橋梁健康監(jiān)測智能化發(fā)展現(xiàn)狀

王 超 韓阿慧 曹娟麗

1中設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司（210001） 2 西安長安大學(xué)工程設(shè)計研究院有限公司（710061）

0 前言

橋梁作為交通建設(shè)系統(tǒng)的重要組成部分，對人類文明的發(fā)展和演化起著重要的作用。隨著社會的不斷發(fā)展，人們越來越關(guān)注交通安全問題。橋梁在施工階段和成橋服役期間由于受到環(huán)境、有害物質(zhì)侵蝕、車輛荷載、風(fēng)荷載、地震荷載、疲勞、自身材料性能退化、人為等多種因素的影響，結(jié)構(gòu)的各部分會產(chǎn)生不同程度的損傷和退化，安全性能存在隱患。這些問題如果不能及時解決，會對橋梁的壽命、功能及人們的安全造成很大威脅，因此對橋梁進(jìn)行科學(xué)的監(jiān)測顯得尤為重要。

據(jù)不完全統(tǒng)計，我國的公路橋梁超80 萬座，其中1/3 以上具有結(jié)構(gòu)性缺陷和不同程度的損傷，存在功能失效的隱患。近年來，我國發(fā)生了多次重大橋梁事故，缺乏有效的監(jiān)測措施和必要的維修養(yǎng)護(hù)措施是重要的原因之一。這些重大事故使得人們越來越關(guān)注現(xiàn)代橋梁的質(zhì)量和使用壽命。橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量檢測和健康監(jiān)測已成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界研究的熱點(diǎn)[1]。

1 橋梁健康監(jiān)測技術(shù)概念

健康監(jiān)測技術(shù)作為一種新技術(shù)，主要通過最小的成本來監(jiān)控和評估橋梁結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況，以便在橋梁結(jié)構(gòu)處于特殊氣候、交通狀況下或橋梁嚴(yán)重異常運(yùn)營狀況時觸發(fā)預(yù)警信號，并為橋梁保養(yǎng)、維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)，有效保證結(jié)構(gòu)運(yùn)營的安全性。健康監(jiān)測技術(shù)根據(jù)結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)展趨勢，預(yù)測結(jié)構(gòu)安全程度，或者在結(jié)構(gòu)遇到突發(fā)性損傷后，評估結(jié)構(gòu)安全性。應(yīng)用健康監(jiān)測系統(tǒng),可提前掌握公路橋梁結(jié)構(gòu)亞健康狀態(tài)，便于盡快作出調(diào)整與維修，保障公路橋梁的正常使用[2-3]。橋梁健康監(jiān)測可以通過在橋梁中設(shè)置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集橋梁的各種狀態(tài)參數(shù)，如荷載、溫度、撓度、應(yīng)變、振動特性等。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后通過通信系統(tǒng)送到控制中心。經(jīng)過數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析處理得到橋梁的健康狀況評估、損傷分析、剩余壽命評估、交通控制和維修決策等結(jié)論[4]。

2 橋梁健康監(jiān)測內(nèi)容

橋梁健康監(jiān)測包括施工和運(yùn)營兩個階段，施工階段主要監(jiān)測內(nèi)容為:橋梁幾何形態(tài)，包括高程、跨度、變形等參數(shù)；結(jié)構(gòu)截面應(yīng)力，包括鋼、混凝土、鋼筋的應(yīng)力分布；索力監(jiān)測，包括主纜索及吊索的索力；預(yù)應(yīng)力監(jiān)測，包括預(yù)應(yīng)力筋張拉的真實(shí)應(yīng)力、在預(yù)應(yīng)力管道摩阻中產(chǎn)生的應(yīng)力損失等；溫度監(jiān)測；下部結(jié)構(gòu)監(jiān)測,包括地基內(nèi)外部變形、地錨應(yīng)力、主塔樁基軸力等。運(yùn)營節(jié)段主要監(jiān)測內(nèi)容為；荷載監(jiān)測，主要包括風(fēng)荷載、溫度荷載、地震荷載和聲荷載等；表面形貌監(jiān)測，包括橋梁各部位的動、靜態(tài)位置，沉降，線形變化等；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的監(jiān)測，主要包括橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、應(yīng)力、動力反應(yīng)等；振動監(jiān)測，包括結(jié)構(gòu)的振動和沖擊,從而得到其模態(tài)參數(shù)等；橋梁性能趨向、非結(jié)構(gòu)部件及輔助設(shè)施監(jiān)測，主要包括結(jié)構(gòu)的各種主要性能指標(biāo)、制作、振動控制設(shè)施等[5]。

