典型大跨徑橋梁輕量化健康監測技術研究

朱舒婷

摘要： 江蘇省擁有豐富的公路網絡，橋梁作為其重要的交通設施，對其正常運行和安全性的要求非常高。對橋梁進行長期自動化的監測，能夠幫助管養部門更有效地維護和管理橋梁，提高其使用壽命，從而提升安全性和交通效率。目前，橋梁輕量化監測方向屬于空白。以筋混凝土連續箱梁、預應力混凝土連續箱梁、預應力混凝土空心板梁、預應力混凝土組合箱梁、裝配式預應力混凝土連續箱梁等為對象，對橋梁輕量化健康監測需求分析，開展數據采集方案、系統開發方案的研究，實現橋梁狀態全天候的監測，全面提升橋梁的安全管理水平。

關鍵詞： 大跨徑橋梁 輕量化 健康監測 交通設施

中圖分類號： TU753 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）24-0149-03

橋梁結構物作為現代交通運輸體系的重要組成要素，對于國民經濟的持續、穩定發展起著重要作用［1］。在其服役期間，由于使用、維護不當及環境侵蝕等因素的影響，橋梁將會產生各種結構性損傷［2］。隨著橋梁服役時間延長，橋梁結構的可靠性、安全性等指標隨時間而退化，橋梁結構物出現安全事故的可能性將成倍增加［3］。如果橋梁結構性損傷不能被及時發現，就不能進行必要的維修、維護，橋梁結構物的預期使用壽命將降低，甚至發展為結構性破壞進而引發結構物坍塌等嚴重事故。橋梁安全事故帶來的巨大經濟損失及惡劣社會影響具體敘述如下。

（1）直接經濟損失：橋梁的建造成本高達數千萬元甚至數億元，橋梁垮塌等事故將使公共資產受到巨大損失；（2）間接經濟損失：橋梁垮塌將直接影響所屬地域交通通行及經濟，產生巨大的間接經濟損失；（3）人員傷亡：依歷史經驗來看，橋梁事故通常造成較大的人員傷亡，使人民群眾生命受到極大威脅；（4）負面輿情：橋梁事故會引起公眾輿論對工程質量和政府監督管理工作的關注和質疑，繼而引發流量效應、帶來負面輿情，包括群眾心理恐慌、媒體不良評價、政府公信力受損等嚴重社會問題［4-5］。江蘇省作為交通強國建設中的“先行區”“先行軍”，非常有必要結合實際情況開展高速公路典型大跨徑橋梁（除跨江大橋以外的大跨徑橋梁、特殊橋型橋梁）長期監測的探索與試點，進一步強化江蘇省橋梁管理的信息化水平，為江蘇省高速橋梁建養工作高質量發展以及全面建成現代綜合交通運輸體系做出更多貢獻。

1 典型大跨徑橋梁輕量化健康監測需求分析

1.1 現有技術存在的問題

在橋梁結構物服役期間，為能夠及時發現橋梁結構性損傷并對可能發生的橋梁安全事故進行預警，我國長期以來都在探索如何借助先進的技術手段對橋梁結構狀態進行實時監測，并根據監測結果對橋梁的健康狀況進行科學評估、對可能存在的結構性損傷進行預測，從而達到幫助主管部門制訂科學有效的管養方案，達到有效延長橋梁結構物服役壽命的目的。然而，當前的技術手段難以實現對大多數橋梁狀態的有效監測，嚴重制約了主管部門在橋梁服役期間，對橋梁健康狀況及時、完整、科學地了解和分析。就目前而言橋梁主管部門使用的技術手段主要包括人工定期巡檢和有線系統監測兩種方式。然而就現實需求而言，這兩種技術手段都存在明顯的不足，具體情況如下。

1.1.1 人工定期巡檢的不足

（1）人工巡檢的頻率極為有限，通常為一年幾次，致使檢測結果較結構損傷滯后，結構損傷不能被及時發現。（2）人工巡檢主觀性強，檢測過程中極易發生錯漏。（3）缺乏長期的連續監測數據，無法對損傷變化情況進行跟蹤分析并對橋梁健康趨勢進行預判。（4）人工巡檢通常需要對路面進行長時間封閉，嚴重干擾交通運行，而檢測人員需要進行路面及高空作業，也存在著極大的安全隱患。

1.1.2 有線監測系統的不足

（1）有線監測系統的安裝和維護成本較高。（2）有線監測系統的靈活性較差，系統部署后很難對監測點數和位置進行調整，難以滿足橋梁結構動態變化的需要。

1.2 行業發展需求分析

2021 年，交通運輸部確定了河北、遼寧、江蘇等10個省份的11 座在役公路長大橋梁作為橋梁結構健康監測系統建設試點項目，按照“一橋一策”原則制訂了橋梁監測系統建設具體方案，基本完成了所有試點項目的驗收工作，同步修訂完成了《公路橋梁結構監測技術規范》（JT/T 1037—2022），達到了“試點先行、統一標準”的目的。該規范規定了公路在役和在建單孔跨徑500 m 以上的懸索橋、單孔跨徑300 m 以上的斜拉橋、單孔跨徑160 m 以上的梁橋和單孔跨徑200 m 以上的拱橋均應開展長大橋梁健康監測系統的建設。2022年，公路長大橋梁結構健康監測系統建設全面推開。這表明各級交通運輸主管部門都高度重視長大橋的結構健康監測，但針對長大橋梁以外的其他典型跨徑橋梁的長期監測還未開展系統性的試點與實踐。

