古益溝特大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)研究

中圖分類號(hào) U446 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）08-0019-03

0 引言

2021年，交通運(yùn)輸部在《公路長(zhǎng)大橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)實(shí)施方案》文件中提出，“要加快推進(jìn)長(zhǎng)大橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)，提升公路橋梁的養(yǎng)護(hù)技術(shù)和應(yīng)急處置能力，實(shí)現(xiàn)公路橋梁的智能養(yǎng)護(hù)、精準(zhǔn)治理和科學(xué)管理”。特大橋是高速運(yùn)輸系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，然而在施工期間，受材料性能、工藝技術(shù)水平、臨時(shí)荷載等因素影響，橋梁工程剛度、梁重、結(jié)構(gòu)尺寸及預(yù)應(yīng)力等反映結(jié)構(gòu)狀態(tài)的參數(shù)與設(shè)計(jì)要求存在一定的偏差；橋梁工程投入使用后，工程結(jié)構(gòu)會(huì)承受車輛沖擊力、荷載、制動(dòng)力、風(fēng)荷載、地震力及流水壓力等多重壓力，從而會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的損傷，比如，梁體出現(xiàn)疲勞裂縫、附屬件出現(xiàn)變形、伸縮等病害現(xiàn)象，降低橋梁的使用安全性和耐久性[1]。因此，基于信息技術(shù)的精準(zhǔn)感知和分析功能，加強(qiáng)對(duì)橋梁工程的實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)，建立完善的風(fēng)險(xiǎn)防控體系，對(duì)于推動(dòng)橋梁工程數(shù)字化、智能化建設(shè)具有重要意義。

1 工程概況

該文以古益溝特大橋?yàn)楣こ贪咐瑢?duì)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。該橋梁是國(guó)家高速公路銀百高速（G69）的組成部分，為雙向四車道左右分幅特大橋，起點(diǎn)樁號(hào) ，終點(diǎn)樁號(hào) ，大、小樁號(hào)引橋橋跨分別布置為 1 × 4 0 m 、 2 × 4 0 m 。該橋梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)鋼構(gòu)，主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，橋跨布置為（ 8 5 + 1 6 0 + 8 5 ）m，全橋長(zhǎng) 4 5 8 m 、寬 。古益溝特大橋布形如圖1所示。

2古益溝特大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

大型橋梁工程健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是融合了信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)等多種技術(shù)的綜合系統(tǒng)工程項(xiàng)目。其主要任務(wù)是為橋梁安全運(yùn)營(yíng)、科學(xué)管理和養(yǎng)護(hù)提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐。在設(shè)計(jì)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，要根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范，遵循可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)實(shí)用性及可維護(hù)和可擴(kuò)展性等原則，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及測(cè)試[2]。古益溝特大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路是依托傳感器系統(tǒng)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，從監(jiān)測(cè)力學(xué)指標(biāo)（結(jié)構(gòu)動(dòng)力和靜力響應(yīng)）、檢查損傷等方面入手，評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。其中，利用傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和人工定期監(jiān)測(cè)所獲取的數(shù)據(jù)，掌握該橋梁力學(xué)狀態(tài)變化相關(guān)信息，并參考該橋梁受力分析結(jié)果，判斷其構(gòu)件存在病害的可能性，為該橋梁工程后期養(yǎng)護(hù)工作實(shí)施提供指導(dǎo)。另外，將健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與人工巡查系統(tǒng)相結(jié)合，比如對(duì)該橋梁的主梁、主門(mén)架進(jìn)行系統(tǒng)檢測(cè)，對(duì)主墩進(jìn)行人工檢測(cè)，全面掌握該橋梁實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況。

2.1健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)路線

根據(jù)古益溝特大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及橋梁預(yù)警監(jiān)測(cè)、診斷評(píng)估和養(yǎng)護(hù)決策需求，其健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成及其功能，包括關(guān)鍵參數(shù)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理子系統(tǒng)、安全評(píng)估與預(yù)警子系統(tǒng)、用戶界面系統(tǒng)等模塊[3]。其技術(shù)路線如圖2所示。

其中，關(guān)鍵參數(shù)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)各種傳感器構(gòu)成傳感子系統(tǒng)，自動(dòng)獲取橋梁環(huán)境和結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理子系統(tǒng)由監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)設(shè)備和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理及分析軟件組成，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和控制場(chǎng)外橋梁現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集站、調(diào)理器設(shè)備和傳感測(cè)試設(shè)備工作狀態(tài)，完成信號(hào)數(shù)據(jù)的預(yù)處理、后處理、歸檔、顯示和存儲(chǔ)等數(shù)據(jù)管理；安全評(píng)估與預(yù)警子系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)和損傷進(jìn)行識(shí)別，并基于綜合識(shí)別結(jié)果和巡檢結(jié)果，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全使用情況進(jìn)行預(yù)警評(píng)估；用戶界面系統(tǒng)是基于B/S架構(gòu)的一系列可視化軟件組件，向監(jiān)控中心現(xiàn)場(chǎng)操作人員和授權(quán)的遠(yuǎn)程客戶端提供人機(jī)交互界面，將各種數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)按需求展示給用戶，接受用戶對(duì)系統(tǒng)的控制與輸入，從而實(shí)現(xiàn)便捷的系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和在線分析。

