文

短期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通?；跓o(wú)線傳輸進(jìn)行搭建，具有針對(duì)性強(qiáng)、布設(shè)密度高、安裝快捷等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)有人工巡檢和健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有力補(bǔ)充。

芮毅 攝

現(xiàn)有監(jiān)測(cè)手段存在缺陷

根據(jù)《2018年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)的特大型橋梁已達(dá)5053座。與一般的中小型橋梁相比，特大型橋梁結(jié)構(gòu)損傷表征更為隱蔽，形成原因更加復(fù)雜。這些結(jié)構(gòu)損傷一旦成為養(yǎng)護(hù)盲點(diǎn)，在無(wú)監(jiān)測(cè)、無(wú)管控的情況下，往往呈現(xiàn)出增速發(fā)展的趨勢(shì)，最終導(dǎo)致局部橋梁結(jié)構(gòu)遭到破壞，甚至影響橋梁的整體安全，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)負(fù)面影響。目前，主要依靠人工巡檢和健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)橋梁損傷。我國(guó)現(xiàn)行的人工巡檢體系如圖1所示。

圖1.我國(guó)現(xiàn)行的人工巡檢體系

人工巡檢對(duì)中小型鋼筋混凝土橋梁損傷監(jiān)測(cè)十分有效，但應(yīng)用于大跨徑的復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁卻存在明顯不足；橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有獲取時(shí)序性數(shù)據(jù)信息、實(shí)時(shí)值守的能力，能夠?qū)θ斯ぱ矙z無(wú)法獲得的關(guān)鍵信息進(jìn)行量化監(jiān)測(cè)，彌補(bǔ)了人工巡檢的不足，但從健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在我國(guó)橋梁上的實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，仍然存在分析難度大、針對(duì)性不足等問(wèn)題。

基于此，迫切需要探索一種介于人工巡檢和健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之間的損傷監(jiān)測(cè)方法，來(lái)彌補(bǔ)目前特大型橋梁損傷監(jiān)測(cè)體系的不足。短期監(jiān)測(cè)技術(shù)兼具人工巡檢方便快速和健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)連續(xù)的優(yōu)點(diǎn)，可作為兩者的有力補(bǔ)充。

短期監(jiān)測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著

眾所周知，橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的初始造價(jià)和維護(hù)成本較高，為了保證海量數(shù)據(jù)的采集和傳輸，目前的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要采取有線傳輸?shù)姆桨?，系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。相比于健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，短期監(jiān)測(cè)項(xiàng)目具有系統(tǒng)規(guī)模較小、功能較單一、監(jiān)測(cè)對(duì)象指向性強(qiáng)的特點(diǎn)。而且短期監(jiān)測(cè)項(xiàng)目搭建多采用無(wú)線傳感器，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)則通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷傳輸。在監(jiān)測(cè)任務(wù)完成后，相應(yīng)的傳感器還可以應(yīng)用到其他項(xiàng)目中。綜合來(lái)看，短期監(jiān)測(cè)技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)：

圍繞病害，有針對(duì)性布設(shè)

對(duì)于混凝土關(guān)鍵裂縫、鋼板疲勞裂縫、梁端偏位、單板受力、支反力異常等病害，實(shí)行建設(shè)期全覆蓋式監(jiān)測(cè)顯然是一種資源浪費(fèi)，短期監(jiān)測(cè)可以對(duì)關(guān)鍵病害信息進(jìn)行針對(duì)性捕捉，高效且經(jīng)濟(jì)。

密集部署，獲取最優(yōu)數(shù)據(jù)

健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)存在空間稀疏性與時(shí)間冗余性的矛盾，且系統(tǒng)造價(jià)過(guò)高、傳感器耐久性無(wú)法保障。在短期監(jiān)測(cè)中，通過(guò)快速密集部署大量有效傳感器獲取的密集型數(shù)據(jù)，更能反映出實(shí)際工程問(wèn)題。

