橋梁動載健康診斷信息系統研究與應用

高繁強 辛京偉 沈義勤 周守朋 裴 磊

（1.南四湖水利管理局二級壩水利樞紐管理局 微山 277600 2.淮河水利委員會沂沭泗水利管理局 徐州 221018 3.沂沭泗水利管理局防汛機動搶險隊 徐州 221018）

1 研究背景

二級壩溢流壩交通橋為南四湖二級壩除險加固工程的一個單位工程，是二級壩壩頂道路重要組成部分，橋梁總長400m，橋面總寬12m，橋面凈寬9m，兩側人行道各寬1.5m，共20 跨，單跨跨度20m，荷載等級為公路-Ⅰ級。交通橋工程完工后面臨重載、超載車輛長期通行的困境，對新建橋梁的破壞日積月累，將會大大降低工程設計壽命，并帶來安全隱患。

根據國家發改委“強化過壩車輛限流限載管理，做好維修養護，保證工程長期穩定發揮效益”及水利部“加強壩頂道路管理，確保工程良性運行”的要求，有必要引入先進的技術手段對橋梁進行動載健康診斷管理，實時記錄通行車輛重量，統計分析實時的橋梁應力及撓度變化，并能及時發出超閾值報警。監測診斷數據需要實時記錄并長期儲存，既能及時反映橋梁運行狀況，為交通橋運行管理單位采取橋梁限載限行措施提供依據，也為今后橋梁除險加固、拆除重建等基本建設提供可靠的數據支撐。

2 項目簡介

橋梁動載健康診斷信息系統項目是在結合工程運行管理實際需求，充分考慮外部環境的基礎上，大量查閱相關的資料、文獻，通過不斷摸索實踐提出的，并經過反復調整、試驗、修改，逐步形成研究成果。

2.1 總體思路

近年來全國已發生多起橋梁坍塌、傾倒、斷裂等重大安全事故，橋梁運行安全警鐘長鳴。通過對多起橋梁安全事故案例的分析和研究，大多存在超設計標準運行的情況，而且缺少有效的健康監測診斷手段，不能及時反映橋梁運行狀況，從而未采取有效的限制措施，導致事故的發生。

新建溢流壩交通橋是國道518 的組成部分，承擔著地方交通運輸功能，對當地的經濟發展具有重要的意義，由于重載、超載車輛較多，對橋梁主體結構造成疲勞荷載，尤其是改裝的超重單軸車輛荷載較大，匯車行駛時對橋梁造成不可恢復性傷害。為了避免由于重載、超載車輛對交通橋造成結構性破壞，出現較大的安全事故，造成較大的經濟損失，實時監測診斷橋梁各項指標變化，及時發出超閾值預警，為溢流壩交通橋通車運行后管理單位采取有效的橋梁保護措施提供參考依據，保障橋梁安全運行，是南四湖二級壩除險加固工程建設管理處作為溢流壩交通橋建設單位應充分考慮的問題。

由工程參建單位聯合科研機構共同組建課題研究團隊，在溢流壩交通橋工程實施初期便開始投入探究，從橋板預制到橋面二期恒載加載再到通車運行，將課題研究覆蓋到橋梁施工全過程，最終形成交通橋通車后能夠穩定和長期運行的動載健康診斷信息系統。

經過團隊充分研究，最終的研究成果應是一個完整的健康診斷體系，系統內容應包括橋板的撓度、應變、通行車輛荷載。實現智能動態監測，監測數據為實時數據，健康監測數據能夠在服務器長期儲存，并通過專門開發的診斷數據整合軟件進行統計分析和發布預警，能夠便捷高效地展示橋梁健康診斷成果。

2.2 技術方案

2.2.1 內部應變監測

在預制橋板施工過程中采取特殊手段對施工階段的質量進行監控。在預制橋板施工過程中，采取在橋板內部埋設應力傳感器的方式，監測橋板預制完成到通車運行后的內應力變化。在第一跨選取5片橋板，在每片預應力混凝土空心板埋設振弦式鋼筋應力傳感器，每片梁4 只，其中埋在混凝土空心板底部受拉區兩只，上部受壓區埋設兩只。鋼筋應力計布設圖如圖1。

圖1 鋼筋應力計埋設位置圖

在交通橋鋪裝層施工過程中，采取在鋪裝層內部埋設應力傳感器的方式，監測橋梁二期恒載加載及通車運行后的內應力變化。在第一跨選取5 片梁，在橋板上部混凝土鋪裝層跨中位置埋設振弦式鋼筋應力傳感器，并將信號線引出。

2.2.2 表面應變監測

在溢流壩交通橋通車運行后，在第一跨橋板下部跨中位置安裝電阻式表面式應變計，用于監測通車后加載動載荷后橋板表面應力變化，用于同內部應變對比分析。表面應變計同橋板底面緊密貼合，并且粘貼牢固，避免外部環境造成應變計震動脫落，確保讀取的數據穩定可靠。

