邢春超

（招商局重慶公路工程檢測中心有限公司,重慶 400067）

0 引言

現(xiàn)階段，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，配套交通基礎(chǔ)設(shè)施越來越健全，而橋梁作為占比最大的部分，在安全質(zhì)量上應(yīng)作為重點關(guān)注對象。部分橋梁在長時間運營階段，容易受外部環(huán)境影響，導(dǎo)致設(shè)計荷載無法滿足實際需求，進(jìn)而對橋梁產(chǎn)生持續(xù)損傷。為解決此類問題，筆者提出運用橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，借助高精度傳感器實時反饋橋梁使用狀況。

1 工程概況

該文選取的研究對象為某城市的高速公路橋梁，該橋的作用在于解決城市交通問題，緩解市區(qū)交通壓力，促進(jìn)城市周邊地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。橋梁全長1 270 m，主橋全長700 m，采用半漂浮體系，斜拉索設(shè)計成空間扇形索面，橋面全寬33 m。橋梁的主要設(shè)計指標(biāo)表現(xiàn)：行車速度120 km/h；通航標(biāo)準(zhǔn)，Ⅲ級航道；地震荷載為基本烈度Ⅳ度；橋面縱坡2.6%，在主跨中央設(shè)有豎曲線。

為了更好地實現(xiàn)橋梁健康狀態(tài)的監(jiān)測，掌握橋梁的空間變形狀況和應(yīng)力分布情況，筆者提出運用MC 軟件程序，對主橋部分打造空間有限元模型，實現(xiàn)橋梁的力學(xué)仿真分析。該程序本身具有極為豐富的有限元庫，可以實現(xiàn)從靜態(tài)到動態(tài)的多種高端分析，適用于橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計，也能進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的驗算。在建模時需要做好材料特性、溫度荷載、移動荷載的設(shè)置，確定邊界條件，通過對模型開展靜力分析，獲取結(jié)構(gòu)響應(yīng)的數(shù)據(jù)。并根據(jù)分析結(jié)果判斷橋梁受力特點，為后續(xù)的傳感器測點布設(shè)提供參考依據(jù)，有助于后續(xù)預(yù)警閾值的設(shè)置。

2 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用路徑

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是指利用監(jiān)控、評估橋梁結(jié)構(gòu)情況，為橋梁在惡劣天氣、復(fù)雜交通條件下，或是橋梁運營異常時，發(fā)出預(yù)警信號，為橋梁的維護(hù)管理提供指導(dǎo)。其組成部分主要包括環(huán)境荷載監(jiān)測、交通荷載監(jiān)測以及橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)。而監(jiān)測內(nèi)容則以表1 為主。

表1 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測信息

2.1 方案設(shè)計

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成包括：傳感器系統(tǒng)，負(fù)責(zé)監(jiān)測工作環(huán)境、荷載響應(yīng)、交通荷載；數(shù)據(jù)收集與處理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸、采集、存儲與通訊；損傷識別與預(yù)警系統(tǒng)，負(fù)責(zé)損傷位置程度判斷、建立三級預(yù)警機(jī)制；橋梁評估系統(tǒng)，負(fù)責(zé)橋梁技術(shù)狀態(tài)評估、橋梁承載能力評估。上述系統(tǒng)以及傳感器裝置的應(yīng)用都要結(jié)合橋梁的有限元模型進(jìn)行確定。但要注意，由于部分橋梁構(gòu)建不適合放置傳感器，且出于經(jīng)濟(jì)性角度，傳感器數(shù)量也應(yīng)得到一定限制。為了保證傳感器的布置最優(yōu)化，筆者將根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特點，初步確定監(jiān)測項目。

2.1.1 監(jiān)測項目

監(jiān)測項目包括：環(huán)境荷載監(jiān)測，需采用動態(tài)地秤設(shè)備監(jiān)測車速與車流量，利用風(fēng)速儀測定風(fēng)荷載，借助數(shù)顯溫度計監(jiān)測橋梁溫度場的變化狀況，通過溫度傳感器分析溫度對橋梁狀態(tài)產(chǎn)生的影響；靜力監(jiān)測，對于斜拉索索力，可結(jié)合振動法，對1/4 拉索實施在線監(jiān)測。對于主梁應(yīng)力，則可考慮對稱布置的方式，將應(yīng)力測點布置在主梁斷面兩側(cè)，將振弦式應(yīng)變計、光纖光柵傳感器搭配使用；動力特性監(jiān)測，可利用加速傳感器檢查斜拉索的整體動力特性，將其布置在主梁截面兩側(cè)。

