中圖分類號：U445.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）21-0113-04

Abstract：Thispaper introducesthedesignofthehealthmonitoringsystemforXiaodian ViaductinShanxiProvince，which aimstoimprovethebridgesoperationandmaintenanceeficiencyandsafetybymonitoringthebridge'sstructuralresponsein realtime.Thesystemconsistsofanautomateddatacollctionandmonitoringsubsystem，adatastorageandmanagement subsystem，astructuralearlywaringandstructuralsafetyasessentsubsystem，avideomonitoringsubsystem，andauser interfacesubsystem.Temonitoringcontentincludesthemonitoringofdeflection，strainandcrackofthemainbeam.Thesystem storesadanalyzesdatathroughthecloudplatformservicelayer，andprovidesdatadisplayandearlywaming functionsthrough theclientapplicationlayer.Thesystemhelpsdetectbridgedamageinatimelymanerandprovidesdecisionsupprttobridge management departments，thereby extending bridge service life and reducing maintenance costs.

Keywords： bridge health monitoring; deflection; strain; crack;system design

1系統(tǒng)概況

橋梁是公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，橋梁健康監(jiān)測是復(fù)雜的系統(tǒng)性工程。當(dāng)前，基礎(chǔ)設(shè)施新建減緩，進(jìn)入運(yùn)維時代，在自然因素和人為因素雙重影響下，公路橋梁多存在危病、老化、腐蝕和混凝土開裂等問題，橋梁易損性將愈來愈大，橋梁未老先衰等中長期風(fēng)險交織疊加，存在復(fù)雜周期性問題。此外，橋梁結(jié)構(gòu)健康檢測方式自前仍較為原始，多以人工巡檢為主，在數(shù)字化、智能化、自動化等方面發(fā)展不足。近年來，公路橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)受到國內(nèi)研究團(tuán)隊、運(yùn)維管理單位等多方面關(guān)注，并在傳感器的優(yōu)化布設(shè)、自動監(jiān)測的智能控制、橋梁剩余壽命估計等方面取得顯著成果。但是在實際工程應(yīng)用中，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)終端布設(shè)較為靈活，需要根據(jù)橋型、橋位、跨徑等諸多因素因地制宜地進(jìn)行設(shè)置，導(dǎo)致健康檢測系統(tǒng)布設(shè)成本較高、普及率較低，一般性橋梁基本未覆蓋。本系統(tǒng)通過云平臺服務(wù)層進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和分析，并通過客戶端應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)展示和預(yù)警功能。

1.1橋梁概況

小店高架橋梁位于高速公路的南環(huán)線，全長4359.2m ，上部結(jié)構(gòu)為A類預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁，采用簡支轉(zhuǎn)連續(xù)的施工方法，標(biāo)準(zhǔn)截面梁高為 1.15m ，腹板厚度為 10～18cm （圖1）。該橋于1999年12月建成通車，至今已運(yùn)營20余年，運(yùn)營期內(nèi)大型車輛在交通量中占比較高，且部分車輛存在超載狀況，長期受超出橋梁設(shè)計荷載的車輛經(jīng)過的影響，橋梁存在安全隱患與健康運(yùn)營風(fēng)險。

1.2 監(jiān)測目的

本橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)要達(dá)到的自標(biāo)有以下3點：1）通過橋梁靜力響應(yīng)監(jiān)測，對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面撓度、應(yīng)變等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控監(jiān)測，掌握橋梁的實時靜力響應(yīng)狀態(tài)，獲得橋梁的位移變化量信息和受力情況

2）通過實時動態(tài)撓度參數(shù)監(jiān)測，在發(fā)生橋梁動態(tài)撓度、應(yīng)變超過響應(yīng)閾值時配合橋面攝像頭抓拍超重車輛。橋梁運(yùn)營期間常有大型車輛經(jīng)過，部分車輛存在超載狀況，長此以往，會減少橋梁壽命，產(chǎn)生安全隱患。

3）通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，對橋梁可能出現(xiàn)的損傷進(jìn)行定量分析，并分析可能影響結(jié)構(gòu)正常使用以及危及結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的因素，為日常養(yǎng)護(hù)和維修加固、橋梁狀態(tài)評估和預(yù)測提供充分的數(shù)據(jù)和資料，為橋梁管理部門進(jìn)行決策提供數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)

