公路橋梁試驗檢測與信息工程結合在橋梁健康監(jiān)測中的應用研究

張洪

摘要：隨著交通網(wǎng)絡的不斷擴展和橋梁基礎設施的日益老化，橋梁健康監(jiān)測變得至關重要。旨在探討公路橋梁試驗檢測與信息工程相結合在橋梁健康監(jiān)測中的應用，以提高橋梁的安全性和可靠性。首先，論述了公路橋梁健康監(jiān)測，明確了檢測的必要性和當前健康監(jiān)測的挑戰(zhàn)，其次，提出了橋梁健康監(jiān)測的關鍵參數(shù)與指標，即結構變形、環(huán)境影響以及車輛載荷等，最后，探討了公路橋梁試驗檢測與信息工程結合在橋梁健康監(jiān)測中的具體應用，進而為橋梁健康監(jiān)測工作的全面開展提供參考。

關鍵詞：試驗檢測；信息工程；橋梁；健康監(jiān)測

一、前言

公路橋梁作為基礎設施的重要組成部分，承擔著運輸和社會經(jīng)濟發(fā)展的關鍵角色。然而，隨著橋梁年齡的增長和交通負荷的不斷增加，橋梁結構的健康狀況監(jiān)測變得尤為重要。及時準確地了解橋梁結構的性能和安全狀況，對于確保交通的暢通和公眾的安全至關重要。因此，進行公路橋梁試驗檢測與信息工程結合在橋梁健康監(jiān)測中的應用研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。

二、公路橋梁健康監(jiān)測概述

（一）健康監(jiān)測的必要性

橋梁是基礎設施的重要組成部分，承擔著大量的交通負荷和人員流動。在現(xiàn)代社會，人們依賴橋梁進行日常的通勤、貨物運輸和緊急救援。因此，橋梁的可靠性和安全性至關重要。然而，隨著橋梁的不斷老化和環(huán)境因素的影響，橋梁結構可能會受到損害，存在潛在的風險。

健康監(jiān)測的必要性在于及時識別這些問題并采取適當?shù)拇胧┮苑乐故鹿屎蜑碾y的發(fā)生。通過監(jiān)測橋梁的結構和性能，可以獲得有關其健康狀態(tài)的關鍵信息，包括裂縫、應力、撓度、震動等參數(shù)。這些數(shù)據(jù)允許進行實時評估，以便在出現(xiàn)問題之前采取措施修復或加固受影響的部分，不僅有助于減少維修和替代成本，還可以防止交通中斷和潛在的人員傷亡。同時，健康監(jiān)測還有助于優(yōu)化資源管理，確保資源的有效使用。通過了解橋梁的實際狀況，可以制定合理的維護計劃，避免不必要的維修和浪費，有助于提高基礎設施的可持續(xù)性，減少對有限資源的消耗。

（二）公路橋梁健康監(jiān)測的挑戰(zhàn)

首先，橋梁數(shù)量眾多，分布廣泛，監(jiān)測任務龐大而復雜。每座橋梁都需要投入資源進行監(jiān)測，而資源是有限的，因此，選擇合適的橋梁進行監(jiān)測成為一項重要挑戰(zhàn)。其次，橋梁的結構和材料多種多樣，不同橋梁可能存在不同類型的問題和風險，需要開發(fā)多樣化的監(jiān)測方法和技術來滿足不同橋梁的需求。同時，現(xiàn)有的監(jiān)測技術和設備也需要不斷升級和改進，以適應新型橋梁和復雜環(huán)境條件的監(jiān)測需求。最后，數(shù)據(jù)處理和分析是一個重要挑戰(zhàn)。大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)需要高效處理和分析，以提取有用的信息和指標。數(shù)據(jù)的安全性和隱私問題也需要得到妥善解決，以確保數(shù)據(jù)的完整性和保密性[1]。

