在役橋梁健康監測與狀況評估系統設計與應用

雷珍珍，梁清清

（貴州省質安交通工程監控檢測中心有限責任公司，貴州 貴陽 550014）

橋梁設計的使用壽命往往有幾十年或上百年，在橋梁漫長的服役過程中，動靜荷載、腐蝕物質以及材料老化等各種人為或天然的因素，影響著橋梁的“健康”。隨著時間的推移，橋梁結構出現損傷，其承載能力、彈性強度和剛度不可避免地變差。因此，需要對橋梁進行健康監測和狀況評估，以便能夠及時發現橋梁結構存在的安全隱患，避免造成重大的人員和經濟損失。為了實時獲取橋梁狀況信息，做出及時的安全評估與預警，設計一款經濟實用、穩定可靠、智能科學的在役橋梁健康監測與狀況評估系統顯得十分有必要[1-2]。

1 健康監測系統設計原則及功能需求

1.1 系統設計原則

根據橋梁監控監測系統的使用需求和橋梁監控監測的特點，系統的設計應滿足合理性和經濟性的同時，還應遵從如下設計原則：①適用有效。根據橋梁健康監測的相關標準要求，設計出符合不同橋型結構的監測項目，確定相關傳感器的布設位置。②準確可靠。選擇測量準確度滿足測試要求的傳感器，傳感器的測量范圍、適用環境、穩定可靠性等均應滿足要求。③先進智能。采用當前先進成熟的監測技術，結合結構安全監測理論，搭配先進的數據采集與傳輸設備，實現智能預警及安全評估。④兼容性強，易于維護。系統易于操作管理，隨著監測技術、監測理論標準及傳感技術的發展與進步，系統能與時俱進，便于更新升級。

1.2 系統功能需求分析

通過分析，健康監測系統應滿足如下的功能主要需求：①通過對相關內容的監測，建立監測系統，實時掌握橋梁運營狀況，有效保證橋梁的安全；②實時了解橋梁結構的應力應變、撓度、溫度等情況，輔助操作人員合理設置預警閾值，實現橋梁結構健康監測預警功能，并自動生成監測報告；③通過對監測數據的分析與處理，實現對橋梁結構的安全評估，對災害進行評估預判，給決策者提供相關依據，使運維方案等更加合理，提高橋梁的使用壽命；④能夠進行健康監測項目的管理。

2 健康監測系統組成及內容

健康監測系統由多個子系統組成，具體為傳感器子系統、數據采集子系統、數據傳輸子系統、數據庫子系統、數據處理與控制系統、結構狀況評估與預警子系統，通過各層相互協調，實現系統的各種功能[3]。

2.1 傳感器子系統

傳感器子系統是保障數據準確可靠的基礎，根據橋梁的橋型、結構特點、相關監測理論及標準，以及環境情況，結合當下傳感器技術的發展情況，選擇合適的傳感器，要保障由不同類型傳感器組成的傳感器子系統。在惡劣的環境下，仍然能夠實時提供真實、可靠的監測數據。

2.2 數據采集子系統

數據采集子系統能夠初步診斷傳感器子系統提供的數據，能夠快速地分辨出傳感器提供的信息是否有異常，幫助找到出現損壞或失效的傳感器的位置。此外，由于系統的結構狀況評估與預警子系統遵循的實時數據采集制度，這樣得到的數據量大、信息量多，不可避免地會有很多冗余信息。如何從海量信息中篩選出有意義的信息，如何進行采集數據的數據優化，是結構的安全監控預警的重要源頭部分。針對橋梁的實時監測功能，系統設計時考慮了優化采集情況，即具有定時間段采集以及定閾值采集。數據采樣時間、采樣長度可以根據實際情況靈活設置，多條件觸發采樣參數有觸發邏輯和各通道的觸發閾值設置。

2.3 數據傳輸子系統

光纖、GPRS/3G/4G 和無線網橋是數據傳輸子系統的常用通訊方式。GPRS/3G/4G 常用于監測場所有手機信號覆蓋的情況；當現場無手機信號，或是像視頻數據這樣的大流量數據時，則采用光纖傳輸；而無線網橋通訊方式，適用于傳輸距離不超過9 千米并且監測場地和監控中心可通視的情況。根據情況的不同，選擇的數據傳輸方式也會有所不同。

2.4 數據庫子系統

數據庫子系統主要用于數據的存儲，數據庫子系統能對數據進行管理和操作，包括數據的增刪改查等。數據庫的使用需要謹慎處理，因此設置有權限管理，需要分配專門的人員特定的權限，對數據進行有效的使用。

2.5 數據處理與控制子系統

數據處理和控制子系統主要實現對數據的分析、處理及數據可視化的展現。信號在采集前與采集后均可進行數據處理，其中包括：信號實時可視化顯示、數字濾波；數據采集設定、幅域統計；時域、頻域分析以及數據的相關性分析等[4]。