1.3 監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

考慮到小店高架橋的結(jié)構(gòu)特征以及橋梁HMS的基本要求，本HMS由以下子系統(tǒng)組成：數(shù)據(jù)自動采集與監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)存儲與管理模塊、結(jié)構(gòu)預(yù)警與安全評估模塊、視頻監(jiān)控模塊以及用戶界面模塊。系統(tǒng)主要分為以下4個層級（圖2）。第一層為結(jié)構(gòu)感知層即結(jié)構(gòu)的監(jiān)測儀器，由各監(jiān)測傳感器類型組成，如荷載與環(huán)境監(jiān)測、結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)、結(jié)構(gòu)局部響應(yīng)。第二層為監(jiān)測站采集層，主要完成傳感器數(shù)據(jù)的采集、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)傳輸、邊緣計算、告警及聯(lián)動抓拍等功能。該系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集來自傳感器的信號，執(zhí)行初步的信號預(yù)處理，并將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)傳輸至云平臺服務(wù)層。第三層為云平臺服務(wù)層，包括數(shù)據(jù)庫設(shè)計、設(shè)備組網(wǎng)、數(shù)據(jù)存儲、測點計算、數(shù)據(jù)告警等，系統(tǒng)持續(xù)地收集傳感器數(shù)據(jù)，并即時保存原始及處理過的數(shù)據(jù)。經(jīng)過分析處理后，將特征數(shù)據(jù)存人中央數(shù)據(jù)庫，以便為客戶端應(yīng)用層提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。第四層為客戶端應(yīng)用層，主要功能是面向用戶提供數(shù)據(jù)組網(wǎng)配置、測點部署、數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)分析、告警信息配置、統(tǒng)計報表、損傷診斷及極限狀態(tài)評估等功能，完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析、預(yù)警、顯示和輸出等，通過監(jiān)控中心將重要監(jiān)測信息發(fā)布到用戶終端，輔助用戶查看云平臺服務(wù)層的相關(guān)數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1傳感器模塊

本橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的核心監(jiān)測內(nèi)容是結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測，涵蓋主梁撓度和應(yīng)變的監(jiān)測。在選擇和布置小店高架橋的傳感器時，遵循以下準(zhǔn)則：傳感器的布局設(shè)計旨在全面監(jiān)測大橋的局部與整體荷載及其響應(yīng)變化，并使其數(shù)據(jù)可與大橋的設(shè)計荷載和相關(guān)響應(yīng)變化進(jìn)行有效對比。應(yīng)將傳感器安裝在承受較大荷載和響應(yīng)的構(gòu)件或位置上，這些區(qū)域也可能是結(jié)構(gòu)損傷的高發(fā)區(qū)。這些關(guān)鍵位置應(yīng)通過計算分析、實驗測試以及歷史經(jīng)驗來確定。在選擇和布置傳感器時，必須確保其測量數(shù)據(jù)能夠與大橋的結(jié)構(gòu)分析模型的計算結(jié)果進(jìn)行有效的相關(guān)性比較或分析。

2.1.1 撓度監(jiān)測

1）監(jiān)測目的及意義?？紤]到結(jié)構(gòu)動力特性參數(shù)的變化易被環(huán)境噪聲淹沒或?qū)Y(jié)構(gòu)損傷不敏感的問題，本系統(tǒng)計劃采用主梁撓度作為評估結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵指標(biāo)，通過研究其在不同作用力下的撓度變化（即響應(yīng)）來進(jìn)行分析。尋找與結(jié)構(gòu)安全有關(guān)的特征信息及其演化規(guī)律，進(jìn)而判斷橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀況

2）LVDT位移傳感器。LVDT位移傳感器在航空、機(jī)械控制、混凝土收縮徐變及橋梁監(jiān)測中得到廣泛的應(yīng)用，屬于接觸式測量的一種。因此，要用于橋梁撓度監(jiān)測需要對其測桿進(jìn)行改造，并布置基準(zhǔn)線與測桿連接，擬在橋跨兩側(cè)橋墩拉鋼絲繩作為基準(zhǔn)線，鋼絲穿過位移傳感器測桿前端小孔（圖3）。撓度監(jiān)測采用LVDT位移傳感器，該設(shè)備具有響應(yīng)速度快、低溫飄、始動漂移小、重復(fù)性好，使用壽命長等特點，且能實現(xiàn)較高頻率動態(tài)測量。

