橋梁管養(yǎng)中結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用分析

潘順興、龔小俊

（1.貴州黔程弘景工程咨詢(xún)有限責(zé)任公司，貴州貴陽(yáng) 550018；2.貴州宏信創(chuàng)達(dá)工程檢測(cè)咨詢(xún)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550014）

0 引言

橋梁管養(yǎng)中結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)主要是應(yīng)用先進(jìn)設(shè)備，比如傳感器設(shè)施，獲取橋梁運(yùn)行環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，加強(qiáng)采集和使用，并處理相關(guān)的數(shù)據(jù)，為質(zhì)量問(wèn)題的分析提供基礎(chǔ)。在數(shù)據(jù)采集時(shí)，獲取橋梁荷載與環(huán)境作用信息，掌握各個(gè)結(jié)構(gòu)性能的參數(shù)，以得出橋梁的運(yùn)行狀態(tài)，做出合理的評(píng)估與分析，形成預(yù)警信息。對(duì)橋梁管養(yǎng)中結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用要點(diǎn)加以研究，經(jīng)過(guò)健康監(jiān)測(cè)后掌握相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，才能更好地了解橋梁的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際情況發(fā)出預(yù)警，及時(shí)采取檢修和處理措施，確保橋梁通行安全性。

1 建設(shè)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的必要性

橋梁在長(zhǎng)期投入運(yùn)營(yíng)后，難免會(huì)出現(xiàn)較多的病害問(wèn)題，會(huì)對(duì)橋梁的正常使用產(chǎn)生不利的影響，而在進(jìn)行橋梁的維修前，通過(guò)開(kāi)展監(jiān)測(cè)和分析，以準(zhǔn)確獲取橋梁的運(yùn)行狀態(tài)，為精準(zhǔn)化維修處理提供便利條件。利用健康監(jiān)測(cè)對(duì)橋梁的運(yùn)行狀態(tài)有足夠的了解，及時(shí)采取處理措施，以全面提升橋梁的通行狀態(tài)和水平，為交通通行效果的提升奠定基礎(chǔ)。但是傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式比較落后，依賴(lài)于技術(shù)人員的現(xiàn)場(chǎng)觀察，精度不足，容易發(fā)生偏差，甚至有些細(xì)微的問(wèn)題沒(méi)有及時(shí)的修復(fù)處理，導(dǎo)致嚴(yán)重的事故發(fā)生，危害人們的生命健康，阻礙社會(huì)的發(fā)展，所以必須探討先進(jìn)的橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)。本文選取某大型橋梁項(xiàng)目為研究對(duì)象，該橋梁長(zhǎng)度為420m，運(yùn)營(yíng)時(shí)間超過(guò)10年，主橋采用飛燕式中承式鋼管混凝土系桿形式，由于橋梁所處地區(qū)為城鄉(xiāng)接合部，每日交通通行量比較大，車(chē)輛、人員都比較多，尤其是重載車(chē)輛，所以必須加強(qiáng)健康監(jiān)測(cè)，及時(shí)維修病害問(wèn)題，確保橋梁處于安全、穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)[1]。

1.1 傳統(tǒng)橋梁檢查手段的局限性

我國(guó)一直以來(lái)都非常重視橋梁健康檢測(cè)的工作，就是對(duì)橋梁進(jìn)行全面性的運(yùn)行狀態(tài)檢查，以確保橋梁運(yùn)行的安全性，避免發(fā)生嚴(yán)重的事故問(wèn)題。但是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的橋梁檢測(cè)依賴(lài)于人的經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)，所以在檢測(cè)過(guò)程中受到人的行為、能力、經(jīng)驗(yàn)方面的影響，還受到工作態(tài)度的影響，很多情況下會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)的誤差，影響橋梁的正常通行。而人為的檢測(cè)是間斷性的測(cè)量方式，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性檢測(cè)，如果在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)橋梁出現(xiàn)了緊急的情況，比如超載通行、偶然撞擊、臺(tái)風(fēng)等都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，人員無(wú)法及時(shí)地進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)中檢查，導(dǎo)致橋梁工程的安全性受到很大影響，威脅到交通通行安全性。