2.2.3 橋板撓度監測

在成橋狀態下監測橋板的形變，并通過靜態、動態荷載條件下橋板撓度值的變化，來反映運行狀態下橋梁的整體性能。在第一跨每片橋板下部安裝直線位移計，用于實時監測橋板撓度變化。采用穩固且形變較小的支架作支撐，避免外部環境造成位移計震動，確保讀取的數據穩定可靠。在橋面無外加荷載的情況下讀取零點值，以便同后續讀值對比分析。

2.2.4 稱重設備安裝

為分析動載荷對橋梁的影響，需掌握橋面通行車輛重量，因此在溢流壩交通橋東端連接道路施工階段便著手考慮設置道路稱重設備。經過團隊充分考察，確定布設固定式軸重秤。固定式軸重秤是通過對車輛的軸（組）重分別計量，再通過累計獲得整車重量（總重）的計量設備，由秤體(包括稱重傳感器、接線盒、限位套件、預埋件等)和稱重儀表等組成。整秤是由0.9m×4.0m 的正方秤面，與U型梁結構秤梁無縫激光焊鑄組成的秤體框架。選用穩定可靠的高精度合金鋼橋式稱重傳感器。當車輛通過軸重秤時，稱重顯示器對于收集到的信號進行動態數據處理，顯示整車的重量，并向計算機上傳實時數據。

2.2.5 設備調試、數據讀取整合

在直線位移計和表面應變計布設完成后，安裝數據自動采集設備，安裝遠程應變數據采集器、在線監測機箱、數據采集卡等設備，并通過光纖將信號傳輸至監控中心服務器上，通過團隊創新開發的“橋梁動載健康診斷信息系統軟件”將采集的數據進行分類統計和分析展示，并設置預警閾值。

3 科技創新性

3.1 安全性高

該系統硬件設備均由課題研發團隊自行考察采購，數據通過鋪設的光纖專線傳輸，信號轉換設備、采集設備均采取加密措施，并新建數據采集設備機房。健康診斷軟件為針對該項目專門開發的在線監測平臺，具有獨立的知識產權，包括源代碼、接口協議等。系統配有專用服務器，可以通過局內網訪問，安裝有工控機安全衛士，具有防火墻、入侵檢測等網絡安全防護設備。

3.2 系統性強

通過傳感器、數據采集設備、信號傳輸設備、服務器、工控機、顯示器等多個模塊互相協作，各環節運轉高效、靈敏，最后通過監測軟件集成，形成一個完整的橋梁動載健康診斷信息系統。

3.3 人性化設計

雖然該橋梁動載健康診斷信息系統建設過程較長，但形成實體后整體框架結構清晰簡單，軟件界面布局合理，監測診斷數據信息一目了然，方便使用和查詢。監測系統簡單快捷，人機功效好，適合廣大管理人員操作使用，同時便于檢修和維護。橋梁動載健康診斷信息系統機構見圖2。

圖2 橋梁動載健康診斷信息系統結構圖

4 研發歷程

該課題于2019年9月開始構思、規劃并組建研發團隊。2019年10月30日—11月8日完成橋板內部應變計埋設及橋板靜載試驗，開始存梁期內部應變監測。2019年12月26—28日，完成橋板外部應變計和連通管、鋼弦、刻度尺安裝，開始存梁期橋板外部應變和撓度監測。2020年3月18—26日，完成橋面鋪裝層內部應變計埋設及橋板表面位移計安裝，開始橋板二期恒載加載后內部應變及撓度變化監測。2020年6月10—18日完成整橋靜、動載試驗。從橋板預制到整橋通車，各階段的試驗和監測數據為項目開發和后期應用提供了大量數據參考和支撐。在研發團隊攻堅克難、不懈努力下，于2020年10月完成了設備安裝調試、數據采集傳輸、監測軟件開發建設，并投入使用。2021年1月申報了課題發明專利和實用新型專利。

5 應用效果

經過一段時間的運行，系統軟硬件設備運行正常，各項數據傳輸準確無誤，系統顯示分析正常，數據實時更新，數據存儲正常，內部應變、撓度變化監測數據分析結果均滿足設計指標要求。整個動載健康診斷系統研發符合橋梁總體安全運行管理實際，無論從硬件還是軟件，系統功能均符合最初研發目的，整體達到并局部超越預期目標。

6 推廣應用前景

本套動載健康診斷信息系統實用性強，可以應用于眾多橋梁健康監測，符合水利行業具體要求。該系統設備無需人員值守看護，可以長期運行，設備造價經濟，安裝方便，管理人員經簡單培訓后即可上崗應用，推廣應用條件要求低，有較強的實用性，經濟、社會效益良好，可為同類型橋梁設計提供參考■