朱亮

（滄州市交通運(yùn)輸局，河北 滄州 061000）

0 引言

隨著公路橋梁朝著結(jié)構(gòu)輕型化、功能復(fù)雜化方向發(fā)展，加上車流量的持續(xù)增加，公路橋梁結(jié)構(gòu)的使用性能受到了挑戰(zhàn)。因此，對(duì)公路橋梁建立長(zhǎng)期的質(zhì)量和安全監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握公路橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)的荷載情況及結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，確保運(yùn)營(yíng)安全具有重要的意義。為提高運(yùn)營(yíng)中公路橋梁養(yǎng)護(hù)的管理水平，應(yīng)用公路橋梁質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)的監(jiān)測(cè)傳感器采集數(shù)據(jù)，能及時(shí)獲取公路橋梁所處環(huán)境、外部荷載、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及交通狀況等信息，掌握公路橋梁的使用情況，在公路橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常狀況的初級(jí)階段發(fā)出預(yù)警，輔助養(yǎng)護(hù)人員實(shí)現(xiàn)主動(dòng)預(yù)防式管養(yǎng)，降低公路橋梁重大病害發(fā)生的概率；通過(guò)監(jiān)測(cè)傳感器可采集車輛通行數(shù)據(jù)，形成公路橋梁空間和時(shí)間維度的信息數(shù)據(jù)檔案庫(kù)，在安全監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)公路橋梁數(shù)字化、信息化養(yǎng)護(hù)管理。

1 工程概況

某公路工程全長(zhǎng)50.127km，沿線有多座橋梁，其中某混凝土斜拉橋全長(zhǎng)1208m，橋跨為（195+438+195）m。橋梁結(jié)構(gòu)本身受力復(fù)雜，主梁、橋塔、斜拉索均為重要的結(jié)構(gòu)受力部件，可對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，基于數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)和評(píng)估模型評(píng)估橋梁的安全性。

2 公路橋梁工程養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)的必要性

該橋梁工程位于溫帶半濕潤(rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，橋址處較為濕潤(rùn)。大橋在建成后，由于受腐蝕、老化等因素的影響，橋梁的使用性能逐漸降低，不僅影響通行車輛和人員的安全，也會(huì)縮短橋梁的使用壽命。因此有必要建立橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁在營(yíng)運(yùn)期間的承載能力、工作狀態(tài)和耐久性能。

橋梁投入運(yùn)營(yíng)后其養(yǎng)護(hù)管理水平直接影響使用性能，利用數(shù)字化、信息化手段實(shí)現(xiàn)橋梁的精準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和科學(xué)管理，是數(shù)字時(shí)代橋梁運(yùn)營(yíng)管理的必然趨勢(shì)。通過(guò)合理布設(shè)橋梁狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器來(lái)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，建立橋梁的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可提高公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理水平。

3 監(jiān)測(cè)方案

3.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

基于該公路橋梁工程所處的環(huán)境、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其運(yùn)營(yíng)管理需求，開(kāi)展橋梁狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及狀況分析和評(píng)估工作。在對(duì)若干同類型橋梁典型病害分析及總結(jié)的基礎(chǔ)上，遵循功能要求和成本分析兩大準(zhǔn)則，確定橋梁結(jié)構(gòu)的主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容如下：（1）荷載源監(jiān)測(cè)項(xiàng)：風(fēng)速和風(fēng)向的風(fēng)荷載監(jiān)測(cè)；空氣溫濕度和結(jié)構(gòu)溫濕度監(jiān)測(cè)；交通荷載監(jiān)測(cè)；（2）結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力響應(yīng)：受力構(gòu)件和控制點(diǎn)的結(jié)構(gòu)靜力特性監(jiān)測(cè)；主梁固有動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)。

3.2 測(cè)點(diǎn)布置

結(jié)合該公路橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮到公路橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)效性，基于科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)的傳感器布設(shè)原則，確定傳感器布置方案。該公路橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目如表1所示。

表1 橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

4 公路橋梁工程養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

4.1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能，在邏輯上將系統(tǒng)的層次劃分清楚，形成系統(tǒng)邏輯架構(gòu)。邏輯架構(gòu)分為6層，分別為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、軟件平臺(tái)層、技術(shù)支撐層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、終端展示層。層次劃分遵守系統(tǒng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和系統(tǒng)工程安全保障體系準(zhǔn)則。

4.1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

公路橋梁工程養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)有清晰的數(shù)據(jù)流向和邏輯。每種數(shù)據(jù)均采用線性的數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)。監(jiān)測(cè)用的溫度傳感器、加速度計(jì)、應(yīng)變計(jì)等各類傳感器的數(shù)據(jù)均匯聚到數(shù)據(jù)采集與傳輸服務(wù)器，再進(jìn)入后續(xù)的處理、控制等模塊，電子化人工巡檢的數(shù)據(jù)通過(guò)巡檢終端直接輸出到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。

