橋梁信息化監測在公路橋梁養護中的應用
——以董鋪水庫大橋為例

文｜安徽皖通高速公路股份有限公司合肥管理處 程浩；安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司 汪開喜

引言

近年來中國橋梁的設計和施工水平正以驚人的速度和規模快步由橋梁大國邁向橋梁強國，但是由于前期各種技術及認知程度的局限性，以及設計、施工和材料的先天缺陷、超載運輸及結構安全監管不足等耦發因素的綜合作用下，加之現代化、信息化橋梁監管養護技術手段和養護資金的不足，橋梁安全事故時有發生，加強橋梁的科學管理與智慧養護已成為一個突出的問題，如何提高對橋梁的管理和養護水平，真正落實“建養并重、強化管理”的方針，成了當務之急。

1.工程概況

董鋪水庫大橋于2008年建成通車，是合淮阜高速公路上的一座大型橋梁，主橋上部結構為（60+100+60）m三跨PC變截面預應力混凝土連續箱梁，引橋上部結構為30m的裝配式預應力混凝土連續箱梁，設計荷載為公路Ⅰ級，設計車速120km/h，橋面全寬34.5m。

該橋建成后，每年有不同病害產生，尤其是主橋有不同程度的下撓，2014年橋梁專項檢查報告指出，橋梁線型平順性較差，其中左幅主跨跨中處與設計值相差最大為17.4cm，右幅主跨跨中處與設計值相差最大為17.6cm。2015年對該橋進行了維修加固處置，主要措施有：

（1）主橋箱梁增設體外預應力鋼束；

（2）箱梁裂縫封縫灌封修復；

（3）箱梁腹板、頂板、底板及中橫梁粘貼鋼板補強。

橋梁維修加固完成后，有效阻止了主梁下撓速度，同時減緩了裂縫的發展。但是主梁跨中下撓問題難以根除，因此對該橋進行健康監測系統建設十分必要且緊迫。

2.橋梁健康監測系統設計

2.1 系統框架

橋梁結構健康監測系統是一個系統工程，其主要任務是獲取收集橋梁所在的環境荷載、橋梁各類部件結構應力、應變及位移變化和局部構件損傷或病害等信息，在對采集到的監測信息數據根據各種影響因素進行綜合分析和判別評估的基礎上得到橋面行車信息和結構安全狀態等信息，為大橋安全運營提供技術支持。 系統包括以下子系統：

（1）傳感器子系統

通過布設在橋梁上的傳感器將各類監測信號轉換為電（光）信號。

（2）數據采集與傳輸子系統

將監測信號轉換為可讀取識別的數字信號并完成在線遠程數據傳輸。

（3）數據處理與管理子系統

數據處理版塊對采集到的橋梁相關數據按照一定的規則進行換算、判別、過濾、統計等處理，將處理過的數字信號轉變成相應的物理量和特征值；數據管理版塊將最終的實時狀態數據和特征值數據存儲到相應的數據庫或數據文件中，以便在后期管養工作時在系統中查詢分析和調用。

（4）軟件子系統

軟件子系統將獲取到的橋梁信息，通過數字、曲線、圖形圖像等方式實時顯示監測數據，展示橋梁狀態，根據設定的預警值進行結構安全預警，并可以進行歷史數據的查詢，自動生成數據統計報表。

2.2 檢測內容與方法

梁橋結構健康監測系統監測內容共分為“環境、作用、結構響應、結構變化”4大監測類別。

2.2.1 環境監測

環境監測項主要包括環境溫度和環境濕度，該橋健康監測系統中，橋梁新增主梁內溫度、濕度監測。

2.2.2 作用監測

作用監測項主要包括車輛荷載、結構溫度等。車輛荷載是橋梁運營期間的主要荷載，通過監測橋上所有車道的車重、軸重、車流量、空間分布等數據，可以獲得車輛荷載信息，為橋梁評估提供荷載數據。結構溫度監測項主要包括混凝土溫度等，通過溫度監測數據，可以為溫度修正和溫度梯度的獲取提供依據。

2.2.3 結構響應監測

梁橋響應監測項主要包括位移、應變、振動等。位移監測項主要包括主梁撓度、支座位移、梁端縱向位移等，通過位移監測數據，可以評估橋梁整體穩定性；應變監測主要包括主梁關鍵截面等，通過應變監測數據可以確定主梁的應力狀態；振動監測主要包括主梁豎向振動加速度、主梁橫向振動加速度，通過振動監測數據可以判斷橋梁是否發生過大的振動，識別橋梁結構頻率、振型、阻尼比等動力特性，判斷是否發生渦振等。

表1 環境監測測點布設

表2 作用監測測點布設

2.2.4 結構變化監測

結構變化監測主要包括基礎沖刷、橋墩沉降、裂縫、預應力等，根據該橋實際情況和特點，主要監測裂縫變化。構件裂縫監測測點布設宜依據檢測評估結果確定其位置和數量，宜對裂縫寬度的發展變化趨勢進行跟蹤觀測，根據橋梁定期檢查報告，左右幅各增設5個裂縫監測點。

2.3 數據采集與傳輸

橋梁結構安全監測數據采集與傳輸模塊是整個自動化結構監測子系統的中樞，負責完成對橋梁上各類傳感器獲取的橋梁信息數據的信號調理、模數轉換及信號傳輸，是連接橋梁外場和網絡云端的紐帶，數據采集與傳輸模塊主要由數據采集軟件、采集設備、傳輸設備以及其它附屬設備等構成[1]。

