中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

景亞彪

(新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院 新疆烏魯木齊 830017)

橋梁結(jié)構(gòu)是交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，在國(guó)家戰(zhàn)略方針、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面以及各地區(qū)文化交流中占據(jù)十分重要的地位。橋梁在長(zhǎng)期的服役過(guò)程中，受到交通負(fù)荷、環(huán)境侵蝕、材料老化等因素的影響而導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)損傷，由于橋梁結(jié)構(gòu)損傷而引發(fā)的交通事故不勝枚舉，這不僅使人們的生命財(cái)產(chǎn)無(wú)法得到保障，還衍生出惡劣的社會(huì)影響。

人工檢測(cè)是檢測(cè)橋梁安全性的傳統(tǒng)手段，具有主觀性強(qiáng)、工作效率低、成本費(fèi)高等眾多缺點(diǎn)，不能滿足數(shù)量巨大的橋梁結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)的發(fā)展需要。我國(guó)在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方面的研究相較于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家起步晚、發(fā)展難度大的劣勢(shì)。橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)30多年的研究和發(fā)展，滿足了國(guó)內(nèi)大部大跨度橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的需求[1]。中小跨徑橋梁雖然在橋梁中占據(jù)著最大比例，但是其建造費(fèi)和養(yǎng)護(hù)費(fèi)低，中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用相對(duì)較少。陳宇哲[2]將應(yīng)力（應(yīng)變）作為基本的檢測(cè)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空心板梁橋和T 梁橋的安全預(yù)警目標(biāo)。毛琳等研究者[3]設(shè)置應(yīng)變和傾角的安全閾值，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小箱梁和空心板梁橋安全狀態(tài)的評(píng)估目標(biāo)。程勛煜等研究者[4]開(kāi)發(fā)了橋梁養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)，提高了中小跨徑橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的管理水平。楊志峰等研究者[5]利用撓度作為監(jiān)測(cè)指標(biāo)，進(jìn)行了中小跨徑健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究。

中小跨徑橋梁在保證交通網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行方面發(fā)揮著重要作用。鑒于大跨度橋梁的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不完全適用于建造費(fèi)用相對(duì)低廉的中小跨徑橋梁，并且中小跨徑橋梁的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)不夠完善，因此有必要針對(duì)中小跨徑橋梁自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)量身設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。利用先進(jìn)的橋梁結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)監(jiān)測(cè)技術(shù)和健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理方法對(duì)中小跨徑橋梁重要部位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而評(píng)估中小跨徑橋梁在服役期間的工作性能，確保中小跨徑橋梁在運(yùn)行期間的安全性。對(duì)中小跨徑橋梁在服役期間出現(xiàn)的損傷及時(shí)進(jìn)行定位，通過(guò)定性和定量分析中小跨徑橋梁的損傷狀況和損傷程度，為中小跨徑橋梁的維修加固和交通事故的防治提供可靠的科學(xué)支撐。

1 中小跨徑橋梁的健康狀況

交通事業(yè)建設(shè)的迫切需求促使我國(guó)在橋梁設(shè)計(jì)和建造方面的技術(shù)得到極大的提高。目前，我國(guó)已成為世界上橋梁數(shù)量第一的國(guó)家，與此同時(shí)，我國(guó)橋梁數(shù)量以較高的增長(zhǎng)率繼續(xù)增加，中小跨徑橋梁始終占據(jù)最大比例。中小跨徑橋梁在長(zhǎng)期的服役過(guò)程中受到外界因素（自然環(huán)境、交通負(fù)荷等）和橋梁結(jié)構(gòu)自身因素（結(jié)構(gòu)老化、結(jié)構(gòu)腐蝕等）的綜合影響，既增加了中小跨徑橋梁的健康狀況出現(xiàn)問(wèn)題的可能性，又降低了橋面車(chē)輛行駛的安全性，還縮短了中小跨徑橋梁的使用年限。中小跨徑橋梁在長(zhǎng)期的服役過(guò)程中的健康狀況不容樂(lè)觀。由于橋梁設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量和養(yǎng)護(hù)條件等因素的限制，中小跨徑橋梁出現(xiàn)了一系列的病害，例如鉸縫破壞、鋪裝層開(kāi)裂、支座變形與開(kāi)裂、混凝土開(kāi)裂和單板受力，這些中小跨徑橋的典型病害降低了車(chē)輛在橋面行駛的安全性，使中小跨徑的病害研究成為一種熱點(diǎn)。閔兆興研究者[6]分析了高速公路中小跨徑橋梁典型病害特征。華東東研究者[7]對(duì)中小跨徑混凝土橋梁病害原因進(jìn)行了分析。高慶飛等研究者[8]對(duì)中小跨徑空心板梁橋的鉸縫破壞機(jī)理進(jìn)行研究。邱文等研究者[9]對(duì)中小跨徑橋梁的支座病害進(jìn)行分析，并給出修復(fù)方法。王冰[10]根據(jù)中小跨徑橋梁的常見(jiàn)病害進(jìn)行智能安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)及養(yǎng)護(hù)措施研究。馬明雷[11]結(jié)合大量的中小跨徑橋梁數(shù)據(jù)，對(duì)橋梁運(yùn)營(yíng)早期階段的典型病害進(jìn)行了分析。

