初識橋梁“健康手環”

文 中國公路勘察設計協會土木結構健康監測專委會 李娜

近年來，世界范圍內的公路橋梁重大事故、險情時有發生，2018年在國際社會引起巨大反響的意大利莫蘭迪公路橋垮塌事故，造成43人遇難，13人重傷；2022年1月，美國賓夕法尼亞州匹茲堡發生公路橋梁坍塌事故，造成10人受傷……我國地域遼闊，自然災害頻發，公路橋梁具有量大面廣、形式多樣、構造復雜等特點，隨著投入運營服役年限的增長，以及受自然環境、車輛通行等各種因素的長期作用，橋梁構件材料的使用性能會不可避免地發生退化、衰減，其安全耐久性和承載能力也會隨著投入運營時間的推移持續降低、劣化。為此，交通運輸部一直對公路橋梁安全耐久性能高度關注。

橋梁檢測 陳軍 攝

《2021年交通運輸行業發展統計公報》顯示，截至2020年底，我國公路橋梁共計已達91.28萬座，其中大橋約11.99萬座，特大橋梁6444座，數量居世界第一。面對已建成的數量龐大的公路橋梁，特別是日趨增多的新型結構橋梁，我國在推動公路高質量發展、加快建設交通強國的新征途中，如何進一步提升公路橋梁基礎設施的安全耐久水平？如何有效增強公路橋梁災害風險防控和安全應急保障能力？如何提升公路橋梁養護效能，為路網暢通運行提供基礎支撐？開展橋梁結構健康監測系統建設好比為公路橋梁戴上了“健康手環”，是“見之于未萌、治之于未亂”的重要舉措，推動公路橋梁從“以治病為中心”的定期“體檢”向“以健康為中心”的實時監測轉變，真正實現橋梁全壽命周期管理。

鏈接

公路長大橋梁結構健康監測系統建設試點一覽

1.九江長江大橋（江西）

九江長江大橋

2.江陰長江公路大橋（江蘇）

3.銅陵長江公路大橋（安徽）

4.太平湖特大橋（安徽）

5.壩陵河大橋（貴州）

壩陵河大橋 陳恩光 攝

6.大渡河特大橋（四川）

7.嘉紹跨海大橋（浙江）

8.遼河大橋（遼寧）

9.江順大橋（廣東）

10.宜昌長江公路大橋（湖北）

11.滹沱河特大橋（河北）

基本概念

橋梁結構健康監測系統是應用現代傳感技術、系統集成與通訊技術、數據處理分析技術，結合風險管理理論，通過監測橋梁所受荷載作用與環境變化、結構響應信息，在綜合分析監測及檢測數據的基礎上，評估橋梁結構的工作性能和安全狀態。因其能為橋梁運營管理決策和養護維修提供依據，自問世以來，備受國內管養單位的青睞。在過去的20年間，我國幾百座大跨徑橋梁陸續建成結構健康監測系統。但受限于多種因素，不少橋梁的監測系統運營狀況不甚理想，有的故障頻出，難以正常地履行監測職責；還有些系統“看起來很美”，但事實上已被閑置，淪為擺設。鑒于此，2020年，應急管理部、交通運輸部針對公路大跨徑橋梁的安全狀況、健康監測情況及養護現狀分別組織了全國性調研并明確提出，為提升公路橋梁安全耐久性，需要研發、應用監測和管養新技術、新系統。

橋梁結構健康監測系統一方面類似于“神經系統”，可對橋梁健康和損傷情況進行感知；另一方面也類似于“心電圖背包”，可對已發現的損傷進行跟蹤并作出評估。評估重點在于：營運狀態的評估（包括橋梁構件、結構的變形、裂縫、振動等），這種評估從早期開始，其結果有助于“治未病”，合理安排預防性養護和養護維修；耐久能力評估，專注于大橋的損傷及其成因等，有助于“治早病”；承載能力評估，包括對大橋使用期整體剩余壽命的評估等，有助于幫大橋“延年益壽”。

