高速公路橋梁健康監(jiān)測與應(yīng)用

【關(guān)鍵詞】高速公路橋梁；橋梁健康監(jiān)測；檢測技術(shù)

引言

為保障高速公路橋梁運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性，降低安全事故的發(fā)生率，需要及時(shí)檢測并把握其真實(shí)的受力狀況，對各種影響因素進(jìn)行有效控制。通過構(gòu)建完善的監(jiān)測體系強(qiáng)化橋梁性能，為公路橋梁健康監(jiān)測提供有效支持。因此，此文的研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

一、高速公路橋梁健康監(jiān)測概述

（一）監(jiān)測目的

高速公路橋梁健康監(jiān)測的目的是確保橋梁的安全，及時(shí)發(fā)現(xiàn)高速公路橋梁運(yùn)行中潛在的病害問題，隨著運(yùn)行年限的增加，在環(huán)境侵蝕、材料老化、交通荷載增大及災(zāi)變等多種因素的共同影響下，高速公路橋梁運(yùn)行的安全性難以得到保障。通過對橋梁進(jìn)行健康監(jiān)測，可以掌握其在役狀態(tài)下的運(yùn)行狀況，并作為養(yǎng)護(hù)維修的重要參考。監(jiān)測作業(yè)既能預(yù)防交通事故，又能及時(shí)掌握橋梁的狀態(tài)，提前做好養(yǎng)護(hù)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會意義[1]。

（二）監(jiān)測內(nèi)容

高速公路橋梁的監(jiān)測內(nèi)容首先在于其結(jié)構(gòu)方面的病害監(jiān)測。第一，上部結(jié)構(gòu)監(jiān)測。梁橋的上部結(jié)構(gòu)是重要承載構(gòu)件，如果出現(xiàn)問題會影響橋梁的安全性。上部結(jié)構(gòu)包括主梁、橫隔梁和支座。其中主梁作為橋梁的主要承重結(jié)構(gòu)，其健康與安全性不僅關(guān)系到整個(gè)橋梁的正常運(yùn)行，還關(guān)系到人們的生命安全。主梁病害涵蓋橋面不平、混凝土質(zhì)量不達(dá)標(biāo)和鋼筋銹蝕等。橫隔梁如果發(fā)生裂縫，可能造成板梁單獨(dú)受力，進(jìn)而加重板梁的疲勞破壞，對上部結(jié)構(gòu)造成不良影響。支座作為橋面板和橋墩的轉(zhuǎn)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(xiàn)是腐蝕、老化、變形等。第二，由蓋梁和墩臺組成的下部結(jié)構(gòu)。蓋梁是橋梁體系中起到銜接和連接作用的重要構(gòu)造，蓋梁的損壞程度與主梁的斜度、跨度和寬度有關(guān)。墩臺作為橋梁結(jié)構(gòu)中的主要承載結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度與穩(wěn)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(zāi)害作用下極易發(fā)生側(cè)移、沉降、傾斜、開裂等病害，嚴(yán)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(gè)構(gòu)件組成，對車輛行車舒適度起著關(guān)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(hù)欄、混凝土結(jié)構(gòu)脫落等。（5）排水系統(tǒng)，直接關(guān)系到橋梁的正常運(yùn)行，主要病害包括損壞、堵塞、淤泥堆積等[2]。

