普立大橋結構健康監測系統實踐分析

席恩偉、韓志剛、孟祥昌、閆文佳

（云南云嶺高速公路工程咨詢有限公司，云南昆明 650200）

0 引言

截至2020 年年底，我國300m 以上跨徑的斜拉橋、懸索橋中至少有140 座安裝了結構健康監測系統[1]，隨著新技術的不斷發展，BIM、GIS 與GNSS 等技術逐步應用于橋梁健康監測，橋梁結構全生命周期監測的理念也不斷貫穿在橋梁健康監測系統的設計過程中。對于懸索橋的健康監測，20 世紀90 年代開始，一些世界級的懸索橋相繼建立了健康監測系統，如1998 年建成的日本明石海峽大橋，我國的虎門大橋、潤揚長江大橋、江陰長江大橋[2]等。近年來，依托大數據技術，橋梁結構健康監測系統建設朝著集群化方向發展，對監測數據的研究也不斷深入，例如，胡柏學等利用健康監測數據對矮寨大橋的吊索疲勞可靠性進行了評估，巫生平等對主跨為235m 的自錨式懸索橋的疲勞易損性進行了分析。目前，對于懸索橋的健康監測，監測技術已經趨于成熟，此外，對于監測數據的分析以及數據的有效利用，國內學者及單位也進行了大量的研究，一些成熟的理論及方法也應用于橋梁健康監測中。

普立大橋是普宣高速公路控制性工程之一，主橋為628m 單跨簡支鋼箱加勁梁懸索橋，主纜邊跨為166m，索塔為直塔柱門式框架結構，群樁基礎，普立岸采用隧道錨，宣威岸采用重力錨，本文以該橋健康監測系統實踐為例，從監測系統架構、監測內容、數據采集及傳輸、數據分析方面論述普立大橋健康監測系統實踐過程，為后期同結構類型橋梁健康監測系統的建設提供參考。

1 系統組成

普立大橋結構健康監測系統由5 個子系統組成，分別為前端傳感器子系統、數據采集及傳輸子系統、數據處理與管理子系統、結構安全評估與預警子系統、橋梁監測平臺，整個系統架構如圖1 所示。

圖1 普立大橋健康監測系統架構

1.1 監測內容

普立大橋監測內容包括荷載與環境、結構靜力響應、結構動力響應三大類，監測參數12 項，監測內容見表1。

表1 普立大橋監測內容一覽表

1.2 數據采集與傳輸子系統

數據采集與傳輸子系統的主要功能是采集傳感器的信號并將采集信號通過傳輸介質進行傳輸，普立大橋現場設置9 個數據采集站、1 個數據采集中心，采集站與數據采集中心用雙環光纖網絡連接，采集中心通過Internet 將數據傳輸至監測中心，數據的傳輸路由如圖2 所示。

圖2 普立大橋數據傳輸路由

1.3 數據處理與控制子系統

該子系統布置在監測站或監測中心，主要由監測中心服務器、數據存儲設備及相應的軟件系統構成，它是健康監測數據的“集采中心”，同時也是橋梁管養信息化和數據化的核心，通過監測數據處理分析，為橋梁結構健康狀況評估及預警提供數據支持。該子系統的主要功能是完成監測數據的預處理、后處理及數據存儲及管理；通過網絡能夠控制現場各個采集站并根據條件設置相應的數據采集或采樣頻率，管理和存儲整個橋梁全生命周期的基礎數據和動態數據，同時管理結構健康監測系統實時動態監測數據。普立大橋數據處理與控制子系統設置在橋管站監測中心機房內。

1.4 結構健康評價子系統

利用監測數據分析能夠識別橋梁結構運行狀態及損傷，并結合對結構的識別結果融合檢查、檢測數據對橋梁結構的運營安全狀況進行預警及評估；對環境監測數據、作用監測數據、結構響應數據和結構變化數據進行統計分析和特殊分析，為橋梁結構安全預警、狀態評估提供基礎數據。

1.5 橋梁監測平臺

對橋梁基礎數據及健康監測數據進行統一管理，通過平臺可以根據用戶需求實現健康監測數據、養護過程數據的個性化展示，同時用戶可以在平臺上實現對系統的控制和輸入。普立大橋橋梁監測平臺布置在監測中心的服務器上，平臺基于B/S 架構，內置一系列可視化的操作組件，可向監測中心工作人員或其他遠程用戶提供良好的人機操作交互界面，通過平臺可以實現監測數據的在線可視化、橋梁養護數據的多維度在線查詢、統計、分析。

2 海量數據存儲與顯示

由于普立大橋結構健康監測系統監測參數多，數據量大，為了提高數據存儲及檢索的效率及數據可視化效果，數據存儲端采用了TDengine 時序數據庫，應用云原生技術，對普立大橋結構健康監測系統底層數據結構進行分布式設計，數據分片區和分區存儲，存儲與計算分離，大大提高了數據的存算效率；WEB 端采用BIM+GIS 技術進行數據可視化展示，將GIS 的數據宏觀管理和BIM 的數據微觀功能進行交換和互操作，提升了數據展示及操作效果[3]。

2.1 環境監測

普立大橋環境監測包含橋面、錨室、鞍罩及加勁梁內的溫濕度監測，取代表性的測點，監測數據圖如圖3 所示。

圖3 環境監測數據圖

2.2 作用監測

普立大橋作用監測包含車輛荷載、風速風向、地震及結構溫度，取代表性的監測點，監測數據圖如圖4所示。

圖4 作用監測數據圖

2.3 結構響應

普立大橋結構響應監測包含主梁豎向位移、主梁橫向位移、支座位移、梁端縱向位移、塔頂偏位、主梁及索塔關鍵截面應變、吊索索力、主梁與索塔振動，取代表性的監測點，監測數據圖如圖5 所示。

2.4 結構變化

普立大橋結構變化監測內容包含普立鞍隧道錨錨塞體位移、宣威岸重力錨錨碇傾斜，取代表性的測點，監測數據如圖6 所示。

圖6 結構變化監測數據圖

3 結論

普立大橋結構健康監測系統于2018 年12 月建成，截至2023 年10 月運行近五年，目前系統各監測內容均正常運行，通過系統的建設及運行維護，得出如下結論：

第一，大型懸索橋的工程結構健康監測系統，監測參數眾多，對數據采集、傳輸要求高，現場宜采用有線的方式進行數據采集傳輸。第二，地震、加速度、動應變等數據由于采樣頻率高，數據量大，宜采用文件的方式對數據進行存儲，同時提取特征值存儲在數據庫文件中。第三，對于大型懸索橋健康監測系統的數據管理，宜采用時序數據庫，可以解決關系數據庫存在的億級海量數據并發寫入、時間序列數據累積快的問題，更好地實現海量數據實時顯示與可視化。第四，結構監測系統應注重后期系統的運行維護，制定相應的維護制度，定期開展系統巡檢或檢查工作，確保系統的正常運行及數據的有效采集。第五，隧道錨錨塞體的相對位移監測采用磁致伸縮位移計的監測方法是可行的，后期可推廣使用。第六，利用磁致伸縮位移計對懸索橋的伸縮縫位移進行監測，統計其時間維的累計行程，可為后期伸縮縫的使用壽命的判定及更換提供數據支撐。