橋梁健康監測智能化發展現狀

王 超 韓阿慧 曹娟麗

1中設設計集團股份有限公司（210001） 2 西安長安大學工程設計研究院有限公司（710061）

0 前言

橋梁作為交通建設系統的重要組成部分，對人類文明的發展和演化起著重要的作用。隨著社會的不斷發展，人們越來越關注交通安全問題。橋梁在施工階段和成橋服役期間由于受到環境、有害物質侵蝕、車輛荷載、風荷載、地震荷載、疲勞、自身材料性能退化、人為等多種因素的影響，結構的各部分會產生不同程度的損傷和退化，安全性能存在隱患。這些問題如果不能及時解決，會對橋梁的壽命、功能及人們的安全造成很大威脅，因此對橋梁進行科學的監測顯得尤為重要。

據不完全統計，我國的公路橋梁超80 萬座，其中1/3 以上具有結構性缺陷和不同程度的損傷，存在功能失效的隱患。近年來，我國發生了多次重大橋梁事故，缺乏有效的監測措施和必要的維修養護措施是重要的原因之一。這些重大事故使得人們越來越關注現代橋梁的質量和使用壽命。橋梁結構的質量檢測和健康監測已成為國內外學術界和工程界研究的熱點[1]。

1 橋梁健康監測技術概念

健康監測技術作為一種新技術，主要通過最小的成本來監控和評估橋梁結構的技術狀況，以便在橋梁結構處于特殊氣候、交通狀況下或橋梁嚴重異常運營狀況時觸發預警信號，并為橋梁保養、維修與管理決策提供依據和指導，有效保證結構運營的安全性。健康監測技術根據結構狀態發展趨勢，預測結構安全程度，或者在結構遇到突發性損傷后，評估結構安全性。應用健康監測系統,可提前掌握公路橋梁結構亞健康狀態，便于盡快作出調整與維修，保障公路橋梁的正常使用[2-3]。橋梁健康監測可以通過在橋梁中設置的數據采集系統自動采集橋梁的各種狀態參數，如荷載、溫度、撓度、應變、振動特性等。采集到的數據經預處理后通過通信系統送到控制中心。經過數據系統分析處理得到橋梁的健康狀況評估、損傷分析、剩余壽命評估、交通控制和維修決策等結論[4]。

2 橋梁健康監測內容

橋梁健康監測包括施工和運營兩個階段，施工階段主要監測內容為:橋梁幾何形態，包括高程、跨度、變形等參數；結構截面應力，包括鋼、混凝土、鋼筋的應力分布；索力監測，包括主纜索及吊索的索力；預應力監測，包括預應力筋張拉的真實應力、在預應力管道摩阻中產生的應力損失等；溫度監測；下部結構監測,包括地基內外部變形、地錨應力、主塔樁基軸力等。運營節段主要監測內容為；荷載監測，主要包括風荷載、溫度荷載、地震荷載和聲荷載等；表面形貌監測，包括橋梁各部位的動、靜態位置，沉降，線形變化等；結構強度的監測，主要包括橋梁結構的應變、應力、動力反應等；振動監測，包括結構的振動和沖擊,從而得到其模態參數等；橋梁性能趨向、非結構部件及輔助設施監測，主要包括結構的各種主要性能指標、制作、振動控制設施等[5]。

3 國內外健康監測中的新技術

傳統的橋梁監測方式以人工巡查、設備檢測為主，很難做到及時或實時監測。隨著大數據、BIM 等信息技術的發展，橋梁監測逐步構建起信息化、智能化的應用系統。

3.1 BIM 技術

BIM 技術的橋梁健康監測系統包括數據信息模型、橋梁健康信息監測、數據采集、數據處理等內容。BIM 數據信息模型為橋梁建設與健康信息的監測提供基礎數據,數據采集、數據處理則利用各種傳感器對運行中的橋梁進行實時監測。BIM 模型強大的可視化與分析計算功能在橋梁健康的評估中發揮著巨大作用，可完成橋梁健康狀況的綜合評估，包括損傷識別、狀態評估以及疲勞狀況等信息，并給出相應的預警信息，實現對橋梁狀態的量化評估[6-7]。

3.2 傳感傳輸技術

傳感傳輸技術即利用傳感器等傳輸信號達到監測的技術。監測內容方面，傳感傳輸技術涉及了變形、位移等方面測量，檢測拉索銹蝕和疲勞監測等方面。其中，傳感器技術、無線傳輸技術、狀態監測可視化和評估輔助技術等，都是當前重要的新技術。在不斷的研究和持續改進中,一些新技術發展逐漸成熟，包括機敏網仿生裂縫監測技術、監測動態功耗管理技術、準直點激光投射式撓度監測技術等,當前已走向市場[8]。

3.3 GPS 技術

GPS 橋梁監測系統包括控制中心、 基準站、監測點及數據傳輸系統。GPS 技術彌補了傳統的橋梁監測技術的不足，測量精度高，誤差低，檢測成本小，大大減少了惡劣自然條件對橋梁監測的限制和影響，能夠全天候地對橋梁結構健康情況進行實時監控及評估，可以廣泛應用于橋梁監測領域。當在多個點同步監控的時候,運用GPS 定位測量技術可以快速獲得定位點三維坐標。該方法受自然影響小、采集數據快和自動化。所以對長期處于高強度運載中的橋梁進行評估，這種技術非常方便。同時，這種技術對檢測當代橋梁的受損情況也非常重要。通過運用數據管理系統可以獲得大量的橋梁檢測數據，通過固定時間內的檢測數據形成數據庫,方便后期隨時進行訪問、回復和處理。可視化技術能夠更加直接看見橋梁結構的位移狀況和結構整體的位移, 當前GPS-RTK 技術在國內外越來越多的橋梁監測中得到了廣泛的運用[9-10]。

4 結語

傳統的橋梁監測方式很難做到及時或實時，缺乏科學系統的監測方法，往往對橋梁的狀況缺乏全面的把握和了解，信息不能得到及時反饋。大數據、BIM、GPS 等信息技術的廣泛使用,使得橋梁監測逐步構建起信息化、智能化的應用系統,在實際應用中滿足了橋梁監測的實際需求。信息技術不斷的進步會導致更加多樣化的的數據被采集, 因此也會促進評估理論的發展。