2.1.2 傳感器布置

不同位置的傳感器布置方案如下：主梁應(yīng)變傳感器測點布置，需要考慮橋梁服役時產(chǎn)生的各類狀況，測點選擇在主跨跨中與1/4 跨處；溫濕度與風(fēng)速傳感器測點布置，選擇在主跨跨中段面橋面放置1 臺溫度儀，在上游斜拉索位置分布4 個監(jiān)測點；主梁撓度與橋塔位移測點布置，可結(jié)合GNSS 監(jiān)測法（衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)），其中撓度測點放置在邊跨跨中，共計3 個測點。至于主塔位移測點則選擇南北主塔塔頂，共計2 個測點；振動測點布置，需借助平衡加速傳感器，監(jiān)控橋梁情況，并在邊跨、主跨1/4 跨布置7 個測點；位移測點布置，應(yīng)搭配液壓阻尼器約束主塔位移，結(jié)合拉線式位移計，在梁端制作布置8個測點；索力傳感器布置，在設(shè)置時需要充分考慮外界環(huán)境的影響，將索力傳感器安裝在斜拉索上[1]。

2.1.3 傳感云子系統(tǒng)

傳感云子系統(tǒng)本質(zhì)上屬于一種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測云平臺，其主要任務(wù)在于收集、分析來自傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息資料，并生成評價結(jié)果，完成橋梁異常狀態(tài)的報警，具備數(shù)據(jù)采集、信息展示、圖表繪制、安全預(yù)警、管理等功能。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 數(shù)據(jù)分析

橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測數(shù)據(jù)主要分為以下兩種：靜態(tài)數(shù)據(jù)，其特點在于數(shù)據(jù)量小，監(jiān)測目的在于判斷不同受力狀況下的橋梁主體特性，若未發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，可直接記錄在數(shù)據(jù)庫。至于分析目標(biāo)則表現(xiàn)為借助結(jié)構(gòu)振幅與預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)值的對比，判斷結(jié)構(gòu)狀態(tài)；動態(tài)數(shù)據(jù)，需要結(jié)合特定設(shè)備、程序完成海量信息的監(jiān)測，對數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)分析算法的要求較高，搭配傅立葉變換法，并利用評估模塊調(diào)用計算結(jié)果，將其作為主報警的輸入。

2.2.2 異常數(shù)據(jù)處理

通常來說，由于橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)需要長時間處于惡劣環(huán)境下，容易因環(huán)境影響、內(nèi)部電路損壞，造成傳感器故障。為了解決此類問題，需要做好橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的異常數(shù)據(jù)識別與處理。

首先要確定異常數(shù)據(jù)類別與特點，比如：單點異常數(shù)據(jù)，是指因傳感器不穩(wěn)定引發(fā)的信息，其產(chǎn)生頻率超過監(jiān)測數(shù)據(jù)的3%，特點在于數(shù)據(jù)量小，且數(shù)據(jù)數(shù)值與正常數(shù)據(jù)差異性較大；持續(xù)異常數(shù)據(jù)，是指因外部環(huán)境干擾、傳輸電纜摩擦引發(fā)的異常狀況，其特點在于大部分?jǐn)?shù)據(jù)表現(xiàn)為異常，且監(jiān)測數(shù)據(jù)無法第一時間恢復(fù)正常；缺失數(shù)據(jù)，其產(chǎn)生原因在于傳感器采集功能產(chǎn)生故障，在故障處理后，二次獲取的數(shù)據(jù)初始值與之前設(shè)置的不統(tǒng)一，導(dǎo)致后續(xù)采集的信息與故障發(fā)生前的數(shù)據(jù)表現(xiàn)一定誤差，且誤差無法自動修復(fù)[2]。