1.2 橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

橋梁結(jié)構(gòu)健康系統(tǒng)在建設(shè)中需要大量先進(jìn)技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)全面性的橋梁檢查，安裝多種先進(jìn)的傳感器設(shè)施，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的聯(lián)合和應(yīng)用，對(duì)橋梁進(jìn)行實(shí)時(shí)、全天候、動(dòng)態(tài)化的監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握橋梁運(yùn)行的情況，尤其是發(fā)生損壞時(shí)，快速發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題，并及時(shí)采取處理措施。通過(guò)系統(tǒng)將獲取的數(shù)據(jù)編制成為模型，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化的評(píng)估和分析，獲取橋梁的健康狀態(tài)。與傳統(tǒng)人工方式檢查對(duì)比，橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)極為明顯，如速度快、效率高、反應(yīng)迅速。

總之，橋梁在運(yùn)行中采取人為檢查以及健康監(jiān)測(cè)都是極為重要的方式，這兩種方式都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，相互補(bǔ)充、相輔相成，特別是對(duì)于復(fù)雜性的橋梁項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，綜合應(yīng)用以獲得橋梁的使用狀態(tài)?；诖?，對(duì)于此次橋梁監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)，組織專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員做好日常巡查和定期檢查，并結(jié)合實(shí)際情況建設(shè)一套完整的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，快速掌握受力條件，并采取科學(xué)合理的管養(yǎng)措施，提高橋梁的運(yùn)行性能，促進(jìn)提高交通水平[2]。

2 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)方案

2.1 建設(shè)目標(biāo)

在橋梁健康監(jiān)測(cè)工作的實(shí)施中，建設(shè)系統(tǒng)首要的工作就是進(jìn)行系統(tǒng)創(chuàng)建，進(jìn)行該橋梁項(xiàng)目的荷載以及結(jié)構(gòu)響應(yīng)方面的獲取，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，為橋梁在極端氣候、特殊交通狀態(tài)以及運(yùn)行條件下及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，為橋梁的維護(hù)、維修、管理提供決策性作用，使得管養(yǎng)人員獲得橋梁的各項(xiàng)信息，并提高管養(yǎng)水平，工作更加具有針對(duì)性。在該橋梁項(xiàng)目建設(shè)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，要達(dá)到以下目標(biāo)：一是及時(shí)掌握橋梁各個(gè)結(jié)構(gòu)在交通通行狀態(tài)下的運(yùn)行情況，動(dòng)態(tài)化檢測(cè)其安全性和實(shí)用性。二是對(duì)于突發(fā)情況來(lái)說(shuō)，要及時(shí)做出識(shí)別和反應(yīng)，并快速檢查橋梁的通行狀態(tài)，合理地做出評(píng)估、預(yù)警。三是對(duì)于外部荷載，尤其是車(chē)輛荷載進(jìn)行監(jiān)測(cè)，快速掌握損傷的情況，為橋梁的管養(yǎng)和維修提供準(zhǔn)確的信息和數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)的組成

為了能夠達(dá)到上述的目標(biāo)，該橋梁項(xiàng)目建設(shè)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含下述幾個(gè)子系統(tǒng)：

其一，結(jié)構(gòu)位移與受力監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。該橋梁項(xiàng)目在結(jié)構(gòu)位移與受力檢測(cè)的過(guò)程中，可以快速掌握位移變化的情況。由于該橋梁項(xiàng)目為中承式系桿拱橋，經(jīng)過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)展開(kāi)分析，發(fā)現(xiàn)其荷載傳輸如下：車(chē)輛荷載作用在橋面板上，橋面荷載把力傳輸?shù)娇v、橫框架結(jié)構(gòu)體系，并通過(guò)吊桿傳輸?shù)街鞴袄叩慕Y(jié)構(gòu)上，然后從支座傳輸?shù)较虏拷Y(jié)構(gòu)上。因此，結(jié)構(gòu)位移以及受力監(jiān)測(cè)，主要是針對(duì)拱肋、吊桿、主梁、橋面板等結(jié)構(gòu)進(jìn)行，監(jiān)測(cè)的對(duì)象是應(yīng)變、變形、索力等方面，目前廣泛應(yīng)用的是全站儀、靜力水準(zhǔn)儀、應(yīng)變傳感器等設(shè)施，以掌握數(shù)據(jù)信息。

