公路橋梁健康監測與安全預警研究

呂強

（合肥市正茂科技有限公司，合肥 230088）

1 引言

從近年來陸續暴露出的重大橋梁事故原因分析來看，絕大多數安全事故的起因都與橋梁健康監測及維修保養工作未落實有關，在此背景下，人們越來越關注橋梁健康監測工作，希望通過此手段改善橋梁工程整體質量，保障人們出行安全。隨著近年來我國科學技術水平的進一步提高，各類現代化高新技術，如傳感技術、網絡通信技術信號采集技術得到更新與優化，成為橋梁健康監測的有益幫手。本文從公路橋梁健康監測及安全預警2 個方面展開論述，希望能為相關單位及企業提供借鑒。

2 公路橋梁健康監測研究

2.1 公路橋梁健康監測的意義

當代道路橋梁健康監測技術并不是對傳統的檢測技術的簡單改進，而是在結合了現代化科學技術應用后，搭建全天候監測系統，不間斷地獲取橋梁結構的健康狀態信息及環境載荷數據，通過對各類數據信息的統計分析，對橋梁健康狀態進行評估，以此作為橋梁維修及養護人員的參考信息[1]。公路橋梁健康監測的意義在于：

1）檢測橋梁結構運營狀態。通過檢測，可幫助路橋管理人員評估橋梁結構的安全性，從而及時準確地發現病害，并對潛在安全隱患進行預警；除此之外，還能助工作人員準確識別橋梁各構件的損傷情況，以便后續運營管理工作的正常開展。

2）保證施工階段的安全與質量。對道路橋梁進行周期性檢測，可以有效避免施工過程中一些風險，保證施工安全和施工質量。

3）及時發送事故預警。通過檢測，可對歷史檢測數據的變化趨勢進行分析，建立橋梁正常運營環境下的各項動力、靜力響應及結構參數間的相關信息集，從而在大橋遭遇突發大荷載、極端天氣變化或嚴重過載事故時觸發預警系統，避免重大安全事故的發生。

2.2 橋梁健康監測系統研究現狀

加強對橋梁健康狀態監測的主要目的是希望通過相關技術手段的應用，達到對特殊氣候、交通條件及異常運營狀態下的橋梁健康評估，以便發出預警，從而使橋梁結構得到及時有效的維修與保養，確保橋梁結構始終處于安全運營狀態。橋梁健康監測系統是一個功能豐富的多學科集成系統，是以橋梁結構檢測為主，以信號處理、狀態分析、損傷識別等多種手段為輔的橋梁機構科學評估體系。該系統的有效運用為實現對運營橋梁進行健康監測，規避各類潛在安全風險提供了有力支撐。

20 世紀90 年代末，同濟大學針對徐浦大橋主梁撓度、混凝土應變、振動加速度、斜拉索索力、車輛荷載、環境溫濕度等指標的綜合監測，設計了符合大橋實際情況的集成監測系統，開創了中國在運營橋梁健康狀態實時監測的先河[2]。

為了解重慶大佛寺大橋主梁應變情況，研究人員在該橋建設階段，在其5 個關鍵截面安裝了40 個光纖法珀傳感器，并在主塔上安裝了大量程高分辨力的激光撓度計，首次在國內實現了光電撓度監測系統和光纖法珀應變傳感器的橋梁工程應用[3]；在進行湛江海灣大橋設計過程中，為方便后期的橋梁結構監測，設計了包活應變傳感器、振動傳感器、索力傳感器、溫濕度傳感器等在內的103 個各類傳感器，并配合使用GPS 系統，為橋梁重要子部位位移變化情況監測提供了可能，同時，還能夠在強風、船撞或者地震等突發情況下監測橋梁結構整體響應。

對道路橋梁進行監控監測時，呈現出3 個主要特征：（1）針對橋梁的結構響應要素，包括橋梁應變，橋梁線性，以及橋梁振動速度等，全面進行監測，并結合自然環境，加深監測效果，輔以交通荷載監測，加強鋼筋腐蝕監測等，進而提升全橋監測效果；（2）監測原始數據庫的組成，需要將施工監測數據、橋梁荷載試驗數據，以及橋梁施工前的有限元模型計算的數據結果等錄入監測系統中，形成原始數據庫，為后期橋梁施工安全監測和橋梁評估提供理論數據支持；（3）以健康監測系統為主，并輔以人工巡檢方式實現橋梁安全預警評估。

2.3 橋梁健康監測系統數據庫

建立橋梁健康監測系統數據庫的主要目的是記錄橋梁信息，以為橋梁運維人員提供理論依據。系統主要由橋梁基本數據庫管理模塊、橋梁損傷評價模塊及橋梁維修管理計劃優化模塊3 個模塊構成，系統模塊彼此相互獨立，又相輔相成，但在具體應用實踐中，研究人員可根據需求以任意一個模塊為切入點執行程序。

數據庫系統主要由3 個子系統構成，他們分別是橋梁結構信息系統、維修加固記錄系統和橋梁巡檢檢查記錄系統。

1）橋梁結構信息系統：該系統主要存儲的是橋梁基本信息數據，且這些數據功能是為后期橋梁日常管理提供理論依據。通過橋梁基本信息系統應用，可檢索、瀏覽橋梁結構基本信息，以方便橋梁運維人員進行及時的、科學有效的橋梁檢查與維修。