3 國內(nèi)外健康監(jiān)測中的新技術(shù)

傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測方式以人工巡查、設(shè)備檢測為主，很難做到及時或?qū)崟r監(jiān)測。隨著大數(shù)據(jù)、BIM 等信息技術(shù)的發(fā)展，橋梁監(jiān)測逐步構(gòu)建起信息化、智能化的應(yīng)用系統(tǒng)。

3.1 BIM 技術(shù)

BIM 技術(shù)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)信息模型、橋梁健康信息監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容。BIM 數(shù)據(jù)信息模型為橋梁建設(shè)與健康信息的監(jiān)測提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理則利用各種傳感器對運(yùn)行中的橋梁進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。BIM 模型強(qiáng)大的可視化與分析計算功能在橋梁健康的評估中發(fā)揮著巨大作用，可完成橋梁健康狀況的綜合評估，包括損傷識別、狀態(tài)評估以及疲勞狀況等信息，并給出相應(yīng)的預(yù)警信息，實(shí)現(xiàn)對橋梁狀態(tài)的量化評估[6-7]。

3.2 傳感傳輸技術(shù)

傳感傳輸技術(shù)即利用傳感器等傳輸信號達(dá)到監(jiān)測的技術(shù)。監(jiān)測內(nèi)容方面，傳感傳輸技術(shù)涉及了變形、位移等方面測量，檢測拉索銹蝕和疲勞監(jiān)測等方面。其中，傳感器技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、狀態(tài)監(jiān)測可視化和評估輔助技術(shù)等，都是當(dāng)前重要的新技術(shù)。在不斷的研究和持續(xù)改進(jìn)中,一些新技術(shù)發(fā)展逐漸成熟，包括機(jī)敏網(wǎng)仿生裂縫監(jiān)測技術(shù)、監(jiān)測動態(tài)功耗管理技術(shù)、準(zhǔn)直點(diǎn)激光投射式撓度監(jiān)測技術(shù)等,當(dāng)前已走向市場[8]。

3.3 GPS 技術(shù)

GPS 橋梁監(jiān)測系統(tǒng)包括控制中心、 基準(zhǔn)站、監(jiān)測點(diǎn)及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。GPS 技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測技術(shù)的不足，測量精度高，誤差低，檢測成本小，大大減少了惡劣自然條件對橋梁監(jiān)測的限制和影響，能夠全天候地對橋梁結(jié)構(gòu)健康情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控及評估，可以廣泛應(yīng)用于橋梁監(jiān)測領(lǐng)域。當(dāng)在多個點(diǎn)同步監(jiān)控的時候,運(yùn)用GPS 定位測量技術(shù)可以快速獲得定位點(diǎn)三維坐標(biāo)。該方法受自然影響小、采集數(shù)據(jù)快和自動化。所以對長期處于高強(qiáng)度運(yùn)載中的橋梁進(jìn)行評估，這種技術(shù)非常方便。同時，這種技術(shù)對檢測當(dāng)代橋梁的受損情況也非常重要。通過運(yùn)用數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以獲得大量的橋梁檢測數(shù)據(jù)，通過固定時間內(nèi)的檢測數(shù)據(jù)形成數(shù)據(jù)庫,方便后期隨時進(jìn)行訪問、回復(fù)和處理?？梢暬夹g(shù)能夠更加直接看見橋梁結(jié)構(gòu)的位移狀況和結(jié)構(gòu)整體的位移, 當(dāng)前GPS-RTK 技術(shù)在國內(nèi)外越來越多的橋梁監(jiān)測中得到了廣泛的運(yùn)用[9-10]。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測方式很難做到及時或?qū)崟r，缺乏科學(xué)系統(tǒng)的監(jiān)測方法，往往對橋梁的狀況缺乏全面的把握和了解，信息不能得到及時反饋。大數(shù)據(jù)、BIM、GPS 等信息技術(shù)的廣泛使用,使得橋梁監(jiān)測逐步構(gòu)建起信息化、智能化的應(yīng)用系統(tǒng),在實(shí)際應(yīng)用中滿足了橋梁監(jiān)測的實(shí)際需求。信息技術(shù)不斷的進(jìn)步會導(dǎo)致更加多樣化的的數(shù)據(jù)被采集, 因此也會促進(jìn)評估理論的發(fā)展。