城市高架橋結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)智慧化淺析

□ 陳 鋒

傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構健康監(jiān)測主要以人工巡查為主，并輔之以相應的檢測設備，但難以做到對橋梁實時、連續(xù)不間斷的監(jiān)測，監(jiān)測方法非智能化。隨著物聯(lián)網(wǎng)及智慧城市建設的不斷深入開發(fā)，橋梁結(jié)構健康監(jiān)測、重要結(jié)構部位的維護，都已離不開對傳感器的運用。一般情況下，利用較為先進的傳感器對橋梁在外部受到的刺激進行系統(tǒng)監(jiān)測，對實際監(jiān)測得到的各項數(shù)據(jù)進行記錄整理，再將它傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，利用人工智能技術，對于所傳輸?shù)母黜棓?shù)據(jù)做出識別，利用智能技術進行判斷，及時發(fā)出警報信息。

1 橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)應用的意義

橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)在具體應用期間，采用無損傳感技術分析橋梁結(jié)構情況，科學監(jiān)測橋梁工程結(jié)構。通過對該監(jiān)測系統(tǒng)進行應用，不僅可以使工作人員對大型橋梁工程整體結(jié)構有一個全面了解，還能依據(jù)了解到的情況，完成對橋梁工程結(jié)構的維修，從而降低安全事故發(fā)生的概率。

交通運輸部發(fā)布《關于進一步提升公路橋梁安全耐久水平的意見》指出，要加強橋梁結(jié)構健康監(jiān)測，2025年底前實現(xiàn)跨江跨海跨峽谷等特殊橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)全面覆蓋。到2035年，公路橋梁建設養(yǎng)護管理水平進入世界前列，公路橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)全面建立，安全風險防控體系基本完善，創(chuàng)新發(fā)展水平明顯提高，標準化、智能化水平全面提升，平均服役壽命明顯延長，基本實現(xiàn)并不斷完善管理體系和管理能力現(xiàn)代化的工作目標。因此，在大型橋梁工程建設中，相關工作人員要不斷研究監(jiān)測系統(tǒng)。近幾年我國交通行業(yè)快速發(fā)展，為了滿足交通需求，建設了大量的大型橋梁工程，但由于每天有大量車輛通行于橋梁上，車輛的荷載會對橋梁工程造成一定破壞，因此，若無法確保大型橋梁工程結(jié)構質(zhì)量，在實際使用期間可能會引發(fā)嚴重交通事故，不僅會造成巨大的經(jīng)濟損失，而且還會造成人員傷亡[1]?？梢姡诮煌ㄐ袠I(yè)快速發(fā)展的今天，對監(jiān)測系統(tǒng)進行合理應用意義重大。

2 橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)的構成

橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)是一種可實現(xiàn)自動采集橋梁結(jié)構不同形式的物理量（如位移、應變、溫度、振動加速度等），對測量結(jié)果進行預處理（如數(shù)據(jù)換算、主應變計算等）后通過無線傳輸至監(jiān)控中心，利用人工智能技術監(jiān)測橋梁的系統(tǒng)工作站。

在整個橋梁的監(jiān)測系統(tǒng)當中，基本的功能模塊分為傳感器系統(tǒng)、橋梁結(jié)構分析系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等。在數(shù)據(jù)的采集和傳輸過程當中，會利用視頻或者圖像結(jié)合接觸式的傳感器，將橋梁實際運營的數(shù)據(jù)儲存入數(shù)據(jù)庫中，之后將所有的數(shù)據(jù)和相關信號全部傳送給監(jiān)控中心[2]。然而橋梁分析是利用三維的數(shù)據(jù)，將實際的工作狀態(tài)和健康狀況進行演繹。將可能存在結(jié)構損傷的地方或損傷程度做出智能化的分析，在此基礎上保障讓整個橋梁的安全評估。整個過程需要非常多的時間，甚至會耗費幾天時間都在對結(jié)構做出分析。然而人工智能可以通過網(wǎng)絡技術進行學習，能夠更加快速地對整個橋梁的結(jié)構問題做出判斷，當橋梁結(jié)構受到破壞，就會及時發(fā)出警報[3]。

3 監(jiān)測內(nèi)容和測點布置

3.1 主梁應變測點布置

因為有的高架橋相對比較特殊，它的實際檢測部位主要在主梁的跨中截面和墩頂界面。若對整體橋梁結(jié)構的應變力狀況做出檢測，就需要對它進行良好的受力分析，保證實際應變不會存在超限的狀況，或者將其所受力狀況和以往檢測出的結(jié)果做出比較，確定是否有其他問題產(chǎn)生。

3.2 橋墩沉降測點布置

因建設工期的需要，很多政府工程常在同期同步施工，主要包括在基坑上的開挖工作、樁基托換工作，等等。這些工作都會使得整個橋墩發(fā)生沉降現(xiàn)象，導致整個橋梁的結(jié)構受力受到影響，所以對橋墩沉降的布置要在承臺之上的25cm處。

3.3 索力監(jiān)測

在索結(jié)構當中，最重要的受力構件就是拉索。它所具備的穩(wěn)定性，對于整個結(jié)構的安全性能有著非常重要的影響。正是因為索結(jié)構非常先進，所以其實際監(jiān)測的結(jié)果對結(jié)構安全的控制就非常的有必要。當前，最常用的索力監(jiān)測方式分為直接法和間接法。直接法主要分為壓力表定法、傳感器測定法、三點彎曲法3種類型；而間接法則分為頻率測定法和磁場效應測定法2種類型。最常用到的監(jiān)測儀器是振弦式的錨索壓力傳感器以及索力動測儀，等等[4]。