簡(jiǎn)單快捷，評(píng)估特定構(gòu)件

可以通過(guò)短期監(jiān)測(cè)技術(shù)，獲取伸縮縫、支座、斜拉索等特定易損構(gòu)件的關(guān)鍵性能參數(shù)，并給予準(zhǔn)確的性能評(píng)估。

分項(xiàng)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)特定規(guī)律

根據(jù)橋梁已經(jīng)暴露出來(lái)的問(wèn)題或關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，進(jìn)行作用與響應(yīng)關(guān)系分析后，通過(guò)布設(shè)不同的短期監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，快速驗(yàn)證各參數(shù)之間的相關(guān)性。例如裂縫與溫度、撓度與汽車荷載等的關(guān)系。

應(yīng)急監(jiān)測(cè)，提供處置依據(jù)

在施工過(guò)程中、船撞后、火災(zāi)后等情況下，橋梁結(jié)構(gòu)安全性的應(yīng)急短期監(jiān)測(cè)可為針對(duì)性處置提供依據(jù)。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，筆者總結(jié)了常用的短期監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，如表1所示。

鏈接：

人工巡檢的不足之處

◎ 人工巡檢主要依靠結(jié)構(gòu)的表觀狀況判斷，從方法原理上只能獲取到部分結(jié)構(gòu)信息；

◎ 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，仍存在人工巡檢盲區(qū)與知識(shí)認(rèn)知盲區(qū)；

◎ 人工巡檢僅能獲取瞬時(shí)信息，而部分橋梁損傷信息需要時(shí)序性數(shù)據(jù)的支撐才可診斷評(píng)估；

◎ 災(zāi)變突發(fā)情況下，人工巡檢手段無(wú)法做到實(shí)時(shí)值守，只能事后評(píng)估檢測(cè)。

健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足之處

◎ 數(shù)據(jù)冗余，有效分析難度大。由于健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)永久性布置于橋梁結(jié)構(gòu)上，每天不間斷地采集，產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù)。然而，這些數(shù)據(jù)所承載的“有效信息”密度卻不夠大，給數(shù)據(jù)分析造成了很大的困難。特別是當(dāng)大量噪聲數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)混雜其中時(shí)，分析處理變得非常棘手。

◎ 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位針對(duì)性不強(qiáng)。絕大多數(shù)橋梁的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都是在建設(shè)期安裝的。但建設(shè)期內(nèi)，很難對(duì)橋梁未來(lái)可能發(fā)生的損傷進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，造成橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)千篇一律，沒(méi)有針對(duì)性。

◎ 系統(tǒng)維護(hù)工作量大。橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝后，如果不能及時(shí)維護(hù)，電子元器件的損壞率會(huì)很高，有可能導(dǎo)致系統(tǒng)頻繁癱瘓。

◎ 測(cè)點(diǎn)布設(shè)的密度不夠。受投資額度限制，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不可能大規(guī)模布設(shè)。只能根據(jù)建設(shè)成本，選取重點(diǎn)或典型的部位進(jìn)行布設(shè)，但橋梁損傷往往具有隨機(jī)性，使得系統(tǒng)的效力受限。

芮毅 攝

技術(shù)應(yīng)用高效實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

在對(duì)特大型橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行短期監(jiān)測(cè)時(shí)，必須做到以下幾點(diǎn)，否則短期監(jiān)測(cè)將失去意義。

確保安裝、拆卸便捷

在實(shí)施短期監(jiān)測(cè)前，可以事先將儀器的傳感器、采集儀、通訊接頭模塊化，加工簡(jiǎn)易的工裝將眾多離散的功能部署集成，以提高工作效率，節(jié)省人力物力。需要注意的是，部署花費(fèi)的時(shí)間需要控制在監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)的1.5%左右（實(shí)踐證明可實(shí)現(xiàn)），否則短期監(jiān)測(cè)將不具備競(jìng)爭(zhēng)力。

