何清　唐文娟　李國威

摘要：在橋梁的長期運營過程中，由于受到內部和外部因素影響，橋梁結構的安全性、適用性和耐久性逐漸下降，而傳統的檢測方法不能完全滿足現今橋梁管養(yǎng)需要。因此，運用橋梁健康監(jiān)測系統，以信息化、自動化的方式對運營期橋梁的健康狀況進行監(jiān)測尤為重要。文章通過介紹橋梁健康監(jiān)測系統，分析在橋梁運營期使用橋梁健康監(jiān)測系統的必要性，闡述運營期橋梁健康監(jiān)測系統建設及應用方法，并探討其未來發(fā)展方向。

關鍵詞：橋梁;健康監(jiān)測系統;應用;發(fā)展方向

中國分類號：U447文獻標識碼：A

0 引言

隨著我國經濟不斷發(fā)展，我國橋梁建設技術突飛猛進，橋梁工程未來發(fā)展將逐漸從以建設為主過渡到以管養(yǎng)為主。長期以來，人們主要以人工巡檢的方式對橋梁進行檢測，且通常是在發(fā)生一些危險情況時才進行檢測，而此時橋梁已經出現了損壞，修復工作耗時耗力。因此，本文通過介紹橋梁健康監(jiān)測系統，分析使用橋梁健康監(jiān)測系統的必要性，結合某運營期橋梁健康監(jiān)測系統實際用例，闡述橋梁健康監(jiān)測系統在橋梁運營期的設計思路及應用方法，并提出橋梁健康監(jiān)測系統現存問題及未來研究方向，旨在提供一定的參考與借鑒。

1 橋梁健康監(jiān)測系統概述

近幾十年來，世界范圍內由于設計、建設、管養(yǎng)手段不足或由于多種因素的耦合作用而導致的橋梁災難性事故頻頻發(fā)生，橋梁結構健康狀況問題逐漸引起人們的重視。20世紀90年代后期，我國香港特別行政區(qū)率先借助歐、美、日等橋梁強國的橋梁計算分析技術，結合香港地區(qū)高校的科研實力建立了結構健康監(jiān)控系統，并在此基礎上開展探索性研究和設計創(chuàng)新，致力于橋梁的監(jiān)測和管養(yǎng)工作，為后期設計和建設的橋梁收集實測數據及結構響應實測資料。

為實現在橋梁運營期對橋梁的健康狀況進行監(jiān)測與評估，從目前橋梁健康監(jiān)測系統研究和應用現狀來看，其具備以下特點：

（1）健康監(jiān)測系統由硬件和軟件組成，通過布設傳感器進行數據采集;

（2）主要監(jiān)測橋梁外部環(huán)境及橋梁結構的物理和力學狀態(tài);

（3）可分析數據并對橋梁進行整體性和安全性評估;

（4）隨著信息技術發(fā)展，使得橋梁健康監(jiān)測系統能夠獲得更加準確的數據，并具有大容量和網絡化的數據采集、傳輸、處理能力。

2 應用橋梁健康監(jiān)測系統必要性

雖然傳統的檢測手段以及健康保障體系經過了長久的發(fā)展，但是這類檢測方式仍有許多不足之處，具體表現在以下幾個方面：

（1）檢測的目的性差，檢測手法及檢測內容大眾化，沒有根據橋梁結構特點因地制宜地進行檢測;

（2）檢測方面存在諸多盲點，內部許多復雜結構無法檢測到或檢測不準確;

（3）傳統人工檢測時效性差，不能隨時掌握橋梁健康狀況，無法做到提前預警或在突發(fā)情況下找出問題所在，很難為運營期橋梁的管養(yǎng)與維護提供決策支持;

（4）人工記錄檢測信息效率低，主觀性強，無法對檢測數據進行及時、準確的處理分析和長期記錄與管理。

截至2017年年末，全國公路橋梁達83.25萬座，總長5 225.62萬m，比上年增加2.72萬座、308.66萬m。其中，特大橋梁4 646座、826.72萬m，大橋91 777座、2 424.37萬m。而橋梁在長期運營過程中由于受到車輛荷載、環(huán)境、材料等因素影響導致結構響應往往超出設計預期。在我國橋梁管養(yǎng)工作越來越重要，橋梁安全健康狀況監(jiān)測和預警需求越來越迫切的今天，為保證橋梁結構在運營期內的安全，橋梁健康監(jiān)測系統的應用尤為重要。在橋梁運營期應用橋梁健康監(jiān)測系統可對橋梁的結構安全狀況進行實時監(jiān)測，對結構危險進行提前預警，對監(jiān)測數據進行長期記錄和分析等，從而為橋梁管養(yǎng)提供理論依據與決策支持，盡量延長橋梁運營壽命。