除了橋梁結(jié)構(gòu)病害以外，還需要針對混凝土病害情況展開監(jiān)測。第一類是表層缺陷。一是蜂窩，蜂窩的出現(xiàn)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(guān)，基本上是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的原因。此外，也有可能是在澆筑混凝土?xí)r振搗不到位或漏振，模板間隙不密，搬運(yùn)耗時(shí)太久，導(dǎo)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(shí)保護(hù)層不夠厚，保護(hù)層部位混凝土質(zhì)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(shí)會吸收構(gòu)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(shí)、不均勻，或鋼筋布置不合理，都會導(dǎo)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(dǎo)致。六是接縫不平，構(gòu)件變形，這種損壞是汽車載荷作用影響之下出現(xiàn)的，也與不良建造條件相關(guān)。第二類是裂縫。橋梁出現(xiàn)裂縫是很常見的問題，根據(jù)橋梁受力性能可以將其劃分為非結(jié)構(gòu)性裂縫和結(jié)構(gòu)性裂縫兩種類型。非結(jié)構(gòu)性裂縫大多由風(fēng)化、熱脹、冷縮、壓實(shí)等非荷載因素引發(fā)。如混凝土因非荷載變形或自適應(yīng)性開裂而無法適應(yīng)自身形變時(shí)產(chǎn)生的裂縫。此類裂縫對結(jié)構(gòu)的承載能力沒有影響，但若超過一定范圍則會嚴(yán)重破壞外觀，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的耐久性下降。結(jié)構(gòu)性裂縫是指在外界載荷和應(yīng)力共同影響下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)裂縫，反映在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和延展度方面。由于拉伸應(yīng)力產(chǎn)生的剪切應(yīng)力、彎矩以及部分應(yīng)力破壞都表現(xiàn)為剪切裂紋，內(nèi)部應(yīng)力也可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性裂縫[3]。

二、高速公路橋梁健康監(jiān)測技術(shù)

（一）傳感器技術(shù)

為了獲取橋梁結(jié)構(gòu)及周圍環(huán)境信息，可以采用傳感技術(shù)對其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。常見的傳感器有位移傳感器、應(yīng)變傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器等。為了能夠?qū)蛄哼M(jìn)行遠(yuǎn)距離在線監(jiān)測，可以對多種傳感器進(jìn)行合理結(jié)合運(yùn)用，用智能化方式提升監(jiān)測效果。

（二）數(shù)據(jù)采集與傳輸技術(shù)

在對各類橋梁健康狀況進(jìn)行監(jiān)測和分析的基礎(chǔ)上，需要采用數(shù)據(jù)采集與傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大量信息的收集和傳遞，為橋梁的健康監(jiān)測和評價(jià)提供有效支持。目前最常見的數(shù)據(jù)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(yīng)橋梁健康監(jiān)測需求，信息獲取和傳送將朝著高帶寬、低延遲、強(qiáng)抗干擾性的方向發(fā)展。

（三）數(shù)據(jù)分析與處理技術(shù)

為了從傳感器獲取的數(shù)據(jù)中提取有價(jià)值的信息并對其進(jìn)行有效評估，需要應(yīng)用數(shù)據(jù)分析與處理技術(shù)。常見的數(shù)據(jù)處理方法包括信號處理、圖像處理、模式識別與數(shù)據(jù)挖掘等[4]。

（四）狀態(tài)評估技術(shù)

狀態(tài)評估技術(shù)在橋梁健康監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用，主要是對橋梁現(xiàn)狀和使用壽命進(jìn)行評估。目前主要有目測法、無損檢測和結(jié)構(gòu)分析。

（五）健康預(yù)警技術(shù)

健康預(yù)警技術(shù)是實(shí)現(xiàn)橋梁健康監(jiān)測和評價(jià)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以為橋梁的健康狀況提供早期預(yù)警，預(yù)防突發(fā)事故。健康預(yù)警主要包括故障樹分析法、模糊邏輯法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，均具有較好的預(yù)警效果。為進(jìn)一步提升橋梁狀態(tài)監(jiān)測和評價(jià)精度，健康預(yù)警技術(shù)也需要逐漸向智能化、自動化、可視化的方向發(fā)展。

（六）維修保養(yǎng)技術(shù)

維修保養(yǎng)技術(shù)是維護(hù)橋梁，提高其服役壽命的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，常見的維護(hù)方法包括混凝土修補(bǔ)、鋼結(jié)構(gòu)加固、防腐蝕處理等。維修保養(yǎng)技術(shù)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(jiān)測中發(fā)揮作用，也能在日常作業(yè)中做好定期的結(jié)構(gòu)維護(hù)，保障通行安全[5]。

