江蘇樣本：構(gòu)筑強(qiáng)大的橋梁“神經(jīng)系統(tǒng)”

文 江蘇高速公路工程養(yǎng)護(hù)技術(shù)有限公司 陳策

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是傳統(tǒng)人工檢測方法的重要補(bǔ)充，利用該技術(shù)構(gòu)筑起橋梁的“神經(jīng)系統(tǒng)”，有助于發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)病害和隱患，保障橋梁安全與健康。

近年來，江蘇省在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)方面的研究和應(yīng)用取得重要突破和進(jìn)展，不但率先探索出頗具代表性的區(qū)域性長大橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)中心管理模式；還率先規(guī)模性地在常規(guī)中小橋梁上推進(jìn)健康監(jiān)測技術(shù)的研究和應(yīng)用，建立了較為完善的標(biāo)準(zhǔn)化體系，形成了一系列典型性工程應(yīng)用成果和案例，為工程界和學(xué)術(shù)界提供了極具價(jià)值的參考樣本。

根據(jù)發(fā)達(dá)國家交通基礎(chǔ)建設(shè)和管理經(jīng)驗(yàn)來看，橋梁大規(guī)模建設(shè)之后，必然迎來大規(guī)模管養(yǎng)時(shí)代，常規(guī)檢測已無法滿足橋梁結(jié)構(gòu)安全報(bào)警與評估的需要，尤其對于大跨度橋梁，需要通過結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)來獲得其在運(yùn)行狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和自身特性，從而實(shí)現(xiàn)重大事件的報(bào)警預(yù)警和結(jié)構(gòu)狀態(tài)的趨勢分析。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國已有500余座橋梁建立了不同規(guī)模的健康監(jiān)測系統(tǒng)，其中江蘇省有近百座，占全國總數(shù)的20%。江蘇省對大跨度橋梁已經(jīng)全部建立了較為完善的健康監(jiān)測系統(tǒng)，且每年進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)和數(shù)據(jù)分析，保障其正常穩(wěn)定運(yùn)行，從而有效獲得結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化信息。

長大橋梁健康監(jiān)測技術(shù)的研究與應(yīng)用

江蘇較早地開展了橋梁健康監(jiān)測技術(shù)的研究與應(yīng)用。應(yīng)用方面，最早可追溯到1999年建設(shè)的江陰大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)。此后，該領(lǐng)域技術(shù)的研究和應(yīng)用不斷加快，至2004年，江蘇已擁有大量健康監(jiān)測技術(shù)自主知識產(chǎn)權(quán)，并實(shí)現(xiàn)了江陰長江公路大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的自主升級改造，實(shí)現(xiàn)了潤揚(yáng)長江公路大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的自主設(shè)計(jì)和施工。自此，江蘇平均每年都會開展2～3項(xiàng)省級科研項(xiàng)目，對健康監(jiān)測系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)研究。如2011年，江蘇省開展了重大專項(xiàng)科研課題“橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與狀態(tài)評價(jià)成套技術(shù)”，對橋梁用傳感器應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)、長大橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)、大型懸索橋及斜拉橋健康監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)警及評估指標(biāo)體系、基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的大跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋安全評估技術(shù)、中小橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評價(jià)技術(shù)、系桿拱橋結(jié)構(gòu)安全性評估及吊桿疲勞壽命預(yù)測技術(shù)、運(yùn)營期多源環(huán)境場耦合作用下橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)用分析技術(shù)、中小橋梁快速檢測技術(shù)等進(jìn)行了專項(xiàng)攻關(guān)研究，并獲得了重要科研成果，大幅推進(jìn)了健康監(jiān)測技術(shù)在江蘇省的推廣應(yīng)用，并初步建立了橋梁健康監(jiān)測技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化體系。

為打造健康監(jiān)測技術(shù)團(tuán)隊(duì)，培養(yǎng)專業(yè)技術(shù)人才，構(gòu)建科學(xué)化、專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化的橋梁健康監(jiān)測養(yǎng)護(hù)管理模式，促進(jìn)長大橋梁健康監(jiān)測技術(shù)又好又快發(fā)展，2010年，江蘇交通控股有限公司（以下簡稱“江蘇交控”）聯(lián)合蘇交科集團(tuán)股份有限公司率先成立了全國首個(gè)區(qū)域性長大橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)中心——“江蘇省長大橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)中心”（以下簡稱“數(shù)據(jù)中心”）。2020年，江蘇交控明確由江蘇高速公路工程養(yǎng)護(hù)技術(shù)公司作為數(shù)據(jù)中心的歸口管理單位，進(jìn)一步發(fā)揮技術(shù)與數(shù)據(jù)的集成效應(yīng)。

目前，江蘇已有近百座橋梁建立了不同規(guī)模的健康監(jiān)測系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)中心的四項(xiàng)重要工作如下：

圖2 江蘇省長大橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)中心

圖3 接入江蘇省長大橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)中心的長大橋梁

專業(yè)服務(wù)

