橋梁管養中結構健康監測系統應用分析

潘順興、龔小俊

（1.貴州黔程弘景工程咨詢有限責任公司，貴州貴陽 550018；2.貴州宏信創達工程檢測咨詢有限公司，貴州 貴陽 550014）

0 引言

橋梁管養中結構健康監測主要是應用先進設備，比如傳感器設施，獲取橋梁運行環節的數據，加強采集和使用，并處理相關的數據，為質量問題的分析提供基礎。在數據采集時，獲取橋梁荷載與環境作用信息，掌握各個結構性能的參數，以得出橋梁的運行狀態，做出合理的評估與分析，形成預警信息。對橋梁管養中結構健康監測系統應用要點加以研究，經過健康監測后掌握相關的數據信息，才能更好地了解橋梁的運行狀態，根據實際情況發出預警，及時采取檢修和處理措施，確保橋梁通行安全性。

1 建設健康監測系統的必要性

橋梁在長期投入運營后，難免會出現較多的病害問題，會對橋梁的正常使用產生不利的影響，而在進行橋梁的維修前，通過開展監測和分析，以準確獲取橋梁的運行狀態，為精準化維修處理提供便利條件。利用健康監測對橋梁的運行狀態有足夠的了解，及時采取處理措施，以全面提升橋梁的通行狀態和水平，為交通通行效果的提升奠定基礎。但是傳統的監測方式比較落后，依賴于技術人員的現場觀察，精度不足，容易發生偏差，甚至有些細微的問題沒有及時的修復處理，導致嚴重的事故發生，危害人們的生命健康，阻礙社會的發展，所以必須探討先進的橋梁健康監測技術。本文選取某大型橋梁項目為研究對象，該橋梁長度為420m，運營時間超過10年，主橋采用飛燕式中承式鋼管混凝土系桿形式，由于橋梁所處地區為城鄉接合部，每日交通通行量比較大，車輛、人員都比較多，尤其是重載車輛，所以必須加強健康監測，及時維修病害問題，確保橋梁處于安全、穩定的運行狀態[1]。

1.1 傳統橋梁檢查手段的局限性

我國一直以來都非常重視橋梁健康檢測的工作，就是對橋梁進行全面性的運行狀態檢查，以確保橋梁運行的安全性，避免發生嚴重的事故問題。但是因為傳統的橋梁檢測依賴于人的經驗、技術，所以在檢測過程中受到人的行為、能力、經驗方面的影響，還受到工作態度的影響，很多情況下會導致檢測的誤差，影響橋梁的正常通行。而人為的檢測是間斷性的測量方式，無法實現實時性檢測，如果在某個時間段內橋梁出現了緊急的情況，比如超載通行、偶然撞擊、臺風等都會產生嚴重的后果，人員無法及時地進入現場中檢查，導致橋梁工程的安全性受到很大影響，威脅到交通通行安全性。

1.2 橋梁健康監測系統的優點

橋梁結構健康系統在建設中需要大量先進技術，才能實現全面性的橋梁檢查，安裝多種先進的傳感器設施，利用物聯網技術實現信息的聯合和應用，對橋梁進行實時、全天候、動態化的監測，及時掌握橋梁運行的情況，尤其是發生損壞時，快速發現存在的問題，并及時采取處理措施。通過系統將獲取的數據編制成為模型，實現動態化的評估和分析，獲取橋梁的健康狀態。與傳統人工方式檢查對比，橋梁健康監測系統的優勢極為明顯，如速度快、效率高、反應迅速。

總之，橋梁在運行中采取人為檢查以及健康監測都是極為重要的方式，這兩種方式都有優點和缺點，相互補充、相輔相成，特別是對于復雜性的橋梁項目來說，綜合應用以獲得橋梁的使用狀態。基于此，對于此次橋梁監測來說，組織專業技術人員做好日常巡查和定期檢查，并結合實際情況建設一套完整的橋梁健康監測系統，快速掌握受力條件，并采取科學合理的管養措施，提高橋梁的運行性能，促進提高交通水平[2]。