2.3.1 數據采集

數據采集主要設備有動態稱重采集儀、多功能信號采集儀、采集工控機、數據采集站。基于橋梁上各類傳感器和數據采集設備的不同，其所支持的采樣頻率需滿足系統的數據采集特點和要求。系統軟件設計考慮靈活性和可配置性，可以支持通過配置程序修改采樣制式和頻率，實現對橋梁的動態實時監測，對可能發生的突發事件進行實時報警。

2.3.2 數據傳輸

數據傳輸方式應根據橋址環境、監測規模、傳感器及采集設備類型進行選擇，可分為有線傳輸和無線傳輸。數據傳輸應優先考慮有線傳輸方式，當不具備條件或較為困難時，可考慮選用無線傳輸。有線傳輸應選用帶寬高、傳輸距離遠、穩定性高、抗干擾能力強的光纖傳輸，傳輸網絡宜采用基于TCP/IP協議的光纖專網[2]。無線傳輸應選用監測規模、監測需求及具備的網絡條件選擇適宜的無線通信網絡，帶寬、傳輸距離、時延應滿足監測需求。

2.3.3 數據處理

橋梁健康監測系統獲得的大量基礎數據要進行有序存儲，以便在調取時可以快速檢索查詢；日常監測數據的處理對保證所觀測橋梁的安全運營具有重要意義，將在線數據中獲取結構狀態監測信號轉化為養護工作師可以理解的有用信息。

監測系統軟件接收并解析大橋現場發送的各類監測數據，進行數據預處理、二次處理、特征值提取以及數據持久化存儲功能。針對不同的監測項設計對應的處理方法，對數據進行濾波、特征提取、數據解耦、轉換與統計等處理。同時軟件可通過可視化界面遠程進行數據處理參數設置。

數據處理的主要功能包括：

（1）與數據采集設備進行通信，接收采集數據；

（2）對所采集的原始數據進行預處理（包括過濾、提取、數據耦合、轉換）[3]；

（3）將實時數據傳給網絡服務器，由B/S軟件平臺完成數據調用；

（4）將處理過后的時程數據寫入數據庫和文件；

（5）將經過處理的數據以指定格式傳輸至Web服務器。

3.數據采集與分析在養護中的應用

3.1 養護平臺搭建

以滿足橋梁運營養護管理需求為前提，通過GIS+BIM模式，來展示各監測類別、監測內容、測點等實時數據信息，并繪制攝像機外場圖層、各測點圖層實現橋梁監測資源的分布展示，了解橋梁結構信息，為橋梁養護提供科學決策依據。

3.2 橋梁養護管理

系統實時監測橋梁動靜態信息，通過數據處理轉化為養護人員可讀取識別的可用信息，及時了解橋梁運行狀態和結構變化，為進一步做好橋梁養護提供可靠譜依據。

3.2.1 橋梁信息管理

橋梁信息管理模塊用來展示橋梁的基本信息、圖片信息、歷史大事記信息，根據《公路橋涵養護規范》中橋梁卡片的信息要求，完成橋梁所處行政區劃代碼、行政識別數據、橋梁技術指標、橋梁結構信息、橋梁檔案資料等信息的錄入和展示，并且可自動生成橋梁基本狀況卡片。

3.2.2 橋梁監測管理

通過實時數據展示模塊展示系統中各監測項的監測數據，直觀反映橋梁結構狀態變化和實時狀態，養護人員可查看各監測點的具體數值，并結合歷史數據分析，了解橋梁的病害發展，為橋梁養護工作提供第一手數據，更好的采取養護措施，為橋梁的健康安全保駕護航。

3.2.3 橋梁報警管理

橋梁出現的異常狀態實時警示報警基于監測數據和監測數據的分析結果進行。監測報警分為基于直接監測數據的報警和基于監測數據分析結果的報警兩類。基于直接監測數據的報警通過設定監測變量的報警閾值，當實際監測量超過閾值時，進行報警。基于監測數據分析結果的報警，通過監測數據分析，提取與結構健康狀態相關的特征指標，并根據這些特征指標的變化，進行橋梁結構異常狀態報警。

董鋪水庫大橋監測主要對主橋下撓程度進行報警設置，一是監測當年的下撓值與上年的數值進行對比分析，設置每年的下撓報警值；二是分析橋梁從建設時期到現在的下撓情況，設置累計下撓的限值進行報警。

通過采集的下撓數據，進行數據分析對比，數據分析與應用圍繞橋梁安全與耐久，對橋梁運營和結構安全進行報警，并定期進行狀態評估及診斷，根據評估診斷結果，適時制定養護方案，限制橋梁病害和下撓進一步發展，保障橋梁結構運行安全。

4.結語

本文以董鋪水庫大橋健康監測系統建設實例，闡述了橋梁結構健康監測在養護管理中的應用，通過數據分析與評估，有效的監管和掌握運營期橋梁的結構功能狀態和發展趨勢，幫助橋梁運營管理單位制定精準、經濟、合理的養護措施，為橋梁開展科學決策和智慧養護提供依據。

表4 結構變化監測測點布設（裂縫）

圖1 橋梁測點布置圖