3.4 結(jié)構損傷識別

（1）對靜力損傷進行識別。它所采集到的數(shù)據(jù)是對結(jié)構的應力和應變進行識別。通常會得到一條精準度相對較高且符合整個結(jié)構受力變化的曲線。（2）對動力進行損傷識別。在當前階段，它的識別主要是利用兩個方式。一個方式是基于當前狀態(tài)，做出損傷識別。主要通過整個結(jié)構的振動模態(tài)以及實際的改變狀況進行結(jié)構分析[5]，比如固有的頻率損傷識別法、實際能量變化的損傷識別法、實際柔度變化的損傷識別方式，等等。主要優(yōu)點是能夠?qū)Y(jié)構所損傷的空間信息做出真實的反應，然而大多數(shù)的研究都是針對低階振動模態(tài)來進行損傷識別。另一個方式是對所有的信號進行處理的損傷識別。在整個頻率當中它有著非常好的局部化能力，特別是頻率成分相對比較簡單，能夠確定信號。其擁有一些小波分析的方式較為普遍，能夠?qū)φ麄€結(jié)構的監(jiān)測損傷識別進行充分的應用。在土木工程當中這種方式的運用，發(fā)展得較為快速[6]。

3.5 嚴格車輛超限超載治理

深入推進交通運輸和公安部門治理車輛超限超載聯(lián)合執(zhí)法，規(guī)范完善公路橋梁限載標志設置。加強重點線路、橋梁超限檢測站點布設，有條件的地區(qū)可在重要節(jié)點位置設置具備不停車稱重檢測、視頻監(jiān)控和自動抓拍等功能的技術監(jiān)控設施（備），強化路面管控。推動重點貨物裝載源頭單位落實合法裝載主體責任，在地方政府統(tǒng)一領導下，強化對貨物裝載源頭的行業(yè)監(jiān)管[7]。

3.6 支座、阻尼器和主塔位移監(jiān)測

支座和阻尼器是上部結(jié)構梁體與下部結(jié)構橋墩相連接的組件，它們的活動數(shù)值體現(xiàn)出梁體的伸縮量和整體位移量，當每個支座和阻尼器位移監(jiān)測數(shù)據(jù)不符合梁體的正常伸縮和位移范圍時，則需要依次檢查支座和阻尼器、梁體及兩端伸縮縫、橋墩等結(jié)構查找原因。主塔位移的監(jiān)測傳感器安裝在塔頂，監(jiān)測塔的位置坐標和塔頂沉降，結(jié)合其他監(jiān)測數(shù)據(jù)、主塔傾角及塔身混凝土收縮量計算出主塔頂部的允許擺動范圍，若超出允許擺動范圍就須對監(jiān)測傳感器好壞，主塔承臺的傾斜、沉降和位移，塔身整體結(jié)構的穩(wěn)定和塔柱兩側(cè)的索力值等方面依次進行排查。

3.7 實現(xiàn)智能化重點技術突破

研發(fā)基于深度學習的病害識別技術，通過計算機視覺自動提取病害的特征，實現(xiàn)病害高精度識別；研發(fā)基于磁致伸縮導波的無損性拉吊索斷絲檢測技術，對于斷絲截面損失情況進行精準化評估；研發(fā)準靜態(tài)快速荷載試驗技術，縮短荷載試驗時間并降低試驗成本，同時精準評價橋梁的承載力狀況；研發(fā)同步壓縮變換瞬時頻率算法，有效提取重車通過時索承橋的索力極值，為超載報警和突發(fā)事件的安全評估做出及時預判；研發(fā)更高精度、高頻率的位移測量技術，如長標距的光纖傳感、微波干涉雷達等技術。

此外，在數(shù)據(jù)處理與狀態(tài)評估方面，充分利用云計算、人工智能技術推進數(shù)據(jù)處理自動化與智能化；并研發(fā)時空數(shù)據(jù)融合計算，推進檢測監(jiān)測一體化大數(shù)據(jù)分析，建立橋梁健康狀態(tài)時空演化模型。新型數(shù)字溫度傳感器測溫系統(tǒng)，運用無源擺幅速率控制和瞬時強上拉技術，提升監(jiān)測效率且成本較低，具有作為長監(jiān)測手段的可能?；陂L標距光纖光柵技術，通過推算結(jié)構撓度轉(zhuǎn)角、動力特征、交通荷載等關鍵數(shù)據(jù)，實現(xiàn)應變處理、變形解析、模態(tài)解析、全橋荷載識別、損傷識別及異常分析?；诜植际絺鞲袑щ娡苛蠈α芽p具有電阻強敏感性，對橋梁混凝土裂縫的寬度計算、發(fā)展閾值報警，實現(xiàn)了實時監(jiān)測裂縫進展的方法。對于監(jiān)測過程中采集的海量數(shù)據(jù)，采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡的異常數(shù)據(jù)自動探測，在數(shù)據(jù)缺失時補充數(shù)據(jù)，利用實測和預測的差異進行探測異常。綜合發(fā)展傳感設備與監(jiān)測系統(tǒng)管理制度，并面向自動化、智能化發(fā)展橋梁數(shù)據(jù)分析技術，從而實現(xiàn)現(xiàn)有橋梁健康監(jiān)測技術發(fā)展問題的突破。

4 結(jié)語

依托監(jiān)測系統(tǒng)開展日常管理，健全完善長期運行機制，不斷拓展系統(tǒng)功能，持續(xù)建設具有覆蓋重要公路橋梁的技術先進、經(jīng)濟適用、精準預警的監(jiān)測體系，進一步提升監(jiān)測系統(tǒng)的實效性、可靠性和耐久性。

建立健康監(jiān)測系統(tǒng)加強城市高架橋的監(jiān)測，可以為橋梁管理部門準確科學的管理提供參考。