2.6 結構狀況評估與預警子系統

結構狀況評估與預警子系統是通過監測關鍵參數的變化及變化趨勢，在應力和應變等達到限值、結構狀況出現異常的時候發出預警信息[3]。預警級別按工程風險由小到大分為四級：藍色預警、黃色預警、橙色預警和紅色預警。橋梁健康監測工作人員能夠根據系統的預警提示進行分析與咨詢，及時對不穩定結構或可能出現失穩的結構采取一定的治理措施進行防治，防止災害的發生或擴大，減少損失。

3 健康監測系統應用

3.1 工程概況

火花特大橋位于貴州省安順市紫云縣火花鄉，橋位區屬構造、剝蝕低中山地貌，地形起伏較大，沖溝發育。最大橋高約115m，最大墩身高約為107.5m，橋梁孔徑布置及橋長不受水文及流量控制，主要取決于兩側地形。結合橋位處地形、地質和場地條件等特點，考慮工程的安全性、經濟性、施工可行性及景觀性，選取火花特大橋主橋右幅作為健康監測系統布設的對象。

火花特大橋主橋右幅的上部結構采用主跨3×120m的連續剛構，橋跨結構為右線：65m+3×120m+65m，下部橋墩采用空心墩，橋墩基礎均采用樁基礎；主橋過渡墩頂采用320 型伸縮縫，右線橋長為490m。

3.2 監測內容及結果分析

火花特大橋的健康監測內容有溫度、應變、撓度、震度、索力、傾斜和伸縮縫監測。根據某季度的橋梁健康監測數據分析可知：

（1）溫度監測。溫度監測測點采集連續率均達到90%以上，橋梁的溫濕度變化具有較強的日變化規律，最高溫度日均值33.97℃，最低溫度日均值1.61℃，本期最大溫差為30.76℃。

（2）應變監測。橋梁應變可以作為了解主要承力構件的受力狀態指標，及時診斷橋梁的病害、控制車輛荷載。通過應力數據與初始的應力數據進行統計并對比分析，應變最大變化量為-107.32με，火花特大橋應力變化不大，整體波動較為穩定。

（3）撓度監測。通過撓度的變化可以對橋梁的運營狀態做出準確的實時評估。比較該季度初始撓度中值與末尾撓度中值，各測點中，撓度變化量最大為-13.67mm，整體呈現較好的波動規律性。說明橋梁結構在橫橋向上整體性較好，且本監測周期內撓度數據呈明顯起伏波動，但數據具有穩定基線，說明撓度數據較為穩定。

（4）振動監測。因此橋梁頻率蘊含著橋梁的整體結構信息與安全信息。當橋梁出現較大損傷或結構改變時，橋梁的振動頻率也會隨之改變，利用監測系統中采集的橋梁各構件的振動加速度數據，可初步識別橋梁自振頻率大約為1.85Hz。

（5）索力監測。索力狀態是衡量橋梁是否正常運營的一個重要標志。索力的最大變化量百分比為-3.4%，索力的變化量除受荷載影響外還受溫度變化影響，整體數據正常變化，大橋預應力梁的體內預應力筋受力狀態穩定。

（6）傾斜監測。橋墩傾斜能夠反映橋墩的水平偏位變化情況。橋墩在X 方向該季度最大變化量為0.12°，Y 方向本周期最大變化量為-0.29°，數據變化主要受到溫度影響，X 方向呈正相關，Y 方向呈現負相關，剔除溫度影響則角度變化較小。

（7）伸縮縫監測。伸縮裝置是易損壞、難修補的部位，因此對伸縮縫進行監測。伸縮縫的寬度變化幅度均不大，最大變化為-10.0mm。另外，從伸縮縫的變化趨勢來看，火花特大橋伸縮縫測點數據并無持續增大或減小的趨勢，而是受溫度影響較大呈現動態增大、減小的趨勢，符合結構正常的變化規律。

4 結論

本文設計了一款穩定可靠的橋梁健康監測系統，實現對橋梁結構狀況的監測與安全評估。將該橋梁健康監測系統應用于火花特大橋，通過對各監測參數綜合分析，結果表明火花特所處狀態良好，監測數據變化較為穩定。隨著技術的發展與橋梁監測標準的規范化，未來的橋梁健康監測系統可能的發展方向有：

（1）數據采集傳感器更加準確可靠。橋梁健康監測系統通過傳感器采集數據，隨著測量技術與傳感技術的發展，測量數據更加精確，更加可靠地反映橋梁結構的真實情況；傳感器的類別更多，全方位掌握橋梁結構的各方面數據；傳感器采用無線充電，可在橋梁修建時便將無源傳感器嵌入到橋梁結構內部，使橋梁健康監測時更便捷美觀。

（2）安全評估更加智能化。隨著不斷深入研究、橋梁健康監測參數增加、采集的有效數據增加，出現更加智能化、標準化和精準化的橋梁結構健康評估方法，為橋梁的運營狀況、健康評估和預測提供更加可靠的途徑[5]。