在役橋梁健康監(jiān)測與狀況評估系統(tǒng)設計與應用

雷珍珍，梁清清

（貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測中心有限責任公司，貴州 貴陽 550014）

橋梁設計的使用壽命往往有幾十年或上百年，在橋梁漫長的服役過程中，動靜荷載、腐蝕物質(zhì)以及材料老化等各種人為或天然的因素，影響著橋梁的“健康”。隨著時間的推移，橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷，其承載能力、彈性強度和剛度不可避免地變差。因此，需要對橋梁進行健康監(jiān)測和狀況評估，以便能夠及時發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)存在的安全隱患，避免造成重大的人員和經(jīng)濟損失。為了實時獲取橋梁狀況信息，做出及時的安全評估與預警，設計一款經(jīng)濟實用、穩(wěn)定可靠、智能科學的在役橋梁健康監(jiān)測與狀況評估系統(tǒng)顯得十分有必要[1-2]。

1 健康監(jiān)測系統(tǒng)設計原則及功能需求

1.1 系統(tǒng)設計原則

根據(jù)橋梁監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)的使用需求和橋梁監(jiān)控監(jiān)測的特點，系統(tǒng)的設計應滿足合理性和經(jīng)濟性的同時，還應遵從如下設計原則：①適用有效。根據(jù)橋梁健康監(jiān)測的相關標準要求，設計出符合不同橋型結(jié)構(gòu)的監(jiān)測項目，確定相關傳感器的布設位置。②準確可靠。選擇測量準確度滿足測試要求的傳感器，傳感器的測量范圍、適用環(huán)境、穩(wěn)定可靠性等均應滿足要求。③先進智能。采用當前先進成熟的監(jiān)測技術(shù)，結(jié)合結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測理論，搭配先進的數(shù)據(jù)采集與傳輸設備，實現(xiàn)智能預警及安全評估。④兼容性強，易于維護。系統(tǒng)易于操作管理，隨著監(jiān)測技術(shù)、監(jiān)測理論標準及傳感技術(shù)的發(fā)展與進步，系統(tǒng)能與時俱進，便于更新升級。

1.2 系統(tǒng)功能需求分析

通過分析，健康監(jiān)測系統(tǒng)應滿足如下的功能主要需求：①通過對相關內(nèi)容的監(jiān)測，建立監(jiān)測系統(tǒng)，實時掌握橋梁運營狀況，有效保證橋梁的安全；②實時了解橋梁結(jié)構(gòu)的應力應變、撓度、溫度等情況，輔助操作人員合理設置預警閾值，實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測預警功能，并自動生成監(jiān)測報告；③通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析與處理，實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)的安全評估，對災害進行評估預判，給決策者提供相關依據(jù)，使運維方案等更加合理，提高橋梁的使用壽命；④能夠進行健康監(jiān)測項目的管理。

2 健康監(jiān)測系統(tǒng)組成及內(nèi)容

健康監(jiān)測系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)組成，具體為傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)狀況評估與預警子系統(tǒng)，通過各層相互協(xié)調(diào)，實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能[3]。

2.1 傳感器子系統(tǒng)

傳感器子系統(tǒng)是保障數(shù)據(jù)準確可靠的基礎，根據(jù)橋梁的橋型、結(jié)構(gòu)特點、相關監(jiān)測理論及標準，以及環(huán)境情況，結(jié)合當下傳感器技術(shù)的發(fā)展情況，選擇合適的傳感器，要保障由不同類型傳感器組成的傳感器子系統(tǒng)。在惡劣的環(huán)境下，仍然能夠?qū)崟r提供真實、可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)能夠初步診斷傳感器子系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，能夠快速地分辨出傳感器提供的信息是否有異常，幫助找到出現(xiàn)損壞或失效的傳感器的位置。此外，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)狀況評估與預警子系統(tǒng)遵循的實時數(shù)據(jù)采集制度，這樣得到的數(shù)據(jù)量大、信息量多，不可避免地會有很多冗余信息。如何從海量信息中篩選出有意義的信息，如何進行采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)優(yōu)化，是結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)控預警的重要源頭部分。針對橋梁的實時監(jiān)測功能，系統(tǒng)設計時考慮了優(yōu)化采集情況，即具有定時間段采集以及定閾值采集。數(shù)據(jù)采樣時間、采樣長度可以根據(jù)實際情況靈活設置，多條件觸發(fā)采樣參數(shù)有觸發(fā)邏輯和各通道的觸發(fā)閾值設置。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

