水降溫，防止高溫車轍；冬季低溫時，需要根據路面溫度情況，及時預撒除冰鹽，防止路面結冰，影響行車安全。以往，路面溫度只能由養護人員上橋實測，關鍵時間段每半小時測量一次，不僅影響交通，還存在交通風險，且無法及時獲得橋面溫度。極端溫度下，環境惡劣，測量工作難以開展。通過健康監測系統，養護人員可在辦公室內實現路面溫度的在線實時監測，根據溫度實時變化情況，及時采取養護措施。

驗證和指導設計：崇啟大橋主梁振動阻尼器效果驗證

崇啟長江公路大橋健康監測系統對其主梁的阻尼器振動和位移進行了監測，通過阻尼器安裝前后相近風場條件下，對主梁及其阻尼器的振動和位移數據進行分析可知，安裝阻尼器后，主梁振動和位移明顯減小，且隨著風速的增加，主梁振動幅值未出現明顯增大的現象，但阻尼器的振動和位移卻出現了明顯增大現象，說明阻尼器對于主梁的振動起到了較好的抑制作用。

圖2 崇啟大橋阻尼器效果驗證

總體而言，雖然健康監測技術已經獲得了重大突破和較為廣泛的應用，但仍然存在較多問題需要解決，如傳感器設備的壽命和穩定性有待進一步提高；海量監測數據的清洗和信息挖掘能力有待進一步提升；健康監測技術的標準化體系有待進一步完善等，這些問題還需要工程界和學界共同努力，依托云平臺、大數據、物聯網、人工智能、移動通訊技術的快速發展，進一步加以突破和解決。