橋梁檢測與監測技術及數字化發展方向的對策研究

劉濤敏

（上海市建筑科學研究院有限公司，上海 201111）

0 引言

傳統橋梁檢測與監測技術存在檢測結果準確性低、實時性受到限制、檢測費用高等問題。為此，亟須一種更加高效、準確、智能化的檢測手段，以便更好地對橋梁進行養護與管理。隨著科技的不斷進步和發展，數字化技術在橋梁檢測和監測領域得到廣泛應用。數字化技術可以提高橋梁檢測和監測的準確性和效率，同時也帶來了一些挑戰和問題。為了充分利用數字化技術的優勢，并解決相關的問題，需要進行以下方面的對策研究。

1 新時期橋梁檢測與監測技術研究的意義

橋梁對于交通運輸的安全至關重要，因此對其進行安全檢測和監測是十分必要的。隨著技術的不斷發展，采用新材料的安全檢測技術成為橋梁構件無損檢測的重要手段。通過這種技術，可以全面了解橋梁構件的質量和安全性能等級。根據檢測結果，及時采取預防性加固修復措施，對橋梁的結構進行補強與維修，以確保橋梁的結構安全和施工質量[1]。這種及時的預防性措施可以有效減少橋梁的損壞和事故發生，延長橋梁的使用壽命，降低維修成本。檢測安全是保障橋梁工程質量的重要方面，在進行橋梁施工和維護的過程中，需要綜合考慮檢測質量和工程效益。只有通過科學檢測和評估，才能準確判斷橋梁的結構安全性，避免發生事故，保障人民生命財產安全。為推動橋梁安全檢測工程質量控制技術和綜合檢測控制技術的發展，科研應用和實踐創新至關重要。只有通過不斷地研究和實踐，不斷提升技術水平和專業能力，才能更好地發揮安全檢測技術在橋梁工程中的作用，這對于提高交通運輸的安全性、促進經濟發展具有重要的科學現實意義[2]。

2 數字化技術的優勢和特點

2.1 高精度

數字化技術可以實現對橋梁結構的高精度檢測和監測。例如，通過激光掃描技術可以獲取橋梁的三維幾何形狀數據，實現對橋梁的精確測量。數字化技術可以實現對橋梁狀態的實時監測和遠程操作，大大提高檢測和監測的效率。傳感器網絡技術可以實時采集橋梁結構的各種參數，數據可以通過云計算和大數據技術進行快速處理和分析，提供及時準確的狀態信息。

2.2 多樣化

數字化技術具有豐富的應用手段和方法。超聲波檢測、紅外熱像技術、激光掃描技術等無損檢測技術可以實現對橋梁內部結構和材料的檢測。傳感器網絡技術可以實現對橋梁結構參數的在線監測，數據挖掘和分析技術可以提取橋梁健康狀態的特征，預測潛在問題。

2.3 自動化

通過引入人工智能技術，可以建立智能化的監測系統，實現對橋梁結構的自動識別和預警。同時，數字化技術還可以實現遠程監測，減少人工巡視的工作量，降低人員風險。

2.4 數據共享與協同合作

數字化技術可以實現橋梁信息的共享和協同合作，建立統一的數據平臺，政府、企業、研究機構等多方可以共享橋梁數據和監測結果，促進信息的共享和協同合作，提高橋梁安全性和可靠性[3]。

3 橋梁工程的常見病害類型

3.1 橋梁工程裂縫問題

在橋梁工程中，裂縫是普遍存在的一種病害，必須進行有針對性的研究。

目前，我國橋梁工程橋面鋪裝多為對氣溫變化較為靈敏的半硬混凝土路面，在較大溫差作用下容易發生破壞。開裂的原因可能是使用的材質，也可能是建筑的環境。裂縫的形式有三種：收縮裂縫、溫度裂縫和徐變裂縫。收縮裂縫是由于早期凝固過程中的水分配不均勻，使得結構內部各部分受拉應力持續降低，從而引起開裂等缺陷。溫度裂縫是由于混凝土內部的溫度變化，從而導致混凝土的開裂。徐變開裂是指在橋梁上所承受的荷載作用下，其在使用過程中會產生變形狀態，產生較大的應力損耗，導致其抗裂能力下降。