三、橋梁健康監(jiān)測的關鍵參數(shù)與指標

（一）結構變形監(jiān)測

1.橋梁撓度和位移

首先，橋梁的撓度監(jiān)測旨在測量橋梁結構在荷載作用下的彎曲程度。通過在橋梁的不同位置安裝撓度傳感器，可以實時監(jiān)測到橋梁在運行中的變形情況。橋梁的撓度是一個重要的參數(shù)，因為它直接反映了橋梁結構的剛度和變形特性。異常的撓度變化可能表明橋梁結構存在問題，如損傷或疲勞裂紋，可能會影響橋梁的安全性和穩(wěn)定性。因此，撓度監(jiān)測有助于及早發(fā)現(xiàn)問題，采取必要的維護和修復措施，確保橋梁的正常運行。其次，位移監(jiān)測用于測量橋梁結構的水平和垂直位移。這些位移數(shù)據(jù)有助于了解橋梁在不同條件下的移動情況，包括荷載作用下的位移以及由溫度變化引起的膨脹和收縮。位移監(jiān)測可以幫助工程師評估橋梁的穩(wěn)定性和變形情況，確保橋梁的參數(shù)在正常工作狀態(tài)下保持在設計要求的范圍內。如果位移異常，可能需要進一步的檢查和維護。

2.橋墩與橋面變形

首先，橋墩的變形監(jiān)測涉及橋墩的傾斜、沉降和位移等方面的數(shù)據(jù)收集與分析。橋墩是橋梁結構的支撐和承重部分，其變形情況直接關系到橋梁的穩(wěn)定性。通過監(jiān)測橋墩的傾斜和沉降情況，可以及時發(fā)現(xiàn)和識別可能存在的問題，如橋墩下沉或傾斜過度，以及土壤沉降引起的變形。這些數(shù)據(jù)的分析可以指導維護團隊采取相應的措施，確保橋墩的結構完整性和穩(wěn)定性。其次，橋面的變形監(jiān)測涉及橋面板的變形、裂縫和沉降等參數(shù)的監(jiān)測。橋面是車輛行駛的部分，其變形情況直接關系到行車的舒適性和安全性。通過實時監(jiān)測橋面的變形情況，可以及時發(fā)現(xiàn)并修復裂縫、凹陷或變形問題，確保橋面的平整度和安全性，避免發(fā)生車輛行駛中的不穩(wěn)定情況[2]。

（二）環(huán)境影響監(jiān)測

1.溫度、濕度和風速

首先，溫度監(jiān)測是橋梁健康監(jiān)測中的一個重要方面。橋梁的溫度變化可能會導致結構材料的膨脹和收縮，從而影響橋梁的穩(wěn)定性和結構性。通過實時監(jiān)測橋梁的溫度變化，可以了解到溫度對橋梁結構的影響程度，以便采取相應的措施，如加固材料或采用熱膨脹補償措施，以確保橋梁的結構穩(wěn)定性。其次，濕度監(jiān)測也是環(huán)境影響監(jiān)測的一個重要參數(shù)。高濕度環(huán)境可能導致橋梁結構的腐蝕和材料的損壞，尤其是對于鋼結構來說。通過監(jiān)測濕度變化，可以及時發(fā)現(xiàn)濕度過高的情況，并采取保護措施，如防水涂層或防潮材料，以延長橋梁的使用壽命。最后，風速監(jiān)測也是環(huán)境影響監(jiān)測的重要組成部分。風速的變化可能對橋梁結構產(chǎn)生風振效應，導致橋梁的振動和變形。通過監(jiān)測風速，可以了解到風振效應的頻率和幅度，從而采取減振措施或者改進橋梁設計，以提高橋梁的抗風性能和安全性。

2.地震與振動

地震是一種極端的自然災害，對橋梁結構的影響可能是災難性的。因此，監(jiān)測地震活動以及橋梁的振動響應對于確保橋梁的安全性和結構健康至關重要。

首先，地震監(jiān)測是為了及時探測地震活動并評估其對橋梁結構的影響。地震傳感器和監(jiān)測設備被部署在橋梁附近，用于實時監(jiān)測地震的震級和震源距離等參數(shù)。當?shù)卣鸢l(fā)生時，這些傳感器能夠捕捉到地震波的信息，并迅速傳輸給監(jiān)測系統(tǒng)，使橋梁管理者能夠及時獲得地震數(shù)據(jù)，評估橋梁結構的受損程度，采取橋梁封閉或緊急維修等必要的安全措施，以確保交通安全和結構完整性。其次，振動監(jiān)測是為了評估橋梁的振動響應，不僅包括地震引起的振動，還包括日常交通和風振效應引起的振動。振動傳感器被安裝在橋梁結構上，用于監(jiān)測振動的頻率、幅度和振動模式。通過定期的振動監(jiān)測，可以了解橋梁結構的振動特性，及時發(fā)現(xiàn)振動引起的損傷或疲勞裂紋，以采取預防性維護措施，延長橋梁的壽命。

