淺談結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)在橋梁管養(yǎng)中的應(yīng)用

楊燕青

（上海市嘉定區(qū)交通建設(shè)管理中心，上海市 201899）

0 引 言

2021年3月1日，交通運輸部發(fā)布了《公路長大橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)實施方案》，決定在“十四五”期組織開展跨江跨海峽等長大橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)，并列出了必須要做健康監(jiān)測系統(tǒng)的401座大型橋梁，標(biāo)志著橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展的“黃金時代”即將到來。

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是指：由安裝在橋梁上的傳感器以及數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)處理與管理等軟硬件構(gòu)成，對橋梁荷載與環(huán)境作用及橋梁結(jié)構(gòu)性能參數(shù)進(jìn)行測量、收集、處理、分析，并對橋梁正常使用水平與安全狀態(tài)進(jìn)行評估與預(yù)警的系統(tǒng)[1]。通過對橋梁的響應(yīng)、環(huán)境以及荷載等狀況進(jìn)行全面的監(jiān)測，動態(tài)掌握橋梁結(jié)構(gòu)的運行狀況，在異常情況下進(jìn)行預(yù)警，達(dá)到防范和化解橋梁運行重大安全風(fēng)險，進(jìn)一步提升橋梁結(jié)構(gòu)安全保障能力的目的。

1 建設(shè)健康監(jiān)測系統(tǒng)的必要性

橋梁如人，難免有病有恙，需要維修，維修前需要看病診斷，作為橋梁管理單位，依法依規(guī)對橋梁進(jìn)行定期檢查和檢測，并進(jìn)行及時地養(yǎng)護(hù)、維修或加固，是確保橋梁運營安全的重要手段。但對于一些特別重要橋梁、長大橋梁以及特殊結(jié)構(gòu)橋梁，僅依靠傳統(tǒng)的檢測技術(shù)和養(yǎng)護(hù)手段，是否還能滿足橋梁運營安全的需求？

例如，蕰藻浜大橋是我區(qū)公路上的一座大型重要橋梁，2010年通車，橋梁總長420m，其中主橋采用飛燕式中承式鋼管混凝土系桿拱橋（見圖1），長220m，跨徑組合32m+156m+32m。該橋地處城鄉(xiāng)結(jié)合部，橋上交通繁忙，且通行重車較多，如何確保橋梁始終處于安全、可控狀態(tài)，是擺在橋梁管理單位面前的一個題目。

圖1 蕰藻浜大橋立面示意圖

1.1 傳統(tǒng)橋梁檢查手段的局限性

橋梁檢查是對橋梁的全面“體檢”，為橋梁的運行安全提供了強有力支撐。然而，由于傳統(tǒng)的橋梁檢查主要依靠人工進(jìn)行檢測，一方面，檢查結(jié)果的可靠性除了與儀器設(shè)備精準(zhǔn)度、檢測環(huán)境等客觀因素有關(guān)外，在很大程度上還受到檢測人員的工作態(tài)度、技術(shù)能力和檢測經(jīng)驗等主觀因素影響，而且需要投入大量人力、物力，需要占道影響交通等；另一方面，人工檢查是間斷的測量，一旦橋梁在兩次檢查的間隔期間內(nèi)發(fā)生緊急情況，比如超載通行、偶然沖撞、臺風(fēng)等可能會對橋梁產(chǎn)生損傷，人工檢查如不能及時發(fā)現(xiàn)，這將給橋梁運營安全埋下嚴(yán)重的安全隱患。

1.2 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)不同于傳統(tǒng)的橋梁檢查，其是運用先進(jìn)的各類傳感器與發(fā)達(dá)的物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，實現(xiàn)對橋梁全天候、實時、動態(tài)監(jiān)測，并依靠已建立的橋梁模型對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評估，從而實現(xiàn)對橋梁健康狀況的動態(tài)監(jiān)測。與橋梁檢查技術(shù)相比，其具有實時、動態(tài)監(jiān)測以及反應(yīng)迅速等顯著優(yōu)點。

綜上所述，橋梁檢查和健康監(jiān)測均是保證橋梁結(jié)構(gòu)安全運營的重要措施，這兩種技術(shù)手段應(yīng)相輔相成，互為補充，尤其是對長大橋梁和復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁實施健康監(jiān)測系統(tǒng)，意義重大。因此，對于蕰藻浜大橋，除依規(guī)組織進(jìn)行日常巡查和定期檢查外，為實時掌控大橋的運行受力情況，輔助管理單位的科學(xué)管養(yǎng)，建設(shè)一套符合大橋需求的健康監(jiān)測系統(tǒng)是必要的，也是十分需要的。

2 健康監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)方案

2.1 建設(shè)目標(biāo)

