城市高架橋結構健康監測系統智慧化淺析

□ 陳 鋒

傳統的橋梁結構健康監測主要以人工巡查為主，并輔之以相應的檢測設備，但難以做到對橋梁實時、連續不間斷的監測，監測方法非智能化。隨著物聯網及智慧城市建設的不斷深入開發，橋梁結構健康監測、重要結構部位的維護，都已離不開對傳感器的運用。一般情況下，利用較為先進的傳感器對橋梁在外部受到的刺激進行系統監測，對實際監測得到的各項數據進行記錄整理，再將它傳輸到監控中心，利用人工智能技術，對于所傳輸的各項數據做出識別，利用智能技術進行判斷，及時發出警報信息。

1 橋梁結構健康監測系統應用的意義

橋梁結構健康監測系統在具體應用期間，采用無損傳感技術分析橋梁結構情況，科學監測橋梁工程結構。通過對該監測系統進行應用，不僅可以使工作人員對大型橋梁工程整體結構有一個全面了解，還能依據了解到的情況，完成對橋梁工程結構的維修，從而降低安全事故發生的概率。

交通運輸部發布《關于進一步提升公路橋梁安全耐久水平的意見》指出，要加強橋梁結構健康監測，2025年底前實現跨江跨海跨峽谷等特殊橋梁結構健康監測系統全面覆蓋。到2035年，公路橋梁建設養護管理水平進入世界前列，公路橋梁結構健康監測系統全面建立，安全風險防控體系基本完善，創新發展水平明顯提高，標準化、智能化水平全面提升，平均服役壽命明顯延長，基本實現并不斷完善管理體系和管理能力現代化的工作目標。因此，在大型橋梁工程建設中，相關工作人員要不斷研究監測系統。近幾年我國交通行業快速發展，為了滿足交通需求，建設了大量的大型橋梁工程，但由于每天有大量車輛通行于橋梁上，車輛的荷載會對橋梁工程造成一定破壞，因此，若無法確保大型橋梁工程結構質量，在實際使用期間可能會引發嚴重交通事故，不僅會造成巨大的經濟損失，而且還會造成人員傷亡[1]。可見，在交通行業快速發展的今天，對監測系統進行合理應用意義重大。

2 橋梁結構健康監測系統的構成

橋梁結構健康監測系統是一種可實現自動采集橋梁結構不同形式的物理量（如位移、應變、溫度、振動加速度等），對測量結果進行預處理（如數據換算、主應變計算等）后通過無線傳輸至監控中心，利用人工智能技術監測橋梁的系統工作站。

在整個橋梁的監測系統當中，基本的功能模塊分為傳感器系統、橋梁結構分析系統、數據管理系統等。在數據的采集和傳輸過程當中，會利用視頻或者圖像結合接觸式的傳感器，將橋梁實際運營的數據儲存入數據庫中，之后將所有的數據和相關信號全部傳送給監控中心[2]。然而橋梁分析是利用三維的數據，將實際的工作狀態和健康狀況進行演繹。將可能存在結構損傷的地方或損傷程度做出智能化的分析，在此基礎上保障讓整個橋梁的安全評估。整個過程需要非常多的時間，甚至會耗費幾天時間都在對結構做出分析。然而人工智能可以通過網絡技術進行學習，能夠更加快速地對整個橋梁的結構問題做出判斷，當橋梁結構受到破壞，就會及時發出警報[3]。

3 監測內容和測點布置

3.1 主梁應變測點布置

因為有的高架橋相對比較特殊，它的實際檢測部位主要在主梁的跨中截面和墩頂界面。若對整體橋梁結構的應變力狀況做出檢測，就需要對它進行良好的受力分析，保證實際應變不會存在超限的狀況，或者將其所受力狀況和以往檢測出的結果做出比較，確定是否有其他問題產生。

3.2 橋墩沉降測點布置

因建設工期的需要，很多政府工程常在同期同步施工，主要包括在基坑上的開挖工作、樁基托換工作，等等。這些工作都會使得整個橋墩發生沉降現象，導致整個橋梁的結構受力受到影響，所以對橋墩沉降的布置要在承臺之上的25cm處。

3.3 索力監測

在索結構當中，最重要的受力構件就是拉索。它所具備的穩定性，對于整個結構的安全性能有著非常重要的影響。正是因為索結構非常先進，所以其實際監測的結果對結構安全的控制就非常的有必要。當前，最常用的索力監測方式分為直接法和間接法。直接法主要分為壓力表定法、傳感器測定法、三點彎曲法3種類型；而間接法則分為頻率測定法和磁場效應測定法2種類型。最常用到的監測儀器是振弦式的錨索壓力傳感器以及索力動測儀，等等[4]。

