弄清“健康手環”佩戴效果
——安徽公路橋梁結構健康監測系統建設實踐

文/圖 安徽省交通控股集團有限公司 張立奎

作為長江流域安徽段上首座跨江公路大橋及國家高速公路網G3京臺高速的重要組成部分，于1995年12月26日建成通車的銅陵大橋全長2592米，主跨為432米，橋型為雙塔雙索面預應力混凝土斜拉橋，日均車流量達4萬輛次。

太平湖大橋位于黃山區太平湖柳家梁峽谷風景區，跨越太平湖，日均車流量為1萬輛次。橋梁全長504米，主跨為336米，橋型為中承式鋼管混凝土提籃拱橋，主橋行車道系由預制鋼筋混凝土π型橋面板、“工”字形鋼橫梁和大“H”形鋼縱梁等組成，于2007年8月建成通車。

太平湖大橋 安徽省交通控股集團有限公司 圖

原系統運行情況

2011年底，銅陵大橋結構健康監測系統建成，主要包含自動化監測、綜合管理、系統管理、數據庫管理和用戶界面5個子系統，布設環境、作用、結構響應及變化監測點共計182個；采用的傳感器包括動態稱重系統、超聲風速儀、GNSS（全球導航衛星系統）、壓力變送器、光纖光柵應變計、加速度計等，信號傳輸網絡采用光纖冗余環網拓撲結構；系統軟件采用B/S架構開發，能夠實現橋梁基礎信息管理、各類監測數據展示、歷史數據查看、統計報表分析和查看、系統訪問控制等功能。

銅陵大橋結構健康監測系統

太平湖大橋原有結構健康監測系統于2017年建設完成并投入使用，系統由傳感器、數據采集與傳輸、數據處理與分析、結構健康預警與評估子系統組成，監測內容包括主拱變形、結構振動、吊桿力、主拱應變等，共布設監測點137個（含48個棱鏡）；結構振動和吊桿力監測采用加速度計，主拱應變監測采用振弦式應變計和電阻應變計，主拱線形主要通過全站儀進行定期人工觀測；系統軟件采用C/S（客戶機/服務器）結構開發，能夠實現數據的在線展示和查詢功能。

兩座大橋的結構健康監測系統建成后，經管養單位委托專業機構定期維護，總體運行正常，不僅分析評估每月數據，為養護工程師提供大橋運行關鍵結構數據報告，還在特殊工況下發揮了重要作用。例如：在2016年銅陵大橋換索工程中，實時監測并記錄了不同工況下的橋梁線形變化。

系統改造原因

部分設備老化

截至2021年試點改造前，兩座大橋的結構健康監測系統已分別運行了10年和4年，部分監測設備受野外環境及元器件老化影響，存在故障率增高、工作性能變差等現象，需及時更換。如銅陵大橋存在部分光纖傳感器損壞及光纖光柵解調儀故障率高、壓力變送器管路老化破損、交換機到達壽命年限等問題；太平湖大橋則存在部分索力計和加速度計故障問題，以上種種，均已無法滿足現代管養需求，亟待改造升級。

新的標準要求

2021年7月，交通運輸部發布《公路長大橋梁結構健康監測系統試點建設技術指南》（以下簡稱《指南》），對長大橋梁監測系統的監測內容、監測方法、數據分析與應用等方面進行了指導和規范。在監測內容方面，銅陵大橋缺少索塔錨固區溫濕度、塔頂風速風向、梁端轉角、塔頂振動等監測項；太平湖大橋缺少車輛荷載、風速風向、溫濕度、縱向位移、主梁應變及變形等監測項。在監測方法方面，《指南》要求對關鍵參數進行實時動態監測，而太平湖大橋主拱變形則采用人工定期測量；在軟件架構方面，《指南》要求采用B/S架構，而太平湖大橋為C/S架構。

