淺談結構健康監測系統在橋梁管養中的應用

楊燕青

（上海市嘉定區交通建設管理中心，上海市 201899）

0 引 言

2021年3月1日，交通運輸部發布了《公路長大橋梁結構健康監測系統建設實施方案》，決定在“十四五”期組織開展跨江跨海峽等長大橋梁結構健康監測系統建設，并列出了必須要做健康監測系統的401座大型橋梁，標志著橋梁結構健康監測系統發展的“黃金時代”即將到來。

橋梁健康監測系統是指：由安裝在橋梁上的傳感器以及數據采集與傳輸、數據處理與管理等軟硬件構成，對橋梁荷載與環境作用及橋梁結構性能參數進行測量、收集、處理、分析，并對橋梁正常使用水平與安全狀態進行評估與預警的系統[1]。通過對橋梁的響應、環境以及荷載等狀況進行全面的監測，動態掌握橋梁結構的運行狀況，在異常情況下進行預警，達到防范和化解橋梁運行重大安全風險，進一步提升橋梁結構安全保障能力的目的。

1 建設健康監測系統的必要性

橋梁如人，難免有病有恙，需要維修，維修前需要看病診斷，作為橋梁管理單位，依法依規對橋梁進行定期檢查和檢測，并進行及時地養護、維修或加固，是確保橋梁運營安全的重要手段。但對于一些特別重要橋梁、長大橋梁以及特殊結構橋梁，僅依靠傳統的檢測技術和養護手段，是否還能滿足橋梁運營安全的需求？

例如，蕰藻浜大橋是我區公路上的一座大型重要橋梁，2010年通車，橋梁總長420m，其中主橋采用飛燕式中承式鋼管混凝土系桿拱橋（見圖1），長220m，跨徑組合32m+156m+32m。該橋地處城鄉結合部，橋上交通繁忙，且通行重車較多，如何確保橋梁始終處于安全、可控狀態，是擺在橋梁管理單位面前的一個題目。

圖1 蕰藻浜大橋立面示意圖

1.1 傳統橋梁檢查手段的局限性

橋梁檢查是對橋梁的全面“體檢”，為橋梁的運行安全提供了強有力支撐。然而，由于傳統的橋梁檢查主要依靠人工進行檢測，一方面，檢查結果的可靠性除了與儀器設備精準度、檢測環境等客觀因素有關外，在很大程度上還受到檢測人員的工作態度、技術能力和檢測經驗等主觀因素影響，而且需要投入大量人力、物力，需要占道影響交通等；另一方面，人工檢查是間斷的測量，一旦橋梁在兩次檢查的間隔期間內發生緊急情況，比如超載通行、偶然沖撞、臺風等可能會對橋梁產生損傷，人工檢查如不能及時發現，這將給橋梁運營安全埋下嚴重的安全隱患。

1.2 橋梁健康監測系統的優點

橋梁結構健康監測技術不同于傳統的橋梁檢查，其是運用先進的各類傳感器與發達的物聯網通訊技術，實現對橋梁全天候、實時、動態監測，并依靠已建立的橋梁模型對采集的數據進行分析和評估，從而實現對橋梁健康狀況的動態監測。與橋梁檢查技術相比，其具有實時、動態監測以及反應迅速等顯著優點。

綜上所述，橋梁檢查和健康監測均是保證橋梁結構安全運營的重要措施，這兩種技術手段應相輔相成，互為補充，尤其是對長大橋梁和復雜結構橋梁實施健康監測系統，意義重大。因此，對于蕰藻浜大橋，除依規組織進行日常巡查和定期檢查外，為實時掌控大橋的運行受力情況，輔助管理單位的科學管養，建設一套符合大橋需求的健康監測系統是必要的，也是十分需要的。

2 健康監測系統的建設方案

2.1 建設目標

橋梁健康監測的基本功能是通過構建實時監測系統，實現對大橋關鍵荷載源（風、地震、車輛荷載）和結構響應（變形、應力、振動、纜索力）的實時監控，為大橋在極端氣候、特殊交通條件下或橋梁運營狀況嚴重異常時觸發預警信號，為橋梁維護、維修與管理決策提供依據和指導，降低橋梁運營風險和社會財產損失[2]。

蕰藻浜大橋健康監測系統的建設目標為：（1）獲取橋梁結構主要構件在環境與交通條件下的運行狀態，動態評估橋梁結構的安全性和使用性；（2）發生突發事件（如船舶、車輛撞擊，超載，極端天氣）后，能夠立即識別和反應，可及時查明結構狀態和評估預警；（3）獲取橋梁結構的外部荷載（主要是車輛荷載）和損傷過程，為大橋的科學管養與維修決策提供依據。

2.2 系統的組成

為實現上述建設目標，蕰藻浜大橋的健康監測系統分以下幾個子系統：結構位移與受力監測子系統、環境與交通監測子系統、數據傳輸子系統、健康狀況評估與安全預警子系統。

（1）結構位移與受力監測子系統

蕰藻浜大橋為中承式系桿拱橋，通過分析其結構特點，荷載傳遞的基本路徑是：車輛活載作用于橋面板上，橋面荷載將力傳遞給縱、橫梁組成的框架體系，然后通過吊桿系統傳遞給主拱肋，再由支座向下部結構進一步傳遞。

因此，結構位移與受力監測子系統的監測對象主要圍繞拱肋、吊桿、主梁（縱梁、橫梁）、橋面板、墩臺等主要受力構件展開。主要監測項目為應變、變形和索力。主要監測設備有光纖光柵應變傳感器、靜力水準儀、全站儀、索力傳感用無方向加速度傳感器等。

