高速公路橋梁健康監測與應用

【關鍵詞】高速公路橋梁；橋梁健康監測；檢測技術

引言

為保障高速公路橋梁運行的穩定性與安全性，降低安全事故的發生率，需要及時檢測并把握其真實的受力狀況，對各種影響因素進行有效控制。通過構建完善的監測體系強化橋梁性能，為公路橋梁健康監測提供有效支持。因此，此文的研究具有一定的現實意義。

一、高速公路橋梁健康監測概述

（一）監測目的

高速公路橋梁健康監測的目的是確保橋梁的安全，及時發現高速公路橋梁運行中潛在的病害問題，隨著運行年限的增加，在環境侵蝕、材料老化、交通荷載增大及災變等多種因素的共同影響下，高速公路橋梁運行的安全性難以得到保障。通過對橋梁進行健康監測，可以掌握其在役狀態下的運行狀況，并作為養護維修的重要參考。監測作業既能預防交通事故，又能及時掌握橋梁的狀態，提前做好養護，具有顯著的經濟、社會意義[1]。

（二）監測內容

高速公路橋梁的監測內容首先在于其結構方面的病害監測。第一，上部結構監測。梁橋的上部結構是重要承載構件，如果出現問題會影響橋梁的安全性。上部結構包括主梁、橫隔梁和支座。其中主梁作為橋梁的主要承重結構，其健康與安全性不僅關系到整個橋梁的正常運行，還關系到人們的生命安全。主梁病害涵蓋橋面不平、混凝土質量不達標和鋼筋銹蝕等。橫隔梁如果發生裂縫，可能造成板梁單獨受力，進而加重板梁的疲勞破壞，對上部結構造成不良影響。支座作為橋面板和橋墩的轉換部位，能夠有效地將橋梁車輛荷載傳遞到墩臺上。支座常見問題主要包括加工缺陷、材料缺陷、受力不均等，其最直接的體現是腐蝕、老化、變形等。第二，由蓋梁和墩臺組成的下部結構。蓋梁是橋梁體系中起到銜接和連接作用的重要構造，蓋梁的損壞程度與主梁的斜度、跨度和寬度有關。墩臺作為橋梁結構中的主要承載結構，其強度與穩定性對橋梁的使用壽命有很大的影響。墩臺深埋在水中，在洪澇、泥石流等災害作用下極易發生側移、沉降、傾斜、開裂等病害，嚴重者可造成整座橋倒塌。第三，橋面系。橋面系由橋梁上部的五個構件組成，對車輛行車舒適度起著關鍵影響。（1）橋面鋪裝，橋面鋪裝病害有表層車轍、橋面開裂、坑槽等。（2）橋面板，破壞形式有裂縫、分層和剝落等。（3）伸縮縫，常見病害有防水材料脫落、材料老化、接頭松動等。（4）人行道和欄桿，常見損壞有斷裂、車輛撞擊護欄、混凝土結構脫落等。（5）排水系統，直接關系到橋梁的正常運行，主要病害包括損壞、堵塞、淤泥堆積等[2]。

除了橋梁結構病害以外，還需要針對混凝土病害情況展開監測。第一類是表層缺陷。一是蜂窩，蜂窩的出現主要與坍落度過低、鋼筋密度過高、骨料分布不均勻等因素有關，基本上是結構設計方面的原因。此外，也有可能是在澆筑混凝土時振搗不到位或漏振，模板間隙不密，搬運耗時太久，導致混凝土離析，水泥砂漿損失等。二是混凝土表面剝落、老化以及鋼筋外露，由于混凝土澆筑時保護層不夠厚，保護層部位混凝土質量不符合要求造成表層剝落和老化。三是麻面，由于模板表面不平整、不濕潤，在澆筑時會吸收構件表層混凝土中的水分，形成麻面。四是空洞，混凝土振搗不到位，混凝土不密實、不均勻，或鋼筋布置不合理，都會導致混凝土空洞的形成。五是磨損，橋面磨損主要是行車造成的，橋梁下部磨損則是因水流快速沖刷導致。六是接縫不平，構件變形，這種損壞是汽車載荷作用影響之下出現的，也與不良建造條件相關。第二類是裂縫。橋梁出現裂縫是很常見的問題，根據橋梁受力性能可以將其劃分為非結構性裂縫和結構性裂縫兩種類型。非結構性裂縫大多由風化、熱脹、冷縮、壓實等非荷載因素引發。如混凝土因非荷載變形或自適應性開裂而無法適應自身形變時產生的裂縫。此類裂縫對結構的承載能力沒有影響，但若超過一定范圍則會嚴重破壞外觀，進而導致結構的耐久性下降。結構性裂縫是指在外界載荷和應力共同影響下產生的結構裂縫，反映在結構強度、剛度和延展度方面。由于拉伸應力產生的剪切應力、彎矩以及部分應力破壞都表現為剪切裂紋，內部應力也可能導致結構性裂縫[3]。