其次，要根據(jù)異常數(shù)據(jù)特點，開展針對性處理，通過對數(shù)據(jù)采取平滑作業(yè)，計算監(jiān)測值與平滑值間的差值，利用消除粗差的方法，判斷異常數(shù)據(jù)。比如：格魯布斯法，是指用于判斷數(shù)據(jù)中的可疑值的取舍方法；Q 檢驗法，是指分析少量觀測次數(shù)提出的簡易判據(jù)；3σ法，又稱拉依達(dá)法，是指假設(shè)一組檢測數(shù)據(jù)只含有隨機(jī)誤差，之后對其進(jìn)行計算處理獲取標(biāo)準(zhǔn)偏差，并根據(jù)一定概率確定區(qū)間，認(rèn)為超過此區(qū)間的誤差，均不屬于隨機(jī)誤差，并對粗大誤差給予剔除。相較于上述兩種方法來說，拉依達(dá)法的計算更加簡潔，因此該文將以拉依達(dá)法作為研究對象。根據(jù)統(tǒng)計顯示，監(jiān)測數(shù)值偏差大于3σ的概率不超過1%，通過計算得到平均值與標(biāo)準(zhǔn)差，對比極限差值與平均值，若偏值差高于3σ，將其判定為異常數(shù)據(jù)。

比如當(dāng)監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)的變化值表現(xiàn)如下式：

式中，xi——數(shù)據(jù)原始初值；di——傳感器數(shù)據(jù)變化值。之后計算數(shù)據(jù)變化均值與方差，公式如下：

2.3 預(yù)警設(shè)計

2.3.1 預(yù)警體系

預(yù)警系統(tǒng)作為橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的一部分，可通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析、處理，全面評估結(jié)構(gòu)安全性，并在發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)后第一時間發(fā)出預(yù)警。但要注意預(yù)警的準(zhǔn)確性與時效性在一定程度上由預(yù)警閾值的設(shè)置效果決定，一旦預(yù)警閾值的設(shè)置不夠科學(xué)，很容易造成系統(tǒng)誤報與漏報。為解決此類問題，在打造預(yù)警系統(tǒng)的過程中需要滿足以下條件：保有適當(dāng)?shù)陌踩哂喽?；實現(xiàn)預(yù)警系統(tǒng)的自動化運行；確保橋梁損傷被及時發(fā)現(xiàn)；預(yù)警系統(tǒng)要做到實時更新、隨時檢查。同時還要確定預(yù)警分級，如表2 所示。

表2 預(yù)警分級

2.3.2 設(shè)定預(yù)警閾值

該次工程中一級預(yù)警閾值需要基于2019 年度撓度測點統(tǒng)計結(jié)果，根據(jù)溫度荷載引發(fā)的最大撓度與汽車荷載引發(fā)的最大撓度之和，作為不同位置傳感器的藍(lán)色狀態(tài)預(yù)警值。二級預(yù)警閾值則要采用靜載試驗、模型計算值進(jìn)行確定，該次工程取撓度最大值時測得的南塔塔頂位移作為二級預(yù)警閾值。三級預(yù)警閾值需根據(jù)規(guī)范要求的撓度極限進(jìn)行確定。

3 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)用趨勢分析

現(xiàn)階段，我國的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的評估方面，主要包括以下幾點，即承載效果、運營狀態(tài)以及耐久能力。在進(jìn)行評估時，需要認(rèn)識到承載能力與結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度存在一定關(guān)聯(lián)，為了切實防止橋梁在使用時出現(xiàn)安全事故，需要提高相關(guān)設(shè)備的使用性能。至于營運狀態(tài)評估則與橋梁構(gòu)件的日常荷載程度有關(guān)，主要判斷橋梁是否存在變形、裂縫等問題。在定期養(yǎng)護(hù)維修的基礎(chǔ)上，結(jié)合人員日常檢查結(jié)果，判斷橋梁的結(jié)構(gòu)營運情況。而耐久能力則側(cè)重于評估橋梁的損傷以及問題的形成原因，重在對材料的物理特性進(jìn)行分析，在完成結(jié)果評估后，利用數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，傳遞到各個部門。雖然該橋梁監(jiān)測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確找出橋梁的潛在安全隱患，但監(jiān)測項目數(shù)量較少，且個別項目因規(guī)模較為龐大，對監(jiān)管數(shù)據(jù)的管理要求較高，若數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)不夠完善與先進(jìn)，必然會造成監(jiān)測數(shù)據(jù)無法充分利用。且大多數(shù)橋梁狀態(tài)評估系統(tǒng)屬于單一監(jiān)測系統(tǒng)，難以及時反映橋梁結(jié)構(gòu)實際狀態(tài)，無法為后續(xù)的管理養(yǎng)護(hù)提供理論依據(jù)。