三、高速公路橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用

（一）橋梁健康檢測子系統(tǒng)

橋梁健康監(jiān)測子系統(tǒng)的構(gòu)建需要以橋梁類型、自身結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境等因素為基礎(chǔ)，對具體監(jiān)測內(nèi)容進(jìn)行明確，同時(shí)合理選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅鱽磉M(jìn)行有效定位。在監(jiān)測內(nèi)容方面，主要分為三種類型：一是荷載與環(huán)境監(jiān)測，主要是對橋梁在運(yùn)行過程中所承受的車輛、風(fēng)、雨、溫度、濕度等荷載要素進(jìn)行監(jiān)測；二是結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)監(jiān)測，主要內(nèi)容包括橋梁的形變、位移等；三是結(jié)構(gòu)局部響應(yīng)監(jiān)測，針對橋梁出現(xiàn)的局部應(yīng)變、鋼構(gòu)件疲勞、裂縫、腐蝕等問題進(jìn)行監(jiān)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(shí)現(xiàn)對全車道的有效覆蓋。由于橋梁鋪裝層厚度的限制，動態(tài)稱重檢測系統(tǒng)難以運(yùn)用，且多數(shù)使用在橋前路基段，以保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，并控制超限上橋通行。第二，風(fēng)速風(fēng)向及風(fēng)壓檢測傳感器。根據(jù)測量方法的不同，可將其劃分為三向超聲波檢測儀和機(jī)械式檢測儀兩種類型。前者的穩(wěn)定性、靈敏度和適用性較強(qiáng)，較為常見，可以布置在自由場風(fēng)速位置處。目前，風(fēng)壓檢測傳感器大多是陶瓷式或擴(kuò)散硅型微壓式的，而在自由風(fēng)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(jiān)測中，橋梁位移和變形是主要監(jiān)測內(nèi)容。變形監(jiān)測主要包括主梁撓度、主梁橫向變形等，位移監(jiān)測包括支座位移和梁端縱向位移等。根據(jù)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(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇[6]。

（二）數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

根據(jù)傳輸層級，數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)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(jiān)測傳感器所采集到的信息數(shù)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(jiān)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(shí)際狀態(tài)，這樣的數(shù)據(jù)傳送帶寬比較大。根據(jù)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(jìn)行合理選擇，保證數(shù)據(jù)可以穩(wěn)定、高效傳輸。在數(shù)據(jù)收集裝置與橋梁調(diào)度中心之間負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖酉到y(tǒng)主要是通過光纖通信技術(shù)完成傳輸作業(yè)，這是一種有線傳輸?shù)姆绞剑鵁o線傳輸則主要是通過5G等方法來實(shí)現(xiàn)的。采用光纖通信傳送的方式，需要將光纖收發(fā)器或工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)等傳送裝置置于橋上，并在兩者間鋪設(shè)電纜進(jìn)行長距離的數(shù)據(jù)傳送。采用無線通信技術(shù)，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(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到橋梁控制中心計(jì)算機(jī)。在實(shí)際監(jiān)測過程中，數(shù)據(jù)傳輸方式的選擇應(yīng)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(jiān)測數(shù)據(jù)可以快速傳送，并保證數(shù)據(jù)安全。

