大橋結構健康監測系統研究
——以鎮水公路阿志河大橋為例

熊政勇

（貴州省公路建設養護集團有限公司六盤水分公司，貴州 六盤水 553000）

在橋梁的運營過程中，隨著時間的推移其承受的總負荷不斷增加使得其具有疲勞效應，橋體的老化導致性能不斷退化，加上自然環境和人為操作不當對橋體造成的沖擊使得橋梁過度損傷和劣化，從而導致整體的使用周期縮短。在一般情況下，這些損傷的處理方法是用人工肉眼或者是人工傳統的檢測方式進行檢測，但是由于人工的檢測方式存在高度人為的主觀能動性，因此得到的橋梁結構評價更加的主觀，導致檢查的結果中存在著大量的盲點，不具有準確性。此外人工的傳統檢查方式具有著難以量化檢查、人工作業不夠僅有連續性和整體性、阻礙交通、人力資源投入大等一系列的缺點。而為了確保橋梁的穩定性和結構安全，在橋梁中運用現代化科技對其進行過實時監測，而結構健康檢測技術則是現代化需要下的科技產物，能夠長期有效的為橋梁養護與管理提供強大的數據支撐，從而促進橋梁的養護和加固工作的順利進行，滿足現代化橋梁養護管理的要求。

1 鎮水公路阿志河大橋結構健康監測系統工程概況

阿志河大橋位于六盤水市六枝特區境內S314鎮水線上，是水城、安順、貴陽之間交互相通的重要通道，由水城公路管理局負責管養。阿志河大橋全長428米，其中主跨283m為加勁梁懸索橋，而引橋為4跨30m預應力鋼筋混凝土T梁，該橋由于長度和建造工藝應歸屬為特大橋類型，橋梁中心樁號K69+100，橋跨組合為1-283+4-30，初級設計荷載汽車-超20級。該橋于2003年12月建成并投入使用，在2011年交由水城公路管理局負責其日常管養。于2012年委托定期檢查，并在2014年對橋梁進行了支座更換、裂縫修補、金屬構件防銹防腐等維護修理工作[1]。由于此橋地理位置特殊，因此，為確保該橋能安全運營，在2015年委托蘇交科集團股份有限公司安裝了健康監測系統，此系統的安裝為該橋的養護管理工作提供了強大的數據支撐，使得監管人員可隨時查看橋梁車輛通行情況和橋梁結構情況。

2 橋梁結構健康監測系統總體設計以及要求

2.1 橋梁結構健康監測系統總體設計

在對阿志河大橋結構健康監測系統的安裝之前對該系統進行總體設計，使其結合阿志河橋梁周圍環境和其日常的運行狀況，促進此系統在日常應用時提升其應用效果[2]。在對阿志河橋梁進行設計時，在其中設計了傳感器子系統、數據采集與傳輸子系統、數據管理與控制子系統、結構健康預警與評估子系統四個主要的子系統，其主要運行于三個層次之中進行結構健康監測評價，為橋體健康提供數據分析。三個層次中第一層次是數據采集單元采集傳感器子系統拾取的信號；第二層次是將采集到的信號轉換成數字信號并通過光纖網絡輸送到數據處理與控制子系統；第三層次是由計算機系統完成數據的后處理、歸檔、顯示及存儲，并根據系統的指令為其提供特定格式和內容上的數據以及處理結果，與此同時，對大橋的運營狀態進行評價，并對可能發生的問題發出預警信號。四個子系統具體運作的流程如圖1所示。

2.2 橋梁結構健康監測系統總體要求

在對阿志河大橋結構健康監測系統的總體設計上由于地理環境和其特殊屬性對其技術具有較高的要求，從而提升系統在具體運用中發揮其檢測和總結的作用[3]。在此工程中對結構健康監測系統的總體技術要求是運用信號的物理性質作為選擇采樣頻率的根據，使得該采樣頻率得以滿足各個監測項目中所運用的監測方法，進而使得檢測方法中各類傳感器采樣頻率的要求得以滿足。

3 數據采集與傳輸子系統

數據采集與傳輸系統負責傳感器信號的采集、調理、預處理、顯示、傳輸和保存等[4]。阿志河大橋結構健康監測系統運用的數據采集與傳輸系統符合橋體的實際應用狀況，因此對于其選型主要是堅持三方面的原則：1）堅持選擇采用國際上先進的成熟產品，確保系統良好的穩定性、耐久性和高精度的數據采集單元；2）堅持選用市場上通用性好，易于采購的產品，確保系統的可維護性和可更換性；3）堅持選用性能價格比高的產品，確保系統在最低成本下，實現最良好的運作。