3 橋梁運營期橋梁健康監(jiān)測系統建設

3.1 系統設計思路

橋梁健康監(jiān)測系統的設計與應用需因地制宜，根據所需監(jiān)測橋梁結構特點和地理環(huán)境、系統的建設規(guī)模以及造價要求來確定橋梁在運營期內監(jiān)控系統的設計目標、功能、總體框架和運作流程，并根據監(jiān)測目標和功能需求確定以下內容：

（1）確定需要監(jiān)測的環(huán)境及使用荷載，并根據設計規(guī)范確定荷載在各種極限狀態(tài)下的分布、幅值等。

（2）結合橋梁結構受力狀態(tài)，確定傳感器的選型和布設方法，以確保選用的傳感器能夠對橋梁內部狀況進行準確監(jiān)測;建立全橋視頻監(jiān)控系統，對橋梁外部狀況進行實時視頻監(jiān)測，隨時了解橋梁通行狀況及外部情況。

（3）確定結構安全評估的方法與預警系統，對結構損傷、性能退化或突然狀況進行預警或識別，保證橋梁結構的安全運營。

（4）確定數據處理與控制系統的數據分析、顯示、存檔等要求，從而掌握結構性能演化規(guī)律，為橋梁結構耐久性、可靠性評估提供數據支持。

（5）健康監(jiān)測系統結合人工檢測，建立橋梁管理系統，為橋梁管理養(yǎng)護及維修加固提供技術支持。

3.2 監(jiān)測內容

在橋梁運營期，其內力與變形情況復雜，并且在風或地震等荷載作用下，會影響橋梁結構的安全性和耐久性，因此橋梁健康監(jiān)測系統監(jiān)測內容通常包括以下幾個方面：

（1）環(huán)境荷載，包括風荷載、溫度荷載。由于橋梁特別是大跨度橋梁結構對風荷載較為敏感，風速矢量是重要監(jiān)測參數。同時，大跨度橋梁結構對溫度荷載反應顯著，通過對溫度實時監(jiān)測，可獲得橋址氣溫變化規(guī)律，對橋梁運營狀態(tài)進行分析與評價有著重要作用。

（2）車輛荷載。車輛荷載是橋梁結構主要的運營荷載，也是導致橋梁結構疲勞損傷的重要因素。通過長期的監(jiān)測可為車輛荷載分析系統錄入大量數據，從中獲取車輛荷載基本特征和屬性。

（3）動態(tài)特性。動態(tài)特性是反映結構本身健康狀態(tài)的重要指標，通過監(jiān)測應用結構參數和損傷識別技術，有助于對橋梁結構健康狀態(tài)做出評價。

（4）結構響應，包括變形、應力、索力等?？蓪崟r了解結構變形情況與變形性質，分析變形規(guī)律、速率與趨勢，可預警結構隱患。對橋墩、主梁等重要構件和關鍵部位的受力狀態(tài)進行監(jiān)測，可及時發(fā)現異常情況和局部損傷部位，是健康監(jiān)測的重要內容。而由于索力、吊桿等關鍵承重構件的內力直接反映結構狀態(tài)，因此可及時發(fā)現結構發(fā)生損傷或狀態(tài)改變。

（5）地震監(jiān)測。與傳統監(jiān)測技術相比，橋梁健康監(jiān)測系統的重要特點之一是可對偶然性災害進行記錄，為災后評估和振動響應提供依據，對于運營期橋梁的健康狀況評估有著重要意義。

接下來將以某運營期橋梁的健康監(jiān)測系統為例，簡述橋梁健康監(jiān)測系統在橋梁運營期內的應用。

4 工程實例

4.1 工程概況

某運營期橋梁全長1 050 m，采用（108+3×188+108） m連續(xù)剛構，引橋采用30 m預應力混凝土空心板，跨徑組合為：5×30 m+（108+3×188+108） m+4×30 m，主橋橋墩采用薄壁式，引橋橋墩采用樁柱式橋墩。

4.2 監(jiān)測重點

橋梁健康監(jiān)測系統監(jiān)測范圍的選取遵循傳感器實時監(jiān)測和人工檢測相結合原則，監(jiān)測內容要能滿足結構安全及綜合評價、結構狀態(tài)及損傷識別要求，根據該橋結構特點，確定該橋監(jiān)測重點：

（1）動力響應監(jiān)測。掌握大橋箱梁振動響應，用于計算結構模態(tài)參數和振動類突發(fā)事件預警;

（2）內力監(jiān)測。在應力變化幅度較大位置布設測點進行監(jiān)測以考察疲勞狀況;

（3）變形監(jiān)測。掌握主梁撓度變形和梁端位移實時情況;

（4）溫度監(jiān)測。由于溫度對結構溫度影響較大，因此要實時監(jiān)測結構溫度和大氣溫度;