3）安裝位置。LVDT傳感器安裝在邊梁底板上，分別布置在監(jiān)測跨的跨中位置，每個截面布置2個測點，共安裝8個LVDT傳感器（圖4）。

2.1.2 應(yīng)變監(jiān)測

1）監(jiān)測目的和意義。成橋后，結(jié)構(gòu)應(yīng)力是評估結(jié)構(gòu)安全性的最直接指標(biāo)。結(jié)構(gòu)的亞健康狀態(tài)常常導(dǎo)致應(yīng)力超限或應(yīng)力異常重分布。通過應(yīng)變監(jiān)測，可以實時了解關(guān)鍵部位在車輛荷載、風(fēng)荷載、溫度變化和地震等外部荷載作用下的應(yīng)力狀態(tài)。這有助于直接判斷測試點的應(yīng)力是否在安全范圍內(nèi)、驗證構(gòu)件的疲勞應(yīng)力，并核對結(jié)構(gòu)模型修正及損傷識別的準(zhǔn)確性。

2）振弦式應(yīng)變計。應(yīng)力監(jiān)測采用振弦式應(yīng)變計，其設(shè)計原理是將一根鋼弦的兩端固定于中空金屬管中，當(dāng)金屬管受外力或溫度影響而變形時，鋼弦的張力將因此遞增或衰減，其共振頻率隨之改變。

3）安裝位置。在選取的跨中位置安裝應(yīng)變計，分別布置在各個空心板梁底位置，每個截面布置8個，合計32個。同時在連續(xù)梁選取的兩跨之間墩頂邊梁外側(cè)面腹板布置應(yīng)變計，每個截面布置2個，合計4個（圖5）。

2.1.3 裂縫監(jiān)測

1）監(jiān)測目的和意義?；炷翗蛄旱牟『M(jìn)展、性能退化及結(jié)構(gòu)失效通常源于裂縫的形成與擴(kuò)展。因此，裂縫預(yù)警和狀態(tài)監(jiān)測構(gòu)成了混凝土橋梁安全監(jiān)測的關(guān)鍵組成部分之一。通過安裝裂縫傳感器（裂縫計），長期監(jiān)測裂縫寬度，在裂縫寬度超過安全閾值時及時報警，并通過對裂縫跨度發(fā)展的長期數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢分析，以確定是否需要進(jìn)行修復(fù)，從而確保橋梁的安全運(yùn)營。

2）監(jiān)測設(shè)備選型。振弦式裂縫計廣泛應(yīng)用于橋梁、隧道大壩及其他混凝土結(jié)構(gòu)物的裂縫監(jiān)測，故本次裂縫監(jiān)測也采用振弦式裂縫計。振弦式裂縫計內(nèi)部包含一組振動鋼弦敏感組件，鋼弦一端被固定，另一端則連接到彈簧拉力棒，現(xiàn)場裂縫變形時帶動了拉力棒的移動，使彈簧改變了鋼弦的振動頻率，這個振動頻率的大小與裂縫開合大小成比例關(guān)系。振弦采集儀等自動化記錄系統(tǒng)可用于測讀裂縫峰計振動頻率數(shù)據(jù)。

2.1.4橋面實時監(jiān)控

橋梁是公路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中的控制關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對橋梁的結(jié)構(gòu)承載能力進(jìn)行評估以確定其是否能夠承受大件運(yùn)輸車輛的通行是至關(guān)重要的。

小店高架橋視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要提供直觀的監(jiān)控技術(shù)給養(yǎng)護(hù)單位，并為橋梁的運(yùn)營與維護(hù)部門提供視頻資料。并與報警系統(tǒng)相結(jié)合，提供預(yù)警信息。

使用攝像機(jī)對各種車輛進(jìn)行實時抓拍，通過軟件設(shè)置，修改觸發(fā)模式、與外接設(shè)備（動撓度傳感器）進(jìn)行聯(lián)動，設(shè)備參數(shù)見表1。

2.2數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊

因前端無網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，故采用的采集方式為：傳感器的監(jiān)測設(shè)置一個數(shù)據(jù)采集以太網(wǎng)，將采集站內(nèi)所有設(shè)備組成小的局域網(wǎng)，由嵌入式設(shè)備對采集設(shè)備的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，再按照統(tǒng)一的接口協(xié)議通過4G通信發(fā)送到云平臺服務(wù)層（圖6）。

3 結(jié)構(gòu)報警及評估

3.1 報警值確認(rèn)

