中圖分類號 U446 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）08-0019-03

0 引言

2021年，交通運輸部在《公路長大橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)實施方案》文件中提出，“要加快推進長大橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)，提升公路橋梁的養(yǎng)護技術(shù)和應(yīng)急處置能力，實現(xiàn)公路橋梁的智能養(yǎng)護、精準治理和科學(xué)管理”。特大橋是高速運輸系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，然而在施工期間，受材料性能、工藝技術(shù)水平、臨時荷載等因素影響，橋梁工程剛度、梁重、結(jié)構(gòu)尺寸及預(yù)應(yīng)力等反映結(jié)構(gòu)狀態(tài)的參數(shù)與設(shè)計要求存在一定的偏差；橋梁工程投入使用后，工程結(jié)構(gòu)會承受車輛沖擊力、荷載、制動力、風(fēng)荷載、地震力及流水壓力等多重壓力，從而會導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的損傷，比如，梁體出現(xiàn)疲勞裂縫、附屬件出現(xiàn)變形、伸縮等病害現(xiàn)象，降低橋梁的使用安全性和耐久性[1]。因此，基于信息技術(shù)的精準感知和分析功能，加強對橋梁工程的實時健康監(jiān)測，建立完善的風(fēng)險防控體系，對于推動橋梁工程數(shù)字化、智能化建設(shè)具有重要意義。

1 工程概況

該文以古益溝特大橋為工程案例，對健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計進行研究。該橋梁是國家高速公路銀百高速（G69）的組成部分，為雙向四車道左右分幅特大橋，起點樁號 ，終點樁號 ，大、小樁號引橋橋跨分別布置為 1 × 4 0 m 、 2 × 4 0 m 。該橋梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)鋼構(gòu)，主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，橋跨布置為（ 8 5 + 1 6 0 + 8 5 ）m，全橋長 4 5 8 m 、寬 。古益溝特大橋布形如圖1所示。

2古益溝特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

大型橋梁工程健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計是融合了信息技術(shù)、計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動化技術(shù)等多種技術(shù)的綜合系統(tǒng)工程項目。其主要任務(wù)是為橋梁安全運營、科學(xué)管理和養(yǎng)護提供精準的數(shù)據(jù)支撐。在設(shè)計健康監(jiān)測系統(tǒng)時，要根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范，遵循可靠性、安全性、經(jīng)濟實用性及可維護和可擴展性等原則，完成系統(tǒng)設(shè)計、實現(xiàn)及測試[2]。古益溝特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計思路是依托傳感器系統(tǒng)，對橋梁結(jié)構(gòu)自動化監(jiān)測，從監(jiān)測力學(xué)指標（結(jié)構(gòu)動力和靜力響應(yīng)）、檢查損傷等方面入手，評估橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。其中，利用傳感監(jiān)測系統(tǒng)和人工定期監(jiān)測所獲取的數(shù)據(jù)，掌握該橋梁力學(xué)狀態(tài)變化相關(guān)信息，并參考該橋梁受力分析結(jié)果，判斷其構(gòu)件存在病害的可能性，為該橋梁工程后期養(yǎng)護工作實施提供指導(dǎo)。另外，將健康監(jiān)測系統(tǒng)與人工巡查系統(tǒng)相結(jié)合，比如對該橋梁的主梁、主門架進行系統(tǒng)檢測，對主墩進行人工檢測，全面掌握該橋梁實際運營情況。

2.1健康監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)路線

根據(jù)古益溝特大橋的結(jié)構(gòu)特點，以及橋梁預(yù)警監(jiān)測、診斷評估和養(yǎng)護決策需求，其健康監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成及其功能，包括關(guān)鍵參數(shù)自動化監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲與管理子系統(tǒng)、安全評估與預(yù)警子系統(tǒng)、用戶界面系統(tǒng)等模塊[3]。其技術(shù)路線如圖2所示。