新的功能要求

按《指南》系統應用功能的要求，橋梁結構健康監測系統需具備實時和自動預警功能，并分為藍色、黃色、紅色3個等級；軟件功能要求具備數據實時展示和預警（界面顏色變化、短信等）、在線數據分析（相關性分析、對比分析、趨勢分析）、移動端訪問等功能；狀態評估功能要求對橋梁的健康度進行評估；聯網運行要求各單橋系統與省、部級平臺聯網運行，實現集群化管理。

重點病害監測要求

銅陵大橋和太平湖大橋已分別通車運行了27年和13年，橋梁結構均出現了不同程度的疲勞損傷，存在安全隱患。如銅陵大橋已出現主梁腹板及索塔錨固區裂縫；太平湖大橋則出現了吊桿銹蝕斷絲等。

改造方案

改造依據及原則

試點改造嚴格按照《指南》相關技術要求，遵循“先進、適用、穩定、安全、經濟、實用”及“一橋一策”的原則，并結合在役橋梁管養實際需求進行設計與實施。

與新建監測系統不同，既有系統改造一方面需要充分調查原系統運行情況，掌握系統存在的缺陷和不足，進行針對性改造；另一方面需要充分利用原系統設備以節約資金，避免資源浪費，同時要保障新舊系統的軟硬件兼容性；此外，還應考慮對原系統數據進行保留和繼承，保障數據的時間延續性。

改造內容

銅陵大橋改造工作包括：充分結合大橋運營環境及結構受力特點、結構不利性改變、薄弱部位，在原系統基礎上對監測內容進行補充完善，增設索塔錨固區溫濕度、塔頂風速風向、梁端轉角、塔頂振動等監測內容，加密主梁振動、斜拉索振動測點，新增測點87個；結合大橋結構技術狀況變化、歷史監測數據、定檢報告等內容，對報警值的設置和報警等級進行調整；對運行時間較長、存在運行不穩定或故障率較高的部分設備進行更換，包括動態稱重系統、光纖傳感器及解調儀、壓力變送器及管路等；對軟件系統進行全面升級，采用數據可視化及BIM技術開發了數據大屏及用戶界面系統；根據《指南》統一的數據標準、接口規范要求，為未來大橋監測數據及業務數據接入部省健康監測平臺開發了數據接口。

銅陵大橋

此次升級改造在原有采集方案的基礎上，采用基于工業以太網同步技術的信號采集器，新增傳感器的數據采集方式與原系統保持一致性，并對數據采集傳輸與處理軟件進行升級擴展，使動態信號采集同步誤差小于0.1毫秒，靜態信號采集同步誤差小于1毫秒。

太平湖大橋改造工作包括：對監測內容進行全面增設、補充，使監測項由原來的5項增加為12項，包括環境溫濕度、車輛荷載、風荷載、結構溫度、地震、位移、應變、索力、振動、變形、吊索斷絲、邊坡穩定性等，總計252個監測點，同時對部分加速度計進行了更換；根據大橋靜動力計算分析結果，對原系統監測點位進行優化調整；基于B/S架構重新開發用戶界面軟件，建立大橋BIM模型；實現與安徽省公路長大橋梁結構健康監測平臺的數據接入和聯網運行。

太平湖大橋結構健康監測系統

此次改造結合大橋結構特點和管養需求，積極采用新技術和新產品。針對本橋橋面振動大、變形小的特點，采用機器視覺技術實現橋面位移動態監測，使測量精度達到0.2毫米；針對吊桿銹蝕斷絲風險，首次采用聲發射技術對吊桿斷絲進行實時監測，采集頻率達到2兆赫；采用支持北斗的國產化GNSS設備及5G通信技術對拱頂及拱座位移進行監測，平面測量精度達到2.5毫米；采用云計算技術，減少了單橋機房建設與運營管理成本；采用移動互聯網、二維碼等技術實現了監測設備自身的信息化管理。

