古益溝特大橋健康監測系統工程設計研究

中圖分類號 U446 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）08-0019-03

0 引言

2021年，交通運輸部在《公路長大橋梁結構健康監測系統建設實施方案》文件中提出，“要加快推進長大橋梁結構健康監測系統建設，提升公路橋梁的養護技術和應急處置能力，實現公路橋梁的智能養護、精準治理和科學管理”。特大橋是高速運輸系統的關鍵組成部分，然而在施工期間，受材料性能、工藝技術水平、臨時荷載等因素影響，橋梁工程剛度、梁重、結構尺寸及預應力等反映結構狀態的參數與設計要求存在一定的偏差；橋梁工程投入使用后，工程結構會承受車輛沖擊力、荷載、制動力、風荷載、地震力及流水壓力等多重壓力，從而會導致橋梁結構出現不同程度的損傷，比如，梁體出現疲勞裂縫、附屬件出現變形、伸縮等病害現象，降低橋梁的使用安全性和耐久性[1]。因此，基于信息技術的精準感知和分析功能，加強對橋梁工程的實時健康監測，建立完善的風險防控體系，對于推動橋梁工程數字化、智能化建設具有重要意義。

1 工程概況

該文以古益溝特大橋為工程案例，對健康監測系統的設計進行研究。該橋梁是國家高速公路銀百高速（G69）的組成部分，為雙向四車道左右分幅特大橋，起點樁號 ，終點樁號 ，大、小樁號引橋橋跨分別布置為 1 × 4 0 m 、 2 × 4 0 m 。該橋梁采用預應力混凝土變截面連續鋼構，主梁為預應力混凝土小箱梁，橋跨布置為（ 8 5 + 1 6 0 + 8 5 ）m，全橋長 4 5 8 m 、寬 。古益溝特大橋布形如圖1所示。

2古益溝特大橋健康監測系統總體架構設計

大型橋梁工程健康監測系統設計是融合了信息技術、計算機技術、傳感器技術、自動化技術等多種技術的綜合系統工程項目。其主要任務是為橋梁安全運營、科學管理和養護提供精準的數據支撐。在設計健康監測系統時，要根據橋梁結構監測技術規范，遵循可靠性、安全性、經濟實用性及可維護和可擴展性等原則，完成系統設計、實現及測試[2]。古益溝特大橋健康監測系統總體設計思路是依托傳感器系統，對橋梁結構自動化監測，從監測力學指標（結構動力和靜力響應）、檢查損傷等方面入手，評估橋梁結構的健康狀態。其中，利用傳感監測系統和人工定期監測所獲取的數據，掌握該橋梁力學狀態變化相關信息，并參考該橋梁受力分析結果，判斷其構件存在病害的可能性，為該橋梁工程后期養護工作實施提供指導。另外，將健康監測系統與人工巡查系統相結合，比如對該橋梁的主梁、主門架進行系統檢測，對主墩進行人工檢測，全面掌握該橋梁實際運營情況。

2.1健康監測系統的技術路線

根據古益溝特大橋的結構特點，以及橋梁預警監測、診斷評估和養護決策需求，其健康監測系統的構成及其功能，包括關鍵參數自動化監測系統、數據存儲與管理子系統、安全評估與預警子系統、用戶界面系統等模塊[3]。其技術路線如圖2所示。

其中，關鍵參數自動化監測系統通過各種傳感器構成傳感子系統，自動獲取橋梁環境和結構狀態數據；數據存儲與管理子系統由監控中心計算機設備和相應的數據處理及分析軟件組成，通過網絡設置和控制場外橋梁現場的數據采集站、調理器設備和傳感測試設備工作狀態，完成信號數據的預處理、后處理、歸檔、顯示和存儲等數據管理；安全評估與預警子系統根據監測數據對橋梁結構狀態和損傷進行識別，并基于綜合識別結果和巡檢結果，對橋梁結構安全使用情況進行預警評估；用戶界面系統是基于B/S架構的一系列可視化軟件組件，向監控中心現場操作人員和授權的遠程客戶端提供人機交互界面，將各種數據實時按需求展示給用戶，接受用戶對系統的控制與輸入，從而實現便捷的系統控制、數據監測和在線分析。

2.2 監測內容

古益溝特大橋的健康監測系統設計的目的是利用信息化手段對橋梁狀態進行監測，第一時間發現橋面交通狀況、突發事故等異常狀況。因此，監測系統的內容包括橋梁環境、運營荷載、橋梁特征和響應及異常情況等方面，具體如表1所示。

其中，環境監測的任務是了解該橋梁運營過程中風速和風向、周圍溫濕度等情況，獲取不同時間段環境狀況的相關數據；運營荷載監測的實質是監測該橋梁的車型、車速及車流等交通荷載信息，通過分析評估超載、超限車輛對橋梁產生的負面影響，預測后期交通荷載增加的情況下對橋梁承受力產生的影響；橋梁響應監測的任務是獲取橋梁的動力性能，分析、判斷其對橋梁產生的危害[4。

