中小跨徑橋梁結構健康監測系統設計研究

景亞彪

(新疆大學建筑工程學院 新疆烏魯木齊 830017)

橋梁結構是交通網絡的重要組成部分，在國家戰略方針、社會經濟發展方面以及各地區文化交流中占據十分重要的地位。橋梁在長期的服役過程中，受到交通負荷、環境侵蝕、材料老化等因素的影響而導致橋梁結構損傷，由于橋梁結構損傷而引發的交通事故不勝枚舉，這不僅使人們的生命財產無法得到保障，還衍生出惡劣的社會影響。

人工檢測是檢測橋梁安全性的傳統手段，具有主觀性強、工作效率低、成本費高等眾多缺點，不能滿足數量巨大的橋梁結構安全檢測的發展需要。我國在橋梁結構健康監測方面的研究相較于國外發達國家起步晚、發展難度大的劣勢。橋梁健康監測系統經過30多年的研究和發展，滿足了國內大部大跨度橋梁結構健康監測的需求[1]。中小跨徑橋梁雖然在橋梁中占據著最大比例，但是其建造費和養護費低，中小跨徑橋梁結構健康監測系統的研究與應用相對較少。陳宇哲[2]將應力（應變）作為基本的檢測指標，實現了對空心板梁橋和T 梁橋的安全預警目標。毛琳等研究者[3]設置應變和傾角的安全閾值，實現了對小箱梁和空心板梁橋安全狀態的評估目標。程勛煜等研究者[4]開發了橋梁養護管理系統，提高了中小跨徑橋梁監測數據的管理水平。楊志峰等研究者[5]利用撓度作為監測指標，進行了中小跨徑健康監測系統的研究。

中小跨徑橋梁在保證交通網絡正常運行方面發揮著重要作用。鑒于大跨度橋梁的健康監測系統不完全適用于建造費用相對低廉的中小跨徑橋梁，并且中小跨徑橋梁的健康監測系統的研究與設計不夠完善，因此有必要針對中小跨徑橋梁自身的結構特點量身設計一款結構健康監測系統。利用先進的橋梁結構荷載效應監測技術和健康監測數據的處理方法對中小跨徑橋梁重要部位進行數據采集、數據處理和數據分析，進而評估中小跨徑橋梁在服役期間的工作性能，確保中小跨徑橋梁在運行期間的安全性。對中小跨徑橋梁在服役期間出現的損傷及時進行定位，通過定性和定量分析中小跨徑橋梁的損傷狀況和損傷程度，為中小跨徑橋梁的維修加固和交通事故的防治提供可靠的科學支撐。

1 中小跨徑橋梁的健康狀況

交通事業建設的迫切需求促使我國在橋梁設計和建造方面的技術得到極大的提高。目前，我國已成為世界上橋梁數量第一的國家，與此同時，我國橋梁數量以較高的增長率繼續增加，中小跨徑橋梁始終占據最大比例。中小跨徑橋梁在長期的服役過程中受到外界因素（自然環境、交通負荷等）和橋梁結構自身因素（結構老化、結構腐蝕等）的綜合影響，既增加了中小跨徑橋梁的健康狀況出現問題的可能性，又降低了橋面車輛行駛的安全性，還縮短了中小跨徑橋梁的使用年限。中小跨徑橋梁在長期的服役過程中的健康狀況不容樂觀。由于橋梁設計、施工質量和養護條件等因素的限制，中小跨徑橋梁出現了一系列的病害，例如鉸縫破壞、鋪裝層開裂、支座變形與開裂、混凝土開裂和單板受力，這些中小跨徑橋的典型病害降低了車輛在橋面行駛的安全性，使中小跨徑的病害研究成為一種熱點。閔兆興研究者[6]分析了高速公路中小跨徑橋梁典型病害特征。華東東研究者[7]對中小跨徑混凝土橋梁病害原因進行了分析。高慶飛等研究者[8]對中小跨徑空心板梁橋的鉸縫破壞機理進行研究。邱文等研究者[9]對中小跨徑橋梁的支座病害進行分析，并給出修復方法。王冰[10]根據中小跨徑橋梁的常見病害進行智能安全風險等級評價及養護措施研究。馬明雷[11]結合大量的中小跨徑橋梁數據，對橋梁運營早期階段的典型病害進行了分析。