4.1.3 系統(tǒng)功能

公路橋梁工程養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將公路橋梁運(yùn)營(yíng)安全監(jiān)測(cè)和結(jié)構(gòu)安全評(píng)估等功能集中于同一平臺(tái)進(jìn)行管理，服務(wù)于運(yùn)營(yíng)期內(nèi)該公路橋梁結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)管理等決策的制定，以保證運(yùn)營(yíng)期內(nèi)橋梁有較好的服務(wù)水平。系統(tǒng)功能如下。

（1）安全監(jiān)測(cè)

開(kāi)展運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)及橋梁響應(yīng)監(jiān)測(cè)，并依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行橋梁安全預(yù)警，輔助橋梁管養(yǎng)單位進(jìn)行科學(xué)決策，保證橋梁結(jié)構(gòu)與行車安全。安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)監(jiān)測(cè)傳感器獲取橋梁荷載以及結(jié)構(gòu)的響應(yīng)、局部損傷等數(shù)據(jù)，對(duì)其結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌控公路橋梁受力及行車荷載情況，為橋梁結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營(yíng)提供數(shù)據(jù)支持。

（2）安全評(píng)估

公路橋梁工程投入運(yùn)營(yíng)后，結(jié)合該公路橋梁工程安全監(jiān)測(cè)與質(zhì)量檢查結(jié)果，定期開(kāi)展橋梁承載力、結(jié)構(gòu)病害、缺陷隱患等關(guān)鍵指標(biāo)及橋梁總體技術(shù)狀況的綜合評(píng)估工作。橋梁綜合評(píng)估主要分為：安全一級(jí)評(píng)估、安全二級(jí)評(píng)估和專項(xiàng)評(píng)估?；诎踩u(píng)估結(jié)果，可輔助管養(yǎng)人員進(jìn)行公路橋梁精益化養(yǎng)護(hù)。

4.2 養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于對(duì)現(xiàn)有公路橋梁結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)功能的調(diào)研，結(jié)合該公路橋梁工程的特點(diǎn)及運(yùn)營(yíng)需求，設(shè)計(jì)了傳感器、數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)處理與控制、中心數(shù)據(jù)庫(kù)以及結(jié)構(gòu)安全預(yù)警五大子系統(tǒng)功能。

4.2.1 傳感器子系統(tǒng)

傳感器子系統(tǒng)用于獲取監(jiān)測(cè)信號(hào)，處于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最前端。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：車輛荷載信息、風(fēng)荷載、橋面鋪裝溫度、索塔錨固區(qū)溫濕度、主梁動(dòng)力、主梁撓度、支座位移、主梁關(guān)鍵截面應(yīng)變以及斜拉索索力。共布設(shè)測(cè)點(diǎn)280個(gè)，各類傳感器數(shù)量如表2所示。

表2 傳感器數(shù)量匯總

4.2.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)傳感器的數(shù)字信號(hào)處理及網(wǎng)絡(luò)傳輸?；谠摴窐蛄罕O(jiān)測(cè)涉及內(nèi)容及傳感器的測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案，將數(shù)據(jù)采集方式歸為動(dòng)態(tài)信號(hào)數(shù)據(jù)采集、數(shù)字/模擬信號(hào)數(shù)據(jù)采集、振弦信號(hào)采集、視頻監(jiān)測(cè)信號(hào)采集四類。

4.2.3 數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理及控制子系統(tǒng)用于完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的接收、處理、分析、整合與存儲(chǔ)，在數(shù)據(jù)采集服務(wù)器與其他服務(wù)器之間起到橋梁作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的管理與控制，分擔(dān)其他服務(wù)器的數(shù)據(jù)處理壓力。數(shù)據(jù)處理及控制模塊的主要功能為：（1）與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器進(jìn)行通信，對(duì)所有傳感器信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理；（2）通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)處理算法倉(cāng)庫(kù)，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、濾波、挖掘、耦合、轉(zhuǎn)換等預(yù)處理；（3）針對(duì)不同監(jiān)測(cè)項(xiàng)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的算法，進(jìn)行實(shí)時(shí)處理分析，使輸出的數(shù)據(jù)均為結(jié)構(gòu)參數(shù)；（4）進(jìn)行數(shù)據(jù)加工、歸檔和存儲(chǔ)，將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與提取的特征數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)；（5）數(shù)據(jù)檢索和傳輸：將經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)發(fā)送到結(jié)構(gòu)安全預(yù)警評(píng)估系統(tǒng)；（6）對(duì)經(jīng)過(guò)處理的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警判斷，并將預(yù)警結(jié)果傳輸至信息展示界面；（7）離線處理功能：定制離線處理計(jì)劃，手動(dòng)調(diào)用進(jìn)行數(shù)據(jù)文件處理。