光纖、GPRS/3G/4G 和無線網(wǎng)橋是數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)的常用通訊方式。GPRS/3G/4G 常用于監(jiān)測場所有手機信號覆蓋的情況；當現(xiàn)場無手機信號，或是像視頻數(shù)據(jù)這樣的大流量數(shù)據(jù)時，則采用光纖傳輸；而無線網(wǎng)橋通訊方式，適用于傳輸距離不超過9 千米并且監(jiān)測場地和監(jiān)控中心可通視的情況。根據(jù)情況的不同，選擇的數(shù)據(jù)傳輸方式也會有所不同。

2.4 數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)主要用于數(shù)據(jù)的存儲，數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)能對數(shù)據(jù)進行管理和操作，包括數(shù)據(jù)的增刪改查等。數(shù)據(jù)庫的使用需要謹慎處理，因此設置有權(quán)限管理，需要分配專門的人員特定的權(quán)限，對數(shù)據(jù)進行有效的使用。

2.5 數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理和控制子系統(tǒng)主要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析、處理及數(shù)據(jù)可視化的展現(xiàn)。信號在采集前與采集后均可進行數(shù)據(jù)處理，其中包括：信號實時可視化顯示、數(shù)字濾波；數(shù)據(jù)采集設定、幅域統(tǒng)計；時域、頻域分析以及數(shù)據(jù)的相關性分析等[4]。

2.6 結(jié)構(gòu)狀況評估與預警子系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)狀況評估與預警子系統(tǒng)是通過監(jiān)測關鍵參數(shù)的變化及變化趨勢，在應力和應變等達到限值、結(jié)構(gòu)狀況出現(xiàn)異常的時候發(fā)出預警信息[3]。預警級別按工程風險由小到大分為四級：藍色預警、黃色預警、橙色預警和紅色預警。橋梁健康監(jiān)測工作人員能夠根據(jù)系統(tǒng)的預警提示進行分析與咨詢，及時對不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)或可能出現(xiàn)失穩(wěn)的結(jié)構(gòu)采取一定的治理措施進行防治，防止災害的發(fā)生或擴大，減少損失。

3 健康監(jiān)測系統(tǒng)應用

3.1 工程概況

火花特大橋位于貴州省安順市紫云縣火花鄉(xiāng)，橋位區(qū)屬構(gòu)造、剝蝕低中山地貌，地形起伏較大，沖溝發(fā)育。最大橋高約115m，最大墩身高約為107.5m，橋梁孔徑布置及橋長不受水文及流量控制，主要取決于兩側(cè)地形。結(jié)合橋位處地形、地質(zhì)和場地條件等特點，考慮工程的安全性、經(jīng)濟性、施工可行性及景觀性，選取火花特大橋主橋右幅作為健康監(jiān)測系統(tǒng)布設的對象。

火花特大橋主橋右幅的上部結(jié)構(gòu)采用主跨3×120m的連續(xù)剛構(gòu)，橋跨結(jié)構(gòu)為右線：65m+3×120m+65m，下部橋墩采用空心墩，橋墩基礎均采用樁基礎；主橋過渡墩頂采用320 型伸縮縫，右線橋長為490m。

3.2 監(jiān)測內(nèi)容及結(jié)果分析

火花特大橋的健康監(jiān)測內(nèi)容有溫度、應變、撓度、震度、索力、傾斜和伸縮縫監(jiān)測。根據(jù)某季度的橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知：

（1）溫度監(jiān)測。溫度監(jiān)測測點采集連續(xù)率均達到90%以上，橋梁的溫濕度變化具有較強的日變化規(guī)律，最高溫度日均值33.97℃，最低溫度日均值1.61℃，本期最大溫差為30.76℃。