3.4 結構損傷識別

（1）對靜力損傷進行識別。它所采集到的數據是對結構的應力和應變進行識別。通常會得到一條精準度相對較高且符合整個結構受力變化的曲線。（2）對動力進行損傷識別。在當前階段，它的識別主要是利用兩個方式。一個方式是基于當前狀態，做出損傷識別。主要通過整個結構的振動模態以及實際的改變狀況進行結構分析[5]，比如固有的頻率損傷識別法、實際能量變化的損傷識別法、實際柔度變化的損傷識別方式，等等。主要優點是能夠對結構所損傷的空間信息做出真實的反應，然而大多數的研究都是針對低階振動模態來進行損傷識別。另一個方式是對所有的信號進行處理的損傷識別。在整個頻率當中它有著非常好的局部化能力，特別是頻率成分相對比較簡單，能夠確定信號。其擁有一些小波分析的方式較為普遍，能夠對整個結構的監測損傷識別進行充分的應用。在土木工程當中這種方式的運用，發展得較為快速[6]。

3.5 嚴格車輛超限超載治理

深入推進交通運輸和公安部門治理車輛超限超載聯合執法，規范完善公路橋梁限載標志設置。加強重點線路、橋梁超限檢測站點布設，有條件的地區可在重要節點位置設置具備不停車稱重檢測、視頻監控和自動抓拍等功能的技術監控設施（備），強化路面管控。推動重點貨物裝載源頭單位落實合法裝載主體責任，在地方政府統一領導下，強化對貨物裝載源頭的行業監管[7]。

3.6 支座、阻尼器和主塔位移監測

支座和阻尼器是上部結構梁體與下部結構橋墩相連接的組件，它們的活動數值體現出梁體的伸縮量和整體位移量，當每個支座和阻尼器位移監測數據不符合梁體的正常伸縮和位移范圍時，則需要依次檢查支座和阻尼器、梁體及兩端伸縮縫、橋墩等結構查找原因。主塔位移的監測傳感器安裝在塔頂，監測塔的位置坐標和塔頂沉降，結合其他監測數據、主塔傾角及塔身混凝土收縮量計算出主塔頂部的允許擺動范圍，若超出允許擺動范圍就須對監測傳感器好壞，主塔承臺的傾斜、沉降和位移，塔身整體結構的穩定和塔柱兩側的索力值等方面依次進行排查。

3.7 實現智能化重點技術突破

研發基于深度學習的病害識別技術，通過計算機視覺自動提取病害的特征，實現病害高精度識別；研發基于磁致伸縮導波的無損性拉吊索斷絲檢測技術，對于斷絲截面損失情況進行精準化評估；研發準靜態快速荷載試驗技術，縮短荷載試驗時間并降低試驗成本，同時精準評價橋梁的承載力狀況；研發同步壓縮變換瞬時頻率算法，有效提取重車通過時索承橋的索力極值，為超載報警和突發事件的安全評估做出及時預判；研發更高精度、高頻率的位移測量技術，如長標距的光纖傳感、微波干涉雷達等技術。

此外，在數據處理與狀態評估方面，充分利用云計算、人工智能技術推進數據處理自動化與智能化；并研發時空數據融合計算，推進檢測監測一體化大數據分析，建立橋梁健康狀態時空演化模型。新型數字溫度傳感器測溫系統，運用無源擺幅速率控制和瞬時強上拉技術，提升監測效率且成本較低，具有作為長監測手段的可能。基于長標距光纖光柵技術，通過推算結構撓度轉角、動力特征、交通荷載等關鍵數據，實現應變處理、變形解析、模態解析、全橋荷載識別、損傷識別及異常分析。基于分布式傳感導電涂料對裂縫具有電阻強敏感性，對橋梁混凝土裂縫的寬度計算、發展閾值報警，實現了實時監測裂縫進展的方法。對于監測過程中采集的海量數據，采用深度神經網絡的異常數據自動探測，在數據缺失時補充數據，利用實測和預測的差異進行探測異常。綜合發展傳感設備與監測系統管理制度，并面向自動化、智能化發展橋梁數據分析技術，從而實現現有橋梁健康監測技術發展問題的突破。

4 結語

依托監測系統開展日常管理，健全完善長期運行機制，不斷拓展系統功能，持續建設具有覆蓋重要公路橋梁的技術先進、經濟適用、精準預警的監測體系，進一步提升監測系統的實效性、可靠性和耐久性。

建立健康監測系統加強城市高架橋的監測，可以為橋梁管理部門準確科學的管理提供參考。