典型大跨徑橋梁輕量化健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

朱舒婷

摘要： 江蘇省擁有豐富的公路網(wǎng)絡(luò)，橋梁作為其重要的交通設(shè)施，對(duì)其正常運(yùn)行和安全性的要求非常高。對(duì)橋梁進(jìn)行長(zhǎng)期自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)，能夠幫助管養(yǎng)部門更有效地維護(hù)和管理橋梁，提高其使用壽命，從而提升安全性和交通效率。目前，橋梁輕量化監(jiān)測(cè)方向?qū)儆诳瞻?。以筋混凝土連續(xù)箱梁、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁、預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁、預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁、裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁等為對(duì)象，對(duì)橋梁輕量化健康監(jiān)測(cè)需求分析，開(kāi)展數(shù)據(jù)采集方案、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方案的研究，實(shí)現(xiàn)橋梁狀態(tài)全天候的監(jiān)測(cè)，全面提升橋梁的安全管理水平。

關(guān)鍵詞： 大跨徑橋梁 輕量化 健康監(jiān)測(cè) 交通設(shè)施

中圖分類號(hào)： TU753 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1672-3791（2023）24-0149-03

橋梁結(jié)構(gòu)物作為現(xiàn)代交通運(yùn)輸體系的重要組成要素，對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展起著重要作用［1］。在其服役期間，由于使用、維護(hù)不當(dāng)及環(huán)境侵蝕等因素的影響，橋梁將會(huì)產(chǎn)生各種結(jié)構(gòu)性損傷［2］。隨著橋梁服役時(shí)間延長(zhǎng)，橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性、安全性等指標(biāo)隨時(shí)間而退化，橋梁結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)安全事故的可能性將成倍增加［3］。如果橋梁結(jié)構(gòu)性損傷不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，就不能進(jìn)行必要的維修、維護(hù)，橋梁結(jié)構(gòu)物的預(yù)期使用壽命將降低，甚至發(fā)展為結(jié)構(gòu)性破壞進(jìn)而引發(fā)結(jié)構(gòu)物坍塌等嚴(yán)重事故。橋梁安全事故帶來(lái)的巨大經(jīng)濟(jì)損失及惡劣社會(huì)影響具體敘述如下。

（1）直接經(jīng)濟(jì)損失：橋梁的建造成本高達(dá)數(shù)千萬(wàn)元甚至數(shù)億元，橋梁垮塌等事故將使公共資產(chǎn)受到巨大損失；（2）間接經(jīng)濟(jì)損失：橋梁垮塌將直接影響所屬地域交通通行及經(jīng)濟(jì)，產(chǎn)生巨大的間接經(jīng)濟(jì)損失；（3）人員傷亡：依歷史經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，橋梁事故通常造成較大的人員傷亡，使人民群眾生命受到極大威脅；（4）負(fù)面輿情：橋梁事故會(huì)引起公眾輿論對(duì)工程質(zhì)量和政府監(jiān)督管理工作的關(guān)注和質(zhì)疑，繼而引發(fā)流量效應(yīng)、帶來(lái)負(fù)面輿情，包括群眾心理恐慌、媒體不良評(píng)價(jià)、政府公信力受損等嚴(yán)重社會(huì)問(wèn)題［4-5］。江蘇省作為交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)中的“先行區(qū)”“先行軍”，非常有必要結(jié)合實(shí)際情況開(kāi)展高速公路典型大跨徑橋梁（除跨江大橋以外的大跨徑橋梁、特殊橋型橋梁）長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的探索與試點(diǎn)，進(jìn)一步強(qiáng)化江蘇省橋梁管理的信息化水平，為江蘇省高速橋梁建養(yǎng)工作高質(zhì)量發(fā)展以及全面建成現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系做出更多貢獻(xiàn)。

1 典型大跨徑橋梁輕量化健康監(jiān)測(cè)需求分析

1.1 現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題

在橋梁結(jié)構(gòu)物服役期間，為能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)性損傷并對(duì)可能發(fā)生的橋梁安全事故進(jìn)行預(yù)警，我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)都在探索如何借助先進(jìn)的技術(shù)手段對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)橋梁的健康狀況進(jìn)行科學(xué)評(píng)估、對(duì)可能存在的結(jié)構(gòu)性損傷進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而達(dá)到幫助主管部門制訂科學(xué)有效的管養(yǎng)方案，達(dá)到有效延長(zhǎng)橋梁結(jié)構(gòu)物服役壽命的目的。然而，當(dāng)前的技術(shù)手段難以實(shí)現(xiàn)對(duì)大多數(shù)橋梁狀態(tài)的有效監(jiān)測(cè)，嚴(yán)重制約了主管部門在橋梁服役期間，對(duì)橋梁健康狀況及時(shí)、完整、科學(xué)地了解和分析。就目前而言橋梁主管部門使用的技術(shù)手段主要包括人工定期巡檢和有線系統(tǒng)監(jiān)測(cè)兩種方式。然而就現(xiàn)實(shí)需求而言，這兩種技術(shù)手段都存在明顯的不足，具體情況如下。