截至2020年末，我國特大橋、大橋和中小跨徑橋梁的總數為91.28萬座，其中中小跨徑橋梁占比最大。中小跨徑橋梁在長期的服役期內出現問題的概率較大。鑒于中小跨徑橋梁破壞形式多樣，為了保證車輛行駛的安全性，有必要進行結構健康監測系統的研發與設計。

2 中小跨徑橋梁健康監測系統設計

中小跨徑橋梁健康監測系統是一個具有多個高新技術的系統集合，主要包括結構效應分析技術、傳感器技術、通信技術和計算機技術。橋梁健康監測系統的工作原理就是收集和分析車輛荷載引起的結構響應指標，通過指標的變化診斷結構的健康狀況，運行流程如圖1所示。橋梁結構健康監測系統能夠全天候不間斷地監測橋梁荷載與環境作用、結構局部損傷和整體響應、識別橋梁結構損傷和性能退化，把握和預警結構安全和壽命狀況，科學地支撐中小跨徑橋梁的管養維護與維修加固。中小跨徑橋梁健康監測子系統一般由傳感器子系統、數據采集與傳輸子系統、數據處理與控制子系統和離線評估系統組成。

圖1 健康監測系統工作流程

2.1 設計原則

中小跨徑橋梁結構健康監測系統是一個功能強大的復雜系統。中小跨橋梁結構受力形式復雜多樣，不同類型橋梁所對應的結構健康監測系統存在較大的差異。為了中小跨徑橋梁養護管理和運營的需要，設計結構健康監測系統的過程中應依據以下原則。

（1）中小跨徑橋梁結構健康監測系統應遵循經濟性和可靠性原則。（2）結合中小跨徑橋梁具體的結構形式和受力特點，從易損性的角度設置荷載效應監測點。（3）動力響應和靜力效應相結合，爭取用最少的傳感器和數據量完成中小跨徑橋梁的健康評估。（4）監測中小跨徑橋梁的指標要以位移和應力為主，以力、模態分析為輔。（5）中小跨徑橋梁結構健康監測系統應具有可擴展性，以應對將來結構健康監測的需求變化。

2.2 傳感器子系統

傳感器子系統由各類監測傳感器及其附屬設施組成，是橋梁健康監測的基礎和數據來源。中小跨徑橋梁健康監測的內容包括環境監測、變形監測、裂縫監測、應變監測、溫度監測、振動監測、索力監測和活載監測。監測內容應根據橋梁結構的結構形式和受力特點決定。中小跨徑橋梁的監測指標、監測儀器及監測目的內容具體見表1。

表1 監測內容及目的

2.3 數據采集與傳輸子系統

數據采集與傳輸子系統包含數據采集、信號調理和數據通信3個模塊。數據采集模塊負責橋梁健康監測數據的采集、儲存、預處理和采樣控制；信號調理模塊負責對信號的過濾和放大；數據通信模塊負責傳輸數據和接受控制信號。數據采集系統負責采集橋梁信息，是中小跨徑橋梁結構健康監測系統不可或缺的部分，總體設計要求如下。

（1）數據采集系統能在惡劣的自然環境下進行數據連續采樣，并能自動遠程傳輸和共享健康監測數據。

（2）數據采集系統應具有緩存健康監測數據的功能，并能對原始數據進行基本的統計分析。

（3）出現斷電情況時，數據采集系統應能自動啟動、同步和運行。

2.4 數據處理與控制子系統

數據處理與控制子系統的功能是對海量的健康監測數據進行可視化處理和分析評估，實現原始數據到橋梁健康狀況信息的轉化。中小跨徑橋梁結構健康監測系統的數據處理由3 個部分組成，分別是數據預處理、數據二次處理和數據后處理。數據預處理通過計算數據的統計量（最值、期望和標準差）對橋梁結構狀況進行初級預警。數據二次處理主要進行健康監測數據的時域和頻域分析。數據后處理是對健康監測數據進行高級處理，完成橋梁健康狀況報表。

3 結語

我國正從橋梁建造大國逐漸轉變為橋梁管養大國。中小跨徑橋梁數量多，建造費少和養護費低，其健康狀況經常被忽視，因此在長期的服役過程中結構安全性容易出現問題。目前，針對區域內的橋梁進行集群健康監測系統的研究與開發成為橋梁結構健康監測系統研究的重要方向，該研究可以降低結構健康監測系統的安裝成本。為中小跨徑橋梁量身打造一套價格低廉的結構健康監測系統，對我國交通正常運行和社會經濟的快速發展具有重要的意義。