橋梁健康監測系統在橋梁日常養護中的應用

侯恩厚　王能威　甘超　付文博　康通

摘要 橋梁健康監測系統具有可視化、實時動態、精度高等優點，為全面提升橋梁管養的數字化水平提供了新的解決方案。通過橋梁健康監測系統，可以對橋梁異常狀況進行報警，動態掌握橋梁結構的運行狀況。文章介紹了某橋梁健康監測系統的建設情況，并結合監測數據，從橋面狀況監控、重車通行量、結構性能變化三個方面對養護管理中的應用進行了說明。

關鍵詞 橋梁結構；養護管理；健康監測系統

中圖分類號 U443文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）24-0019-04

0 引言

橋梁作為重要的基礎設施，承載著人們出行和物流運輸的重要任務[1]。然而，由于長期使用和自然環境的影響，橋梁結構容易出現疲勞、腐蝕、裂縫等問題，嚴重威脅到其安全性和可靠性。因此，及時準確地監測橋梁的健康狀況，及時發現和修復存在的問題，成為確保橋梁安全的關鍵。

傳統的橋梁養護方法主要依靠人工巡檢和周期性的結構評估。然而，這些方法存在著工作量大、成本高、監測周期長以及對人員安全的潛在風險等問題。隨著信息技術的發展，橋梁健康監測系統應運而生，為橋梁日常養護提供了全新的解決方案[2-3]。

橋梁健康監測系統是利用傳感器、數據采集、通信和數據分析等技術手段，對橋梁結構的各種參數進行實時監測和分析，以實現對橋梁健康狀況的全面評估[4-5]。這些參數包括但不限于結構振動、應變、溫度、濕度等。通過實時監測和分析，橋梁管理者可以及時獲得橋梁結構的健康狀態信息，準確評估橋梁的結構完整性和承載能力，并根據監測數據制定相應的養護策略，以延長橋梁的使用壽命[6]。

橋梁健康監測系統在橋梁日常養護中具有重要的應用價值。首先，它可以實現橋梁的實時監測，及時發現結構異常和缺陷，有助于避免橋梁事故的發生。其次，通過連續不斷地監測數據，可以實現對橋梁結構的長期評估和趨勢分析，幫助管理者制定合理的養護計劃和維修策略。此外，橋梁健康監測系統還可以降低養護成本和人力投入，提高養護效率和工作安全。該文以某橋梁為背景，從重車抓拍、重車通行量估算、結構性能變化三個方面詳細介紹了橋梁健康監測系統在養護工作中的應用。

1 工程概況

橋梁全長1 297 m，橋寬組合0.5 m（欄桿）+14.5 m（行車道）+1.5 m（中央分隔帶）+14.5 m（行車道）+0.5 m（欄桿）。大橋左、右幅上部結構形式為43 m×30 m的裝配式預應力混凝土連續小箱梁，橫向各布設5片梁；下部結構形式為鋼筋混凝土雙柱式橋墩、鋼筋混凝土框架式橋臺、樁基礎，橋梁實景圖見圖1。

2 健康監測系統

2.1 監測系統測點布置

健康監測系統軟件平臺通過在結構的關鍵部位部署相應傳感器監測節點，對橋梁的環境荷載、運營荷載、結構特征和響應等參數進行實時監測。同時，利用各種數據分析方法，對監測數據進行智能分析，從而有效地評估不同橋梁結構的健康狀況，確定其可能的損傷部位，為各種結構的養護管理提供科學依據。

根據橋梁結構特點及管養需求，對左幅1-4跨及右幅40-43跨進行對稱監測，監測項目包括結構撓度、結構應變、結構振動、梁端位移、裂縫等。監測測點具體布置如表1及圖2所示。