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸

無(wú)論是從現(xiàn)場(chǎng)的可實(shí)施性，還是今后傳感技術(shù)的發(fā)展方向來(lái)看，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化與無(wú)線傳感都是不可或缺的。短期監(jiān)測(cè)的單個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)需要包含傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊和能量供應(yīng)模塊。數(shù)據(jù)傳輸模塊采用無(wú)線傳輸系統(tǒng)，可以通過(guò)無(wú)線方式靈活組建網(wǎng)絡(luò)，將現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)匯集到中繼節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)關(guān)，再通過(guò)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)（2G/3G/4G/5G）將數(shù)據(jù)上傳至在線監(jiān)測(cè)云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

設(shè)計(jì)短期監(jiān)測(cè)方案

現(xiàn)階段健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)逐步完備，其全壽命周期數(shù)據(jù)具有重要工程意義。而短期監(jiān)測(cè)則要根據(jù)工程的特點(diǎn)，結(jié)合運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的具體問(wèn)題，對(duì)關(guān)鍵病害形成原因進(jìn)行重點(diǎn)分析，與健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息有效互補(bǔ)，發(fā)現(xiàn)和解決實(shí)際的工程問(wèn)題，這也是短期監(jiān)測(cè)的意義所在。

芮毅 攝工作人員正在進(jìn)行鋼箱梁檢查

表1.常用短期監(jiān)測(cè)項(xiàng)目匯總表

舒運(yùn)平 攝

短期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常基于無(wú)線傳輸方式進(jìn)行搭建，具有針對(duì)性強(qiáng)、布設(shè)密度高、安裝快捷等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)有人工巡檢和健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有力補(bǔ)充。筆者認(rèn)為，未來(lái)短期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有幾個(gè)主要發(fā)展方向：進(jìn)一步拓展研究短期空間高密度數(shù)據(jù)更深層次的分析評(píng)估方法；關(guān)注同一短期時(shí)段內(nèi)，橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部子系統(tǒng)之間的相關(guān)性、子系統(tǒng)與整體之間的相關(guān)性，橋梁系統(tǒng)與外界環(huán)境的相互作用等整體關(guān)聯(lián)性關(guān)系；做好特大型橋梁綜合評(píng)估的頂層設(shè)計(jì)，將電子化人工巡檢、健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和短期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和應(yīng)用；將短期監(jiān)測(cè)技術(shù)、人工巡檢和健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一起納入新建時(shí)期橋梁的養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)中。

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混凝土關(guān)鍵裂縫短期監(jiān)測(cè)實(shí)踐

本項(xiàng)目依托某大橋工程，采用“振弦式應(yīng)變計(jì)+智能采集器傳輸”的無(wú)線傳感方法，對(duì)混凝土關(guān)鍵裂縫進(jìn)行短期監(jiān)測(cè)以獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

通過(guò)分析各測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在短期監(jiān)測(cè)期間，監(jiān)測(cè)部位的整體大氣環(huán)境溫度從17攝氏度上升到21攝氏度。利用小波變換的方式，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪分析后發(fā)現(xiàn)，裂縫寬度方向上的應(yīng)變有明顯的周期性，約24小時(shí)為一個(gè)周期。隨后，將采集到的環(huán)境溫度與裂縫寬度方向上的應(yīng)變水平進(jìn)行相關(guān)性分析后得出：

1.所監(jiān)測(cè)的混凝土關(guān)鍵裂縫寬度變化與環(huán)境溫度相關(guān)性較強(qiáng)；

2.混凝土關(guān)鍵裂縫寬度與環(huán)境溫度的周期性變化趨勢(shì)一致，并未監(jiān)測(cè)到裂縫寬度有擴(kuò)展的趨勢(shì)；

3.建議對(duì)此混凝土關(guān)鍵裂縫寬度加強(qiáng)觀測(cè)監(jiān)測(cè)工作。

綜上所述，通過(guò)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)關(guān)鍵裂縫的短期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析后，揭示了其非結(jié)構(gòu)裂縫的本質(zhì)，消除了橋梁管養(yǎng)者的擔(dān)憂，更避免了對(duì)裂縫進(jìn)行盲目封閉修補(bǔ)導(dǎo)致的無(wú)效投入。