3.2 鋼筋銹蝕與碳化

若有大氣滲入鋼筋中，受大氣濕度的作用，將產生銹蝕狀態，從而降低其力學性質。整個結構的穩定性也會隨之降低，從而對其總體工作狀態產生不利影響。在碳化作用下，鋼材的外觀由原來的灰色或鐵灰色變為深灰色或黑色，或帶有顯著的斑紋。在碳化作用下，鋼筋表面出現局部凹陷、坑洞或腐蝕斑點，嚴重影響鋼材的光潔度和外觀品質。鋼筋的表層變得粗糙，喪失了原來的平滑程度，并增大了鋼筋和混凝土的摩擦力，導致鋼筋截面尺寸減小，強度下降，從而降低了鋼筋的承載力。

3.3 墩臺基礎承載力不足

橋梁墩臺地基承載力的缺陷主要體現在其承載能力的變化上。第一，樁基出現下沉或不均衡的現象。墩臺在受到荷載后會產生沉陷或不均衡的變形，從而影響到橋梁的穩定性，嚴重時還會引起建筑物的整體偏斜。第二，橋墩出現了偏斜和變形現象。當橋墩發生傾側或不規則形變時，其橫向與豎向均會受到影響，從而危及其穩定。第三，橋墩的裂縫問題。由于橋墩受力不足而產生的開裂，將使橋梁的強度降低。第四，由于橋墩地基的承載力不夠，會引起全線橋梁整體的異常變形，從而對其使用性能及行車安全產生不利作用。

結果分析：一是在設計時沒有對基礎的承載力進行足夠的重視，致使其承載力無法滿足工程要求；二是基礎的問題，由于地基土的不均勻性、松散性或土體沉降，都會使橋墩的承載力降低；三是長時間負荷的影響，橋梁在長時間的荷載作用下，其橋墩地基會產生疲勞破壞，從而影響其承載力；四是河水的沖蝕，當橋梁靠近水體時，由于河道的沖刷作用，橋墩地基土體會被沖蝕，從而影響橋墩的承載力。

4 橋梁工程檢測技術的應用

4.1 光纖傳感技術

近年來，隨著光纖傳感技術的快速發展，其可以將外界的一些物理量轉化為光學信號，并通過相關的光纖傳感器件來實現對外界環境的感知。為了更好地把握施工過程中施工的質量狀況，監理工程師必須參照施工期間所測量到的資料，才能對其進行精確的計算。光纖傳感器本身具有耐腐蝕性和耐高溫等特點，在適應性和絕緣性上也表現得非常出色，即使在極端的氣候條件下，也能發揮作用。

4.2 探地雷達監測技術

地質雷達探測就是將高頻率的電磁輻射到地面上，然后通過接收裝置將其傳輸到地面上，經過處理得到的數據。探地雷達監測技術的主要特點是能比較精確地測出凹坑的大小、深度和形狀，這就節省了許多人力，加快了作業的進度，并且，這種方法具有對特定區域的大面積探測能力，不會受到其他環境因子的影響[4]。

4.3 超聲波檢測技術

超聲波檢測技術是一種通過發送超聲波信號來探測物體內部缺陷和問題的非破壞性檢測方法。對于橋梁工程來說，需要在不同的點位進行超聲波檢測，以獲取全面和準確的檢測結果。然而，超聲波檢測技術的劣勢在于不能直觀地進行觀察和檢測，需要專業人員進行數據分析和解讀。

4.4 無線電檢測技術

與超聲波檢測技術相比，無線電檢測技術更加直觀和快速。無線電檢測技術通過發送無線電信號來判斷橋梁內部損傷的程度和裂縫的位置，這種技術能夠迅速檢測出橋梁工程中的安全隱患，為及時采取修復措施提供重要的依據。同時，無線電檢測技術還可以幫助工程師更準確地評估橋梁的使用壽命，并制訂相應的維護計劃[5]。

5 數字化技術在橋梁檢測和監測中的對策研究

5.1 技術開發和人才培養

數字化技術在橋梁檢測和監測中的應用需要有相應的技術開發和研究支持，首先，需要開發適用于橋梁檢測和監測的數字化技術工具和設備，如遠程攝像頭、傳感器網絡等。這些技術工具和設備需要滿足橋梁特定的要求，如防水、耐腐蝕等。其次，需要培養專業的技術人才，掌握數字化技術在橋梁檢測和監測中的應用方法和技術。這些人才需要具備工程背景知識和數字化技術的專業知識，能夠熟練操作相關的數字化設備和工具，并能夠對數據進行分析和解讀。因此，需要加強相關領域的教育培訓，提高人才隊伍的素質和能力。

