山區長大橋結構監測系統設計及應用研究

李超群，李文華，甄一帆

(1.北京城建設計發展集團股份有限公司 北京市 100032; 2.北京源清慧虹信息科技公司 北京市 100000)

0 引言

自20世紀80年代起，我國已持續進行了大規模的交通基礎設施建設，完成了數萬億的投資，截止2020年末我國公路橋梁已達91.28萬座，其中特大橋梁6444座。雖然我國橋梁工程實踐已取得了輝煌的成就，但是橋梁設計、管理水平和安全評定方法等相關基礎理論的研究與世界發達國家相比還存在一定的差距，跨越式發展也暴露出了諸多問題[1]。有專家認為，在發達國家交通基礎設施建設高峰30～50年后出現的養護維修高峰可能在我國會提前到來，與傳統的人工檢測技術相比，橋梁安全與健康監測技術大大縮短了對突發性損傷的發現速度，遇到較大損傷或異常事件發生時可提前預警，因此，對橋梁布設監測系統具有重要意義[2-4]。其中山區橋梁的受害風險遠大于平原區橋梁，特別是破壞性強、應對措施乏力的崩塌、滑坡、泥石流等次生地質災害所造成的橋梁破壞。依托現有橋梁監測項目經驗，構建適用于山區長大橋的結構監測系統，并通過對某山區長大橋結構監測、數值模擬和荷載試驗數據的對比分析探索山區長大橋結構監測系統的可行性。

1 國內外橋梁結構監測系統發展現狀

上世紀80年代后期，國外明確提出了橋梁結構監測的新思路和概念，當前國外大量大型橋梁(大跨100m以上)建立了結構健康大數據分析系統，其中較具代表性的橋梁有：丹麥的Great Belt大橋、加拿大的聯邦大橋、美國的Commodore Barry大橋、日本的明石海峽大橋、韓國的首爾大橋等[5-8]。我國自上個世紀九十年代起對一些大型重要橋梁建立了不同規模的結構監測系統，據2020年底不完全統計，我國已構建橋梁健康監測系統的橋梁超過460座，主要應用于特大跨徑橋梁，其中主跨在300m以上的橋梁近150座，在橋梁服役結構安全評估和助力科學養管等方面發揮著重要作用。但由于各地經濟發展不平衡，珠江三角洲、長江三角洲地區等經濟發達地區，以及武漢、重慶、南京等城市的大跨度橋梁和特殊橋梁較為普遍地安裝了監測系統；西北、東北經濟較不發達地區橋梁構建結構監測系統比例較低；西南地區隨著近些年高速路網快速發展，多數大跨徑橋梁均已構建監測系統[9]。

2021年3月1日，交通運輸部辦公廳印發《公路長大橋梁結構健康監測系統建設實施方案》要求按照“安全第一、預防為主、明確責任、分級管理、突出重點、分步實施、單橋監測、聯網運營”的原則，對跨江跨海跨峽谷等長大橋梁結構健康開展實時監測，動態掌握長大橋梁結構運行狀況，著力防范化解公路長大橋梁運行重大安全風險，進一步提升公路橋梁結構監測和安全保障能力。該實施方案要求對長大橋梁養護管理從制度上、技術上和模式上進行探索和創新，并給出了401座長大橋監測清單，經統計位于云貴川等山區長大橋的監測數量位居前列，如表2所示。

表2 401座長大橋清單各省橋梁統計表

2 山區長大橋結構監測系統設計

山區長大橋結構監測系統作為一個信息化系統工程，需要綜合考慮山區橋梁所處環境、所受作用及結構構造特點、力學行為特性、狀態評估需求和管養養護要求等因素，并結合《公路橋梁結構安全監測系統技術規程》(JTT 1037—2016)、《公路長大橋梁結構健康監測系統試點建設技術指南》和《公路長大橋梁結構健康監測系統建設實施方案》等政策規范要求，在橋梁關鍵部位部署數據采集設備，獲取環境和結構響應等信息，并利用先進的數據傳輸、存儲、處理、評估和可視化等技術，立體直觀展示山區橋梁運營狀態，及時有效對結構異常狀況進行報警提示，為橋梁結構運營安全、安全隱患的預判、日常橋梁的養護管理和計劃制定提供科學依據和支撐[10-11]。

為實現山區長大橋實時自動化監測，監測系統分為數據采集層、數據傳輸層、數據服務層、業務應用層：

(1)數據采集層

數據采集層采集模塊支持環境荷載、結構整體響應和局部響應各指標監測需求；算法模塊支持設備內嵌適用不同指標智能算法；業務模塊支持遠程觸發采樣和遠程系統功能及算法升級；通信模塊支持NB、Lora、RS485、B-Stack傳及4G/5G傳感設備；供電模塊支持適用于不同監測場景的電池供電、外部電源供電和可充電電池供電等。

(2)數據傳輸層

數據傳輸層介于數據采集層和數據服務層之間，結合數據采集模塊設備類型、數據采樣頻率、傳輸方式、后期運維便捷性、成本控制等要求支持無線(4G/5G/NB)、有線(以太網/光纖)傳輸方式，完成采集數據傳輸到遠端數據庫。

(3)數據服務

數據服務層為數據核心層，完成監測數據的處理與管理。包含存儲、接入、轉發，數據的清洗、預處理、特征計算、預警、評估分析。

(4)業務應用層

業務應用層實現數據的展示與應用服務，包括數據分析、實時報警/預警、資產信息管理、安全評估、智能報告報表、BIM&GIS可視化展示。

2.1 數據傳輸設計

數據通信鏈路的可靠性是保證監測系統良好工作非常重要的一部分，為有效保障數據的高可靠性，實現靜態、動態或靜動結合的數據采樣，同時大大降低了橋梁監測的施工和后期維護的成本，山區長大橋梁數據的主要傳輸方式可采用無線或光纖環網或者是無線+光纖環網的方式，系統數據采集和傳輸的拓撲圖如圖1所示。

