基于斜拉橋的結構健康監測系統設計研究

姜順泉，婁 倩

中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430052

1 工程概況

蘇通大橋是主橋為(100+100+300+1088+300+100+100)m跨徑布置的雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，跨江大橋總長8206m；雙向六車道高速公路建設標準，跨江大橋設計時速100km，南、北兩岸接線設計時速120km；主通航孔凈空891m× 62m，可滿足5 萬t 級巨輪通航需要。蘇通大橋結構健康監測系統于2008 年3 月底建成使用，大橋于2008 年6 月30日通車投入運營，項目總投資64.5 億元。

2 監測項目選取

橋梁結構健康監測項目可分為三類：荷載監測、結構響應及自身特性監測。荷載監測主要為環境參數監測，監測內容包括風荷載，大氣溫度、濕度，橋梁結構溫度以及行車荷載等；結構響應監測對象主要有支座變形和位移、主要結構特征點位移、結構內力分布、結構應力應變等；結構自身特性主要有主梁、主塔振動頻率和振型[1]。

2.1 監測項目選取原則

（1）選取決定橋梁結構安全和使用特性的關鍵性重要構件；（2）選取在正常運營條件下受重復荷載作用易于疲勞損傷且不易更換的構件；（3）根據氣候條件和地理環境，選取對橋梁結構受力影響較大的因素；（4）重點監測異形結構、特殊結構；（5）綜合考慮結構健康狀態識別和結構安全評估需求，使其服務于橋梁運營和養護管理；（6）綜合考慮橋梁結構特點和經濟可行性，實時監測與定期監測方法相結合；（7）為結構動力特性研究與結構損傷識別積累數據做技術準備。

2.2 橋梁健康監測項目

橋梁結構健康監測綜合應用了現代傳感技術、網絡通信技術、信號采集與處理技術、數據挖掘技術、云計算、機器學習研究等眾多領域的知識，擴大了橋梁檢測領域。蘇通大橋健康監測主要監測項目如表1 所示。

2.3 結構動力及振動特性

結構動力特性如自振頻率、振型（各階模態）和阻尼比等參數對橋梁抗震（抗風）設計、橋梁健康監測與安全評估、結構損傷診斷等研究至關重要。理論上，通過精確求解目標函數高階模態參數可以唯一確定結構動力特性及其在外部激勵條件下的動力反應。在實際應用中，橋梁結構損傷識別通過結構動力特性來構建損傷指標或優化目標函數算法的方法實現，其識別結果的可靠性在很大程度上取決于各階模態參數的求解精度，因而求解結構模態參數是結構損傷診斷和結構安全評估的基礎。

表1 主要監測項目原始數據及衍生參數

2.4 模態參數識別

傳統的系統模態參數識別通過理論假設構建已知系統，在特定的輸入（通常為人工激勵或機械加載等瞬時脈沖荷載）、輸出條件下求得結構頻域響應函數或時域脈沖響應函數的方法來實現，然而對于現代化的大型土木結構如大跨度橋梁及超高層建筑等復雜結構而言，傳統方法不再適用。伴隨著計算機學科的不斷發展，高階模態迭代計算的求解精度不斷提高，基于環境激勵且僅由輸出數據識別系統模態參數的方法逐步取代了傳統的方法，橋梁結構的振動響應（輸出）由安裝在各結構部位的傳感器直接測得[2]。

早在20 世紀60 年時代，基于環境激勵條件下的結構模態分析研究已經開始，經過五十多年的不斷發展，各種模態參數識別方法不斷涌現，其中代表性的方法有頻域分解法、ITD 法、最小二乘復指數法、NEXT 法、隨機減量法、隨機子空間法等。

3 結構安全評估與預警

結構安全評估與預警系統作為橋梁健康監測系統的核心，同時也是系統服務于橋梁養護管理的紐帶，能夠綜合橋梁自動化監測數據，從而進行統一處理分析、特征信息挖掘及以趨勢預測；同時，根據結構預警系統來診斷和分級預警結構異常狀態，按照結構的評估模型綜合評估橋梁結構的安全狀態，并據此給出橋梁結構的管養建議。結構安全評估與預警系統通常具備以下功能：