2 典型大跨徑橋梁輕量化健康監測數據采集方案

2.1 監測指標體系確定

當前高速公路建設項目涉及的主要梁板類型有變截面混凝土連續箱梁、鋼筋混凝土連續箱梁、預應力混凝土連續箱梁、預應力混凝土空心板梁、預應力混凝土組合箱梁、裝配式預應力混凝土連續箱梁等。結合江蘇省高速公路典型大跨徑橋梁梁型的分布情況，選擇變截面混凝土連續箱梁、連續鋼箱梁、鋼桁架梁、變截面預應力混凝土波形鋼腹板梁4 種具有代表性的梁型，并根據《公路橋梁結構監測技術規范》（JT/T 1037—2022）相關條款，結合代表性梁型的結構計算分析和危險性分析、環境特點、使用需求等多方面，確定監測指標如表1 所示。

2.2 監測指標感知設備

基于設備成本、設備功耗、安裝的便利性對監測指標感知設備進行綜合分析與篩選，考慮監測部位、構件的全面性、代表性、重要性等因素。確定的指標涉及的相關傳感器設備見表2。

3 典型大跨徑橋梁輕量化健康監測系統開發

根據橋梁運營管養需求，結合大橋運營預警和結構安全評價要求，橋梁輕量化健康監測系統采用集中統一下的分布式結構，即由云平臺/監控中心和橋梁現場監測站兩部分組成，云平臺和監控中心共存。其中，橋梁現場監測站包括傳感器模塊和數據采集與傳輸模塊，云平臺和監控中心均包括數據處理與管理模塊、數據分析與安全預警及評估模塊、系統集成及用戶界面交互模塊。具體功能要求如下。

3.1 參數趨勢分析

趨勢分析模塊對環境、結構響應、結構變化三個維度的所有監測指標，進行以時間段為監測范圍的數據變化趨勢分析。選擇橋梁、選擇指標、選擇設備、選擇時段，查看該時段內指標數據的變化趨勢，并對所選時段內的最大值、最小值進行標記。

3.2 參數對比分析

選擇兩個或多個橋梁，選定指標，選擇設備和時段，進行橋梁之間單維度監測數據的對比，包括經緯度海拔高度等參數對橋梁監測參數的影響、分析橋址環境（如鹽霧多發地）對橋梁監測參數的影響、分析車輛軸載對橋梁監測參數的影響。

3.3 參數相關性分析

選擇橋梁，選擇多個指標及設備，選擇時段，形成多個指標參數變化趨勢對比圖和相關關系散點圖，分析不同參數在一段時段內是否同方向或反方向變化，以及條件概率分布，包括均值和標準差等信息。通過不同參數變化的相關性分析，輔助綜合評估橋梁健康狀態和養護作業實施。

3.4 人工監測數據上傳

當設備出現故障或設備維護期間，自動采集數據無法實現時，可臨時采用人工監測方式，并將監測數據填報進系統，或者根據系統提供的數據模板上傳相應的數據，滿足持續監測及數據分析的需要。

3.5 監測數據分析報告自動生成

通過對每座橋梁采集數據的匯總、統計和分析，系統定期自動化生成橋梁健康監測數據分析基礎報告，包括月報、季報和年報，由數據分析部分和結論部分構成，支持用戶對結論部分進行人工調優，形成正式報告并發布，同時支持報告在線查看和下載。

3.6 監測數據預警

3.6.1 多重多級預警

將所有監測設備采集到的實時數據與超限閾值比較，判斷超限等級。根據超限等級觸發預警機制，系統自動化提醒或報警，并推送檢查建議。

系統提供多種預警方式，包括但不限于PC 后臺預警、App 預警、短信預警、郵件預警、聲光預警、情報板預警，采用文字、數值、顏色、語音等元素生成預警信息，對相關部門或公眾進行提醒。

系統匯總保存所有歷史預警數據，并對處理狀態（已處理標記為綠色，未處理標記為紅色）及處理辦法進行跟蹤，形成預警閉合機制，同時便于用戶隨時查看預警記錄，參照或探索預警問題處理方案。

3.6.2 智能評估功能

利用橋梁的監測數據針對橋梁的健康和安全狀態進行智能評估，使用戶看到的不再是零散的數據堆積，而是更簡單易懂的監測結論［6］。

4 結論

本文以筋混凝土連續箱梁、預應力混凝土連續箱梁、預應力混凝土空心板梁、預應力混凝土組合箱梁、裝配式預應力混凝土連續箱梁等為對象，對橋梁輕量化健康監測需求分析、數據采集方案、系統開發方案等進行研究。主要結論如下：（1）對典型橋梁的監測技術應用現狀調研，確定橋梁輕量化監測需求；（2）確定了結構溫度、位移、應變、振動等為典型大跨徑橋梁輕量化監測的參數；（3）基于分層理念設計橋梁輕量化監測系統架構，包括數據處理與管理模塊、數據分析與安全預警及評估模塊、系統集成及用戶界面交互模塊等，實現橋梁狀態全天候的監測。

參考文獻

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[2] 李晶晶. 基于BP 神經網絡的橋梁斷面最不利風攻角預測[J]. 江西建材，2023（4）：260-261，264.

[3] 彭建新，柴瑩，張建仁. 橋梁結構服役狀態可靠度評估綜述[J]. 中外公路，2023，43（4）：1-7.

[4] 張志超. 基于時變因素的橋梁可靠度指標計算[J].城市道橋與防洪，2023（4）：103-105，16-17.

[5] 陳曼. 預應力混凝土連續梁設計研討[J]. 中文科技期刊數據庫（文摘版）工程技術， 2023（4）：142-145.

[6] 許玉和，劉曉劍，黃正榮，等. 基于BIM 的多塔斜拉橋評估系統研究[J]. 城市道橋與防洪， 2022（6）： 147-150，20.