4.2.4 中心數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)

中心數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)用于公路橋梁設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)查詢、視圖快速生成、歸檔、存儲(chǔ)等相關(guān)功能，同時(shí)，為保證穩(wěn)定運(yùn)行要求系統(tǒng)能長(zhǎng)期不間斷地穩(wěn)定工作。

4.2.5 結(jié)構(gòu)安全預(yù)警子系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)安全預(yù)警子系統(tǒng)是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心內(nèi)容之一，對(duì)公路橋梁運(yùn)營(yíng)安全的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)，服務(wù)于橋梁應(yīng)急管理，輔助決策的制定。通過(guò)對(duì)該公路橋梁關(guān)鍵構(gòu)件參數(shù)變化的監(jiān)測(cè)，提供公路橋梁結(jié)構(gòu)在線預(yù)警信息，輔助管養(yǎng)人員及時(shí)且有針對(duì)性地根據(jù)公路橋梁運(yùn)營(yíng)環(huán)境及結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全狀況進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)，以保障結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行。主要功能包括：（1）對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；（2）建立外界環(huán)境、結(jié)構(gòu)位移、結(jié)構(gòu)變形等關(guān)鍵參數(shù)的預(yù)警指標(biāo)，能對(duì)預(yù)警信息進(jìn)行分級(jí)分類，并能根據(jù)長(zhǎng)期積累的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)修正預(yù)警指標(biāo)閾值；（3）能定期進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力特性、動(dòng)力特性和變形分析，定期提交數(shù)據(jù)分析報(bào)告；（4）對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行專項(xiàng)評(píng)估分析，并提交專項(xiàng)數(shù)據(jù)分析報(bào)告。

5 公路橋梁養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

5.1 基于BIM的Web網(wǎng)站

門戶網(wǎng)站采用基于B/S模式的3D Web技術(shù)，用戶通過(guò)瀏覽器可查詢?cè)L問(wèn)該公路橋梁基礎(chǔ)信息、安全預(yù)警信息、傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)和歷史記錄等。

5.2 公路橋梁養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示及分析

該系統(tǒng)平臺(tái)提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)展示能力，包括：查看公路橋梁監(jiān)測(cè)傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)；基于預(yù)警預(yù)報(bào)模型進(jìn)行異?，F(xiàn)象報(bào)警；橋梁監(jiān)測(cè)報(bào)告生成及查看；基于BIM建模的橋梁三維模型實(shí)時(shí)顯示及各類數(shù)據(jù)的分級(jí)分類統(tǒng)計(jì)。

5.3 公路橋梁養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)安全預(yù)警

可根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行在線預(yù)警，基于該公路橋梁實(shí)時(shí)外界環(huán)境，如大風(fēng)、大霧等，收到的結(jié)構(gòu)位移、結(jié)構(gòu)變形等監(jiān)測(cè)參數(shù)的預(yù)警指標(biāo)數(shù)據(jù)，結(jié)合監(jiān)測(cè)傳感器實(shí)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，能對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行在線實(shí)時(shí)預(yù)警，其中Ⅰ級(jí)預(yù)警信息顯示為黃色，Ⅱ級(jí)預(yù)警信息顯示為紅色。

5.4 自動(dòng)生成監(jiān)測(cè)報(bào)告

利用所有的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)定期生成結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)報(bào)告。該報(bào)告是公路橋梁數(shù)字化、信息化檔案的一部分，也能追蹤結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)演變過(guò)程，可作為推測(cè)其預(yù)期發(fā)展趨勢(shì)的基本依據(jù)，能為同類型橋梁的進(jìn)一步研究提供數(shù)據(jù)支持。

5.5 監(jiān)測(cè)信息可視化展示

結(jié)合公路橋梁BIM模型，對(duì)公路橋梁狀態(tài)進(jìn)行三維可視化展示，通過(guò)交互式操作實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)公路橋梁的全景展示，能為公路橋梁運(yùn)營(yíng)階段的養(yǎng)護(hù)管理和統(tǒng)籌決策提供直觀、可靠、科學(xué)的依據(jù)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文所述的公路橋梁工程所處地理環(huán)境因素復(fù)雜，公路橋梁自身結(jié)構(gòu)特殊，風(fēng)險(xiǎn)較高，因此建立日常養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)非常必要。基于該公路橋梁工程的橋址環(huán)境、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)營(yíng)管理需求，有針對(duì)性地選擇全橋受力較薄弱的部分，合理選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)，設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)方案，建立公路橋梁結(jié)構(gòu)日常養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，準(zhǔn)確評(píng)估公路橋梁狀況，對(duì)其安全性能作出預(yù)警，可輔助養(yǎng)護(hù)人員實(shí)現(xiàn)主動(dòng)預(yù)防式管養(yǎng)。