4 數據采集與傳輸子系統安裝調試方法、注意事項及維護要點

數據采集與傳輸子系統基本上采用了常規設備，在安裝調試方面就比較簡單，維護中也是采用常規維護方法，主要有以下幾個要點：1）運用由工業控制計算機及插在其槽上的A/D轉換數據采集卡組成的數據采集工作站。對設備調試時需先裝入計算機操作系統軟件、數據采集與傳輸軟件，連接好各傳感器、信號調理器、RS485轉換器信號，運行軟件進行調試[5]；2）數據采集單元（DAU）由機柜、數據采集工作站、避雷隔離器、UPS不間斷電源、光纖收發器、交換機等組成。在進行設備安裝時要對其進行整齊、規范安裝，使得其中蘊含的線路排放整潔并將各設備的標簽進行檢查，使得其清楚、規范；3）數據采集單元的機柜應滿足相關國家標準，具有良好通風、防塵作用，從而避免設備的溫度過高。在阿志河大橋結構健康監測系統運用的數據采集單元機柜的尺寸為：1600mm×800mm×1500mm；4）要將數據采集單元安裝在鋼箱梁內，在竣工時要規范其安裝技術和工藝并采取相應的安全措施保障整個工程的質量。其五、在維護、養護方面。由于在此過程中，箱梁在通車過程中產生的震動較大，相關人員要注意檢查設備安裝是否產生松動，并對各接插件進行定期檢查接插的情況，UPS要定期充放電。

5 數據管理與控制子系統

位于阿志河大橋結構健康監測系統監控中心的數據管理與控制系統，其中最主要的硬件構成是數據存儲、處理及顯示硬件，由1臺計算機數據服務器和3臺計算機工作站所組成[6]。在此硬件中主要包括：數據管理與控制計算機數據服務器、健康監測系統實時顯示用計算機工作站、健康監測系統數據傳輸用計算機工作站、結構健康評估用計算機工作站[7]。由于監控中心的各個計算機的硬件系統是一致的，在此處對為其進行一同分析。在數據管理與控制計算機服務器中，其作為數據庫、數據文件的存儲中心，管理著從各數據采集單元匯總的全部數據，并具有發送指令對測試系統的測試工況參數進行控制和改變的功能[8]。數據管理與控制計算機服務器用統一的方式對數據采集單元匯總的海量監測數據進行集中式管理，并且能夠對數據收集、處理、傳輸、存儲和顯示進行全面控制，為達到對海量監測數據高效管理的目的，可以利用其具有的低冗余屬性使得系統具有安全性、可靠性。在監控中心數據管理與控制計算機服務器用作為統一的數據出口，可以實現多用戶操作及數據共享的效果。不僅如此，此服務器還管理于存儲原始數據及其預處理結果的動態數據庫，時期原始數據可以保存至少90d，預處理結果可以保存到一年以上，并且還能做到定期完成數據的存檔、備份。在產品的選型中阿志河大橋結構健康監測系統監控中心的服務器選用的是美國HP公司的HP ProLiant DL388 G9機架式計算機服務器產品。

6 軟件系統

在軟件系統中本工程分為三種軟件運行環境及界面、中文界面、圖形界面。

軟件運行環境及界面：阿志河大橋結構健康監測系統軟件擬采用C/S（客戶機/服務器）結構。各系統外站和各系統計算機工作站的操作系統采用Windows XP Professional，數據管理與控制服務器的操作系統采用Windows Server 2003，中央數據庫采用Oracle，各數據采集站內傳感器參數信息數據庫采用Windows Access 2003，監測系統應用程序的編程工具采用VC/C++7.0及NI LabVIEW 8。

中文界面：本應用軟件完全是自主在中文操作系統下開發的，所以各計算機服務器、工作站中的數據采集與傳輸系統、數據管理及控制系統均采用簡體中文操作界面，數據輸出和報表打印也采用中文輸出。

