六沖河、六廣河特大橋結構健康監測系統建設

廖斌,　羅坤　盧鳳文

（貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081）

摘要 現代橋梁結構設計越來越復雜化，傳統橋梁監測手段難以滿足橋梁實際運營管養的需求，文章設計了六沖河、六廣河特大橋監測布點方案，設計并實現了橋梁結構健康監測系統，通過對現場監測傳感器采集的橋梁荷載及其結構受力等數據進行分析及預測，養護人員可實時掌握橋梁的結構狀態和安全狀況，能對橋梁的安全性能做出評估和預警，輔助管養人員實現主動預防式管養，避免結構進一步劣化，從而實現橋梁數字化、信息化管理。

關鍵詞 六沖河特大橋;六廣河特大橋;健康監測;安全預警

中圖分類號 U446.2 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）06-0007-04

引言

隨著橋梁設計水平、施工技術和材料性能的進步，大跨徑橋梁朝著結構輕柔化、形式與功能復雜化發展[1]，以及車流量的持續增加，橋梁結構的服役性能受到了挑戰，對橋梁建立長期的安全健康監測系統，實時掌握橋梁運營時的荷載情況及結構受力狀態，確保運營安全十分迫切與重要[2]。為提高投入運營中的橋梁養護管理水平，該文設計并實現了六沖河特大橋、六廣河特大橋的橋梁健康監測系統，通過現場布設監測傳感器的采集數據，可及時獲得橋址環境、外部荷載、內部結構響應及交通狀況等信息，掌握橋梁的結構狀態和安全狀況，在橋梁結構出現異常狀況的初級階段發出預警，輔助管養人員實現主動預防式管養，降低橋梁災害性事故發生的概率;通過各類監測傳感器，采集結構、交通的數據和信息，形成橋梁空間和時間維度的信息數據檔案庫，在結構安全監測的基礎上，實現橋梁數字化、信息化管理。

1 橋梁概況

六沖河特大橋位于烏江支流六沖河河道之上，為跨越六沖河而設，是黔織高速上的一座特大型橋[3]。橋跨為（195+438+195）m，全橋長1 508 m，是貴州省目前跨徑最大的混凝土斜拉橋[4]。六廣河特大橋位于修文縣與黔西縣交界處，為跨越六廣河而設，是息黔高速的控制性工程[5]。橋跨為（243+580+243）m，全橋長1 280 m，是貴州省目前跨徑最大的疊合梁斜拉橋[6]。

1.1 橋址環境

兩座橋的橋址均位于亞熱帶溫暖濕潤氣候區，橋址處較為濕潤，大橋在建成后，由于受到腐蝕、老化等因素的影響，橋梁的性能會隨時間而降低，不僅影響通行車輛和人員的安全，也會縮短橋梁的服役時間。因此有必要建立一個橋梁結構健康監測系統，用于實時監測橋梁在營運期間的承載能力、工作狀態和耐久性能。

1.2 結構特點

大橋均為斜拉橋，橋梁結構本身受力十分復雜，主梁、橋塔、斜拉索均為重要的結構受力部件，該文利用監測傳感器對橋梁結構狀態進行監測，基于數據預測和評估模型對橋梁安全性進行評估。

1.3 運營管理

橋梁建成投入運營后其養護管理水平影響其服役能力，利用數字化、信息化手段實現橋梁的精準養護和科學管理，是數字化時代下橋梁運營管理的必然趨勢。通過合理布設橋梁狀態監測傳感器采集橋梁相關數據，建立橋梁的健康監測系統，給管理者提供橋梁維護管理的重點，從而提高橋梁養護管理水平。

2 監測方案設計

2.1 監測內容

基于六沖河特大橋主橋和六廣河特大橋的橋址環境、結構特點及其運營管理需求，開展橋梁健康監測，以及健康狀況分析評估工作。在對若干同類型橋梁典型病害分析及總結的基礎上，遵循功能要求和效益—成本分析兩大準則，確定了兩座大橋的主要監測內容如下：

（1）荷載源監測項：風荷載（包括：風速、風向）監測;溫濕度（包括：空氣溫濕度、結構溫度場）監測;交通荷載監測。

（2）結構靜動力響應：結構靜力特性監測項（包括：關鍵代表性構件受力、控制點的空間變位狀況）;結構動力特性監測項（包括主梁固有動力特性監測與分析）。

2.2 測點布置

結合橋梁的結構特點，考慮到橋梁健康監測系統的可擴展性和監測數據的實效性，基于科學、合理、經濟的傳感器布設原則，確定了監測傳感器的布置方案。六沖河、六廣河特大橋的監測項目如表1。