圖1 數據采集與傳輸架構拓撲圖

2.2 預警機制設計

系統預警機制設計以監測獲取的橋梁結構特征為基礎，包含環境激勵指標(地震、洪水等)、自身特性指標(變形、受力等)、結構響應指標(頻率、振型、阻尼等)，結合橋梁基本設計、數值模擬、橋梁檢測評定以及其他系統和設備的數據形成預警指標的數據源，根據需要對原始監測數據或預處理后的監測數據進行不同等級報警設置。為降低或排除冗余報警，系統增設報警驗證機制，當異常疑似報警發生時，先通過觸發聯動采樣方式獲取更多實時分析數據，再通過多傳感器、多參數的方式進行相互驗證，特殊情況下可結合人工干預的方式提高預警的準確性，報警機制流程如圖2所示。

圖2 報警機制流程示意圖

2.3 綜合評估方法設計

長大橋主要的評估方法有常規綜合評估法、模糊綜合評估法、灰色關聯度評估法、模糊神經網絡法、特爾斐專家評估法、層次分析法、可靠度方法等，目前大型橋梁結構狀態的綜合評估主要運用層次分析法[12-13]，該方法首先是根據監測橋梁橋型、監測指標將影響橋梁狀態的因素層次化，構建評估層次模型，再結合部件及監測的重要程度，建立評估矩陣并利用層次分析法計算各層次權重，監測期間權重分配可結合現場巡定檢的病害情況靈活調控，然后通過監測數據確定底層各指標的狀態，并采用變權綜合法自下而上逐級計算中間各層指標的得分，最終算出總體結構使用功能評分，以此判斷橋梁的實際運行狀態。

3 山區長大橋結構監測數據分析及評估

某橋主橋為預應力混凝土單塔雙索面斜拉橋，主梁標準段采用預應力鋼筋混凝土，為單箱三室流線形箱梁，密索區箱內澆注卵石混凝土作平衡配重，梁寬29.50m，軸線處梁高3.00m，主橋索塔為墩塔梁固結體系，索塔為“H”形，主梁以上設置兩根橫系梁，塔上設了176根斜拉索，靠近西側42號箱室至24號箱室索間距為3m，其余斜拉索間距均為6m。

圖3 某長大橋立面和平面布置圖(單位：cm)

橋梁結構空間位置的變化與結構內力變化是一個統一體，在特殊荷載作用下，結構的變位響應與荷載的對應關系也是判斷結構狀態的主要依據，為此某橋根據所處環境、所受作用及結構構造特點、力學行為特性、狀態評估需求和管養養護需求，結合《公路橋梁結構安全監測系統技術規程》(JTT 1037—2016)要求和圖4有限元計算分析結果在主梁等間隔部署了26個主梁豎向位移監測節點。

圖4 某長大橋有限元計算模型和汽-超-20荷載標準下位移變形

為了進行人工檢測和智能傳感設備監測的測量效果對比，根據《公路橋梁荷載試驗規程》(JTG/T J21-01—2015)的規定，按某橋梁結構的最不利受力原則和代表性原則確定了如表3所示的7個靜力荷載工況，選取其中兩個關鍵工況2和工況4的監測數據、有限元影響線及荷載試驗數據進行分析，如圖5～圖7和表4所示。

表3 某長大橋靜力荷載試驗各工況加載時間表

根據工況2和工況4的監測數據、有限元影響線及荷載試驗數據對比可得：

(1)靜力荷載試驗工況下，監測獲取的梁體撓度變化曲線與對應工況下模型模擬影響線及荷載試驗撓度變形曲線一致。

(2)左右主梁最大撓度加載工況下，監測獲取的撓度最大值與荷載試驗撓度測試結果的最大值存在10%以內的誤差，產生誤差的主要原因是監測與荷載試驗設備等間隔部署位置存在差異，一定程度影響對比效果。

圖5 某長大橋工況2和工況4主梁最大撓度影響線

圖6 工況2某長大橋撓度監測數據曲線圖

圖7 工況4某長大橋撓度監測數據曲線圖

表4 某長大橋各工況滿載作用下主梁各截面荷載試驗撓度測試結果

4 結論

(1)山區長大橋監測部署需要考慮地震、洪水、滑坡、泥石流等災害對結構安全運營的影響，增加地震動、橋墩傾斜、基礎不均勻沉降及環境溫濕度、風速風向、雨量等類似的橋梁監測指標，在橋梁遭受突發事件后，可通過強風、索異常振動、地震、重車和洪水等專項分析，輔助橋梁管理部門實時掌握橋梁在經歷這些事件后的安全狀態。

(2)根據山區長大橋橋梁地理環境特點、橋梁類型、靜動態采樣、成本預算、實施難度、后期運維便捷性等因素綜合考慮，選取無線或無線+光纖環網的監測方案進行數據采集和傳輸，采用此種監測方式相比傳統的有線監測部署可以減少工程投資、節省工期和后期的運維費用。

(3)通過實際橋梁監測數據與荷載試驗、有限元模擬對比分析可得：監測數據與荷載試驗及模型分析結果基本保持一致，且監測數據更能清晰呈現整個荷載試驗加載及卸載過程結構的受力變形，長期實時監測數據能更有效分析結構安全狀況，在異常問題出現時可以做到及時響應，快速判斷并給出處置措施，可有效地輔助橋梁日常管養工作，對災害突發的山區橋梁其安全價值更加凸顯。