（三）車輛荷載監(jiān)測

1.交通流量與速度

交通流量與速度監(jiān)測有助于了解橋梁受到的實際荷載以及荷載的分布情況，從而評估橋梁結構的受力狀態(tài)和健康狀況。

首先，交通流量監(jiān)測是為了追蹤通過橋梁的車輛數(shù)量和類型。監(jiān)測通常通過在橋梁附近安裝交通攝像頭、傳感器或電子收費系統(tǒng)來實現(xiàn)。監(jiān)測系統(tǒng)能夠記錄每輛車的通過時間、車型和車速等信息。通過分析這些數(shù)據(jù)，可以確定不同時間段內的交通流量峰值和低谷，了解交通負荷的變化趨勢。這對于橋梁的荷載評估和結構疲勞分析非常重要，因為不同的交通流量和速度會對橋梁產(chǎn)生不同的荷載效應。其次，車輛速度監(jiān)測有助于了解車輛在橋梁上的行駛速度。這些數(shù)據(jù)對于評估橋梁的振動響應和結構動力特性至關重要。高速行駛的車輛可能會引起更大的振動荷載，因此監(jiān)測車輛速度可以幫助預測橋梁受力情況，采取必要的維護和修復措施。

2.車輛重量與頻率

通過監(jiān)測車輛的重量和頻率，可以更準確地了解橋梁所受的荷載，從而實施針對性的維護和修復措施。

首先，車輛重量監(jiān)測旨在測量通過橋梁的車輛總重量，通常通過在橋梁上安裝稱重傳感器或稱重儀來實現(xiàn)。稱重傳感器能夠記錄每輛車的重量，從而計算出整個交通流中車輛的平均重量。這些數(shù)據(jù)對于評估橋梁的受力狀態(tài)至關重要，因為不同重量的車輛會對橋梁產(chǎn)生不同的荷載效應。通過監(jiān)測車輛重量，可以識別可能對橋梁造成過載或損害的情況，及時采取措施以保護橋梁結構。其次，車輛頻率監(jiān)測旨在測量車輛通過橋梁的頻率和間隔時間，通常通過在橋梁上安裝傳感器或使用車輛檢測系統(tǒng)來實現(xiàn)。監(jiān)測車輛通過的頻率有助于了解交通流的密度和速度，從而確定橋梁在不同時間段內受到的荷載情況。頻率監(jiān)測還有助于檢測可能的交通擁堵和車輛振動問題。這些數(shù)據(jù)對于橋梁結構的疲勞分析和壽命評估非常重要[3]。

四、公路橋梁試驗檢測與信息工程結合在橋梁健康監(jiān)測中的具體應用

（一）傳感器布置與數(shù)據(jù)采集

1.傳感器布置

首先，傳感器類型選擇至關重要。不同類型的傳感器適用于不同的監(jiān)測需求。例如，應變計傳感器用于測量橋梁結構的應力和變形，加速度計用于檢測振動和震動，溫度傳感器用于監(jiān)測環(huán)境溫度，濕度傳感器用于測量濕度水平。因此，在選擇傳感器類型時，需要根據(jù)監(jiān)測的具體參數(shù)和要求來確定合適的傳感器類型。其次，布置位置策略也需要精心設計。傳感器的放置位置應考慮到監(jiān)測對象的關鍵部位，以確保監(jiān)測的全面性和準確性。例如，應變計傳感器可以放置在橋梁的關鍵支撐點和梁柱連接處，以監(jiān)測結構的應力變化。對于加速度計，可以放置在橋梁的各個部位，以監(jiān)測振動和地震活動。溫度和濕度傳感器通常需要均勻分布在橋梁不同位置，以捕捉環(huán)境參數(shù)的變化。因此，布置位置的策略需要結合橋梁的結構特點和監(jiān)測目標來綜合考慮，以確保監(jiān)測系統(tǒng)能夠提供準確的數(shù)據(jù)，幫助評估橋梁的健康狀況。