圖形界面：系統提供豐富多樣的顯示方式把處理結果展現給用戶。包括：橋梁輪廓圖的繪制，直觀顯示傳感器的位置；系統組態網絡圖，直觀顯示系統各接點之間的連接；測量值的水銀柱圖，直觀顯示當前值的大小和當前值在其范圍內的位置；統計趨勢圖，直觀顯示各類統計在不同時段內的發展趨勢；時域波形圖和頻域波形圖，直觀顯示相關采集數據實時時域波形和頻域波形。

7 軟件的主要內容

此種軟件主要包括四個部分，即前臺數據采集軟件、前后臺數據傳輸軟件、后臺控制與分析軟件以及健康監測評估與預警軟件。

首先，前臺數據采集軟件中其中的內容主要包括對各外站的數據進行實時采集、存儲與傳輸；對各外站、傳感器、網絡設備的運行狀況進行判別及異常報警；對傳感器參數設置，報警限設置；對校驗外站時鐘；以及與橋梁監測數據庫服務器的通信與接口等幾種。

其次，在前后臺數據傳輸軟件中具有著將各外站實時采集的數據傳送到監控中心數據庫服務器，同時存儲在本地外站工控機內；根據監控中心健康監測計算機工作站的命令（及用戶的命令），將相應外站某通道的實時采集數據傳送到該工作站實時顯示畫面上；將各外站、傳感器、網絡設備的運行狀況進行判別后的異常報警數據實時傳送到監控中心健康監測計算機工作站進行報警等。

再次，在后臺控制與分析軟件的內容包括運用控制采集啟停，實現各外站同步采集；在控制中心各工作站間進行數據的實時采集、存儲與傳輸；進行數據庫的建立、運行與維護；實時進行數據的監測，并對數據顯示輸出（示值、時域波形、頻域波形、趨勢）等進行分析；對采集信號進行處理（濾波、抽樣、信號加窗、FFT、相關性分析及統計等）；監測數據查詢統計輸出及打印（列表、時域波形、頻域波形、趨勢、報表）以及監測數據超過預設報警限，進行報警等方面。

最后，在健康監測評估與預警軟件中其具有的內容主要為疲勞分析軟件、在線評估軟件以及基于統計特征比較法的預警軟件等三方面。

8 維護與巡查

在進行數據采集中數據采集系統是整體系統中的重要內容，也是其關鍵性的運行環節，其主要采用分散安裝的形式，安裝于主橋區的各個箱梁中。在此過程中對數據采集系統進行有效的巡查和日常的管理對整個系統的正常平穩的運行具有重要作用，因此需要對其進行巡查的力度和效力需要根據具體需要不斷的增加。其主要進行的日常管理、巡查和維護的內容雖然具有固定性質，但是仍舊需要對其進行不固定的細節檢查，使得其具有的故障和不平穩的因素出現能夠被相關的維護人員及時的發現并且能夠采取相應的措施及時的將風險進行清除。

在進行日常的巡查、管理和維護的過程和內容如下：首先，需要對數據采集站進行清理，尤其是對采集單元計算機進行每隔一段時間的重點清理，使得其具有的防塵過濾網得以長期的潔凈，一般清理的時間為三個月，此類情節不僅能促進其通風散熱的性質得以提升，還能保持其長期有效使得通風散熱性質得以保證。在進行清理時需要對其進行拆機清理，并將其中具有的灰塵進行由內向外的清理，在由內向外的進行清除，在此過程中機內的灰塵也應運用吹出的方式進行清理。

在進行定期巡查過程中需要進行一月一次的運行檢查，并且需要對計算機中的運行效果進行有效的查看，對其中的指示燈的運行進行觀察，在對聲音進行甄別查看其中是否具有故障。在監控中心需要對其各種采集的數據進行遠程的查看，對其中數據的真實性和誤差進行每周一次的檢查。

9 結語

總而言之，結構健康監測就是對橋梁整體和橋梁結構進行自動化系統檢測，運用最小值的勞動換取最有效的回報使得其對橋梁結構能夠進行持續性的監測檢查，對其中存在的損傷進行有效監測，并對橋梁整體結構狀況進行有效評估，促進其維護和管理工作的開展可以更加順利，降低其運維成本的投入。橋梁結構健康監測系統是一個將多種專業的學科知識進行整合的科技系統，是一個具有綜合性的建設工程養護工作的必備工作環節，在大橋的建造和養護中發揮重要作用，們能夠積極的促進橋梁使用壽命得以延長，提升橋梁的使用效果和使用效益，促進橋梁建設與發展，保障橋梁的運營安全和使用安全。