建設試點

為進一步提升公路橋梁的安全耐久性水平，有效開展野外觀測公路橋梁長期使用性能的基礎研究，在綜合考慮橋型差異、地域分布、系統新（改）建等因素后，交通運輸部于2021年初確定河北、遼寧、江蘇、浙江、安徽、廣東、江西、湖北、貴州、四川10個省份的11座在役代表性橋梁，作為開展結構健康監測系統建設試點，并由部公路局組織編制《公路長大橋梁結構健康監測系統試點建設技術指南》，按照“一橋一策”“應測盡測”的原則制定試點橋梁監測系統建設具體方案。

11座試點橋梁已于2021年底前全部完成了系統建設并投入使用，其中部分橋梁是對運營多年的原有系統進行升級改造，部分橋梁為首次運用結構健康監測系統。同年底，在圓滿完成試點工作總結成功經驗的基礎上，充分考慮信息化和數字化新技術、新設備對公路橋梁運營維護管理的賦能效果，結合公路橋梁日常養護、應急管理實際需求，交通運輸部科技司和公路局協同委托交通運輸部技術支撐單位組織行業著名專家、學者共同修編完成《公路橋梁結構監測技術規范》(JT/T1037-2022)（以下簡稱《規范》）。《規范》面向部、省、公路橋梁群三級網聯在線監測管理新需求，目標是在“十四五”期間，按照全國公路橋梁統一標準，指導規范公路單橋的結構健康監測系統設計建設、驗收管理工作。

行業要求

2020年至今，交通運輸部相繼印發《關于進一步提升公路橋梁安全耐久水平的意見》《公路長大橋梁結構健康監測系統建設實施方案》《“十四五”公路養護管理綱要》《公路“十四五”發展規劃》《數字交通“十四五”發展規劃》等一系列重要文件，均對公路橋梁的安全運行和結構健康監測系統建設提出明確的工作要求。

按照部公路局統一部署，2022年，全國要按照《規范》統一標準，至少建設完成150座公路橋梁的結構健康監測系統，至2025年底，實現跨江、跨海、跨峽谷公路橋梁結構健康監測系統全面覆蓋，構建“部-省-單橋”三級平臺，對公路橋梁實施全國統一監管。到2035年底，我國公路橋梁結構健康監測系統將全面建立，全國公路橋梁結構監測網聯平臺建設完成，徹底破除行業壁壘，實現系統互聯、數據共享共用，推動公路橋梁運維端全面向信息化、數字化、智能化管養升級轉型。

建設情況

據不完全統計，截至2020年底，我國已構建結構健康監測系統的公路橋梁超過460座，主要集中在長大跨徑橋梁，其中主跨在300米以上的橋梁超過150座。因為不同區域、不同國省道公路橋梁結構健康監測系統的監測標準和監測需求不同，其選定的監測內容、測點布設，選用的感知采集傳輸設備，開發軟件的功能和系統性能等均有所不同，監測規模、系統造價也存在很大差異。近年來，隨著傳感、采集、通訊、存儲等信息技術的快速發展，系統建設成本整體呈下降趨勢。

相對于公路長大橋梁，公路常規橋梁數量巨大、病害更多，但所受關注卻嚴重不足，一邊是其自身安全風險相對較高，另一邊則是運維端管養專業人員數量相對較少，采用工具手段的技術先進性和適用性也有待提升。目前，健康監測技術作為當代橋梁管養依托的重要有效科技手段之一，已延伸至多省份常規中小橋梁的運營安全監管中，并逐步向集群化、平臺化、網絡化的公路橋群監測方向發展。