5.2 數據收集和分析

數字化技術在橋梁檢測和監測中的關鍵是對大量數據的收集和分析，因此，需要建立起完善的數據收集系統和數據存儲平臺，能夠實時、準確地獲取橋梁的各項數據。這些數據包括結構形變、振動特性、溫度變化等，可以通過傳感器網絡和遠程監測系統進行采集。同時，還需要開發和應用相應的數據分析方法和算法，對收集到的數據進行處理和分析。這些方法和算法可以用于檢測和診斷橋梁的結構問題和缺陷，并預測橋梁的運行狀態和壽命。此外，還可以利用人工智能和機器學習技術，對大規模的數據進行模式識別和趨勢分析，提高檢測和監測的準確性和效率。

5.3 安全和隱私保護

在橋梁檢測和監測過程中，涉及的結構和運行數據存在著安全和隱私的問題，需要采取相關措施來確保其安全性。首先，為了保護橋梁檢測和監測數據的機密性，可以采用加密傳輸的技術。通過對數據進行加密處理，可以防止未經授權的人員獲取敏感信息，有效保護數據的安全性。此外，還可以通過權限管理的方式，對數據進行訪問和使用的限制，確保只有具備相應權限的人員才能進行操作。其次，制定相關的法律法規和標準也是保護橋梁檢測和監測數據的重要手段。通過立法和規范的手段，可以規范數字化技術在橋梁檢測和監測中的使用，明確數據的收集、存儲、處理和共享的要求和規定。這些法律法規和標準可以為數據的安全提供保障，確保數據的合法性和可信度[6]。

5.4 加強BⅠM 技術在橋梁監測中的應用

第一，應用BIM 對建筑模型進行數字模型的構建。通過將幾何尺寸、結構尺寸、構件布置等細節輸入該系統中，建立高精度的橋梁3D 建模，為橋梁的安全監測工作提供可靠的基礎資料。第二，BIM 可以將多種監測傳感器及裝置（如位移傳感器、振動計、溫度計等）進行實時采集，并通過BIM 模型與之相結合，對其進行統一的管理與監測，從而為監理人員提供更多的信息，為正確評價高速橋梁的實際狀況與結構特性提供了依據。第三，BIM 還具有前瞻性，通過對歷史資料及實時監測的分析，可以對橋梁的潛在病害進行預警。此外，BIM 的可視化分析功能還可以讓監測者對橋梁的運行狀況及存在的問題進行更直接的了解，從而更容易發現一些不正常的狀況。據此，可對養護方案進行優化及早制訂養護方案，降低養護費用，延長養護年限。第四，依據BIM 技術建立的信息及分析成果，制訂更加合理的維修計劃，保障橋梁的安全穩定運行[7]。同時，BIM 還可以集成檔案信息，將監測數據、維修記錄、項目檔案等信息與BIM 模型進行集成，形成完整的信息記錄，使監測者可以實時了解道路橋梁的狀態演變情況，并針對已有的問題及對策進行改進。

5.5 橋梁監測系統構建技術要求

建立的橋梁監測系統必須具有數據采集、分析、傳輸等多種功能，才能達到全面的使用目的。在此基礎上，利用3D 可視化軟件進行實時交互，保證了監測資料的標準化。在搭建橋梁監測體系時，首先要具備如下的技術需求：一是要建立一個能夠實時監測整個橋梁運行狀況的輸入界面，從而為橋梁的病害預報與預防工作提供支撐。比如，當橋梁上的橋面發生開裂等情況時，該系統就會自動報警，以便有關工作人員及時作出相應的處理，以保證對橋梁總體養護工作的科學化和規范化。二是通過對橋梁進行3D 仿真，實現對橋梁的全過程進行精確的數值模擬，為項目的順利實施奠定基礎。在此基礎上，提出一種基于計算機仿真技術的橋梁動態仿真方法[8]。三是將傳感器監測數據、衛星遙感數據和氣象數據等多源數據進行融合。實現對各類觀測資料的實時收集與整合，為環境監測工作的開展提供了更為豐富的信息來源。在此基礎上，將不同的信息層次進行重疊展示，使監測者能夠更方便地通過人機接口獲得各種監測資料，進而對橋梁的運營狀況有一個完整的了解。四是加強對資料的處理與預報的研究，本文以橋梁為研究對象，以大數據分析、人工智能等為手段，開展橋梁維修過程仿真與管理研究，及時發現隱患，并制訂養護方案。五是通過圖形和動畫仿真等多種方式向監測者提供較為豐富的數據。通過可視化的方法，實現監測信息的可視化，監測者可以對橋梁的運營狀況進行及時了解，并把握其各項指標的發展趨勢。