3 橋梁結構健康監測系統設計

3.1 系統總體設計方案

3.1.1 系統架構設計

根據系統的業務功能，在邏輯上將系統的層次劃分清楚，形成系統邏輯架構。邏輯架構分為六層，分別為基礎設施層、數據資源層、軟件平臺層、技術支撐層、業務應用層、終端展示層。層次劃分遵守兩個主線：系統建設標準規范體系和系統工程安全保障體系。

3.1.2 系統數據流

橋梁結構健康監測系統實時監測數據設計有清晰的數據流向和邏輯。每種數據均采用線性的數據流結構。監測用的溫度傳感器、加速度計、應變計等各種傳感器的數據均匯聚到數據采集與傳輸服務器，再進入后續的處理、控制、數據庫等模塊，電子化人工巡檢的數據通過巡檢終端直接輸出到數據庫服務器。

3.1.3 系統基本組成

橋梁結構健康監測系統將橋梁運營安全監測和結構安全評估等功能集中于同一平臺進行管理，服務于運營期內六沖河特大橋和六廣河特大橋的養護管理等決策的制定，以保證運營期內橋梁較好的服務水平。功能內容如下：

（1）安全監測。開展運營環境監測及橋梁響應監測，并依據監測數據進行橋梁安全預警，輔助橋梁管養單位進行科學決策，保證橋梁結構與行車雙重安全。安全監測系統是通過監測傳感器獲取的橋梁荷載以及結構的響應、局部損傷等數據，對其結構狀態進行監控，及時掌控橋梁受力情況及行車荷載情況，為橋梁結構安全運營提供數據支持。

（2）安全評估。橋梁投入運營后，結合該橋梁安全監測與資產檢查結果，定期開展橋梁承載力、結構病害、缺陷隱患等關鍵指標及橋梁總體技術狀況的綜合評估工作。橋梁綜合評估主要分為：安全一級評估、安全二級評估和專項評估。基于安全評估結果，可輔助橋梁管養人員進行橋梁精益化養護。

3.2 子系統功能設計

基于對現有橋梁結構健康監測系統平臺功能的調研，結合六沖河、六廣河特大橋的結構特點及運營需求，該文詳細設計了傳感器子系統、數據采集與傳輸子系統、數據處理與控制子系統、中心數據庫子系統以及結構安全預警子系統五大子系統功能。

3.2.1 傳感器子系統

傳感器子系統用于獲取監測信號，處于監測系統的最前端。監測內容包括：車輛荷載信息監測、風荷載監測、橋面鋪裝溫度監測、索塔錨固區溫濕度監測、主梁動力監測、主梁撓度監測、支座位移監測、主梁關鍵截面應變監測以及斜拉索索力監測。共布設測點280個，各類傳感器數量如表2所示。

3.2.2 數據采集與傳輸子系統

數據采集與傳輸子系統主要負責現場監測傳感器的數字信號處理及網絡傳輸。基于上文對六沖河、六廣河特大橋監測內容及傳感器的測點布設方案，將數據采集方式歸為動態信號數據采集、數字/模擬信號數據采集、振弦信號采集、頻監控信號采集四類，各類監測傳感器數據采集方案如表3所示。

3.2.3 數據處理與控制子系統

數據處理及控制子系統用于完成實時監測數據的接收、處理、分析、整合與存儲，在數據采集服務器與其他服務器之間起到橋梁作用，實現對現場設備的管理與控制，分擔其他服務器的數據處理壓力。數據處理及控制模塊的主要功能為：

（1）與現場數據采集服務器進行通信，對所有傳感器信號數據進行收集、整理。

（2）通過調用數據處理算法倉庫，對所采集的數據進行提取、濾波、挖掘、耦合、轉換等預處理。

（3）針對不同監測項開發相應的算法，進行實時處理分析，使輸出的數據均為結構參數。

（4）數據加工、歸檔和存儲功能，實時解算各通道的特征值，將現場監測數據與提取的特征數據寫入數據庫。

（5）數據檢索和傳輸功能，將經過處理和分析的數據根據系統界面配置發送到結構安全預警評估系統進行展示。

（6）將經過處理的實時數據通過預先結構計算值進行預警判斷，并將預警結果傳輸至信息展示界面。

（7）離線處理功能，定制離線處理計劃，手動調用進行數據文件的處理功能。

3.2.4 中心數據庫子系統

中心數據庫子系統用于橋梁設計數據、現場監測數據、地理信息數據、歷史數據等系統相關數據的安全存儲，實現海量數據查詢、可快速視圖生成、歸檔、存儲等相關功能，同時，為保證系統穩定運行要求能長期不間斷的穩定工作。