2.2 監測系統軟件設計

結構安全監測系統由傳感器模塊、數據采集與傳輸模塊、數據處理與管理模塊、數據分析與安全預警及評估模塊、結構健康數據管理系統、檢查與維護系統等六部分組成。橋梁結構安全監測系統各模塊主要功能如表2所示。數據采集與傳輸系統應采用基于傳感器、通信網絡、計算機等硬件設備構成的計算機集成系統。健康監測系統軟件平臺具有強大的綜合運維管理能力，為用戶提供符合工業標準的橋梁全方位解決方案。通過良好的人機交互界面，實現智能監測、智慧運維、安全保障、高效管理四大管理目標。監測平臺頁面如圖3所示。

3 健康監測系統應用案例

該橋梁項目建設的橋梁健康監測運營時間已應用2年，現場各種傳感器基本功能完善，各項工作運行穩定，監測數據比較穩定，對于管養人員掌握橋梁的運行狀態有極為重要的作用，也為科學性管養工作的開展奠定了基礎。該文選擇2023年1—3月監測數據展開分析，對監測系統在管養中發揮的重車抓拍、重車通行量估算、結構性能變化分析等作用進行說明。

3.1 橋面狀況監控

該健康監測系統具有超重抓拍及超預警值抓拍功能，通過將監測數據與抓拍相機進行聯動，在橋梁運營過程中對動撓度、動應變實測值超預警值的情況進行抓拍，并將相應車輛照片在系統中進行推送，對橋梁運營過程中遇到的突發事件進行及時報警，使管養人員及時掌握重車經過時的橋面狀況。典型重車經過時抓拍圖像及撓度響應分別如圖4、圖5所示。

3.2 重車通行量估算

對應變監測數據進行小波變換，分解得到車輛作用下的準靜態響應數據和動態響應數據。根據一輛典型六軸車經過時引起的應變變化，如圖6所示，其最大變化幅值約60 με，以此為依據統計六軸重車數量，如表3所示。通過對重車交通量的估算，掌握交通流量變化情況，為路面大中修養護及橋梁性能評估提供支撐。

可見1—3月內左右兩幅橋重車數量接近，但重車交通量有增長趨勢，應對重車通行情況持續關注。

3.3 結構性能變化分析

橋梁的模態參數識別主要是獲取橋梁結構的自振頻率、阻尼和振型，模態參數反映了橋梁結構質量、剛度和阻尼的分布規律，反映橋梁結構當前狀態的固有特性，為結構的內力狀態改變分析和損傷識別提供依據。因此，該文通過基于結構振動數據進行傅里葉變換，識別橋梁基頻，如圖7所示。三個月內橋梁頻率變化如表4所示，可見，三個月內結構基頻變化幅度較小，結構性能無明顯退化。

4 結語

橋梁健康監測在日常養護中的應用主要體現為3個方面，即橋面狀況監控、重車通行量、結構性能變化。

（1）通過將監測數據與抓拍相機進行聯動，對橋梁運營過程中遇到的突發事件進行及時報警。

（2）基于監測數據對重車通行狀況進行統計，為橋梁維修加固及交通管制提供依據。

（3）橋梁健康監測系統通過定期數據處理和分析，可以對橋梁的安全狀況進行識別。

參考文獻

[1]于興泉， 韓濤， 梁柱. 橋梁健康監測系統的功能及在橋梁運營中的應用實例[J]. 公路， 2014（11）： 106-110.

[2]樊葉華， 陳雄飛. 基于管養需求的江陰大橋結構健康監測系統研究[J]. 公路交通科技， 2010（S1）： 43-47+52.

[3]李蘇生， 朱學軍， 王媛青， 等. BIM建模與健康監測預警相融合的橋梁運營管養一體化研究[J]. 交通與運輸， 2022（4）： 52-57.

[4]全恩懋. 基于檢測信息融合的懸索橋狀態評估與預測研究[D]. 西安：長安大學， 2022.

[5]魏世銀. 大跨橋梁結構健康診斷和管養決策的機器學習方法研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學， 2020.

[6]歐陽歆泓， 徐一超. 橋梁管養信息化發展現狀與展望[J]. 運輸經理世界， 2020（16）： 113-114.