為江蘇省長大橋梁提供全方位的健康監(jiān)測技術(shù)服務(wù)，成為橋梁的專職“保健醫(yī)生”；保障系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行，并優(yōu)化系統(tǒng)功能；存儲和管理全省長大橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行跟蹤分析，剖析結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化趨勢，為養(yǎng)護(hù)維修提供科學(xué)依據(jù)。

技術(shù)提升

集中優(yōu)勢力量，開展健康監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域的瓶頸問題攻關(guān)研究，為江蘇省乃至全國建立較為完善的橋梁健康監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。

人才培養(yǎng)

培養(yǎng)健康監(jiān)測技術(shù)專業(yè)人才，包括傳感技術(shù)、采集技術(shù)、通訊技術(shù)、軟件開發(fā)技術(shù)、信號處理技術(shù)、算法分析技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、運(yùn)維管理技術(shù)等專業(yè)人才。

開放共享

開放數(shù)據(jù)中心，供各企業(yè)人士進(jìn)行參觀交流；開放監(jiān)測數(shù)據(jù)，供研究人員開展研究；與各長大橋梁管理單位共享監(jiān)測技術(shù)和研究成果，推進(jìn)健康監(jiān)測技術(shù)的快速發(fā)展和推廣應(yīng)用。

常規(guī)中小跨徑橋梁監(jiān)測技術(shù)研究與應(yīng)用

我國中小跨徑橋梁量大、面廣，部分橋梁建設(shè)年代久遠(yuǎn)，且受地震、洪水等自然災(zāi)害影響，一些老舊中小橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)堪憂，常規(guī)檢測無法及時(shí)獲得其結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化情況和極端工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，因此，有必要建立健康監(jiān)測系統(tǒng)。重點(diǎn)是，長大橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)無法直接復(fù)制到中小橋梁，詳見表1。

表1 常規(guī)中小跨徑橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)特點(diǎn)與對策措施

江蘇通過“橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與狀態(tài)評價(jià)成套技術(shù)”和“面向感知公路的國省干線橋梁簡易型狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究”等科研項(xiàng)目，打破了常規(guī)中小橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的多項(xiàng)瓶頸問題，使橋梁健康監(jiān)測技術(shù)被成功推廣應(yīng)用到大量中小橋梁上。

“十三五”期間，江蘇還在全國范圍內(nèi)率先啟動(dòng)了干線公路上75座特殊橋梁（復(fù)雜特大橋梁、特殊結(jié)構(gòu)橋梁、特別重要橋梁）的健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)計(jì)劃，并建立了“江蘇省普通干線公路橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)中心”，使健康監(jiān)測技術(shù)在江蘇實(shí)現(xiàn)了更大范圍的推廣應(yīng)用。

江蘇橋梁健康監(jiān)測技術(shù)典型成果

江蘇省通過對大量科研項(xiàng)目開展技術(shù)攻關(guān)，并經(jīng)過大量橋梁健康監(jiān)測項(xiàng)目的實(shí)踐驗(yàn)證，獲得了一系列科研和應(yīng)用成果，主要如下：

科研獎(jiǎng)項(xiàng)

基于多座大橋長期實(shí)測數(shù)據(jù)，江蘇首次建立了華東沿海地區(qū)強(qiáng)/臺風(fēng)實(shí)測風(fēng)譜模型，如圖4所示，形成了橋梁健康監(jiān)測成套關(guān)鍵技術(shù)、橋梁群協(xié)同監(jiān)測技術(shù)等多項(xiàng)重要技術(shù)，獲得了包括國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、江蘇省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、中國公路學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)1項(xiàng)在內(nèi)的50余項(xiàng)科研成果獎(jiǎng)項(xiàng)。這些科研成果使得健康監(jiān)測技術(shù)更具實(shí)用性，能夠切實(shí)指導(dǎo)橋梁養(yǎng)護(hù)管理工作的開展和推進(jìn)，有效保障橋梁結(jié)構(gòu)安全。

圖4 華東沿海地區(qū)強(qiáng)/臺風(fēng)譜模型

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化

江蘇省率先建立了較為完善的健康監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化體系，包括橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)施、檢評和維護(hù)四大部分標(biāo)準(zhǔn)體系，發(fā)布了江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)《橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DB32 T 3562-2019）和《光纖傳感式橋隧結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工及維護(hù)規(guī)范》（DB32 T 2880-2016），編制了《公路橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫架構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、中國公路學(xué)會團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)施工質(zhì)量檢驗(yàn)與評定指南》等。

監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)與維護(hù)

雖然健康監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)獲得了重大突破和較為廣泛的應(yīng)用，但仍存在較多問題，需要工程界和學(xué)界共同努力，依托技術(shù)的快速發(fā)展，進(jìn)一步加以突破和解決。