橋梁健康監(jiān)測的基本功能是通過構(gòu)建實時監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對大橋關(guān)鍵荷載源（風(fēng)、地震、車輛荷載）和結(jié)構(gòu)響應(yīng)（變形、應(yīng)力、振動、纜索力）的實時監(jiān)控，為大橋在極端氣候、特殊交通條件下或橋梁運營狀況嚴(yán)重異常時觸發(fā)預(yù)警信號，為橋梁維護(hù)、維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)，降低橋梁運營風(fēng)險和社會財產(chǎn)損失[2]。

蕰藻浜大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)為：（1）獲取橋梁結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件在環(huán)境與交通條件下的運行狀態(tài)，動態(tài)評估橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和使用性；（2）發(fā)生突發(fā)事件（如船舶、車輛撞擊，超載，極端天氣）后，能夠立即識別和反應(yīng)，可及時查明結(jié)構(gòu)狀態(tài)和評估預(yù)警；（3）獲取橋梁結(jié)構(gòu)的外部荷載（主要是車輛荷載）和損傷過程，為大橋的科學(xué)管養(yǎng)與維修決策提供依據(jù)。

2.2 系統(tǒng)的組成

為實現(xiàn)上述建設(shè)目標(biāo)，蕰藻浜大橋的健康監(jiān)測系統(tǒng)分以下幾個子系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)位移與受力監(jiān)測子系統(tǒng)、環(huán)境與交通監(jiān)測子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、健康狀況評估與安全預(yù)警子系統(tǒng)。

（1）結(jié)構(gòu)位移與受力監(jiān)測子系統(tǒng)

蕰藻浜大橋為中承式系桿拱橋，通過分析其結(jié)構(gòu)特點，荷載傳遞的基本路徑是：車輛活載作用于橋面板上，橋面荷載將力傳遞給縱、橫梁組成的框架體系，然后通過吊桿系統(tǒng)傳遞給主拱肋，再由支座向下部結(jié)構(gòu)進(jìn)一步傳遞。

因此，結(jié)構(gòu)位移與受力監(jiān)測子系統(tǒng)的監(jiān)測對象主要圍繞拱肋、吊桿、主梁（縱梁、橫梁）、橋面板、墩臺等主要受力構(gòu)件展開。主要監(jiān)測項目為應(yīng)變、變形和索力。主要監(jiān)測設(shè)備有光纖光柵應(yīng)變傳感器、靜力水準(zhǔn)儀、全站儀、索力傳感用無方向加速度傳感器等。

（2）環(huán)境與交通監(jiān)測子系統(tǒng)

大橋地處長江三角洲，夏季溫度高，且空氣濕度大，對鋼結(jié)構(gòu)耐久性有影響，需掌握橋梁周邊大氣環(huán)境的溫濕度。又由于橋址周邊區(qū)域空曠、地勢平坦，尤其夏秋季受臺風(fēng)影響，橋上風(fēng)力較大，需對風(fēng)力進(jìn)行監(jiān)測。此外，該橋所處道路交通繁忙，且通行重車較多，需全天候監(jiān)測過橋車輛的車速、總重以及交通量等信息，并對超載車輛號牌、現(xiàn)場場景照等信息予以記錄。

因此，大橋環(huán)境與交通監(jiān)測的主要對象和項目為：大氣環(huán)境溫濕度、風(fēng)速、過橋車輛荷載、交通量等。監(jiān)測設(shè)備主要有：溫濕度傳感器、風(fēng)速儀、不限速汽車稱重儀、車牌識別攝像機、全景高清攝像機等。

（3）數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)包括了現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送。由于本監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場采用了大量的光信號設(shè)備及數(shù)字信號設(shè)備，最終選用光纖通信設(shè)備并使用雙環(huán)冗余網(wǎng)絡(luò)交換機和多芯鎧裝光纜（有備用光纖）組成光纖環(huán)路，來完成橋梁現(xiàn)場各個現(xiàn)場測站之間的通信及可靠性。對于現(xiàn)場和監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸，采用無線傳輸方式，利用非視距（NLOS）無線網(wǎng)橋來實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。

（4）健康狀況評估與安全預(yù)警子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)主要是對傳輸?shù)奖O(jiān)測中心的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析、處理以及評估和預(yù)警，是整個健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心。根據(jù)其功能定位，又將該子系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)處理分析、狀態(tài)評估和安全預(yù)警三個模塊。

數(shù)據(jù)處理分析模塊包括前處理與后處理兩部分。前處理主要是對接收的、來自于自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)的整理、篩選，并將結(jié)果進(jìn)行存儲。后處理主要是將已存儲的數(shù)據(jù)重新獲取后，進(jìn)行離線分析，數(shù)據(jù)處理分析主要是為結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估、安全預(yù)警等提供數(shù)據(jù)支持。

狀態(tài)評估模塊，將數(shù)據(jù)處理分析結(jié)果與結(jié)構(gòu)理論計算值進(jìn)行橫向比較，以及與歷次實測數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向比較，并結(jié)合人工巡檢情況，按照規(guī)范對本橋所監(jiān)測的應(yīng)力、變形、索力等進(jìn)行分析，據(jù)此評估橋梁主要受力構(gòu)件的工作情況和橋梁總體狀況。