隨著我國信息技術(shù)、智能技術(shù)、數(shù)字化手段的高速發(fā)展，以傳感器、微電機(jī)系統(tǒng)為代表的監(jiān)測方法普及度不斷提高，且監(jiān)測系統(tǒng)的精確性、安全性也得到了大幅度提升，能夠更好地滿足日常管理要求。同時，結(jié)構(gòu)振動分析理論的逐步成熟，也為橋梁健康監(jiān)測工作提供了更加充實的技術(shù)支撐。未來的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，勢必會圍繞“云、物、智、移”等核心技術(shù)，具體內(nèi)容表現(xiàn)如下：

第一，大數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。除文件共享服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸方法外，我國對于WEB 服務(wù)、消息中間件技術(shù)的應(yīng)用也更加成熟，在互聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議不斷完善的情況下，越來越多的HTTP 協(xié)議、MQTT 協(xié)議被投入使用[3]。

第二，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的使用需要以傳感器為基礎(chǔ)，該裝置可持續(xù)獲取橋梁使用信息。以往的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫本身存在一定的局限性，數(shù)據(jù)只可利用二進(jìn)制文件完成存儲。而在大數(shù)據(jù)背景下，人們更偏向于采用時間序列數(shù)據(jù)庫，不僅可變革數(shù)據(jù)的存儲方法，也能輔以文本數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，提高數(shù)據(jù)的可靠性。

第三，云計算平臺。云計算可以理解為以互聯(lián)網(wǎng)為載體，通過網(wǎng)絡(luò)云將數(shù)據(jù)計算處理程序分解，利用多部服務(wù)器組成的系統(tǒng)，實現(xiàn)小程序的分析，并將結(jié)果返回給用戶。云計算涵蓋大量的虛擬化資源，具有規(guī)模化、虛擬化、通用性、高效性等特征。

第四，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，為了提高數(shù)據(jù)的應(yīng)用價值，可搭配機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識別等方法，結(jié)合概率論、算法復(fù)雜度理論，形成系統(tǒng)性的知識體系，利用機(jī)器學(xué)習(xí)，模擬人類行為，提高對各類信息的解釋效率，保證信息價值的充分挖掘。以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為例，將其運用在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)中，可依照階層結(jié)構(gòu)對輸入信息實施平移不變分類，更高效地完成圖像識別、物體識別、行為認(rèn)知、姿態(tài)估計、神經(jīng)風(fēng)格遷移。

第五，人機(jī)交互與可視化技術(shù)，在交互界面，可以幫助更多的用戶獲取想要掌握的內(nèi)容與功能，利用統(tǒng)計法與機(jī)器學(xué)習(xí)法，能夠準(zhǔn)確預(yù)測分析結(jié)果，幫助管理人員明確數(shù)據(jù)結(jié)果的用途與意義。至于數(shù)據(jù)可視化技術(shù)則是通過計算機(jī)圖形學(xué)與圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像或圖形，并在屏幕上顯示出來，之后進(jìn)行交互處理的理論與技術(shù)。該技術(shù)能夠保證數(shù)據(jù)的全貌展示，強(qiáng)化內(nèi)容理解，便于對話與探索，增強(qiáng)審視效果，也有利于異議的處理。

第六，安全報警與狀態(tài)推動技術(shù)。該技術(shù)的作用在于結(jié)合業(yè)主的差異性需求，分析人員的迫切訴求，利用多種渠道，保證報警推動的精準(zhǔn)性與針對性，比如微信、微博、郵件等方式，可以將最新的橋梁狀況數(shù)據(jù)反饋至工作人員。根據(jù)上述分析可知，現(xiàn)階段我國的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)仍處于高速發(fā)展的階段，無論是系統(tǒng)功能還是硬件設(shè)備都存在優(yōu)化空間，系統(tǒng)功能性、經(jīng)濟(jì)性等方面的優(yōu)勢愈發(fā)明顯，且在世界眾多大橋中都有所體現(xiàn)[4]。

4 結(jié)語

綜上所述，該文通過以某地方橋梁工程項目作為研究對象，闡述橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用路徑，借助設(shè)置有限元模型，確定各類工況下的橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)，通過布置大量傳感器獲取主梁應(yīng)變、風(fēng)速風(fēng)向等監(jiān)測信息，利用時域分析法完成數(shù)據(jù)分析，以此為后續(xù)的管理維護(hù)提供參考依據(jù)，保證橋梁安全，并推動監(jiān)測系統(tǒng)的智能化、自動化發(fā)展，打造更全面的信息化管理體系。