2.數(shù)據(jù)采集

首先，數(shù)據(jù)采集頻率對于監(jiān)測系統(tǒng)的性能至關重要。采集頻率決定了監(jiān)測系統(tǒng)對于結構變化的敏感度和精度。通常，監(jiān)測系統(tǒng)需要以高頻率進行數(shù)據(jù)采集，特別是對于振動、位移和應力等快速變化的參數(shù)。這可以確保系統(tǒng)能夠及時捕捉到結構的變化，并在必要時進行預警或干預。采集頻率的選擇應根據(jù)監(jiān)測對象的特性和監(jiān)測目標來確定，以平衡數(shù)據(jù)質量和數(shù)據(jù)處理的復雜性。其次，數(shù)據(jù)傳輸和存儲也是數(shù)據(jù)采集過程中需要考慮的關鍵問題。采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)通常需要傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理和分析中心進行進一步處理。因此，數(shù)據(jù)傳輸必須可靠、高效且安全，通常涉及網(wǎng)絡通信和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的選擇，以確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中不丟失且不被篡改。同時，采集到的數(shù)據(jù)需要進行存儲，以便進行歷史數(shù)據(jù)的回顧和分析。存儲系統(tǒng)應具備足夠的容量和可擴展性，以應對大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)。此外，數(shù)據(jù)存儲還需要考慮數(shù)據(jù)的備份和保護，以確保數(shù)據(jù)的安全性和完整性[4]。

（二）結構狀態(tài)評估與預警

1.結構狀態(tài)評估

首先，數(shù)據(jù)處理與分析是評估結構狀態(tài)的關鍵步驟。在這個階段，監(jiān)測數(shù)據(jù)需要進行預處理，包括噪聲去除、數(shù)據(jù)校正和異常值檢測等操作，以確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。然后，數(shù)據(jù)需要進行分析，采用各種數(shù)學和統(tǒng)計方法，如頻譜分析、時域分析和模式識別技術，來識別結構的特征和變化。這些分析方法可以幫助工程師了解橋梁的動態(tài)響應、振動特性和應力分布等關鍵信息。其次，在數(shù)據(jù)處理與分析的基礎上，健康指標的計算是評估結構狀態(tài)的重要環(huán)節(jié)。這些健康指標是通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行進一步處理和分析而得出的數(shù)值或參數(shù)，用于反映橋梁的健康狀況。健康指標包括結構的振動頻率、自然頻率、振型形狀、變形程度、裂縫檢測等多個方面的信息。這些指標可以與事先設定的閾值或標準進行比較，以判斷橋梁是否存在異常或潛在的問題，并及時預警。

2.預警系統(tǒng)

預警系統(tǒng)扮演著至關重要的角色，它可以及時檢測到結構的異常行為并生成預警信號，以便采取必要的措施來保障橋梁的安全。

首先，預警信號的生成是預警系統(tǒng)的核心之一。這一過程通常涉及監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時分析和比較。當監(jiān)測數(shù)據(jù)與事先設定的閾值或標準發(fā)生偏差時，系統(tǒng)會識別潛在的問題或異常，然后生成相應的預警信號，包括聲音警報、視覺警示、電子郵件通知等多種形式，以確保相關人員可以迅速獲得關鍵信息。其次，預警通知與響應機制是預警系統(tǒng)的另一個重要組成部分。一旦生成預警信號，系統(tǒng)需要確保及時通知相關的監(jiān)測人員、維護人員或管理機構，通知通過自動化的通知系統(tǒng)來實現(xiàn)，例如，將警報發(fā)送到手機、電子郵件或監(jiān)控中心。同時，系統(tǒng)還應該建立相應的響應機制，以便相關人員可以采取適當?shù)男袆觼硖幚頋撛诘膯栴}，包括暫停交通、進行維修或安排詳細的檢查等。

（三）數(shù)據(jù)挖掘與模式識別

1.數(shù)據(jù)清洗與預處理

數(shù)據(jù)清洗與預處理是確保數(shù)據(jù)質量和一致性的關鍵步驟。監(jiān)測數(shù)據(jù)通常會受到各種干擾和噪音的影響，可能導致數(shù)據(jù)的不準確性。數(shù)據(jù)清洗包括去除異常值、平滑數(shù)據(jù)、填充缺失值等操作，以確保數(shù)據(jù)的可靠性。預處理則包括對數(shù)據(jù)進行標準化、歸一化和降維等操作，以便為后續(xù)的分析和建模提供干凈、一致的數(shù)據(jù)集。這些步驟的正確執(zhí)行可以提高數(shù)據(jù)分析的準確性，幫助準確識別和預測橋梁結構的健康狀況。