（5）交通荷載。安裝攝像頭以監(jiān)控交通量情況，并在橋梁兩邊設置動態(tài)稱重系統，以實時掌握交通荷載情況。

4.3 系統結構

該橋正在使用的健康監(jiān)測系統包括設備供電系統、自動化傳感測試系統、數據采集與傳輸系統、數據處理與分析系統四部分，可在橋梁運營期對主河橋主橋橋面交通狀況、橋梁長期受力情況、周邊環(huán)境狀態(tài)、橋面及橋下情況等多種參數提供實時在線監(jiān)測，如圖1所示。

4.4 主要系統應用

4.4.1 自動化傳感器系統

由傳感器系統和視頻監(jiān)控系統組成。以梁、墩身為主要監(jiān)測對象，以結構靜力、動力、變形以及結構與環(huán)境溫度為重點監(jiān)測內容，布設相應的監(jiān)測儀器，建立起結構健康監(jiān)測系統。

4.4.2 數據采集與傳輸系統

數據采集基站主要由硬盤錄像機、采集單元以及工控機組成。共設有兩個采集基站，一個負責交通荷載監(jiān)測和部分視頻監(jiān)測;另一個負責環(huán)境、視頻、主梁變形、結構應變監(jiān)測等。數據傳輸系統由局部光纖或電纜網絡和整體光纖網絡組成，局部光纖或電纜網絡將各傳感器或攝像頭連接到數據采集單元，整體光纖網絡將各數據采集單元連接成星形網絡，并將采集的數據傳輸到數據處理與分析系統服務器。

4.4.3 數據處理與分析系統

該系統將獲取的數據進行二次處理，并展示到健康監(jiān)測系統平臺頁面上，從而可在異地實時觀測橋梁健康狀況，獲取監(jiān)控與分析數據。數據處理與分析系統網站包括四個模塊，可實現視頻監(jiān)控、數據記錄分析、預警、狀態(tài)評估、損傷識別等功能，具體模塊功能如表1所示。

隨著橋梁運營期的安全狀況日益受到重視，橋梁檢測需求逐漸增多，橋梁健康監(jiān)測系統綜合現代傳感器、網絡通信、數據管理、結構分析等技術對運營期橋梁進行實時監(jiān)測，它的應用對橋梁管養(yǎng)、日常運營維護有著重要作用。

5 橋梁健康監(jiān)測系統現存問題與發(fā)展方向

橋梁健康監(jiān)測系統在橋梁運營期的應用，在很大程度上解決了傳統橋梁檢測的不足，并在可靠性、易維護性等多方面取得了較好的成效，但在實踐中也發(fā)現了尚存的一些問題：

（1）缺乏相關規(guī)范或標準對監(jiān)測內容與監(jiān)測方式、傳感器布設方法等進行評估;

（2）電子產品如傳感器存在耐久性低、不穩(wěn)定等問題;

（3）結構狀態(tài)預警功能缺乏實用性研究，可靠性待提升;

（4）安全評估方法尚且不夠完善，未能合理利用監(jiān)測系統對橋梁健康狀況和安全狀態(tài)進行綜合評價;

（5）監(jiān)測與養(yǎng)護管理沒有得到很好的連接，監(jiān)測數據未能進行有效運用;

（6）橋梁健康情況、結構狀況、傳感器布設情況未能更加直觀地體現。

隨著橋梁健康監(jiān)測系統的開發(fā)與應用技術日趨成熟，從目前應用現狀及存在問題來看，未來橋梁健康監(jiān)測系統的主要研究方向為：

（1）監(jiān)測內容和方式應結合實際分情況、分階段實施，并進行傳感器選型以及布設方法優(yōu)化研究，形成具有實用性的評估標準;

（2）硬件設備及產品通過技術研究不斷革新;

（3）基于健康監(jiān)測技術對實測數據和現場情況等進行分析，優(yōu)化算法將損傷程度分級量化，形成更加合理的預警閾值;

（4）對橋梁健康監(jiān)測和狀態(tài)評估系統進行探索研究，側重于對橋梁整體性、耐久性和安全性的監(jiān)測與評估;

（5）監(jiān)測系統與管理相結合，為管理養(yǎng)護、維修加固提供科學依據，更好地為橋梁檢測所服務;

（6）將監(jiān)測系統與BIM（建筑信息模型）技術相融合，以三維方式更直觀地展現橋梁各結構狀況及傳感器布設等情況。

6 結語

綜上所述，橋梁健康監(jiān)測系統不只是對傳統橋梁健康檢測技術的簡單改進，而是結合現代信息化技術為橋梁健康狀況進行監(jiān)測、分析、評估和應用研究，并提供科學的依據，在橋梁運營期的應用有著重要意義。目前橋梁健康檢測系統尚且有不足之處，在一定程度上還不能滿足現階段的橋梁建設快速發(fā)展的需要，其未來的發(fā)展和應用還需要各界共同探索與研究，讓橋梁健康監(jiān)測系統向更加實用、便捷、經濟的方向發(fā)展，進一步提高我國橋梁健康監(jiān)測的整體水平。

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