其二，環(huán)境與交通監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。由于該橋梁項(xiàng)目位于我國(guó)的長(zhǎng)江流域，夏季環(huán)境溫度很高，并且降雨量大，空氣濕度高，所以對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的耐久性會(huì)產(chǎn)生很大的影響，造成嚴(yán)重的侵蝕作用。還因?yàn)榇舜螛蛄喉?xiàng)目所在地區(qū)比較空曠、地勢(shì)平坦，特別是秋季臺(tái)風(fēng)影響比較嚴(yán)重，受到較大風(fēng)力作用，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)控制，以掌握相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。此外，該橋梁項(xiàng)目的交通通行量比較大，還有很多的重載車(chē)輛，必須全天候進(jìn)行車(chē)輛信息的監(jiān)測(cè)，掌握交通量數(shù)據(jù)信息，并做好超載車(chē)輛的牌照以及車(chē)輛狀態(tài)的影像記錄。因此，對(duì)橋梁進(jìn)行環(huán)境與交通監(jiān)測(cè)的目標(biāo)是掌握荷載、交通量、環(huán)境等方面的信息，目前主要應(yīng)用的設(shè)備是溫度傳感器、稱(chēng)重儀、攝像機(jī)等，以掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)[3]。

其三，數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)。該系統(tǒng)的作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和使用，包含遠(yuǎn)距離傳輸，以快速獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。因?yàn)樵摫O(jiān)測(cè)系統(tǒng)中通過(guò)設(shè)備快速獲取大量的光信號(hào)與數(shù)字信息，再利用光纖設(shè)備通過(guò)應(yīng)用雙環(huán)冗余網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與多芯鎧裝電纜形成的環(huán)路系統(tǒng)，提高系統(tǒng)監(jiān)測(cè)能力和水平，達(dá)到系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性與可靠性。將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)后獲取的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)方式傳輸，達(dá)到遠(yuǎn)程控制的效果。

其四，健康狀況評(píng)估與安全預(yù)警子系統(tǒng)。該系統(tǒng)的作用是將監(jiān)測(cè)中心獲取的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、處理以及評(píng)估和預(yù)警，這是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部位。根據(jù)系統(tǒng)中的定位功能，將各個(gè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、狀態(tài)評(píng)估以及安全預(yù)警。數(shù)據(jù)處理分析的過(guò)程中，可以在前處理與后處理方面應(yīng)用。前處理的系統(tǒng)是將各項(xiàng)獲取的數(shù)據(jù)展開(kāi)離線(xiàn)分析，并且快速評(píng)估橋梁工程結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，并且及時(shí)做出安全性的評(píng)估，對(duì)于損壞嚴(yán)重的情況發(fā)出預(yù)警信息，還可以對(duì)橋梁運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)縱向?qū)Ρ?，了解不同階段的工作情況，并配合人工巡視檢查的方式，及時(shí)掌握橋梁的應(yīng)力、變形、索力等方面的情況，做出詳細(xì)分析和研究，評(píng)價(jià)橋梁受力條件，為后續(xù)的管養(yǎng)工作提供基礎(chǔ)。而對(duì)于預(yù)警的模塊來(lái)說(shuō)，主要是通過(guò)緊急情況下的報(bào)警處理，分析該參數(shù)、閾值、分級(jí)、通知方式等做出處理，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的應(yīng)急處理措施進(jìn)行分析，提高管養(yǎng)工作的總體質(zhì)量[4]。

3 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用案例

該橋梁項(xiàng)目建設(shè)的橋梁健康監(jiān)測(cè)運(yùn)營(yíng)時(shí)間達(dá)到8年，發(fā)現(xiàn)整個(gè)橋梁的工作狀態(tài)較好，且現(xiàn)場(chǎng)各種傳感器基本功能完善，各項(xiàng)工作依然可以穩(wěn)定地運(yùn)行，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，工作也比較連續(xù)，對(duì)于管養(yǎng)人員掌握橋梁的運(yùn)行狀態(tài)有著極為重要的作用，也為科學(xué)性管養(yǎng)工作的開(kāi)展奠定了基礎(chǔ)[5]。本文選擇2022年1月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展開(kāi)分析，掌握橋梁的交通通行量與荷載參數(shù)，并利用傳感器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，掌握超重荷載對(duì)橋梁通行情況的影響。

3.1 橋面交通情況

通過(guò)對(duì)環(huán)境與交通監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)信息，分析出該橋梁在1月的通行車(chē)輛有34.17 萬(wàn)輛，最大日通行量為1.48 萬(wàn)輛，在中途未出現(xiàn)交通擁堵以及短暫停留的情況，通行比較順暢，具體數(shù)據(jù)可見(jiàn)圖1。