2.模式識別算法

模式識別算法是一類強大的工具，廣泛應用于公路橋梁健康監(jiān)測領域。這些算法旨在自動識別和分類數(shù)據(jù)中的模式、規(guī)律和關聯(lián)性，以幫助分析橋梁結構的運行狀態(tài)和健康狀況。在橋梁監(jiān)測中，模式識別算法可以分析大量從傳感器和監(jiān)測設備收集到的數(shù)據(jù)，以便更好地理解橋梁的性能和行為。常用模式識別算法如下所示：聚類分析用于將相似的數(shù)據(jù)點分組，幫助監(jiān)測人員識別具有相似特征的橋梁結構。分類算法則用于將橋梁結構分為不同的健康狀態(tài)或類別，例如正常、受損或需要維修。回歸分析可用于預測橋梁結構的未來行為，如結構變形趨勢。時間序列分析用于檢測數(shù)據(jù)中的季節(jié)性變化和周期性變形，有助于了解橋梁的長期性能。神經(jīng)網(wǎng)絡是一種強大的算法，可以從大量數(shù)據(jù)中學習橋梁結構的復雜模式，進一步改善健康監(jiān)測的準確性。

通過應用模式識別算法，橋梁監(jiān)測人員可以更快速、準確地識別結構問題，提前發(fā)現(xiàn)潛在威脅，采取適當?shù)木S護措施，確保橋梁的安全性和可靠性。這些算法的使用不僅提高了監(jiān)測效率，還有助于延長橋梁的壽命，降低了維護成本，對于保障公路橋梁的安全和可持續(xù)運營具有重要意義。

（四）健康狀況可視化與報告生成

1.健康狀況可視化

通過將復雜的監(jiān)測數(shù)據(jù)以直觀、易于理解的方式呈現(xiàn)給工程師和決策者，數(shù)據(jù)可視化工具有助于及時識別結構的健康狀況、趨勢和異常，為決策提供有力支持。

數(shù)據(jù)可視化工具可以采用多種圖表和圖形來呈現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)，例如折線圖、柱狀圖、熱圖、散點圖等。這些工具允許用戶以直觀的方式查看數(shù)據(jù)的變化趨勢，幫助用戶識別出潛在問題或異常。例如，通過繪制橋梁振動隨時間的折線圖，工程師可以快速檢測到是否存在異常振動情況，以及振動是否超出了安全范圍。地理信息系統(tǒng)（GIS）是一個常用的數(shù)據(jù)可視化工具，可以將橋梁的監(jiān)測數(shù)據(jù)與地理位置信息相結合，以空間圖形的方式展示，可以幫助用戶更好地理解橋梁在不同地理位置上的健康狀況，有助于進行地理信息分析和決策。同時，現(xiàn)代數(shù)據(jù)可視化工具通常具有交互性，用戶可以根據(jù)需要進行數(shù)據(jù)篩選、放大、縮小和導出。這種交互性使工程師和決策者能夠深入挖掘數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)潛在問題，并采取及時的措施。

2.健康報告生成

健康報告生成是將監(jiān)測數(shù)據(jù)整合、分析和歸檔的過程，以生成詳細的橋梁健康報告。這些報告不僅包括結構的健康評估，還包括環(huán)境影響、車輛荷載等各個方面的綜合評估。報告的生成需要經(jīng)過數(shù)據(jù)清洗、處理和分析，以確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。然后，這些數(shù)據(jù)的結果將被整合到報告中，包括結構的健康狀況、潛在問題的識別、健康指標和趨勢等內容。報告為決策者提供了有關橋梁健康的全面信息，幫助決策者制定維護和修復策略，確保橋梁的安全性和可靠性。此外，報告還可以用于預測未來的健康狀況和歷史變化趨勢，為長期維護規(guī)劃提供有用的數(shù)據(jù)支持[5]。

五、結語

綜上所述，公路橋梁試驗檢測與信息工程的結合為橋梁健康監(jiān)測提供了一種先進、高效的方法。然而，盡管已經(jīng)取得了顯著的成果，仍然需要進一步的研究和實踐，以不斷完善這一方法，并適應不同橋梁的監(jiān)測需求。隨著科技的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，公路橋梁的安全性和可靠性將得到更好的保障，為社會的可持續(xù)發(fā)展提供堅實的基礎。

參考文獻

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[5]鄭朋飛，楊康，韓家山，等.基于LoRa+云服務的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].山西建筑，2023，49（19）：175-178.

責任編輯：張津平、尚丹