七都大橋北汊橋健康監測系統設計

胡逸凡

（溫州市城市基礎設施建設投資有限公司，浙江溫州325000）

1 引言

隨著我國已建成和在建大型橋梁的不斷增多，橋梁事故也頻繁發生[1]。橋梁在役期間承受環境荷載、車輛荷載的反復作用，其中某些超過橋梁承載能力的荷載必然會對橋梁結構造成損傷。結構損傷達到一定程度時會引起結構狀態的改變（如金屬疲勞導致斷裂），有些結構損傷在未引起結構狀態改變之前就造成了結構破壞（如鋼結構局部失穩）。為了避免橋梁結構損傷不斷累積最終發生事故，對運營期的橋梁進行結構安全監測是十分必要的[2]。

橋梁結構運營期監測應包括結構力學狀態（靜力響應和動力響應）改變及局部構件劣化（損傷）2 方面。長期荷載作用下的基礎沉降、結構蠕變及損傷等因素會導致結構力學狀態發生改變；而金屬結構銹蝕、混凝土結構碳化、車輛超載嚴重等因素會導致局部構件劣化[3]。

本文以七都大橋北汊橋為例，設計一套安全可靠的健康監測系統，為本橋運營期的安全監測及管理養護提供有力支撐。

2 工程概況

溫州市七都大橋北汊橋連接永嘉縣與七都島，起點順接目前已經通車的七都大橋南汊橋，并在七都島上設置七都互通。大橋向北跨越甌江后，到達永嘉縣新建村南側，設置新建樞紐連接104 國道。

七都大橋北汊橋跨徑布置為58m+102m+360m+102m+58m=680m，結構形式為五跨連續半漂浮體系，空間密索型布置雙塔中央索面疊合梁斜拉橋，空間密索型布置。主梁為疊合梁，邊中跨比0.44[4]。

3 健康監測系統總體技術路線

橋梁結構健康監測系統是為橋梁安全運營和養護管理提供信息化服務而建立，系統的設計和構建是一項綜合系統工程，包含了先進的傳感技術、傳輸技術、計算機技術、海量數據分析與處理技術、結構力學分析計算及結構評估理論等方面[5]。

七都大橋北汊橋健康監測系統依托自動化監測技術和BIM 智能管養技術，其設計思路（見圖1）如下：感監測系統來識別結構力學狀態的改變；

圖1 系統建立總體思路

3）將人工巡檢信息電子化，把自動化監測數據和定期檢測、人工巡檢結合起來，從多角度保證橋梁結構運營期的安全；

4）通過對橋梁結構進行力學分析，為各項監測指標設置適當的閾值，并通過可靠的采集傳輸方式獲取結構的真實響應監測數據，從而保證整個健康監測系統和安全評估系統正常工作；

5）深度融合健康監測系統、BIM 模型和管養系統，面向運營期橋梁管養維護提供數據集成和可視化服務。

4 監測系統構成

4.1 監測內容

七都大橋北汊橋健康監測的內容分為環境參數與荷載監測、結構響應（包括靜力響應與動力響應）兩大類，具體內容如下：

1）環境參數及荷載監測，包括：路面溫度、環境溫濕度、風速風向、地震動或船撞、結構溫度、車輛荷載等；

2）結構靜力響應監測，包括主梁及主塔結應變、斜拉索索力、主塔及主梁空間變位、支座位移、主梁線形等；

3）結構動力響應監測，包括主梁各特征點的橫向及豎向加速度，主塔底部三向加速度。

本橋健康監測系統共布置156 個測點，如圖2 所示。

圖2 七都大橋北汊橋健康監測測點圖

1）通過對結構實時監測數據進行處理與分析，并結合橋梁結構局部和整體受力分析的成果，評估大橋主要構件是否存在潛在病害，為橋梁養護提供可靠的評估結果，并指導橋梁養護工作；

2）以“靜力為主、動力為輔”的識別原則，通過自動化傳

4.2 系統架構及功能組成

七都大橋北汊橋工程結構健康監測系統由5 個子系統組成，包括自動化監測子系統、電子化人工巡檢子系統、結構安全預警綜合評估子系統、數據存儲與管理子系統和用戶界面子系統。