2 健康監測系統的建設方案

2.1 建設目標

在橋梁健康監測工作的實施中，建設系統首要的工作就是進行系統創建，進行該橋梁項目的荷載以及結構響應方面的獲取，實現實時監控，為橋梁在極端氣候、特殊交通狀態以及運行條件下及時發出預警信息，為橋梁的維護、維修、管理提供決策性作用，使得管養人員獲得橋梁的各項信息，并提高管養水平，工作更加具有針對性。在該橋梁項目建設橋梁健康監測系統，要達到以下目標：一是及時掌握橋梁各個結構在交通通行狀態下的運行情況，動態化檢測其安全性和實用性。二是對于突發情況來說，要及時做出識別和反應，并快速檢查橋梁的通行狀態，合理地做出評估、預警。三是對于外部荷載，尤其是車輛荷載進行監測，快速掌握損傷的情況，為橋梁的管養和維修提供準確的信息和數據。

2.2 系統的組成

為了能夠達到上述的目標，該橋梁項目建設的健康監測系統包含下述幾個子系統：

其一，結構位移與受力監測子系統。該橋梁項目在結構位移與受力檢測的過程中，可以快速掌握位移變化的情況。由于該橋梁項目為中承式系桿拱橋，經過對結構特點展開分析，發現其荷載傳輸如下：車輛荷載作用在橋面板上，橋面荷載把力傳輸到縱、橫框架結構體系，并通過吊桿傳輸到主拱肋的結構上，然后從支座傳輸到下部結構上。因此，結構位移以及受力監測，主要是針對拱肋、吊桿、主梁、橋面板等結構進行，監測的對象是應變、變形、索力等方面，目前廣泛應用的是全站儀、靜力水準儀、應變傳感器等設施，以掌握數據信息。

其二，環境與交通監測子系統。由于該橋梁項目位于我國的長江流域，夏季環境溫度很高，并且降雨量大，空氣濕度高，所以對于鋼結構的耐久性會產生很大的影響，造成嚴重的侵蝕作用。還因為此次橋梁項目所在地區比較空曠、地勢平坦，特別是秋季臺風影響比較嚴重，受到較大風力作用，加強監測控制，以掌握相關的數據信息。此外，該橋梁項目的交通通行量比較大，還有很多的重載車輛，必須全天候進行車輛信息的監測，掌握交通量數據信息，并做好超載車輛的牌照以及車輛狀態的影像記錄。因此，對橋梁進行環境與交通監測的目標是掌握荷載、交通量、環境等方面的信息，目前主要應用的設備是溫度傳感器、稱重儀、攝像機等，以掌握設備的運行狀態[3]。

其三，數據傳輸子系統。該系統的作用是進行數據傳輸和使用，包含遠距離傳輸，以快速獲取相關的數據信息。因為該監測系統中通過設備快速獲取大量的光信號與數字信息，再利用光纖設備通過應用雙環冗余網絡交換機與多芯鎧裝電纜形成的環路系統，提高系統監測能力和水平，達到系統通信的穩定性與可靠性。將現場監測后獲取的數據信息傳輸到數據中心，利用無線網絡方式傳輸，達到遠程控制的效果。

其四，健康狀況評估與安全預警子系統。該系統的作用是將監測中心獲取的各項數據信息進行存儲、分析、處理以及評估和預警，這是整個監測系統的核心部位。根據系統中的定位功能，將各個子系統實現數據的分析、狀態評估以及安全預警。數據處理分析的過程中，可以在前處理與后處理方面應用。前處理的系統是將各項獲取的數據展開離線分析，并且快速評估橋梁工程結構的運行狀態，并且及時做出安全性的評估，對于損壞嚴重的情況發出預警信息，還可以對橋梁運行狀態實現縱向對比，了解不同階段的工作情況，并配合人工巡視檢查的方式，及時掌握橋梁的應力、變形、索力等方面的情況，做出詳細分析和研究，評價橋梁受力條件，為后續的管養工作提供基礎。而對于預警的模塊來說，主要是通過緊急情況下的報警處理，分析該參數、閾值、分級、通知方式等做出處理，根據預先設定的應急處理措施進行分析，提高管養工作的總體質量[4]。