（2）環境與交通監測子系統

大橋地處長江三角洲，夏季溫度高，且空氣濕度大，對鋼結構耐久性有影響，需掌握橋梁周邊大氣環境的溫濕度。又由于橋址周邊區域空曠、地勢平坦，尤其夏秋季受臺風影響，橋上風力較大，需對風力進行監測。此外，該橋所處道路交通繁忙，且通行重車較多，需全天候監測過橋車輛的車速、總重以及交通量等信息，并對超載車輛號牌、現場場景照等信息予以記錄。

因此，大橋環境與交通監測的主要對象和項目為：大氣環境溫濕度、風速、過橋車輛荷載、交通量等。監測設備主要有：溫濕度傳感器、風速儀、不限速汽車稱重儀、車牌識別攝像機、全景高清攝像機等。

（3）數據傳輸子系統

數據傳輸子系統包括了現場數據傳輸和遠程數據傳送。由于本監測系統現場采用了大量的光信號設備及數字信號設備，最終選用光纖通信設備并使用雙環冗余網絡交換機和多芯鎧裝光纜（有備用光纖）組成光纖環路，來完成橋梁現場各個現場測站之間的通信及可靠性。對于現場和監控中心之間的數據傳輸，采用無線傳輸方式，利用非視距（NLOS）無線網橋來實現數據遠程傳輸。

（4）健康狀況評估與安全預警子系統

該子系統主要是對傳輸到監測中心的數據進行存儲、分析、處理以及評估和預警，是整個健康監測系統的核心。根據其功能定位，又將該子系統劃分為數據處理分析、狀態評估和安全預警三個模塊。

數據處理分析模塊包括前處理與后處理兩部分。前處理主要是對接收的、來自于自動化數據采集系統原始數據的整理、篩選，并將結果進行存儲。后處理主要是將已存儲的數據重新獲取后，進行離線分析，數據處理分析主要是為結構狀態評估、安全預警等提供數據支持。

狀態評估模塊，將數據處理分析結果與結構理論計算值進行橫向比較，以及與歷次實測數據進行縱向比較，并結合人工巡檢情況，按照規范對本橋所監測的應力、變形、索力等進行分析，據此評估橋梁主要受力構件的工作情況和橋梁總體狀況。

安全預警模塊，主要針對突發情況下的橋梁報警，需要確定預警的參數、閾值、分級、通知方式、應急方案等內容。

3 健康監測系統應用案例

蕰藻浜大橋健康監測系統自2013年建成運行以來，至今已有8年，系統運行狀況總體良好，現場安裝的各類型傳感器存活率高，監測數據持續穩定，這對橋梁管理單位實時掌控大橋安全狀態，輔助大橋科學管養等方面發揮了積極作用。以該橋2021年1月份監測數據為例，通過統計橋梁交通量和實際通行車輛荷載，并結合各類傳感器采集的數據，分析超重荷載對橋梁狀態的影響。

3.1 橋面交通情況

經環境與交通監測子系統識別和統計，蕰藻浜大橋2021年1月份通行車輛總數為34.17萬輛，最大日通行車輛總數達1.48萬輛，期間未出現交通擁堵和車輛集中停留的現象，交通狀況正常，1月份每日車輛通行情況見圖2。

圖2 1月份每日通行車輛統計圖

3.2 橋梁超載情況

蕰藻浜大橋設計荷載城-A級，橋梁限載40t。2021年1月份，過橋車輛中，超過橋梁限載噸位的車輛總數為560輛，超載最大車輛總重為74.14t，其中，1月1日超載車輛最多，高達76輛，最重車輛也出現在該日。1月份橋梁超載車輛數量統計情況見圖3，1月份每日最大車重曲線圖見圖4。

圖3 1月份超載車輛統計圖

圖4 1月份每日最大車重曲線圖

3.3 超載對橋梁結構的影響性分析

選取主拱肋拱頂底面應變、變形以及11#吊桿索力共三個監測點，對1月份監測數據進行統計并繪制曲線圖（見圖5～圖7）。可以發現，各監測項目曲線的變化規律基本相似，且與1月份每日最大車重曲線圖變化規律也高度相似，各曲線峰值均發生在1月1日，可以判斷大橋當月的應變、變形、索力最大監測值的出現均與超載車輛過橋有關。由于監測數據均未達到預警值，且超載車輛通過后各構件監測數據恢復正常，表明當月超載情況對橋梁結構的影響程度有限，大橋處于安全可控狀態，但長期超載，仍對橋梁安全運營存在不利影響，超載管理仍是橋梁主管部門今后關注的重點。下一步，將與路政、交警等部門聯合，推送監測數據，對車輛超載行為進行懲戒，確保大橋運行安全。

圖5 主拱肋拱頂下緣應變曲線圖

圖6 主拱肋拱頂位移曲線圖

4 結論與展望

（1）橋梁健康監測系統具有全天候、實時動態、測試精度高等優點，通過對橋梁的響應、環境以及荷載等狀況進行全面監測，動態掌握橋梁結構的運行狀況，在異常情況下進行預警，達到防范和化解橋梁運行重大安全風險，進一步提升橋梁結構安全保障能力的目的。

圖7 11#吊桿索力曲線圖

（2）在發揮橋梁健康監測系統優勢的同時，我們也要清醒地看到其還存在不足之處，如健康監測雖然實時動態，但由于監測點不可能對橋梁結構的每個構件進行全覆蓋，故還不能完全依賴健康監測方法，必須結合日常巡檢和定檢，充分發揮橋梁檢測和健康監測兩種手段的各自優勢，相互補充，確保長大橋梁的運營安全。

（3）BIM技術目前在國內應用越來越普遍，有些重點工程招標時建設方要求必須應用BIM技術，許多大型橋梁在設計階段也已開始應用BIM技術，如何將其與結構健康監測系統相結合，更好地為后期橋梁管養服務，是未來研究的一個方向。