自動化監測子系統由傳感器模塊、數據采集與傳輸模塊和數據處理與控制模塊組成，將橋梁結構實時響應及環境因素進行識別采集，轉換成可存儲的數據。

電子化人工巡檢子系統包含了中心服務系統和智能巡檢終端。中心服務系統是集巡檢養護管理信息數據庫、管理平臺軟件以及相關配套的管理工具等內容為一體的綜合軟、硬件系統。其功能為提供橋梁技術檔案和巡檢管養信息錄入接口、數據存儲管理及各種涉及數據的應用（查詢、調用、分析、評價、自動報告報表等），同時為巡檢提供協助（自動制定巡檢路線、自動提供養護建議措施等）。智能巡檢終端由便攜式移動終端設備及巡檢終端軟件構成。巡檢人員在巡檢時攜帶智能巡檢終端，通過巡檢終端軟件錄入巡檢信息，同步到中心服務系統，實現橋梁結構病害和事件的準確定位和全面描述，為橋梁管養提供準確依據。

結構安全預警綜合評估子系統是監測系統的核心功能，也是技術難度最大的部分。不僅要對傳感器監測數據有效識別與分析，也需對橋梁結構力學特性準確掌握。通過多種技術的深入研究，建立了一套具有依據自動化監測系統以及人工巡檢、檢測等信息進行結構的實時預警以及安全性評估、承載力評估、疲勞評估和其他專項評估（如臺風、地震、船撞等）等功能的系統。

數據存儲與管理子系統構建海量數據存儲管理系統，并實現對整個系統運行狀態的監控，包括數據管理和系統自診斷2 個子模塊。數據管理模塊將海量數據按照一定的組織形式存儲到數據庫中進行集成管理。如果系統出現數據錯誤，則啟動系統自診斷模塊進行故障診斷與排除。

用戶界面子系統基于移動互聯網、BIM、物聯網、GIS 等技術融合集成動態數據展示平臺。系統融合了無人機傾斜攝影的橋梁場地實景、施工期的BIM 模型、參數和資料等信息，關聯施工期監控數據、運營期健康監測和巡檢管養數據，提供一個直觀的、可交互的BIM 系統，為提升施工期規范化管理和運營期管養決策水平提供有力支撐。

4.3 結構安全預警設計

建立健康監測系統的目的在于監測橋梁結構在運營過程中的狀態，通過荷載輸入和結構響應的監測結果判斷結構是否處于正常使用極限狀態內，為及時提供結構狀態信息，指導維修養護措施實施，盡量減少結構達到服役極限狀態的可能，保障結構健康正常運行。因此，建立預警報警體系，判斷結構狀態，對可能威脅到橋梁安全運營的事件進行預警，提醒橋梁管理和養護人員及時關注結構安全情況并進行妥善處理，并根據需要啟動評估機制以確定結構是否處于安全狀態。

預警報警體系從物理概念上分為4 類，分別是可變荷載預警、結構響應預警、基準狀態變化預警和趨勢變化預警。采用自動化報警結合人工判斷報警的方式進行預警報警[6]。

七都大橋北汊橋健康監測系統將預警分為3 級：黃色預警（低風險）、橙色預警（中風險）以及紅色預警（高風險）。當傳感器監測值超出計算閾值時，觸發黃色預警，結構已明顯表現出趨向危險狀態的趨勢；當傳感器出現異常、外部荷載（如車流量）發生明顯變化或者橋梁已經出現輕微損傷時，觸發橙色預警，結構已經接近危險狀態；結構出現一定程度損傷，結構已達到危險狀態時，觸發紅色預警，需要維修才能滿足使用要求，應該立即限制交通且對橋梁進行全面的安全檢查。

5 結語

七都大橋北汊橋健康監測系統以環境因素、車輛荷載、結構響應監測為基礎，通過海量數據存儲與分析技術，對橋梁結構安裝狀態進行評估及預警。運用BIM 技術，將健康監測、運營管養、巡檢維護等數據資料有機整合，提供一個直觀的、可交互的BIM 系統，為提升運營期管養決策水平提供有力支撐。本橋健康監測系統可為類似系統的建立提供參考與借鑒。