其中，關(guān)鍵參數(shù)自動化監(jiān)測系統(tǒng)通過各種傳感器構(gòu)成傳感子系統(tǒng)，自動獲取橋梁環(huán)境和結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)存儲與管理子系統(tǒng)由監(jiān)控中心計算機設(shè)備和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理及分析軟件組成，通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和控制場外橋梁現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集站、調(diào)理器設(shè)備和傳感測試設(shè)備工作狀態(tài)，完成信號數(shù)據(jù)的預(yù)處理、后處理、歸檔、顯示和存儲等數(shù)據(jù)管理；安全評估與預(yù)警子系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)和損傷進行識別，并基于綜合識別結(jié)果和巡檢結(jié)果，對橋梁結(jié)構(gòu)安全使用情況進行預(yù)警評估；用戶界面系統(tǒng)是基于B/S架構(gòu)的一系列可視化軟件組件，向監(jiān)控中心現(xiàn)場操作人員和授權(quán)的遠程客戶端提供人機交互界面，將各種數(shù)據(jù)實時按需求展示給用戶，接受用戶對系統(tǒng)的控制與輸入，從而實現(xiàn)便捷的系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)監(jiān)測和在線分析。

2.2 監(jiān)測內(nèi)容

古益溝特大橋的健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的目的是利用信息化手段對橋梁狀態(tài)進行監(jiān)測，第一時間發(fā)現(xiàn)橋面交通狀況、突發(fā)事故等異常狀況。因此，監(jiān)測系統(tǒng)的內(nèi)容包括橋梁環(huán)境、運營荷載、橋梁特征和響應(yīng)及異常情況等方面，具體如表1所示。

其中，環(huán)境監(jiān)測的任務(wù)是了解該橋梁運營過程中風(fēng)速和風(fēng)向、周圍溫濕度等情況，獲取不同時間段環(huán)境狀況的相關(guān)數(shù)據(jù)；運營荷載監(jiān)測的實質(zhì)是監(jiān)測該橋梁的車型、車速及車流等交通荷載信息，通過分析評估超載、超限車輛對橋梁產(chǎn)生的負面影響，預(yù)測后期交通荷載增加的情況下對橋梁承受力產(chǎn)生的影響；橋梁響應(yīng)監(jiān)測的任務(wù)是獲取橋梁的動力性能，分析、判斷其對橋梁產(chǎn)生的危害[4。

3古益溝特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

該橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，需各個子系統(tǒng)協(xié)同運行。因此，根據(jù)功能需求來布設(shè)和安裝各個子系統(tǒng)的傳感器測點數(shù)量、位置。

3.1風(fēng)速、風(fēng)向監(jiān)測子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)設(shè)計的目的是監(jiān)測該橋梁工程的風(fēng)荷載、風(fēng)環(huán)境，需合理地布設(shè)風(fēng)向和風(fēng)速傳感器。通過分析以往其他項目可知，風(fēng)對橋梁的作用會發(fā)生變形、振動。因此，該橋梁風(fēng)荷載監(jiān)測選擇機械式風(fēng)速儀，分別在門架頂上游、主跨1/2斷面上層橋面上下游布設(shè)1個測點、2個測點，使用定制鋼管將風(fēng)速儀安裝于橋梁結(jié)構(gòu)上，為減少支架振動對風(fēng)速儀工作的干擾，對支架設(shè)計和制造的剛度嚴格控制，在現(xiàn)場完成構(gòu)件拼裝作業(yè)，便于高空作業(yè)的實施。此外，借助采集軟件實時采集風(fēng)速儀數(shù)據(jù)，使用基于B/S架構(gòu)的監(jiān)測系統(tǒng)顯示軟件來顯示數(shù)據(jù)，即工作人員通過連接網(wǎng)絡(luò)就可以查詢、瀏覽監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3.2環(huán)境溫、濕度監(jiān)測子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)設(shè)計的目的是通過監(jiān)測該橋梁所處的環(huán)境溫濕度，獲取其運行過程中的溫、濕度信息，判斷該橋梁健康狀況。綜合考慮經(jīng)濟、技術(shù)因素，該系統(tǒng)選擇溫、濕度監(jiān)測該橋梁環(huán)境溫、濕度，在主跨1/2斷面上、下橋面布設(shè)2個測點，使用不銹鋼支架、百葉箱來安裝溫、濕度儀，并使用數(shù)據(jù)采集軟件采集溫濕度數(shù)據(jù)，用基于B/S架構(gòu)的監(jiān)測系統(tǒng)顯示軟件來顯示數(shù)據(jù)。

3.3降雨量監(jiān)測子系統(tǒng)