經過方案比選分析，該系統選定Microsoft SQL SERVER數據庫和InfluxDB數據庫作為后臺數據服務基礎。其中InfluxDB作為實時監測數據存儲平臺，Microsoft SQL SERVER作為業務數據存儲平臺。

3.2.5 結構安全預警子系統

結構安全預警子系統是監測系統的核心內容之一，對橋梁運營安全的相關指標（如橋梁荷載、結構及其相應指標）進行預警預報，服務于橋梁應急管理，輔助決策的制定。通過對橋梁代表性關鍵構件及關鍵參數變化的監測，提供橋梁結構在線預警信息，輔助管養人員及時且有針對性地對橋梁運營環境及結構構件安全狀況進行維修養護，以保障結構安全運行。主要包括：

（1）對監測數據進行統計分析。

（2）建立風、結構位移、結構變形等關鍵參數的預警指標，能對預警信息進行分級分類，并能根據長期監測數據的積累，對預警指標閾值進行修正。

（3）能夠定期進行結構靜力特性、動力特性和變形分析，定期提交數據分析報告。

（4）突發事件時進行專項評估分析，并提交專項數據分析報告。

4 橋梁結構健康監測系統設計實現

4.1 基于BIM的Web網站

門戶網站采用基于B/S模式的3D Web技術，用戶通過瀏覽器可查詢訪問橋梁基礎信息、安全預警信息、傳感器實時監測數據和歷史記錄等，系統主界面如圖1所示。

4.2 橋梁監測數據展示及分析

該系統平臺提供了強大的數據展示能力，包括：查看橋梁監測傳感器實時數據和歷史數據;基于預警預報模型進行異常現象報警;橋梁監測報告生成及查看;基于BIM建模的橋梁三維模型實時顯示及各類數據的分級分類統計，橋梁監測數據分析子頁面如圖2所示。

4.3 橋梁監測安全預警

可根據監測數據進行在線預警，基于橋梁的風、結構位移、結構變形等監測參數的兩級預警指標，結合監測傳感器實時傳輸的數據，能夠對監測結果進行在線實時預警，其中Ⅰ級預警信息顯示為黃色，Ⅱ級預警信息顯示為紅色。

4.4 自動生成監測報告

利用所有的監測數據，系統會定期生成結構監測報告。該報告的建立是橋梁數字化、信息化“檔案”的一部分，也是追蹤結構內力狀態演變過程。推測其預期發展趨勢的基本依據，同時也能為同類型橋梁的進一步研究提供有力的數據支持。

4.5 監測信息可視化展示

結合橋梁BIM模型，將橋梁狀態進行三維可視化展示，通過交互式操作實現運營橋梁的動畫、漫游、全景展示，為橋梁運營階段的養護管理以及統籌決策提供直觀、可靠科學的依據，監測信息可視化展示子頁面如圖3所示。

5 結語

六沖河特大橋、六廣河特大橋所處的地理環境因素復雜，橋梁自身結構特殊，風險較高，建立健康監測系統非常有必要。該文基于六沖河特大橋主橋和六廣河特大橋的橋址環境、結構特點及其運營管理需求，有針對性地選擇全橋受力較薄弱的部分，“少而精”地選擇監測點，設計監測方案，建立了橋梁結構健康監測系統，通過對采集的監測數據進行分析預測，準確地對大橋全橋狀況作出評估，對其安全性能作出預警，輔助管養人員實現主動預防式管養。

參考文獻

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[3]鄭興貴， 楊鴻波， 王達磊. 貴州黔織公路六沖河特大橋抗風性能研究[J]. 公路， 2014（7）： 178-181.

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[5]韓洋. 六廣河特大橋主橋預制橋面板施工方案[J]. 黑龍江交通科技， 2019（10）： 103-104.

[6]李釗. 六廣河特大橋邊跨頂推施工技術[J]. 世界橋梁， 2017（5）： 11-16.

收稿日期：2022-01-12

作者簡介：廖斌（1989—），男，本科，中級工程師，研究方向：智慧交通。