圖1 1月每日通行車(chē)輛統(tǒng)計(jì)圖

3.2 橋梁超載情況

該橋梁項(xiàng)目中設(shè)計(jì)荷載為城-A 級(jí)，限載40t。經(jīng)過(guò)對(duì)1月數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，超出規(guī)定荷載的車(chē)輛有560輛，最大為74.14t，單日最高76 輛，具體可見(jiàn)圖2。

圖2 1月超載車(chē)輛統(tǒng)計(jì)圖

3.3 超載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響性分析

根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的主拱肋頂?shù)酌鎽?yīng)變、變形以及11#吊桿索力展開(kāi)監(jiān)測(cè)分析，可以繪制出變形曲線(xiàn)，見(jiàn)圖3、圖4、圖5。

圖3 主拱肋拱頂下緣應(yīng)變曲線(xiàn)圖

圖4 主拱肋拱頂位移曲線(xiàn)圖

圖5 11#吊桿索力曲線(xiàn)圖

經(jīng)過(guò)對(duì)幾個(gè)圖的分析可以確定，各個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的曲線(xiàn)變動(dòng)規(guī)律是比較相似的，并且1月每日最大車(chē)輛重載的變化規(guī)律是非常相似的，峰值出現(xiàn)在1月1日，所以就可以判定出該橋梁項(xiàng)目在運(yùn)行時(shí)的最大應(yīng)變、變形、索力最大監(jiān)測(cè)參數(shù)值和車(chē)輛的超載情況存在著直接的關(guān)系。因?yàn)楸O(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)并未達(dá)到預(yù)警參數(shù)值，所以超載車(chē)輛通行之后，橋梁各個(gè)受力條件就達(dá)到正常的狀態(tài)，說(shuō)明在1月的超載狀況并未對(duì)橋梁產(chǎn)生過(guò)大的影響，橋梁還是處于安全運(yùn)行的狀態(tài)。但是，如果長(zhǎng)期處在超載運(yùn)行的狀態(tài)，必然會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的傷害和影響，所以對(duì)于該橋梁進(jìn)行超載管理是重點(diǎn)工作。未來(lái)要長(zhǎng)期進(jìn)行監(jiān)控管理，路政、交警等部門(mén)應(yīng)積極聯(lián)合，將相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息及時(shí)發(fā)送給相關(guān)管理部門(mén)，懲罰相關(guān)的車(chē)輛駕駛?cè)撕蜋?quán)利人，達(dá)到治超治限的效果，保障橋梁運(yùn)行的安全性。

4 結(jié)論

第一，橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)就是進(jìn)行實(shí)時(shí)、全天候監(jiān)測(cè)，達(dá)到動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)的效果，并且數(shù)據(jù)精度比較高。經(jīng)過(guò)對(duì)橋梁的響應(yīng)、環(huán)境、荷載等方面情況的監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)化掌握橋梁的工作情況，并合理地發(fā)出預(yù)警信息，及時(shí)防范和消除各種橋梁的安全隱患，對(duì)提高橋梁通行質(zhì)量和安全性產(chǎn)生積極的作用。

第二，充分利用橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)掌握橋梁的工作狀態(tài)，雖然有著明顯的優(yōu)勢(shì)，但是也有一定的問(wèn)題，比如健康監(jiān)測(cè)無(wú)法全面了解橋梁各個(gè)結(jié)構(gòu)部件的運(yùn)行情況，所以不能覆蓋全部橋梁的結(jié)構(gòu)，還要組織專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行日常的巡視和檢查，使得兩種手段綜合應(yīng)用，發(fā)揮出應(yīng)有的作用，以更好地提高橋梁運(yùn)營(yíng)的安全性水平。

第三，BIM 技術(shù)作為工程領(lǐng)域的新技術(shù)，全面應(yīng)用到我國(guó)的橋梁領(lǐng)域內(nèi)，有些項(xiàng)目規(guī)定必須使用BIM技術(shù)進(jìn)行，并將該技術(shù)與橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)聯(lián)合使用，快速掌握橋梁的運(yùn)行狀態(tài)，給橋梁的管養(yǎng)服務(wù)提供標(biāo)準(zhǔn)和基礎(chǔ)，這也是未來(lái)重要的應(yīng)用方向之一。