2）檢查記錄系統：該系統設置的主要目的是將各類檢測數據信息進行統計、分析，并以圖表形式呈現橋梁結構的應力、位移情況。

3）維修、加固記錄系統：該系統的主要應用優勢就是能夠針對曾接受過維修加固處理的橋梁信息進行記錄，并存儲于檔案之中。信息內容包括維修、加固時間、方法、原因等，以便在其他橋梁出現類似情況時有第一手參考資料。

3 公路橋梁安全預警研究

3.1 公路橋梁安全預警監測內容與體系研究

從現階段我國道路橋梁管護工作實際現狀來看，管護任務比較繁重，而傳統的人工巡檢、管護方式顯然已經無法滿足大量管護作業的要求，為此，必須通過自動化技術手段，結合相關科學技術實現橋梁狀態檢測及預警，為管護人員提供技術指導。當前，國內現有橋梁健康監測體系不僅維護費用高，還存在維護難度大等劣勢，無法應用于中小跨徑橋梁。在此，本研究在傳統檢測技術基礎上，研究出一種適用于一般公路橋梁安全預警監測體系[4]。在系統應用中，需結合不同橋梁結構的特點，科學設置監測內容，優化布點設計。概括而言，其主要監測內容包含以下幾個方面：

1）橋梁結構動態響應。在橋梁結構動態響應監測方面，主要針對橋梁結構動態應力、動態位移及振動加速度等方面進行全方位監測。

2）橋梁結構長期準靜態幾何變位。針對橋梁結構長期準靜態幾何變位的監測，主要是對橋梁是否出現了墩臺變形或基礎沉降等現象進行觀測。

3）橋梁環境參數。橋梁環境就是指橋梁所在地的外部氣候環境，包括風向、溫濕度等。

4）通行橋梁荷載參數。荷載一般指橋梁運營荷載，如行駛于橋梁之上的車輛荷載。

5）橋梁特定構件。特定構件就是指橋梁內部結構承受的吊桿力、支座反力及位移、裂縫等。

3.2 公路橋梁安全預警監測評估體系

現階段，國內橋梁建筑管理單位對于橋梁安全預警監測評估體系的應用一般是基于橋梁監測數據信息資料，將橋梁既有信息及運營現狀等信息與橋梁健康狀態評估閾值進行比較，根據其存在的差值進行橋梁結構安全性進行判斷。因此，此安全預警監測體系構建過程中，需做好構建評價指標、選擇評價方法及設計評價指標閾值等工作。在體系應用實踐中，一旦某橋梁結構監測數據超過既定閾值，安全預警系統便會自行啟動，啟動預警作用。

一般在評估橋梁運營安全性時，主要有兩種選擇，即根據監測數據的直接評估和監測數據隨時間變化量評估法。前者是根據橋梁某一時間段內的實際監測結果進行橋梁健康狀態直接評估，以準確掌握橋梁運營期間的承載能力水平、行車適用性及結構耐久性等；而后者則根據橋梁結構多次監測結果與初始值的對比分析，根據其出現的變化量與對應的均方差限值比較，判斷橋梁結構承載力、耐久性是否滿足橋梁安全運營指標。中小跨徑橋梁綜合評定流程如圖1 所示。

圖1 中小跨徑橋梁綜合評定流程

3.3 公路橋梁安全預警監測方法與理論

結合靈敏度較高的傳感器，對橋梁結構的微幅振動響應信號進行記錄。然后采用相關技術手段進行分析處理后，對橋梁結構的模態參數進行科學設置，同時，采用隨機方法進行環境荷載激振動力監測。此環節中，可用方法較多，如正弦激振法、沖擊激振和行車荷載激振等。通常情況下，在監測過程中一般以大型載重車輛通過時的剎車激振測試為主，只有此種測試方式能夠幫助研究人員全面了解橋梁結構的各類動力時程響應。動力測試系統原理如圖2 所示。

圖2 動力測試系統原理

在進行橋梁結構安全預警監測系統與養護輔助決策系統性能評定過程中，一般會同步進行橋梁激振，然而，在具體實踐中一般會因現場條件影響，需盡可能減少人工作業量。對于橋梁結構激振操作，通常是對自然使用狀態下的橋梁環境荷載及橋上通行荷載情況監測，以便于后期橋梁管養“自動化”目標實現。

3.4 公路橋梁安全預警測點優化布置

在布置橋梁動力點時，要結合上述理論分析結果及橋梁具體情況進行科學布置，一般選擇橋梁縱向測試截面布置法。主要方法如下：

1）簡支梁：測點布置一般按照4 分跨間距進行，但這一制式并不絕對，對于一些跨度較大、精度要求較高的簡支梁，也可選擇6 分跨布置方式。

2）連續梁：2 跨連續梁參照簡支梁2 跨同時布置；3 跨及以上連續梁，主跨、邊跨均按8 分跨間距同時布置；如果某橋梁跨度較小，精度要求較低，主跨可按4 分或6 分跨進行布置。

3）拱橋：布置橋梁自振特性測點時，可以結合橋梁結構跨度大小情況按8 分跨間距進行布，測點數量一般是豎向、橫向可各1 個，其他動態測點不少于3 個。

4 結語

橋梁健康狀態檢測及預警體系研究是現階段大荷載量、通行量情況下的橋梁運維工作的必然發展記過，本研究在傳統橋梁健康監測系統的基礎上，結合當代高新科學技術，提出適合大多數公路橋梁的“安全預警監測內容與評判體系”。在建設橋梁安全預警監測系統中，要本著以自動化為主，人工為輔原則進行。為實現橋梁結構健康狀態的精準監測，本文還專門針對系統應用中的公路橋梁安全預警測點布置進行了詳細介紹，希望能為相關人員提供科學借鑒。