（2）應變監(jiān)測。橋梁應變可以作為了解主要承力構(gòu)件的受力狀態(tài)指標，及時診斷橋梁的病害、控制車輛荷載。通過應力數(shù)據(jù)與初始的應力數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計并對比分析，應變最大變化量為-107.32με，火花特大橋應力變化不大，整體波動較為穩(wěn)定。

（3）撓度監(jiān)測。通過撓度的變化可以對橋梁的運營狀態(tài)做出準確的實時評估。比較該季度初始撓度中值與末尾撓度中值，各測點中，撓度變化量最大為-13.67mm，整體呈現(xiàn)較好的波動規(guī)律性。說明橋梁結(jié)構(gòu)在橫橋向上整體性較好，且本監(jiān)測周期內(nèi)撓度數(shù)據(jù)呈明顯起伏波動，但數(shù)據(jù)具有穩(wěn)定基線，說明撓度數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定。

（4）振動監(jiān)測。因此橋梁頻率蘊含著橋梁的整體結(jié)構(gòu)信息與安全信息。當橋梁出現(xiàn)較大損傷或結(jié)構(gòu)改變時，橋梁的振動頻率也會隨之改變，利用監(jiān)測系統(tǒng)中采集的橋梁各構(gòu)件的振動加速度數(shù)據(jù)，可初步識別橋梁自振頻率大約為1.85Hz。

（5）索力監(jiān)測。索力狀態(tài)是衡量橋梁是否正常運營的一個重要標志。索力的最大變化量百分比為-3.4%，索力的變化量除受荷載影響外還受溫度變化影響，整體數(shù)據(jù)正常變化，大橋預應力梁的體內(nèi)預應力筋受力狀態(tài)穩(wěn)定。

（6）傾斜監(jiān)測。橋墩傾斜能夠反映橋墩的水平偏位變化情況。橋墩在X 方向該季度最大變化量為0.12°，Y 方向本周期最大變化量為-0.29°，數(shù)據(jù)變化主要受到溫度影響，X 方向呈正相關，Y 方向呈現(xiàn)負相關，剔除溫度影響則角度變化較小。

（7）伸縮縫監(jiān)測。伸縮裝置是易損壞、難修補的部位，因此對伸縮縫進行監(jiān)測。伸縮縫的寬度變化幅度均不大，最大變化為-10.0mm。另外，從伸縮縫的變化趨勢來看，火花特大橋伸縮縫測點數(shù)據(jù)并無持續(xù)增大或減小的趨勢，而是受溫度影響較大呈現(xiàn)動態(tài)增大、減小的趨勢，符合結(jié)構(gòu)正常的變化規(guī)律。

4 結(jié)論

本文設計了一款穩(wěn)定可靠的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)狀況的監(jiān)測與安全評估。將該橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)應用于火花特大橋，通過對各監(jiān)測參數(shù)綜合分析，結(jié)果表明火花特所處狀態(tài)良好，監(jiān)測數(shù)據(jù)變化較為穩(wěn)定。隨著技術(shù)的發(fā)展與橋梁監(jiān)測標準的規(guī)范化，未來的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)可能的發(fā)展方向有：

（1）數(shù)據(jù)采集傳感器更加準確可靠。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)通過傳感器采集數(shù)據(jù)，隨著測量技術(shù)與傳感技術(shù)的發(fā)展，測量數(shù)據(jù)更加精確，更加可靠地反映橋梁結(jié)構(gòu)的真實情況；傳感器的類別更多，全方位掌握橋梁結(jié)構(gòu)的各方面數(shù)據(jù)；傳感器采用無線充電，可在橋梁修建時便將無源傳感器嵌入到橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部，使橋梁健康監(jiān)測時更便捷美觀。

（2）安全評估更加智能化。隨著不斷深入研究、橋梁健康監(jiān)測參數(shù)增加、采集的有效數(shù)據(jù)增加，出現(xiàn)更加智能化、標準化和精準化的橋梁結(jié)構(gòu)健康評估方法，為橋梁的運營狀況、健康評估和預測提供更加可靠的途徑[5]。