安全預(yù)警模塊，主要針對突發(fā)情況下的橋梁報警，需要確定預(yù)警的參數(shù)、閾值、分級、通知方式、應(yīng)急方案等內(nèi)容。

3 健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用案例

蕰藻浜大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)自2013年建成運行以來，至今已有8年，系統(tǒng)運行狀況總體良好，現(xiàn)場安裝的各類型傳感器存活率高，監(jiān)測數(shù)據(jù)持續(xù)穩(wěn)定，這對橋梁管理單位實時掌控大橋安全狀態(tài)，輔助大橋科學(xué)管養(yǎng)等方面發(fā)揮了積極作用。以該橋2021年1月份監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，通過統(tǒng)計橋梁交通量和實際通行車輛荷載，并結(jié)合各類傳感器采集的數(shù)據(jù)，分析超重荷載對橋梁狀態(tài)的影響。

3.1 橋面交通情況

經(jīng)環(huán)境與交通監(jiān)測子系統(tǒng)識別和統(tǒng)計，蕰藻浜大橋2021年1月份通行車輛總數(shù)為34.17萬輛，最大日通行車輛總數(shù)達(dá)1.48萬輛，期間未出現(xiàn)交通擁堵和車輛集中停留的現(xiàn)象，交通狀況正常，1月份每日車輛通行情況見圖2。

圖2 1月份每日通行車輛統(tǒng)計圖

3.2 橋梁超載情況

蕰藻浜大橋設(shè)計荷載城-A級，橋梁限載40t。2021年1月份，過橋車輛中，超過橋梁限載噸位的車輛總數(shù)為560輛，超載最大車輛總重為74.14t，其中，1月1日超載車輛最多，高達(dá)76輛，最重車輛也出現(xiàn)在該日。1月份橋梁超載車輛數(shù)量統(tǒng)計情況見圖3，1月份每日最大車重曲線圖見圖4。

圖3 1月份超載車輛統(tǒng)計圖

圖4 1月份每日最大車重曲線圖

3.3 超載對橋梁結(jié)構(gòu)的影響性分析

選取主拱肋拱頂?shù)酌鎽?yīng)變、變形以及11#吊桿索力共三個監(jiān)測點，對1月份監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計并繪制曲線圖（見圖5～圖7）?？梢园l(fā)現(xiàn)，各監(jiān)測項目曲線的變化規(guī)律基本相似，且與1月份每日最大車重曲線圖變化規(guī)律也高度相似，各曲線峰值均發(fā)生在1月1日，可以判斷大橋當(dāng)月的應(yīng)變、變形、索力最大監(jiān)測值的出現(xiàn)均與超載車輛過橋有關(guān)。由于監(jiān)測數(shù)據(jù)均未達(dá)到預(yù)警值，且超載車輛通過后各構(gòu)件監(jiān)測數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，表明當(dāng)月超載情況對橋梁結(jié)構(gòu)的影響程度有限，大橋處于安全可控狀態(tài)，但長期超載，仍對橋梁安全運營存在不利影響，超載管理仍是橋梁主管部門今后關(guān)注的重點。下一步，將與路政、交警等部門聯(lián)合，推送監(jiān)測數(shù)據(jù)，對車輛超載行為進(jìn)行懲戒，確保大橋運行安全。

圖5 主拱肋拱頂下緣應(yīng)變曲線圖

圖6 主拱肋拱頂位移曲線圖

4 結(jié)論與展望

（1）橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)具有全天候、實時動態(tài)、測試精度高等優(yōu)點，通過對橋梁的響應(yīng)、環(huán)境以及荷載等狀況進(jìn)行全面監(jiān)測，動態(tài)掌握橋梁結(jié)構(gòu)的運行狀況，在異常情況下進(jìn)行預(yù)警，達(dá)到防范和化解橋梁運行重大安全風(fēng)險，進(jìn)一步提升橋梁結(jié)構(gòu)安全保障能力的目的。

圖7 11#吊桿索力曲線圖

（2）在發(fā)揮橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)勢的同時，我們也要清醒地看到其還存在不足之處，如健康監(jiān)測雖然實時動態(tài)，但由于監(jiān)測點不可能對橋梁結(jié)構(gòu)的每個構(gòu)件進(jìn)行全覆蓋，故還不能完全依賴健康監(jiān)測方法，必須結(jié)合日常巡檢和定檢，充分發(fā)揮橋梁檢測和健康監(jiān)測兩種手段的各自優(yōu)勢，相互補充，確保長大橋梁的運營安全。

（3）BIM技術(shù)目前在國內(nèi)應(yīng)用越來越普遍，有些重點工程招標(biāo)時建設(shè)方要求必須應(yīng)用BIM技術(shù)，許多大型橋梁在設(shè)計階段也已開始應(yīng)用BIM技術(shù)，如何將其與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合，更好地為后期橋梁管養(yǎng)服務(wù)，是未來研究的一個方向。