改造成效

通過此次改造，兩座大橋的健康監測系統功能及性能得到全面提升，主要集中在四個方面。

感知內容更加全面

系統改造后的監測內容均涵蓋了“環境、作用、結構響應、結構變化”四大監測類別，能夠全面及時感知大橋運行過程中的各類風險源及大橋重點部位、重點構件的運行情況。

系統使用更加便捷

用戶軟件均采用B/S架構開發，可以通過瀏覽器、移動端App隨時隨地查看大橋運行狀態，并通過短信、微信等方式實時發送大橋安全報警信息，更符合大橋應急管理要求。改造后，報警響應時間小于1秒，軟件操作響應時間小于3秒，數據查詢響應時間小于5秒。

分析能力明顯提高

升級后系統具有數據統計查詢、原始數據追溯、對比分析、相關性分析、概率分布分析、頻譜分析、疲勞分析、自動統計報表、健康度評估、設備自診斷等功能，提高了分析評估和診斷的能力。

為聯網運行奠定基礎

系統改造均根據《指南》統一技術標準、數據標準、接口規范設計實施，為實現大橋監測數據及業務數據接入省、部健康監測平臺奠定了基礎。

思考與展望

思考

橋梁結構健康監測系統經過國內十余年的實踐探索，已在數百座大型橋梁上得到應用，實現了從科研到工程化的轉變，但實際應用過程中仍存在一些不足。

系統硬件壽命與長期監測目標不匹配。傳感器的壽命普遍低于10年，部分設備為3年至5年。此外，由于多數公路橋梁運行環境較為惡劣，高溫、高濕、高鹽霧環境易導致采集通信等設備發生故障。因此，應開發長壽命、高性能的智能采集設備以滿足橋梁長期監測的目標。

結構健康監測系統缺少統一標準。由于長大橋梁的橋型各異、需求不同，且各橋梁監測系統都是由項目方自行開發，系統間差別很大，給聯網運行造成了一定困難。若數據結構標準一樣，再開發單橋實用性軟件，即可輕松建立數據平臺。

軟件數據分析及處理能力有待提高。由于監測系統24小時不間斷、高頻率采集數據，造成數據實時分析的難度較大，同時隨著時間推移會產生海量數據，導致數據寫入和讀取速度越來越慢，從而影響系統使用。因此，需要研發更適用于海量數據處理和存儲的軟件系統。

2021年3月19日至20日，交通運輸部在安徽銅陵組織召開了全國公路長大橋梁結構健康監測系統試點建設工作現場調研會。

監測數據智能化評估與管養結合不充分。一方面，目前系統的數據分析評估主要由人工完成，還未實現在第一時間對突發事件進行分析評估。另一方面，目前系統的數據分析主要還是基于數據本身，未與橋梁物理模型進行智能融合。此外，監測數據的分析結果與橋梁管養結合尚不充分，用于橋梁評估的科學模型，以及直接指導養護的策略體系還沒有完全建立。

展望

加快省級平臺建設。安徽省此次共有18座長大橋梁列入《方案》建設清單，包括懸索橋1座、斜拉橋9座、梁橋6座、拱橋2座。在總結兩座試點橋梁系統改造經驗的基礎上，將繼續開展其余橋梁既有監測系統的改造升級及部分橋梁系統新建工作。下一步，安徽省將加快省級公路長大橋梁結構健康監測平臺建設，預計在2022年底前將已有橋梁監測系統接入省、部級平臺，實現聯網運行。

深入開展應用研究。加強新一代信息技術與長大橋梁健康監測的融合應用，實現數字賦能大橋管養是下一步需要深入開展的應用研究內容，包括開發應用時序數據庫技術，提高長大橋梁監測海量數據的高速寫入、實時查詢分析及特殊事件應急響應和歷史事件回溯能力，建立數據結構標準平臺；研究應用數字孿生技術，結合結構物理模型、實時監測數據，建立現實結構在虛擬空間的映射，實現對橋梁運行狀態的智能仿真和在線評估；加速知識圖譜建設，形成“病害-檢測-維修知識庫”，開發基于知識圖譜及多源異構數據融合的智能診斷技術，輔助橋梁養護科學決策。