該系統(tǒng)設(shè)計的目的是使用雨量計監(jiān)測橋梁降雨量，在主跨1/2斷面上橋面上布設(shè)1個測點，使用型鋼支架安裝雨量計，數(shù)據(jù)采集與顯示使用同一模擬量的采集軟件。

3.4橋面荷載車輛監(jiān)測子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)設(shè)計的目的是監(jiān)測和統(tǒng)計橋面上的車輛荷載、車流及車速等，為交通疏導(dǎo)、超載限速問題的解決提供數(shù)據(jù)依據(jù)。該系統(tǒng)使用車速車軸儀監(jiān)測橋面荷載，在靠近主橋伸縮縫的上下層的橋面各車道分別布設(shè)6個、8個測點，然后安裝車速車軸儀感應(yīng)壓傳感器，使用數(shù)據(jù)采集軟件實時采集車輛動態(tài)稱重數(shù)據(jù)信息，自動對測量的數(shù)據(jù)結(jié)果、報警信息保存，并通過顯示軟件顯示車輛荷載監(jiān)測、車流量統(tǒng)計分析等。

3.5結(jié)構(gòu)振動、地震監(jiān)測子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)設(shè)計的目的是監(jiān)測結(jié)構(gòu)動力特性、地震作用。其中橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化受動力特性影響，比如橋梁局部振型發(fā)生變化，說明其局部結(jié)構(gòu)被破壞，加之地震災(zāi)害對橋梁工程的影響較大，可能會損壞橋梁的結(jié)構(gòu)[5]。該系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)動力特性和地震突發(fā)荷載的監(jiān)測分別使用單向加速度傳感器監(jiān)測、三向加速度傳感器，在主門架頂及其中跨側(cè)上下游吊桿位置各布設(shè)4個測點，在墩頂布設(shè)1個測點，將傳感器均安裝于保護盒內(nèi)。

3.6應(yīng)變、應(yīng)力監(jiān)測子系統(tǒng)

應(yīng)變和應(yīng)力作為橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的關(guān)鍵指標，能夠反映出其整體和局部受力情況。通常根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)受力特點、實際運營中易發(fā)生損傷的部位來布置測點。該系統(tǒng)選用光纖光柵應(yīng)變傳感器，采用激光冷焊工藝將傳感器連接于鋼結(jié)構(gòu)間，在門架桿件、吊桿和腹桿、橫梁及橋面板等多個位置布設(shè)多個測點，并使用具有測量波長值、顯示波長等特點的采集軟件，便于用戶實時獲取各個測點的波長、應(yīng)變測量結(jié)果。

3.7 視頻監(jiān)控子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)由前端子系統(tǒng)（攝像儀、現(xiàn)場信號轉(zhuǎn)換及安全防護系統(tǒng)）和后端（監(jiān)控中心）組成，且借助通信光纜實現(xiàn)二者的連接。其中，前端子系統(tǒng)中利用攝像儀記錄該橋梁各個部位實時運營情況、突發(fā)事件等，并將其傳輸至監(jiān)控中心；安全防護系統(tǒng)設(shè)計的目的是防止現(xiàn)場攝像儀被盜，該系統(tǒng)中使用紅外探測器設(shè)備；現(xiàn)場信號轉(zhuǎn)換即解決遠距離傳輸問題，在監(jiān)控中心實現(xiàn)光信號向電信號的轉(zhuǎn)變、處理。后端系統(tǒng)涉及信號轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲及視頻顯示等方面，綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟及業(yè)主需求等因素，該系統(tǒng)使用光纖收發(fā)器、中心交換機、視頻數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器等設(shè)備，按照機房要求來安裝后端設(shè)備。

4結(jié)語

綜上所述，該文以古益溝特大橋工程為例，分析該橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的實際需求，結(jié)合該工程特點、監(jiān)測內(nèi)容等，設(shè)計該監(jiān)測系統(tǒng)的總體框架，并從環(huán)境溫濕度、風(fēng)速和風(fēng)向、橋面荷載車輛、結(jié)構(gòu)動力、應(yīng)變和應(yīng)力等方面入手，分析各個子系統(tǒng)的設(shè)計、數(shù)據(jù)采集及顯示，該研究以期充分發(fā)揮自動化監(jiān)測技術(shù)、信息技術(shù)等在保障橋梁安全運營方面的優(yōu)勢，為其他類似工程的信息化建設(shè)提供新思路。

參考文獻

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