（1）對監測數據進行統計分析、數據挖掘，提取特征參數，進行趨勢、模型對比分析，評估結構損傷程度，診斷結構運行狀態。

（2）利用監測數據修正結構分析、建立結構有限元模型，進行橋梁運營狀態分析和行車安全評定。

（3）預警指標及分級預警體系明確，通過設置預警閾值，判斷和分級預警實時監測結構狀態參數信號，并利用預警情況記錄監測數據完善報警閥值。

（4）通過監測數據分析和分級預警，對結構異常狀態進行識別、報警；記錄異常事件（如沖撞護欄事件）信息，生成預警記錄和報告。

（5）以圖表等形式直觀展現監測數據分析結果并給出明確的評估結果；自動生成橋梁不同時期運營分析報告，服務于各級管理人員。

（6）根據橋梁運營異常狀況和安全評估結果，給出應對措施和維修管理建議。

4 橋梁結構健康監測系統設計

4.1 總體要求

（1）對監測數據進行統計分析、數據挖掘，提取特征參數、分析結構整體動力特性，通過趨勢、模型對比分析；綜合評估橋梁運營狀態，定期給出結構安全評估報告。

（2）建立計算模型，選取預警指標和參數并設置預警閾值；對運營期間的橋梁結構進行實時監測并識別結構損傷，當識別報告中預警指標或參數觸發預警閾值時，對橋梁結構安全使用狀況進行綜合預警。

（3）結合實時監測數據對結構安全狀態進行綜合評估，并生成監測數據分析和橋梁狀態評估報告。

（4）根據預警信息、評估結果和可能出現的橋梁異常狀況，給出相應的對策和維護管理建議，優化橋梁維修管養制度。

（5）預留數據接口，便于后期系統的升級擴展和補充。

4.2 結構預警設計要求

（1）建立結構分級預警體系，實現在線實時監測可能威脅到橋梁結構運營安全的可變荷載，并在結構響應異常時發出預警，提醒運營管理人員關注橋梁結構安全狀態。結構預警包括橋梁關鍵構件正常使用極限狀態預警，在風載、車輛撞擊等作用下的結構響應預警和承載能力極限狀態預警，通過合理選取結構內力、應力、變形等參數建立監測預警指標，設置預警閾值，構建不同層級的預警體系。

（2）能夠實現在線預警，對結構主要監測點的力學指標、環境參數進行預警和監測系統自身運營狀況預警，預警級別可根據橋梁結構損傷程度對行車安全的不同影響劃分為黃色預警、橙色預警、紅色預警等若干級別，其中黃色預警是超出正常使用狀態，紅色預警是超出設計極限狀態；對不同級別的預警事件給出相對的應急預案，并通過語音提醒、短信等方式通知相關工作人員。

4.3 安全評估設計要求

結構安全評估指對橋梁的服役性能和結構安全狀態進行評價，包括通過各項監測數據分析獲取結構的服役狀態及其變化趨勢，掌握結構的整體性能及其弱化規律；根據監測數據分析，結合巡檢、檢測各類信息、內力狀態、結構動力特性識別，對橋梁安全性評估、承載力評估、疲勞評估和其他專項評估（如臺風、地震、船撞等）。實用的結構安全評估體系通過對監測數據進行可量化分析，能夠生成不同運營時期的安全評估報告，實現橋梁運營安全評估全過程統一管理。

5 結束語

通過建立結構健康監測系統對橋梁運營狀態進行實時監控與安全評估，實現對橋梁結構健康狀況的信息化管理和橋梁行車安全狀態的在線實時預警，為橋梁的運營維修、養護管理提供決策依據和指導，確保交通行車安全，為國民經濟發展和交通運輸安全提供保障。