（三）數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算方式和要求，將傳感器傳輸過來的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并存儲，根據(jù)需要生成報(bào)告，并通過對這些數(shù)據(jù)的分析把握橋梁當(dāng)前的健康狀況，實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警和評價(jià)的目的。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)所處的工作環(huán)境比較苛刻，在日常監(jiān)測中各種參數(shù)都會受到溫度、濕度和荷載等因素的影響，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)存在精度不高的問題。為此，在對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，需要先進(jìn)行過濾、去噪和剔除異常值，從而得到可靠性較高的橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)。目前，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中各類傳感器的數(shù)量和類型日益增多，所生成的監(jiān)測數(shù)據(jù)量也越來越大，對其進(jìn)行有效處理具有很大難度。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的飛速發(fā)展，大量數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)開始以Hadoop為基礎(chǔ)構(gòu)建數(shù)據(jù)分析平臺，具體實(shí)現(xiàn)方式是將Java虛擬機(jī)安裝到多個(gè)服務(wù)器上，對Hadoop運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行高效配置，構(gòu)建Hadoop集群，利用Hadoop分布式文件系統(tǒng)存儲和調(diào)取大量數(shù)據(jù)，并利用MapReduce完成任務(wù)分發(fā)，高效完成數(shù)據(jù)處理和存儲任務(wù)。以Hadoop為基礎(chǔ)構(gòu)建面向大規(guī)模數(shù)據(jù)分析的離線數(shù)據(jù)分析平臺具有高效運(yùn)行的優(yōu)勢，可以自行建設(shè)，也可以租賃第三方的大數(shù)據(jù)平臺，適應(yīng)性較強(qiáng)，能夠滿足大部分的橋梁健康監(jiān)測需要。

對橋梁的健康狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)，主要分為一級評估和二級評估。安全一級評估主要內(nèi)容包括橋梁的基本信息、評估狀態(tài)異常的界限值、評估結(jié)果等。在安全一級評估中，如果發(fā)生整體結(jié)構(gòu)異常、部分異常等情況，都要進(jìn)行安全二級評估。目前，大部分的橋梁健康狀況評估都運(yùn)用了大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過輸入檢測數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)高速計(jì)算，構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度信念網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)對橋梁健康狀況的準(zhǔn)確評價(jià)。同時(shí)，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)還需要具備預(yù)警能力，在分析數(shù)據(jù)判定橋梁存在異常狀態(tài)時(shí)可以實(shí)時(shí)、自動報(bào)警，提醒處理。預(yù)警有兩個(gè)等級，分別是黃級和紅級，代表不同的嚴(yán)重程度。通過橋梁車輛荷載、最大平均風(fēng)速、溫度位移和變形等監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對橋梁健康狀況的判斷，并給出相應(yīng)的預(yù)警等級。

（四）可視化監(jiān)測子系統(tǒng)

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)需要對橋梁各方面的狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測，包括風(fēng)速、風(fēng)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(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性，還需要構(gòu)建可視化監(jiān)測子系統(tǒng)，為管理人員提供可視化數(shù)據(jù)監(jiān)測服務(wù)支持，便于快速把握橋梁健康狀態(tài)。從服務(wù)功能的角度而言，該系統(tǒng)可以分為兩個(gè)部分，即橋梁管理中心和移動終端，其中管理中心配備相應(yīng)的監(jiān)視器墻、高清解碼器等，并以實(shí)際區(qū)域的橋梁監(jiān)測要求為基礎(chǔ)，另行配備相應(yīng)的可視化設(shè)備。首先，如果當(dāng)前區(qū)域內(nèi)的橋梁數(shù)量較少且長度較短，可以少量配置監(jiān)視器對橋梁情況進(jìn)行監(jiān)測，避免資源浪費(fèi)。其次，如果橋梁數(shù)量多，長度長，可以為其全面配備監(jiān)測設(shè)備，并建設(shè)管理工作站，利用控制監(jiān)視器對橋梁的實(shí)時(shí)監(jiān)測信息進(jìn)行展示。目前，中國互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及相關(guān)科學(xué)技術(shù)正在飛速發(fā)展，橋梁狀態(tài)監(jiān)測信息的查看需求也不斷增加，因此也可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)立移動終端數(shù)據(jù)顯示模式，從而提高監(jiān)測效率。

結(jié)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(xué)合理的監(jiān)測手段，對高速公路橋梁健康狀況進(jìn)行監(jiān)測，從而防止發(fā)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(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、可視化監(jiān)測子系統(tǒng)幾個(gè)方面分析橋梁健康監(jiān)測工作，希望可以提供一定的參考價(jià)值。

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