席恩偉、韓志剛、孟祥昌、閆文佳

（云南云嶺高速公路工程咨詢有限公司，云南昆明 650200）

0 引言

截至2020 年年底，我國300m 以上跨徑的斜拉橋、懸索橋中至少有140 座安裝了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)[1]，隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，BIM、GIS 與GNSS 等技術(shù)逐步應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)測，橋梁結(jié)構(gòu)全生命周期監(jiān)測的理念也不斷貫穿在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計過程中。對于懸索橋的健康監(jiān)測，20 世紀90 年代開始，一些世界級的懸索橋相繼建立了健康監(jiān)測系統(tǒng)，如1998 年建成的日本明石海峽大橋，我國的虎門大橋、潤揚長江大橋、江陰長江大橋[2]等。近年來，依托大數(shù)據(jù)技術(shù)，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)朝著集群化方向發(fā)展，對監(jiān)測數(shù)據(jù)的研究也不斷深入，例如，胡柏學(xué)等利用健康監(jiān)測數(shù)據(jù)對矮寨大橋的吊索疲勞可靠性進行了評估，巫生平等對主跨為235m 的自錨式懸索橋的疲勞易損性進行了分析。目前，對于懸索橋的健康監(jiān)測，監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，此外，對于監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析以及數(shù)據(jù)的有效利用，國內(nèi)學(xué)者及單位也進行了大量的研究，一些成熟的理論及方法也應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)測中。

普立大橋是普宣高速公路控制性工程之一，主橋為628m 單跨簡支鋼箱加勁梁懸索橋，主纜邊跨為166m，索塔為直塔柱門式框架結(jié)構(gòu)，群樁基礎(chǔ)，普立岸采用隧道錨，宣威岸采用重力錨，本文以該橋健康監(jiān)測系統(tǒng)實踐為例，從監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)、監(jiān)測內(nèi)容、數(shù)據(jù)采集及傳輸、數(shù)據(jù)分析方面論述普立大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)實踐過程，為后期同結(jié)構(gòu)類型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)提供參考。

1 系統(tǒng)組成

普立大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)由5 個子系統(tǒng)組成，分別為前端傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與管理子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)安全評估與預(yù)警子系統(tǒng)、橋梁監(jiān)測平臺，整個系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 普立大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 監(jiān)測內(nèi)容

普立大橋監(jiān)測內(nèi)容包括荷載與環(huán)境、結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)、結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)三大類，監(jiān)測參數(shù)12 項，監(jiān)測內(nèi)容見表1。

表1 普立大橋監(jiān)測內(nèi)容一覽表

1.2 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)的主要功能是采集傳感器的信號并將采集信號通過傳輸介質(zhì)進行傳輸，普立大橋現(xiàn)場設(shè)置9 個數(shù)據(jù)采集站、1 個數(shù)據(jù)采集中心，采集站與數(shù)據(jù)采集中心用雙環(huán)光纖網(wǎng)絡(luò)連接，采集中心通過Internet 將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測中心，數(shù)據(jù)的傳輸路由如圖2 所示。

圖2 普立大橋數(shù)據(jù)傳輸路由

1.3 數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)布置在監(jiān)測站或監(jiān)測中心，主要由監(jiān)測中心服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲設(shè)備及相應(yīng)的軟件系統(tǒng)構(gòu)成，它是健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的“集采中心”，同時也是橋梁管養(yǎng)信息化和數(shù)據(jù)化的核心，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)處理分析，為橋梁結(jié)構(gòu)健康狀況評估及預(yù)警提供數(shù)據(jù)支持。該子系統(tǒng)的主要功能是完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)處理、后處理及數(shù)據(jù)存儲及管理；通過網(wǎng)絡(luò)能夠控制現(xiàn)場各個采集站并根據(jù)條件設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集或采樣頻率，管理和存儲整個橋梁全生命周期的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)，同時管理結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)實時動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)。普立大橋數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)設(shè)置在橋管站監(jiān)測中心機房內(nèi)。

1.4 結(jié)構(gòu)健康評價子系統(tǒng)

利用監(jiān)測數(shù)據(jù)分析能夠識別橋梁結(jié)構(gòu)運行狀態(tài)及損傷，并結(jié)合對結(jié)構(gòu)的識別結(jié)果融合檢查、檢測數(shù)據(jù)對橋梁結(jié)構(gòu)的運營安全狀況進行預(yù)警及評估；對環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、作用監(jiān)測數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)變化數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和特殊分析，為橋梁結(jié)構(gòu)安全預(yù)警、狀態(tài)評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.5 橋梁監(jiān)測平臺