1.1.1 人工定期巡檢的不足

（1）人工巡檢的頻率極為有限，通常為一年幾次，致使檢測(cè)結(jié)果較結(jié)構(gòu)損傷滯后，結(jié)構(gòu)損傷不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。（2）人工巡檢主觀性強(qiáng)，檢測(cè)過(guò)程中極易發(fā)生錯(cuò)漏。（3）缺乏長(zhǎng)期的連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，無(wú)法對(duì)損傷變化情況進(jìn)行跟蹤分析并對(duì)橋梁健康趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)判。（4）人工巡檢通常需要對(duì)路面進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間封閉，嚴(yán)重干擾交通運(yùn)行，而檢測(cè)人員需要進(jìn)行路面及高空作業(yè)，也存在著極大的安全隱患。

1.1.2 有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足

（1）有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝和維護(hù)成本較高。（2）有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈活性較差，系統(tǒng)部署后很難對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)和位置進(jìn)行調(diào)整，難以滿足橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化的需要。

1.2 行業(yè)發(fā)展需求分析

2021 年，交通運(yùn)輸部確定了河北、遼寧、江蘇等10個(gè)省份的11 座在役公路長(zhǎng)大橋梁作為橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)試點(diǎn)項(xiàng)目，按照“一橋一策”原則制訂了橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)具體方案，基本完成了所有試點(diǎn)項(xiàng)目的驗(yàn)收工作，同步修訂完成了《公路橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（JT/T 1037—2022），達(dá)到了“試點(diǎn)先行、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)”的目的。該規(guī)范規(guī)定了公路在役和在建單孔跨徑500 m 以上的懸索橋、單孔跨徑300 m 以上的斜拉橋、單孔跨徑160 m 以上的梁橋和單孔跨徑200 m 以上的拱橋均應(yīng)開(kāi)展長(zhǎng)大橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)。2022年，公路長(zhǎng)大橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)全面推開(kāi)。這表明各級(jí)交通運(yùn)輸主管部門都高度重視長(zhǎng)大橋的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，但針對(duì)長(zhǎng)大橋梁以外的其他典型跨徑橋梁的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)還未開(kāi)展系統(tǒng)性的試點(diǎn)與實(shí)踐。

2 典型大跨徑橋梁輕量化健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集方案

2.1 監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系確定

當(dāng)前高速公路建設(shè)項(xiàng)目涉及的主要梁板類型有變截面混凝土連續(xù)箱梁、鋼筋混凝土連續(xù)箱梁、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁、預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁、預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁、裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁等。結(jié)合江蘇省高速公路典型大跨徑橋梁梁型的分布情況，選擇變截面混凝土連續(xù)箱梁、連續(xù)鋼箱梁、鋼桁架梁、變截面預(yù)應(yīng)力混凝土波形鋼腹板梁4 種具有代表性的梁型，并根據(jù)《公路橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（JT/T 1037—2022）相關(guān)條款，結(jié)合代表性梁型的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析和危險(xiǎn)性分析、環(huán)境特點(diǎn)、使用需求等多方面，確定監(jiān)測(cè)指標(biāo)如表1 所示。

2.2 監(jiān)測(cè)指標(biāo)感知設(shè)備

基于設(shè)備成本、設(shè)備功耗、安裝的便利性對(duì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)感知設(shè)備進(jìn)行綜合分析與篩選，考慮監(jiān)測(cè)部位、構(gòu)件的全面性、代表性、重要性等因素。確定的指標(biāo)涉及的相關(guān)傳感器設(shè)備見(jiàn)表2。

3 典型大跨徑橋梁輕量化健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

根據(jù)橋梁運(yùn)營(yíng)管養(yǎng)需求，結(jié)合大橋運(yùn)營(yíng)預(yù)警和結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)要求，橋梁輕量化健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用集中統(tǒng)一下的分布式結(jié)構(gòu)，即由云平臺(tái)/監(jiān)控中心和橋梁現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站兩部分組成，云平臺(tái)和監(jiān)控中心共存。其中，橋梁現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站包括傳感器模塊和數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊，云平臺(tái)和監(jiān)控中心均包括數(shù)據(jù)處理與管理模塊、數(shù)據(jù)分析與安全預(yù)警及評(píng)估模塊、系統(tǒng)集成及用戶界面交互模塊。具體功能要求如下。

3.1 參數(shù)趨勢(shì)分析

趨勢(shì)分析模塊對(duì)環(huán)境、結(jié)構(gòu)響應(yīng)、結(jié)構(gòu)變化三個(gè)維度的所有監(jiān)測(cè)指標(biāo)，進(jìn)行以時(shí)間段為監(jiān)測(cè)范圍的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)分析。選擇橋梁、選擇指標(biāo)、選擇設(shè)備、選擇時(shí)段，查看該時(shí)段內(nèi)指標(biāo)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，并對(duì)所選時(shí)段內(nèi)的最大值、最小值進(jìn)行標(biāo)記。