截至2020年末，我國(guó)特大橋、大橋和中小跨徑橋梁的總數(shù)為91.28萬(wàn)座，其中中小跨徑橋梁占比最大。中小跨徑橋梁在長(zhǎng)期的服役期內(nèi)出現(xiàn)問(wèn)題的概率較大。鑒于中小跨徑橋梁破壞形式多樣，為了保證車(chē)輛行駛的安全性，有必要進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)與設(shè)計(jì)。

2 中小跨徑橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中小跨徑橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)具有多個(gè)高新技術(shù)的系統(tǒng)集合，主要包括結(jié)構(gòu)效應(yīng)分析技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)。橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理就是收集和分析車(chē)輛荷載引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)指標(biāo)，通過(guò)指標(biāo)的變化診斷結(jié)構(gòu)的健康狀況，運(yùn)行流程如圖1所示。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠全天候不間斷地監(jiān)測(cè)橋梁荷載與環(huán)境作用、結(jié)構(gòu)局部損傷和整體響應(yīng)、識(shí)別橋梁結(jié)構(gòu)損傷和性能退化，把握和預(yù)警結(jié)構(gòu)安全和壽命狀況，科學(xué)地支撐中小跨徑橋梁的管養(yǎng)維護(hù)與維修加固。中小跨徑橋梁健康監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)一般由傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)和離線評(píng)估系統(tǒng)組成。

圖1 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程

2.1 設(shè)計(jì)原則

中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)功能強(qiáng)大的復(fù)雜系統(tǒng)。中小跨橋梁結(jié)構(gòu)受力形式復(fù)雜多樣，不同類(lèi)型橋梁所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在較大的差異。為了中小跨徑橋梁養(yǎng)護(hù)管理和運(yùn)營(yíng)的需要，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的過(guò)程中應(yīng)依據(jù)以下原則。

（1）中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)遵循經(jīng)濟(jì)性和可靠性原則。（2）結(jié)合中小跨徑橋梁具體的結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)，從易損性的角度設(shè)置荷載效應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。（3）動(dòng)力響應(yīng)和靜力效應(yīng)相結(jié)合，爭(zhēng)取用最少的傳感器和數(shù)據(jù)量完成中小跨徑橋梁的健康評(píng)估。（4）監(jiān)測(cè)中小跨徑橋梁的指標(biāo)要以位移和應(yīng)力為主，以力、模態(tài)分析為輔。（5）中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具有可擴(kuò)展性，以應(yīng)對(duì)將來(lái)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的需求變化。

2.2 傳感器子系統(tǒng)

傳感器子系統(tǒng)由各類(lèi)監(jiān)測(cè)傳感器及其附屬設(shè)施組成，是橋梁健康監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)來(lái)源。中小跨徑橋梁健康監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包括環(huán)境監(jiān)測(cè)、變形監(jiān)測(cè)、裂縫監(jiān)測(cè)、應(yīng)變監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)、索力監(jiān)測(cè)和活載監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)內(nèi)容應(yīng)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)決定。中小跨徑橋梁的監(jiān)測(cè)指標(biāo)、監(jiān)測(cè)儀器及監(jiān)測(cè)目的內(nèi)容具體見(jiàn)表1。

表1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容及目的

2.3 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集、信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)通信3個(gè)模塊。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、儲(chǔ)存、預(yù)處理和采樣控制；信號(hào)調(diào)理模塊負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)的過(guò)濾和放大；數(shù)據(jù)通信模塊負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)和接受控制信號(hào)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集橋梁信息，是中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不可或缺的部分，總體設(shè)計(jì)要求如下。

（1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能在惡劣的自然環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)連續(xù)采樣，并能自動(dòng)遠(yuǎn)程傳輸和共享健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)具有緩存健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的功能，并能對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行基本的統(tǒng)計(jì)分析。

（3）出現(xiàn)斷電情況時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)啟動(dòng)、同步和運(yùn)行。

2.4 數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)的功能是對(duì)海量的健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理和分析評(píng)估，實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)到橋梁健康狀況信息的轉(zhuǎn)化。中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理由3 個(gè)部分組成，分別是數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)二次處理和數(shù)據(jù)后處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)量（最值、期望和標(biāo)準(zhǔn)差）對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀況進(jìn)行初級(jí)預(yù)警。數(shù)據(jù)二次處理主要進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)域和頻域分析。數(shù)據(jù)后處理是對(duì)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行高級(jí)處理，完成橋梁健康狀況報(bào)表。

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)正從橋梁建造大國(guó)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闃蛄汗莛B(yǎng)大國(guó)。中小跨徑橋梁數(shù)量多，建造費(fèi)少和養(yǎng)護(hù)費(fèi)低，其健康狀況經(jīng)常被忽視，因此在長(zhǎng)期的服役過(guò)程中結(jié)構(gòu)安全性容易出現(xiàn)問(wèn)題。目前，針對(duì)區(qū)域內(nèi)的橋梁進(jìn)行集群健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)成為橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究的重要方向，該研究可以降低結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝成本。為中小跨徑橋梁量身打造一套價(jià)格低廉的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)我國(guó)交通正常運(yùn)行和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展具有重要的意義。