基于壽命周期的斜拉橋結構健康監測技術應用研究

高 昕 黃連英 王余鵬

（福建林業職業技術學院, 福建 延平 353000）

1 引言

隨著建橋技術的快速發展，基于壽命周期的斜拉橋結構健康監測技術日益受到重視。斜拉橋建設占用大量人力、物力資源，為延長斜拉橋周期使用壽命、保證使用人群的安全，基于壽命周期的斜拉橋結構健康監測技術使用成本較高，迫切需要投入先進的監測系統，為斜拉橋結構健康監測技術尋求更大的突破。

由于橋梁結構監測技術涉及計算機技術數據分析、監測技術的規范性、監測設備、信號分析技術等多方面的知識，對監測技術提出了更高的要求，因此，在監測斜拉橋梁周期壽命時，需要借助傳感器等自動化技術，得出更準確、更及時的結論。

2 基于壽命周期的橋梁結構監測技術應用意義

近年來，橋梁施工技術和技術理論不斷創新，橋梁跨度不斷被突破，橋梁建設取得了很大成就，但橋梁結構形式日趨復雜。針對橋梁的特殊性和復雜性，設計出系統更敏捷、技術更可靠的綜合周期壽命全范圍及時監控系統，對可能發生的安全故障作出快速反饋，并提出解決措施。工程師通過數據源整理，評估前期危險預警，確保橋梁安全，提高橋梁使用壽命，從發現、預警、聯動控制，直到消除安全隱患，對發展互聯網全覆蓋操作系統的協調性、敏捷性等具有重要意義。

3 基于壽命周期的橋梁結構監測現狀

斜拉橋監測方法是以MIDAS便攜式儀器測量的信息為主、人工目測檢查為輔的線上線下一體化監測系統，對橋梁結構進行實時全方位監測和評估。但在實際監測中，人工監測系統還存在一些問題。

3.1 理論研究未有突破

我國斜拉橋的施工技術和數據分析日趨完善，但存在的問題比較多，尤其是橋梁損壞狀況的研究還處于經驗積累階段，理論研究還沒有突破，監測系統需要不斷更新。

3.2 監測耗費大量財力、人力

目前，橋梁監測仍然采用人工配合傳統儀器采集橋梁各部位和點，而且有時會出現監測公司交接過程數據丟失、錯漏等情況，造成人力、物力、財力的浪費。

3.3 監測系統技術單一

斜拉橋監測技術多為針對性監測，人工監測對象為單個主要構件，監測周期過長。同時，解決方案時效性不夠，與監測節奏不匹配，無法準確地提供整體診斷信息和全面監測數據，只能局部分析結構周期壽命監測和評估信息。

3.4 影響交通運行

為了保證過往人群的安全，橋梁多采用封閉式監測，普通監測需借助監測設備，斜拉橋梁的通行監測需要搭設觀察平臺，或使用觀測車輛進行數據輸出，可能導致道路擁堵。

3.5 監測時效性較低

如果斜拉橋梁工程的周期較長，檢查壽命周期快則幾周，慢可達數年。如遇重大自然災害或嚴重事故，監測設備未能及時到達現場，就不能及時發布監測信息。斜拉橋梁人工監測程序及設備在實際使用中存在較大的局限性，給壽命周期監測帶來一定的不便，因此，建立一個能在斜拉橋梁結構壽命周期內監控橋梁耐久性和安全性的監測系統已迫在眉睫。

4 橋梁結構監測系統

4.1 橋梁結構監測系統的組建

傳感器是橋梁監測研究中的重要設備，但可靠性和精確性參差不齊，因此，應謹慎選擇橋梁結構壽命周期的監測技術設備。建立橋梁健康壽命監測系統不僅要考慮設備類型、監測指標等因素，還要考慮不同的斜拉橋梁結構。斜拉橋梁監測數據傳輸問題可通過傳感器收集數據的量級，選擇不同類型的無線傳輸方式，靈活選用4G和5G的轉換使用。在斜拉橋梁健康壽命的監測過程中，良好的用戶界面能幫助監測員快速地進行分析、判斷，使監測員更清晰、直觀地了解橋梁的技術狀況，因此，需要建立實用的壽命結構監測技術系統。