3 健康監測系統應用案例

該橋梁項目建設的橋梁健康監測運營時間達到8年，發現整個橋梁的工作狀態較好，且現場各種傳感器基本功能完善，各項工作依然可以穩定地運行，監測數據比較穩定，工作也比較連續，對于管養人員掌握橋梁的運行狀態有著極為重要的作用，也為科學性管養工作的開展奠定了基礎[5]。本文選擇2022年1月監測數據展開分析，掌握橋梁的交通通行量與荷載參數，并利用傳感器獲取的數據進行分析，掌握超重荷載對橋梁通行情況的影響。

3.1 橋面交通情況

通過對環境與交通監測子系統獲取的數據信息，分析出該橋梁在1月的通行車輛有34.17 萬輛，最大日通行量為1.48 萬輛，在中途未出現交通擁堵以及短暫停留的情況，通行比較順暢，具體數據可見圖1。

圖1 1月每日通行車輛統計圖

3.2 橋梁超載情況

該橋梁項目中設計荷載為城-A 級，限載40t。經過對1月數據統計發現，超出規定荷載的車輛有560輛，最大為74.14t，單日最高76 輛，具體可見圖2。

圖2 1月超載車輛統計圖

3.3 超載對橋梁結構的影響性分析

根據監測系統獲取的主拱肋頂底面應變、變形以及11#吊桿索力展開監測分析，可以繪制出變形曲線，見圖3、圖4、圖5。

圖3 主拱肋拱頂下緣應變曲線圖

圖4 主拱肋拱頂位移曲線圖

圖5 11#吊桿索力曲線圖

經過對幾個圖的分析可以確定，各個監測項目的曲線變動規律是比較相似的，并且1月每日最大車輛重載的變化規律是非常相似的，峰值出現在1月1日，所以就可以判定出該橋梁項目在運行時的最大應變、變形、索力最大監測參數值和車輛的超載情況存在著直接的關系。因為監測得到的數據并未達到預警參數值，所以超載車輛通行之后，橋梁各個受力條件就達到正常的狀態，說明在1月的超載狀況并未對橋梁產生過大的影響，橋梁還是處于安全運行的狀態。但是，如果長期處在超載運行的狀態，必然會產生嚴重的傷害和影響，所以對于該橋梁進行超載管理是重點工作。未來要長期進行監控管理，路政、交警等部門應積極聯合，將相關監測數據信息及時發送給相關管理部門，懲罰相關的車輛駕駛人和權利人，達到治超治限的效果，保障橋梁運行的安全性。

4 結論

第一，橋梁健康監測系統的主要優勢就是進行實時、全天候監測，達到動態化監測的效果，并且數據精度比較高。經過對橋梁的響應、環境、荷載等方面情況的監測，動態化掌握橋梁的工作情況，并合理地發出預警信息，及時防范和消除各種橋梁的安全隱患，對提高橋梁通行質量和安全性產生積極的作用。

第二，充分利用橋梁健康監測系統掌握橋梁的工作狀態，雖然有著明顯的優勢，但是也有一定的問題，比如健康監測無法全面了解橋梁各個結構部件的運行情況，所以不能覆蓋全部橋梁的結構，還要組織專業技術人員進行日常的巡視和檢查，使得兩種手段綜合應用，發揮出應有的作用，以更好地提高橋梁運營的安全性水平。

第三，BIM 技術作為工程領域的新技術，全面應用到我國的橋梁領域內，有些項目規定必須使用BIM技術進行，并將該技術與橋梁健康監測系統聯合使用，快速掌握橋梁的運行狀態，給橋梁的管養服務提供標準和基礎，這也是未來重要的應用方向之一。