3古益溝特大橋健康監測系統功能的實現

該橋梁健康監測系統功能的實現，需各個子系統協同運行。因此，根據功能需求來布設和安裝各個子系統的傳感器測點數量、位置。

3.1風速、風向監測子系統

該子系統設計的目的是監測該橋梁工程的風荷載、風環境，需合理地布設風向和風速傳感器。通過分析以往其他項目可知，風對橋梁的作用會發生變形、振動。因此，該橋梁風荷載監測選擇機械式風速儀，分別在門架頂上游、主跨1/2斷面上層橋面上下游布設1個測點、2個測點，使用定制鋼管將風速儀安裝于橋梁結構上，為減少支架振動對風速儀工作的干擾，對支架設計和制造的剛度嚴格控制，在現場完成構件拼裝作業，便于高空作業的實施。此外，借助采集軟件實時采集風速儀數據，使用基于B/S架構的監測系統顯示軟件來顯示數據，即工作人員通過連接網絡就可以查詢、瀏覽監測數據。

3.2環境溫、濕度監測子系統

該子系統設計的目的是通過監測該橋梁所處的環境溫濕度，獲取其運行過程中的溫、濕度信息，判斷該橋梁健康狀況。綜合考慮經濟、技術因素，該系統選擇溫、濕度監測該橋梁環境溫、濕度，在主跨1/2斷面上、下橋面布設2個測點，使用不銹鋼支架、百葉箱來安裝溫、濕度儀，并使用數據采集軟件采集溫濕度數據，用基于B/S架構的監測系統顯示軟件來顯示數據。

3.3降雨量監測子系統

該系統設計的目的是使用雨量計監測橋梁降雨量，在主跨1/2斷面上橋面上布設1個測點，使用型鋼支架安裝雨量計，數據采集與顯示使用同一模擬量的采集軟件。

3.4橋面荷載車輛監測子系統

該子系統設計的目的是監測和統計橋面上的車輛荷載、車流及車速等，為交通疏導、超載限速問題的解決提供數據依據。該系統使用車速車軸儀監測橋面荷載，在靠近主橋伸縮縫的上下層的橋面各車道分別布設6個、8個測點，然后安裝車速車軸儀感應壓傳感器，使用數據采集軟件實時采集車輛動態稱重數據信息，自動對測量的數據結果、報警信息保存，并通過顯示軟件顯示車輛荷載監測、車流量統計分析等。

3.5結構振動、地震監測子系統

該子系統設計的目的是監測結構動力特性、地震作用。其中橋梁結構狀態的變化受動力特性影響，比如橋梁局部振型發生變化，說明其局部結構被破壞，加之地震災害對橋梁工程的影響較大，可能會損壞橋梁的結構[5]。該系統中，結構動力特性和地震突發荷載的監測分別使用單向加速度傳感器監測、三向加速度傳感器，在主門架頂及其中跨側上下游吊桿位置各布設4個測點，在墩頂布設1個測點，將傳感器均安裝于保護盒內。

3.6應變、應力監測子系統

應變和應力作為橋梁結構健康監測的關鍵指標，能夠反映出其整體和局部受力情況。通常根據橋梁結構受力特點、實際運營中易發生損傷的部位來布置測點。該系統選用光纖光柵應變傳感器，采用激光冷焊工藝將傳感器連接于鋼結構間，在門架桿件、吊桿和腹桿、橫梁及橋面板等多個位置布設多個測點，并使用具有測量波長值、顯示波長等特點的采集軟件，便于用戶實時獲取各個測點的波長、應變測量結果。

3.7 視頻監控子系統

該子系統由前端子系統（攝像儀、現場信號轉換及安全防護系統）和后端（監控中心）組成，且借助通信光纜實現二者的連接。其中，前端子系統中利用攝像儀記錄該橋梁各個部位實時運營情況、突發事件等，并將其傳輸至監控中心；安全防護系統設計的目的是防止現場攝像儀被盜，該系統中使用紅外探測器設備；現場信號轉換即解決遠距離傳輸問題，在監控中心實現光信號向電信號的轉變、處理。后端系統涉及信號轉換、數據存儲及視頻顯示等方面，綜合考慮技術、經濟及業主需求等因素，該系統使用光纖收發器、中心交換機、視頻數據存儲服務器等設備，按照機房要求來安裝后端設備。

4結語

綜上所述，該文以古益溝特大橋工程為例，分析該橋梁健康監測系統的實際需求，結合該工程特點、監測內容等，設計該監測系統的總體框架，并從環境溫濕度、風速和風向、橋面荷載車輛、結構動力、應變和應力等方面入手，分析各個子系統的設計、數據采集及顯示，該研究以期充分發揮自動化監測技術、信息技術等在保障橋梁安全運營方面的優勢，為其他類似工程的信息化建設提供新思路。

參考文獻

[1]朱三平，潘濟，姜少波，等.基于BIM的甌江北口大橋施工監控與健康監測一體化技術研究[J]公路交通科技（應用技術版），2020（10）：239-241.

[2]全軍，李娜，殷鵬雷，等.寧波青林灣大橋健康監測及安全監控預警系統自動化傳感測試子系統方案綜述[J].公路，2010（10）：33-39.

[3]張秋陵，肖光宏.基于SMS的遠程健康監控系統在奉節長江大橋上的應用[J].公路交通科技（應用技術版），2010（7）：100-101.

[4]李惠，楊光煥，馬玉文，等.東營黃河公路大橋工程監測系統設計[J].公路交通科技（應用技術版），2008（10）：18-21.

[5]程斌.陽邏長江大橋長期健康監控系統方案設計[J]中國水運（下半月），2008（7）：203-204.