二、高速公路橋梁健康監測技術

（一）傳感器技術

為了獲取橋梁結構及周圍環境信息，可以采用傳感技術對其進行實時監測。常見的傳感器有位移傳感器、應變傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器等。為了能夠對橋梁進行遠距離在線監測，可以對多種傳感器進行合理結合運用，用智能化方式提升監測效果。

（二）數據采集與傳輸技術

在對各類橋梁健康狀況進行監測和分析的基礎上，需要采用數據采集與傳輸技術，實現大量信息的收集和傳遞，為橋梁的健康監測和評價提供有效支持。目前最常見的數據采集與傳輸方式主要有有線傳輸、無線傳輸和光纖傳輸。為了更好地適應橋梁健康監測需求，信息獲取和傳送將朝著高帶寬、低延遲、強抗干擾性的方向發展。

（三）數據分析與處理技術

為了從傳感器獲取的數據中提取有價值的信息并對其進行有效評估，需要應用數據分析與處理技術。常見的數據處理方法包括信號處理、圖像處理、模式識別與數據挖掘等[4]。

（四）狀態評估技術

狀態評估技術在橋梁健康監測中發揮著重要作用，主要是對橋梁現狀和使用壽命進行評估。目前主要有目測法、無損檢測和結構分析。

（五）健康預警技術

健康預警技術是實現橋梁健康監測和評價的關鍵環節，可以為橋梁的健康狀況提供早期預警，預防突發事故。健康預警主要包括故障樹分析法、模糊邏輯法、神經網絡法等，均具有較好的預警效果。為進一步提升橋梁狀態監測和評價精度，健康預警技術也需要逐漸向智能化、自動化、可視化的方向發展。

（六）維修保養技術

維修保養技術是維護橋梁，提高其服役壽命的一項關鍵技術，常見的維護方法包括混凝土修補、鋼結構加固、防腐蝕處理等。維修保養技術對延長高速公路橋梁的使用壽命具有重要意義，不僅可以在健康監測中發揮作用，也能在日常作業中做好定期的結構維護，保障通行安全[5]。

三、高速公路橋梁健康監測系統的構建與應用

（一）橋梁健康檢測子系統

橋梁健康監測子系統的構建需要以橋梁類型、自身結構和周圍環境等因素為基礎，對具體監測內容進行明確，同時合理選擇適當的傳感器來進行有效定位。在監測內容方面，主要分為三種類型：一是荷載與環境監測，主要是對橋梁在運行過程中所承受的車輛、風、雨、溫度、濕度等荷載要素進行監測；二是結構整體響應監測，主要內容包括橋梁的形變、位移等；三是結構局部響應監測，針對橋梁出現的局部應變、鋼構件疲勞、裂縫、腐蝕等問題進行監測。具體的傳感器類型如圖1所示。

第一，車輛荷載檢測傳感器。車輛荷載檢測傳感器適用于橋梁鋪裝層，并能實現對全車道的有效覆蓋。由于橋梁鋪裝層厚度的限制，動態稱重檢測系統難以運用，且多數使用在橋前路基段，以保證橋梁結構的安全性，并控制超限上橋通行。第二，風速風向及風壓檢測傳感器。根據測量方法的不同，可將其劃分為三向超聲波檢測儀和機械式檢測儀兩種類型。前者的穩定性、靈敏度和適用性較強，較為常見，可以布置在自由場風速位置處。目前，風壓檢測傳感器大多是陶瓷式或擴散硅型微壓式的，而在自由風場則更適合使用皮托管。第三，位移和變形檢測傳感器。在高速公路橋梁健康監測中，橋梁位移和變形是主要監測內容。變形監測主要包括主梁撓度、主梁橫向變形等，位移監測包括支座位移和梁端縱向位移等。根據測量方法的不同，可以將位移和變形檢測傳感器分為多種類型，根據實際需要進行選擇[6]。

（二）數據傳輸子系統

根據傳輸層級，數據傳輸子系統又分為多種傳輸通道和途徑。目前，中國大部分的橋梁健康監測傳感器所采集到的信息數量比較少，占用帶寬也比較小，傳輸量不大，沒有過高的傳輸帶寬要求。但是，有些橋梁的監測要求較高，會安裝攝像頭等裝置來獲取橋梁影像，以此來判斷橋梁的實際狀態，這樣的數據傳送帶寬比較大。根據橋梁的特性、傳感器的布置和建造的難度，需要對傳輸方式進行合理選擇，保證數據可以穩定、高效傳輸。在數據收集裝置與橋梁調度中心之間負責數據傳輸的子系統主要是通過光纖通信技術完成傳輸作業，這是一種有線傳輸的方式，而無線傳輸則主要是通過5G等方法來實現的。采用光纖通信傳送的方式，需要將光纖收發器或工業以太網交換機等傳送裝置置于橋上，并在兩者間鋪設電纜進行長距離的數據傳送。采用無線通信技術，需要將5G等多種無線通信裝置安裝到橋梁上，并通過傳送網將數據傳送到橋梁控制中心計算機。在實際監測過程中，數據傳輸方式的選擇應充分考慮橋梁型式、橋梁與中心部門的距離、橋梁周邊情況等因素影響，保證采集到的監測數據可以快速傳送，并保證數據安全。