由于全國各地公路系統對結構健康監測技術的認知不同，區域經濟發展也不平衡，對應養護資金的投入也存在差異。粵港澳大灣區、長三角、長江經濟帶沿線等經濟發達區域的大跨度橋梁和特殊橋梁，較為普遍地安裝了不同規模和標準的監測系統；西南地區隨著近年來高速路網快速發展，部分大跨徑和特殊公路橋梁構建了兼具研究和工程特性的結構監測系統，個別橋梁擁有與施工監控系統一體化設計建設的公路橋梁健康監測系統；西北、東北等經濟欠發達地區的公路橋梁構建結構監測系統的比例較低。

作用意義

提升公路養護管理技術水平的重要手段

近年來，我國公路基礎設施運行安全水平不斷提高，四、五類公路橋梁總體數量持續下降，但隨著運行時間的增加，基礎設施老化等周期性問題逐漸凸顯，運行安全風險逐步增加。對此，黨中央、國務院高度重視，多次作出重要指示、批示，明確指出公路橋梁老化是重大周期性問題。交通運輸部也積極部署并組織專家、學者開展深入調研和反復論證，分析討論國內外結構健康監測技術發展和工程實踐經驗，最終明確，開展結構健康監測系統建設是“見之于未萌、治之于未亂”的重要舉措。

作為當代跨學科多專業新融合技術，結構健康監測技術涉及公路、橋隧等土木工程結構及電子工程、計算機科學、信息技術、軟件工程、網絡工程、數據科學等多專業領域。通過動態掌握公路橋梁結構運行狀況，加快形成主動發現、智能分析、自動預警和響應及時的工作閉環，真正把“公路橋梁建設是發展，橋梁養護管理也是發展，而且是可持續發展”的理念落到實處，并使之成為能夠及時采取預防措施提升公路運行安全耐久水平的重要技術手段，為有效增強公路災害風險防控能力，提升防范“黑天鵝”事件的應急處置保障能力及路網暢通運行能力提供基礎支撐，助力提升公路養護效能，推進公路養護治理模式創新和行業監管效能提升，對公路橋梁實現決策科學化、治理精準化和管理現代化具有重要支撐作用。

促進基礎設施數字化轉型的迫切需要

黨的十九大報告明確將建設交通強國、科技強國、數字中國作為國家發展戰略。2022年1月，國務院發布《“十四五”數字經濟發展規劃》并指出，要加快推進交通運輸等領域基礎設施數字化改造，穩步構建智能高效的融合基礎設施，提升基礎設施網絡化、智能化、服務化、協同化水平。為落實國家發展戰略，交通運輸部于2021年底陸續發布了《數字交通“十四五”發展規劃》和《公路“十四五”發展規劃》，并由部公路局將公路數字化拓展到公路建設、養護、運行、管理、服務的全生命周期和全過程領域。而橋梁結構健康監測系統作為橋梁養護數字化轉型的重要載體，是促進基礎設施數字化轉型的迫切需要，也是公路橋梁養護信息化、數字化、智能化的重要實踐探索。

夯實公路行業基礎研究的重要工具

過去我國公路橋梁基礎研究工作，是在各種規模、條件不同的試驗室中，采用傳統設備裝備，依靠科研人員的工作經驗及模型實驗、典型觀測數據、數值模擬、仿真計算等方式進行的，由于數據分散呈碎片化，造成數據獲取途徑不系統、不健全、不持久，嚴重制約了相關技術研究成果的精確性和適用性。

構建橋梁結構健康監測系統，可在真實、自然的運營環境中，基于公路橋梁足尺結構，貫穿其全壽命周期，按需采集、積累足量、真實、持續、準確的數據，為預防性養護創造數據共享、成果共用的信息基礎條件。產、學、研、用各方可遠程登錄系統，觀測新設備、新技術工程應用的適用性和實用性，創新協同研究，聯合攻克技術瓶頸，研究理論，研發算法，為行業科學研究提供高質量、可持續的全要素、全參數數據支撐，對深化研究我國不同地域、不同構造類型、不同材料建設的公路橋梁長期性能規律性，提升運維端管養科技水平和養護效能，夯實公路橋梁建管養運維“基層、基礎、基本功”具有重要作用。