4.2 監測系統與設備的選型原則

任何一種斜拉橋監測結構都有受環境和荷載影響而產生變形和損傷的關鍵部位，這些部位正是我們在斜拉橋梁健康壽命監測過程中必須控制和注意的一個重要環節。

4.2.1 確保監測系統的準確性、靈敏性和階段性原則

斜拉橋梁健康壽命監測系統是一種長期使用的設備，不是一次性耗材，每次監測數據自動保存，為后續工作提供經驗數據。如果斜拉橋梁發生故障的原因與以前一樣，那么，監測系統就會立即作出反應，因此，監測系統需要感知橋梁結構的環境狀況和受力情況的變化，及時處理突發事故信息。對于斜拉橋梁的保養，保養單位要重視對機械設備損傷的修復、日常維護和維修等，數據處理人員要根據監測數據及時進行綜合分析。感知數據時，注重數據的準確性和階段性等，重點對橋梁結構狀況進行判斷和反饋。

4.2.2 根據橋梁結構和現狀判別監測系統的原則

纜索、主梁、橋墩、橋面、橋塔等是橋梁的主要結構，它們又是受荷載和環境影響而導致橋梁受損的重要因素。就建筑材料而言，復雜組合、特大型斜拉橋梁基本上是以混凝土和鋼筋為主要材料。根據橋梁的外觀、建筑材料、規模大小、構造結構的難易程度等因素，判斷并識別出斜拉橋梁是否需要建立健康監測系統。

4.3 系統軟件開發策略

利用系統開發策略建立監測系統，并參照基于壽命周期斜拉橋結構健康監測技術提供的有效數據，對不同的橋梁結構和地理位置采用不同的斜拉橋梁監測方式。評價斜拉橋梁健康壽命周期狀態主要依據MIDAS系統收集的不同類型數據，采用不同的評價模型結構和方法進行分析。

4.3.1 利用數據管理系統、模型識別的策略

在建立斜拉橋梁健康壽命監測系統時，數據管理系統平臺應注重分析手段是否準確、價值評估模型是否符合斜拉橋自身結構、監測關鍵點有無遺漏，通過建立系統對斜拉橋梁損傷程度的識別模型有針對性地選擇結果，將每個參照模型都納入監測系統。開發系統軟件時，應盡可能使用兼容性強、開放性好的程序性語言進行編輯，以節約成本，真正做到一次開發，終身受益，獲取最大利益。

4.3.2 利用監測數據識別關鍵點、部位的策略

在壽命周期斜拉橋監測系統開發過程中，建立數據收集、分析、安全檢查、投入使用等全方位一體化系統，其主要目的是識別每座斜拉橋梁的關鍵點位置，采用對應方式將監測的數據輸入數據庫，系統整理數據，提供相應的數據處理方法。系統處理數據時，監測系統需識別關鍵點，監測數據要順利進入數據庫，監測系統準確分析數據，并對分析結果評估模型，使健康監測系統達到智能化管理輸出模式。

5 應用實例

5.1 基于壽命周期橋梁監測系統MIDAS數據集成

采用MIDAS監測不同結果的斜拉橋時，由于收集的數據類型不同，數據采集的頻率和收集方式也不同。例如，當收集加速度對橋梁的影響數據時，MIDAS傳感器、應變傳感器、濕度傳感器等收集30min、10min、60min、10min內的峰值，見表1（受時間限制，只列出了溫度和風力，以及荷載作用前10組數據）。

表1 原始采集數據

由表1可知：MIDAS傳感器種類、傳輸距離不同，數據結果不同，傳感器存在誤差。在監測橋梁壽命周期時，可以利用多種傳感器進行數據對比分析。

按照MIDAS數據收集處理原則，將最高頻率數據項合并而成的數據見表2。

表2 集成后的數據

由表2可知：采集時間不同，溫度未發生變化，說明采集時間對監測數據沒有影響。但監測不同關鍵點的荷載不同，風力波動不大。

5.2 相關性研究分析

以監測的關鍵點數據為輸入變量，以壽命周期監測的索力值為輸出變量，加重了監測算法的運行負擔，時效性較差，運算時間越長，說明數據監測越復雜，設備預測結果也不準確，達不到預期效果。將輸入變量與輸出變量進行比較，并對斜拉橋梁索力值進行前期仿真預判，預測前進行影響因素精簡，可以快速、有效地提高預判的準確度，減少運算時間，提高監測效益，節約監測成本，獲得最大利益。各因素相關性見表3。

表3 斜拉橋相關性分析結果

由表3可知：濕度與風速的相關性較小，而荷載與溫度的相關性較大，因此，在預測索力值時，僅選取溫度、荷載、風速三個因素進行數據分析。

6 結語

針對橋梁的特殊性和復雜性，設計全壽命周期綜合監控系統，對可能發生的安全故障快速做出反應，并提供準確的解決措施。利用數據源整理評估前期危險預警，確保橋梁安全，延長橋梁的使用壽命，發現、預警、聯動控制、消除安全隱患，對發展互聯網全覆蓋操作系統具有重要意義。