（三）數據處理子系統

數據處理子系統的任務是根據相應的計算方式和要求，將傳感器傳輸過來的各種數據進行整理并存儲，根據需要生成報告，并通過對這些數據的分析把握橋梁當前的健康狀況，實現安全預警和評價的目的。橋梁健康監測系統所處的工作環境比較苛刻，在日常監測中各種參數都會受到溫度、濕度和荷載等因素的影響，使得監測數據存在精度不高的問題。為此，在對相關數據進行處理時，需要先進行過濾、去噪和剔除異常值，從而得到可靠性較高的橋梁監測數據。目前，橋梁健康監測系統中各類傳感器的數量和類型日益增多，所生成的監測數據量也越來越大，對其進行有效處理具有很大難度。隨著大數據技術、人工智能技術、云計算技術等先進技術的飛速發展，大量數據分析系統開始以Hadoop為基礎構建數據分析平臺，具體實現方式是將Java虛擬機安裝到多個服務器上，對Hadoop運行環境進行高效配置，構建Hadoop集群，利用Hadoop分布式文件系統存儲和調取大量數據，并利用MapReduce完成任務分發，高效完成數據處理和存儲任務。以Hadoop為基礎構建面向大規模數據分析的離線數據分析平臺具有高效運行的優勢，可以自行建設，也可以租賃第三方的大數據平臺，適應性較強，能夠滿足大部分的橋梁健康監測需要。

對橋梁的健康狀態進行評價，主要分為一級評估和二級評估。安全一級評估主要內容包括橋梁的基本信息、評估狀態異常的界限值、評估結果等。在安全一級評估中，如果發生整體結構異常、部分異常等情況，都要進行安全二級評估。目前，大部分的橋梁健康狀況評估都運用了大數據技術，通過輸入檢測數據實現高速計算，構建神經網絡、深度信念網絡等先進計算模型，實現對橋梁健康狀況的準確評價。同時，橋梁健康監測系統還需要具備預警能力，在分析數據判定橋梁存在異常狀態時可以實時、自動報警，提醒處理。預警有兩個等級，分別是黃級和紅級，代表不同的嚴重程度。通過橋梁車輛荷載、最大平均風速、溫度位移和變形等監測數據，系統可以實現對橋梁健康狀況的判斷，并給出相應的預警等級。

（四）可視化監測子系統

橋梁健康監測系統需要對橋梁各方面的狀態進行有效監測，包括風速、風壓、溫度、降雨量、位移、變形、腐蝕等信息。在此過程中，為了保證監測數據的準確性和有效性，還需要構建可視化監測子系統，為管理人員提供可視化數據監測服務支持，便于快速把握橋梁健康狀態。從服務功能的角度而言，該系統可以分為兩個部分，即橋梁管理中心和移動終端，其中管理中心配備相應的監視器墻、高清解碼器等，并以實際區域的橋梁監測要求為基礎，另行配備相應的可視化設備。首先，如果當前區域內的橋梁數量較少且長度較短，可以少量配置監視器對橋梁情況進行監測，避免資源浪費。其次，如果橋梁數量多，長度長，可以為其全面配備監測設備，并建設管理工作站，利用控制監視器對橋梁的實時監測信息進行展示。目前，中國互聯網技術及相關科學技術正在飛速發展，橋梁狀態監測信息的查看需求也不斷增加，因此也可以根據實際情況設立移動終端數據顯示模式，從而提高監測效率。

結語

通過文章的分析和研究可以得知，高速公路橋梁是城市交通重要的組成部分，需要通過科學合理的監測手段，對高速公路橋梁健康狀況進行監測，從而防止發生重大安全事故，提升通行安全。基于此，文章主要從橋梁健康檢測子系統、數據傳輸子系統、數據處理子系統、可視化監測子系統幾個方面分析橋梁健康監測工作，希望可以提供一定的參考價值。

參考文獻：

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[5] 胡瓊清，邱卓，劉培，等.東昌高速公路贛江特大橋結構健康監測系統設計[J].江西建材，2023（11）：104106.

[6] 王晨.基于無損檢測技術的高速公路橋梁結構健康監測[J].交通科技與管理，2023，4（12）：13.