對橋梁基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及健康監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，通過平臺可以根據(jù)用戶需求實現(xiàn)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)、養(yǎng)護過程數(shù)據(jù)的個性化展示，同時用戶可以在平臺上實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制和輸入。普立大橋橋梁監(jiān)測平臺布置在監(jiān)測中心的服務(wù)器上，平臺基于B/S 架構(gòu)，內(nèi)置一系列可視化的操作組件，可向監(jiān)測中心工作人員或其他遠程用戶提供良好的人機操作交互界面，通過平臺可以實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的在線可視化、橋梁養(yǎng)護數(shù)據(jù)的多維度在線查詢、統(tǒng)計、分析。

2 海量數(shù)據(jù)存儲與顯示

由于普立大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)多，數(shù)據(jù)量大，為了提高數(shù)據(jù)存儲及檢索的效率及數(shù)據(jù)可視化效果，數(shù)據(jù)存儲端采用了TDengine 時序數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用云原生技術(shù)，對普立大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行分布式設(shè)計，數(shù)據(jù)分片區(qū)和分區(qū)存儲，存儲與計算分離，大大提高了數(shù)據(jù)的存算效率；WEB 端采用BIM+GIS 技術(shù)進行數(shù)據(jù)可視化展示，將GIS 的數(shù)據(jù)宏觀管理和BIM 的數(shù)據(jù)微觀功能進行交換和互操作，提升了數(shù)據(jù)展示及操作效果[3]。

2.1 環(huán)境監(jiān)測

普立大橋環(huán)境監(jiān)測包含橋面、錨室、鞍罩及加勁梁內(nèi)的溫濕度監(jiān)測，取代表性的測點，監(jiān)測數(shù)據(jù)圖如圖3 所示。

圖3 環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

2.2 作用監(jiān)測

普立大橋作用監(jiān)測包含車輛荷載、風(fēng)速風(fēng)向、地震及結(jié)構(gòu)溫度，取代表性的監(jiān)測點，監(jiān)測數(shù)據(jù)圖如圖4所示。

圖4 作用監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

2.3 結(jié)構(gòu)響應(yīng)

普立大橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測包含主梁豎向位移、主梁橫向位移、支座位移、梁端縱向位移、塔頂偏位、主梁及索塔關(guān)鍵截面應(yīng)變、吊索索力、主梁與索塔振動，取代表性的監(jiān)測點，監(jiān)測數(shù)據(jù)圖如圖5 所示。

2.4 結(jié)構(gòu)變化

普立大橋結(jié)構(gòu)變化監(jiān)測內(nèi)容包含普立鞍隧道錨錨塞體位移、宣威岸重力錨錨碇傾斜，取代表性的測點，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖6 所示。

圖6 結(jié)構(gòu)變化監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

3 結(jié)論

普立大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)于2018 年12 月建成，截至2023 年10 月運行近五年，目前系統(tǒng)各監(jiān)測內(nèi)容均正常運行，通過系統(tǒng)的建設(shè)及運行維護，得出如下結(jié)論：

第一，大型懸索橋的工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測參數(shù)眾多，對數(shù)據(jù)采集、傳輸要求高，現(xiàn)場宜采用有線的方式進行數(shù)據(jù)采集傳輸。第二，地震、加速度、動應(yīng)變等數(shù)據(jù)由于采樣頻率高，數(shù)據(jù)量大，宜采用文件的方式對數(shù)據(jù)進行存儲，同時提取特征值存儲在數(shù)據(jù)庫文件中。第三，對于大型懸索橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理，宜采用時序數(shù)據(jù)庫，可以解決關(guān)系數(shù)據(jù)庫存在的億級海量數(shù)據(jù)并發(fā)寫入、時間序列數(shù)據(jù)累積快的問題，更好地實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)實時顯示與可視化。第四，結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)注重后期系統(tǒng)的運行維護，制定相應(yīng)的維護制度，定期開展系統(tǒng)巡檢或檢查工作，確保系統(tǒng)的正常運行及數(shù)據(jù)的有效采集。第五，隧道錨錨塞體的相對位移監(jiān)測采用磁致伸縮位移計的監(jiān)測方法是可行的，后期可推廣使用。第六，利用磁致伸縮位移計對懸索橋的伸縮縫位移進行監(jiān)測，統(tǒng)計其時間維的累計行程，可為后期伸縮縫的使用壽命的判定及更換提供數(shù)據(jù)支撐。