6 橋梁檢測及監測數字化系統未來發展方向

6.1 集約化管理

橋梁檢測及監測數字化系統是一個復雜縝密龐大的工程，涉及多個工作管理方面，為保證能夠對橋梁檢測與監測工作進行集中化、實時化檢測，就需要相關單位或企業通過集控、傳感、以太網、無線、視頻、通信等技術，做到對橋梁監測數據的集成化、系統化梳理與呈現。而未來的發展趨勢，必然是實現對橋梁監測的集約化管理，如圖1 所示通過智能監測系統，需將諸多類別的傳感器、采集信號系統與終端相連接，鏈接到集控中心，集控中心通常分為三層結構：數據層、業務層以及用戶層，數據層顧名思義用來存儲橋梁壽命狀況的各類數據；業務層用來生成可視化橋梁狀況系統，用于對各類病害庫、角色、用戶等基礎數據的管理，集控中心輔助決策系統將基礎信息數據進行統計分析，可以對橋梁災害進行預警，也可以為工作人員提供輔助性的數據參考與決策建議；用戶層則用于集控中心工作人員發布的監控與調度指令。

圖1 數字化橋梁監測集約化管理

6.2 傳感器布置

橋梁數字化監測系統的發展離不開各類傳感器的應用，傳感器收集各類橋梁健康狀況數據，包括位移計、溫度計、加速度計、腐蝕計和傾角儀等各類傳感設備，可參考圖2。通常情況下，對橋梁的數字化監測項目應包括索力監測、橋塔傾斜、主梁的應力、環境狀況等方面，實現對大氣溫度、風力、地震等自然環境與海水侵蝕等因素影響下橋梁的靜（動）力響應變化情況進行實時監測。比如，中國香港的青馬（Tsing Ma）懸索橋、汲水門（Kap Shui Mun）斜拉橋和汀九（Ting Kau）斜拉橋，安裝了“風和結構健康監測系統”，在橋梁結構內部埋設傳感器設備（應變計、溫度傳感器和動態地磅等），在橋梁表面粘貼監測儀器（加速度計、位移計、風速儀、GPS 全橋衛星定位系統等），各類傳感器設備共774 個，以實現對橋梁壽命狀況的動態監測。

圖2 橋梁監測傳感器與監測器設置

另外，測點的優化布置也是持續研究的熱點問題，布置的傳感器數量越多、位置越密集，監測到的橋梁狀況信息也就越多、越精準，但也存在成本問題。因此，需要尋找監控質量與成本之間的平衡點，根據橋梁不同位置監控的側重性，對其不同功能、重要性的局部構件截面設計分類的、分級標準的傳感器布置方法。

6.3 計算模型修正與優化

對橋梁的數字化監測系統，所收集的數據模型還存在一定的模糊性與隨意性，橋梁模型的（幾何、材料）參數、各施工階段與成橋后的受力狀態、邊界條件和靜（動）力響應等具體計算模型還不夠完善，導致在橋梁數字化監控中，模型與實橋參數的貼合性存在一定誤差，導致出現監測不準、誤發警報等問題。未來，將進一步對橋梁大數據進行收集，對計算模型進行修正和優化，得到更加準確的橋梁有限元模型，為橋梁數字化監測提供基準模型。

7 結語

橋梁工程的安全性和穩定性對交通運輸的正常進行起到了至關重要的作用。因此，為了確保橋梁工程的質量和安全性，需要使用先進的檢測技術來獲取和分析其缺陷和問題。數字化技術在橋梁檢測和監測中的應用為提高橋梁工程的安全性和可靠性提供了新的手段和方法。然而，為了充分發揮數字化技術的優勢，并解決相關的問題，需要進行技術開發和人才培養、數據收集和分析以及安全和隱私保護方面的對策研究。只有綜合考慮這些方面的問題，并采取相應的措施，才能實現數字化技術在橋梁檢測和監測中的有效應用，為橋梁工程的維護和管理提供有力支持。