為更好地提供健康監(jiān)測系統(tǒng)的維護(hù)服務(wù)和數(shù)據(jù)分析服務(wù)，保障健康監(jiān)測系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行和深入數(shù)據(jù)挖掘，江蘇率先成立了“江蘇省長大橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)中心”和“江蘇省普通干線公路橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)中心”，這一數(shù)據(jù)中心模式的探索和應(yīng)用，不僅促進(jìn)了健康監(jiān)測系統(tǒng)的維護(hù)工作長期有效開展，有效保障了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，而且優(yōu)化了系統(tǒng)的管理和應(yīng)用工作機(jī)制，使得系統(tǒng)能夠更加充分地發(fā)揮作用，同時(shí)也加快了江蘇省健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。這一模式還在天津、安徽等地得到推廣和應(yīng)用。

數(shù)據(jù)分析典型成果

特大橋梁的健康監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，每月編制數(shù)據(jù)分析月度報(bào)告，每年編制數(shù)據(jù)分析年度報(bào)告，從不同維度、不同深度分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，獲得橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)信息；常規(guī)中小跨徑橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，每季度編制數(shù)據(jù)分析季度報(bào)告，將監(jiān)測數(shù)據(jù)與常規(guī)檢測相結(jié)合，從而獲得橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息。

鏈接：

江蘇橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)分析典型案例

突發(fā)事件及時(shí)報(bào)警：江陰大橋主梁遭受船舶撞擊

對健康監(jiān)測系統(tǒng)記錄的3次船撞數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與研究，構(gòu)建了三指標(biāo)船撞報(bào)警體系，分別利用梁端水平轉(zhuǎn)角的幅值超限、能量衰減特性和功率譜密度三個(gè)指標(biāo)聯(lián)合判斷，可實(shí)現(xiàn)船撞發(fā)生后1分鐘內(nèi)報(bào)警。

圖1 江陰大橋船撞事件報(bào)警方法研究

累計(jì)損傷趨勢分析：懸索橋伸縮縫病害成因分析與處置

江陰長江公路大橋伸縮縫設(shè)計(jì)壽命40年，但使用5年后就出現(xiàn)嚴(yán)重病害，通過對健康監(jiān)測系統(tǒng)的梁端位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，伸縮縫鋼梁之間的滑塊累計(jì)位移遠(yuǎn)大于廠家給定的設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致滑塊快速磨損。了解病害成因后，廠家重新設(shè)計(jì)了滑塊，使其更加耐磨，同時(shí)，江陰大橋還在梁端增添了縱向阻尼器。潤揚(yáng)大橋在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)立中央扣，大幅減小了伸縮縫累計(jì)位移，伸縮縫滑塊的改進(jìn)和橋梁受力結(jié)構(gòu)的微調(diào)，大幅增加了伸縮縫的使用壽命。

關(guān)鍵指標(biāo)連續(xù)監(jiān)測：路面溫度連續(xù)監(jiān)測

路面溫度是橋梁養(yǎng)護(hù)作業(yè)中的重要參數(shù)，夏季高溫時(shí)，需要根據(jù)路面溫度情況，及時(shí)灑水降溫，防止高溫車轍；冬季低溫時(shí)，需要根據(jù)路面溫度情況，及時(shí)預(yù)撒除冰鹽，防止路面結(jié)冰，影響行車安全。以往，路面溫度只能由養(yǎng)護(hù)人員上橋?qū)崪y，關(guān)鍵時(shí)間段每半小時(shí)測量一次，不僅影響交通，還存在交通風(fēng)險(xiǎn)，且無法及時(shí)獲得橋面溫度。極端溫度下，環(huán)境惡劣，測量工作難以開展。通過健康監(jiān)測系統(tǒng)，養(yǎng)護(hù)人員可在辦公室內(nèi)實(shí)現(xiàn)路面溫度的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，根據(jù)溫度實(shí)時(shí)變化情況，及時(shí)采取養(yǎng)護(hù)措施。

驗(yàn)證和指導(dǎo)設(shè)計(jì)：崇啟大橋主梁振動(dòng)阻尼器效果驗(yàn)證

崇啟長江公路大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)對其主梁的阻尼器振動(dòng)和位移進(jìn)行了監(jiān)測，通過阻尼器安裝前后相近風(fēng)場條件下，對主梁及其阻尼器的振動(dòng)和位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，安裝阻尼器后，主梁振動(dòng)和位移明顯減小，且隨著風(fēng)速的增加，主梁振動(dòng)幅值未出現(xiàn)明顯增大的現(xiàn)象，但阻尼器的振動(dòng)和位移卻出現(xiàn)了明顯增大現(xiàn)象，說明阻尼器對于主梁的振動(dòng)起到了較好的抑制作用。

圖2 崇啟大橋阻尼器效果驗(yàn)證

總體而言，雖然健康監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)獲得了重大突破和較為廣泛的應(yīng)用，但仍然存在較多問題需要解決，如傳感器設(shè)備的壽命和穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高；海量監(jiān)測數(shù)據(jù)的清洗和信息挖掘能力有待進(jìn)一步提升；健康監(jiān)測技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化體系有待進(jìn)一步完善等，這些問題還需要工程界和學(xué)界共同努力，依托云平臺、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、移動(dòng)通訊技術(shù)的快速發(fā)展，進(jìn)一步加以突破和解決。