3.2 參數(shù)對(duì)比分析

選擇兩個(gè)或多個(gè)橋梁，選定指標(biāo)，選擇設(shè)備和時(shí)段，進(jìn)行橋梁之間單維度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，包括經(jīng)緯度海拔高度等參數(shù)對(duì)橋梁監(jiān)測(cè)參數(shù)的影響、分析橋址環(huán)境（如鹽霧多發(fā)地）對(duì)橋梁監(jiān)測(cè)參數(shù)的影響、分析車輛軸載對(duì)橋梁監(jiān)測(cè)參數(shù)的影響。

3.3 參數(shù)相關(guān)性分析

選擇橋梁，選擇多個(gè)指標(biāo)及設(shè)備，選擇時(shí)段，形成多個(gè)指標(biāo)參數(shù)變化趨勢(shì)對(duì)比圖和相關(guān)關(guān)系散點(diǎn)圖，分析不同參數(shù)在一段時(shí)段內(nèi)是否同方向或反方向變化，以及條件概率分布，包括均值和標(biāo)準(zhǔn)差等信息。通過(guò)不同參數(shù)變化的相關(guān)性分析，輔助綜合評(píng)估橋梁健康狀態(tài)和養(yǎng)護(hù)作業(yè)實(shí)施。

3.4 人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳

當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障或設(shè)備維護(hù)期間，自動(dòng)采集數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)時(shí)，可臨時(shí)采用人工監(jiān)測(cè)方式，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)填報(bào)進(jìn)系統(tǒng)，或者根據(jù)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)模板上傳相應(yīng)的數(shù)據(jù)，滿足持續(xù)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析的需要。

3.5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析報(bào)告自動(dòng)生成

通過(guò)對(duì)每座橋梁采集數(shù)據(jù)的匯總、統(tǒng)計(jì)和分析，系統(tǒng)定期自動(dòng)化生成橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)報(bào)告，包括月報(bào)、季報(bào)和年報(bào)，由數(shù)據(jù)分析部分和結(jié)論部分構(gòu)成，支持用戶對(duì)結(jié)論部分進(jìn)行人工調(diào)優(yōu)，形成正式報(bào)告并發(fā)布，同時(shí)支持報(bào)告在線查看和下載。

3.6 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)警

3.6.1 多重多級(jí)預(yù)警

將所有監(jiān)測(cè)設(shè)備采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與超限閾值比較，判斷超限等級(jí)。根據(jù)超限等級(jí)觸發(fā)預(yù)警機(jī)制，系統(tǒng)自動(dòng)化提醒或報(bào)警，并推送檢查建議。

系統(tǒng)提供多種預(yù)警方式，包括但不限于PC 后臺(tái)預(yù)警、App 預(yù)警、短信預(yù)警、郵件預(yù)警、聲光預(yù)警、情報(bào)板預(yù)警，采用文字、數(shù)值、顏色、語(yǔ)音等元素生成預(yù)警信息，對(duì)相關(guān)部門或公眾進(jìn)行提醒。

系統(tǒng)匯總保存所有歷史預(yù)警數(shù)據(jù)，并對(duì)處理狀態(tài)（已處理標(biāo)記為綠色，未處理標(biāo)記為紅色）及處理辦法進(jìn)行跟蹤，形成預(yù)警閉合機(jī)制，同時(shí)便于用戶隨時(shí)查看預(yù)警記錄，參照或探索預(yù)警問(wèn)題處理方案。

3.6.2 智能評(píng)估功能

利用橋梁的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)針對(duì)橋梁的健康和安全狀態(tài)進(jìn)行智能評(píng)估，使用戶看到的不再是零散的數(shù)據(jù)堆積，而是更簡(jiǎn)單易懂的監(jiān)測(cè)結(jié)論［6］。

4 結(jié)論

本文以筋混凝土連續(xù)箱梁、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁、預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁、預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁、裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁等為對(duì)象，對(duì)橋梁輕量化健康監(jiān)測(cè)需求分析、數(shù)據(jù)采集方案、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方案等進(jìn)行研究。主要結(jié)論如下：（1）對(duì)典型橋梁的監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀調(diào)研，確定橋梁輕量化監(jiān)測(cè)需求；（2）確定了結(jié)構(gòu)溫度、位移、應(yīng)變、振動(dòng)等為典型大跨徑橋梁輕量化監(jiān)測(cè)的參數(shù)；（3）基于分層理念設(shè)計(jì)橋梁輕量化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)，包括數(shù)據(jù)處理與管理模塊、數(shù)據(jù)分析與安全預(yù)警及評(píng)估模塊、系統(tǒng)集成及用戶界面交互模塊等，實(shí)現(xiàn)橋梁狀態(tài)全天候的監(jiān)測(cè)。

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