閾值是安全狀態(tài)評估中的一個關(guān)鍵參量，但合理確定閾值，特別是大型橋梁的閾值是一項艱巨的工作。應(yīng)指出的是，閾值不是一個孤立的物理量限值（如位移等），一般情況下是一個相對值（如相對基礎(chǔ)沉降、橋面線型、各吊桿內(nèi)力分布曲線等）；閾值也是一個變量，可能和時間、溫度、荷載等有關(guān)；另外，確定合理閾值是一個根據(jù)長期監(jiān)測結(jié)果不斷修正完善的過程，應(yīng)指出的是，閾值不是一個固定不變的值，特別是針對內(nèi)力和變形不斷發(fā)生重分布的新建橋梁，合理閾值的確定需在較長時間段內(nèi)不斷調(diào)整、優(yōu)化的過程

小店高架橋報警系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計資料，采用橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件MIDAS/CIVIL構(gòu)建橋梁的有限元計算機(jī)模型，并依據(jù)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行校準(zhǔn)，以模擬橋梁的實際運(yùn)行狀況。通過計算分析橋梁在不同環(huán)境條件、荷載情況以及監(jiān)測時段下的撓度和內(nèi)力，建立一個原始的理論數(shù)據(jù)庫，用作實測數(shù)據(jù)對比的預(yù)警基準(zhǔn)。

3.2報警聯(lián)動

3.2.1 告警

在監(jiān)測采集層的嵌入式系統(tǒng)中，增加報警功能，一旦撓度或應(yīng)變發(fā)生預(yù)警，即啟動報警功能，提醒過往車輛及路人注意路面狀況。

3.2.2 聯(lián)動抓拍

在監(jiān)測采集層的嵌入式系統(tǒng)中，增加報警功能，一旦撓度或應(yīng)變發(fā)生預(yù)警，即啟動攝像機(jī)抓拍功能。同時監(jiān)測平臺接收報警信息，可以對報警問題迅速做出反應(yīng)（圖7）。

3.2.3 報警通知

被測物體結(jié)構(gòu)響應(yīng)的某項測量數(shù)據(jù)超出閾值時，觸發(fā)報警： ① 在計算機(jī)web軟件平臺和監(jiān)看大屏上，通過醒目的消息提示形式展示預(yù)警狀態(tài)； ② 前端有報警信息時，聯(lián)動結(jié)構(gòu)上安裝的攝像機(jī)進(jìn)行橋面狀況抓拍。

3.3數(shù)據(jù)分析

根據(jù)對應(yīng)的監(jiān)測項配置不同的數(shù)據(jù)分析方法，本系統(tǒng)主要監(jiān)測項有動撓度、應(yīng)力應(yīng)變。本系統(tǒng)采用的分析方法有以下幾種。實時數(shù)據(jù)：打開頁面查看橋梁的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。歷更數(shù)據(jù)：根據(jù)開始時間和結(jié)束時間，加載該測點的歷史曲線，計算其極值、平均值、方差等數(shù)據(jù)，同時支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出功能，用來對橋梁狀態(tài)進(jìn)行長期觀測。對比分析：選擇同一時間段，不同測點，可對比不同應(yīng)力曲線數(shù)據(jù)。

3.4綜合預(yù)警與安全評估子系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)預(yù)警與安全評估子系統(tǒng)的核心功能是對傳感器傳回的應(yīng)變、溫度和振動等信號進(jìn)行深入分析，以識別結(jié)構(gòu)狀態(tài)和潛在損傷。該系統(tǒng)結(jié)合損傷識別結(jié)果和常規(guī)巡檢維護(hù)數(shù)據(jù)，對橋梁的結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行綜合評估，并提供實時預(yù)警服務(wù)。系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括：對橋梁監(jiān)測和監(jiān)控識別數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢分析、對比和預(yù)測；建立結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形等參數(shù)的預(yù)警指標(biāo)體系，實施分級預(yù)警；并綜合運(yùn)用多種監(jiān)測和識別結(jié)果，采用先進(jìn)的損傷識別技術(shù)，對結(jié)構(gòu)的安全使用狀態(tài)進(jìn)行全面評估。

小店高架橋預(yù)警體系基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計信息及簡單數(shù)據(jù)分析，對監(jiān)測點力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行預(yù)警，信息通過web界面和消息推送給相關(guān)人員。

4結(jié)束語

通過建立山西小店高架橋健康監(jiān)測系統(tǒng)，有效提高了管養(yǎng)單位對結(jié)構(gòu)實時狀態(tài)的把握，實時預(yù)警系統(tǒng)對超限車輛進(jìn)行抓拍，對報警信息進(jìn)行及時處理，延長大橋使用壽命。通過山西小店高架橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的實際應(yīng)用，養(yǎng)護(hù)管理單位降低了現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)的成本與工作量，具有良好的經(jīng)濟(jì)性，同時可以保證良好的監(jiān)測效果。

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