2.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

古益溝特大橋的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是利用信息化手段對(duì)橋梁狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)橋面交通狀況、突發(fā)事故等異常狀況。因此，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的內(nèi)容包括橋梁環(huán)境、運(yùn)營(yíng)荷載、橋梁特征和響應(yīng)及異常情況等方面，具體如表1所示。

其中，環(huán)境監(jiān)測(cè)的任務(wù)是了解該橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中風(fēng)速和風(fēng)向、周圍溫濕度等情況，獲取不同時(shí)間段環(huán)境狀況的相關(guān)數(shù)據(jù)；運(yùn)營(yíng)荷載監(jiān)測(cè)的實(shí)質(zhì)是監(jiān)測(cè)該橋梁的車型、車速及車流等交通荷載信息，通過(guò)分析評(píng)估超載、超限車輛對(duì)橋梁產(chǎn)生的負(fù)面影響，預(yù)測(cè)后期交通荷載增加的情況下對(duì)橋梁承受力產(chǎn)生的影響；橋梁響應(yīng)監(jiān)測(cè)的任務(wù)是獲取橋梁的動(dòng)力性能，分析、判斷其對(duì)橋梁產(chǎn)生的危害[4。

3古益溝特大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

該橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，需各個(gè)子系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行。因此，根據(jù)功能需求來(lái)布設(shè)和安裝各個(gè)子系統(tǒng)的傳感器測(cè)點(diǎn)數(shù)量、位置。

3.1風(fēng)速、風(fēng)向監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是監(jiān)測(cè)該橋梁工程的風(fēng)荷載、風(fēng)環(huán)境，需合理地布設(shè)風(fēng)向和風(fēng)速傳感器。通過(guò)分析以往其他項(xiàng)目可知，風(fēng)對(duì)橋梁的作用會(huì)發(fā)生變形、振動(dòng)。因此，該橋梁風(fēng)荷載監(jiān)測(cè)選擇機(jī)械式風(fēng)速儀，分別在門(mén)架頂上游、主跨1/2斷面上層橋面上下游布設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn)、2個(gè)測(cè)點(diǎn)，使用定制鋼管將風(fēng)速儀安裝于橋梁結(jié)構(gòu)上，為減少支架振動(dòng)對(duì)風(fēng)速儀工作的干擾，對(duì)支架設(shè)計(jì)和制造的剛度嚴(yán)格控制，在現(xiàn)場(chǎng)完成構(gòu)件拼裝作業(yè)，便于高空作業(yè)的實(shí)施。此外，借助采集軟件實(shí)時(shí)采集風(fēng)速儀數(shù)據(jù)，使用基于B/S架構(gòu)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示軟件來(lái)顯示數(shù)據(jù)，即工作人員通過(guò)連接網(wǎng)絡(luò)就可以查詢、瀏覽監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3.2環(huán)境溫、濕度監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是通過(guò)監(jiān)測(cè)該橋梁所處的環(huán)境溫濕度，獲取其運(yùn)行過(guò)程中的溫、濕度信息，判斷該橋梁健康狀況。綜合考慮經(jīng)濟(jì)、技術(shù)因素，該系統(tǒng)選擇溫、濕度監(jiān)測(cè)該橋梁環(huán)境溫、濕度，在主跨1/2斷面上、下橋面布設(shè)2個(gè)測(cè)點(diǎn)，使用不銹鋼支架、百葉箱來(lái)安裝溫、濕度儀，并使用數(shù)據(jù)采集軟件采集溫濕度數(shù)據(jù)，用基于B/S架構(gòu)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示軟件來(lái)顯示數(shù)據(jù)。

3.3降雨量監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是使用雨量計(jì)監(jiān)測(cè)橋梁降雨量，在主跨1/2斷面上橋面上布設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn)，使用型鋼支架安裝雨量計(jì)，數(shù)據(jù)采集與顯示使用同一模擬量的采集軟件。

3.4橋面荷載車輛監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)橋面上的車輛荷載、車流及車速等，為交通疏導(dǎo)、超載限速問(wèn)題的解決提供數(shù)據(jù)依據(jù)。該系統(tǒng)使用車速車軸儀監(jiān)測(cè)橋面荷載，在靠近主橋伸縮縫的上下層的橋面各車道分別布設(shè)6個(gè)、8個(gè)測(cè)點(diǎn)，然后安裝車速車軸儀感應(yīng)壓傳感器，使用數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)時(shí)采集車輛動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)信息，自動(dòng)對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果、報(bào)警信息保存，并通過(guò)顯示軟件顯示車輛荷載監(jiān)測(cè)、車流量統(tǒng)計(jì)分析等。

3.5結(jié)構(gòu)振動(dòng)、地震監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、地震作用。其中橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化受動(dòng)力特性影響，比如橋梁局部振型發(fā)生變化，說(shuō)明其局部結(jié)構(gòu)被破壞，加之地震災(zāi)害對(duì)橋梁工程的影響較大，可能會(huì)損壞橋梁的結(jié)構(gòu)[5]。該系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和地震突發(fā)荷載的監(jiān)測(cè)分別使用單向加速度傳感器監(jiān)測(cè)、三向加速度傳感器，在主門(mén)架頂及其中跨側(cè)上下游吊桿位置各布設(shè)4個(gè)測(cè)點(diǎn)，在墩頂布設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn)，將傳感器均安裝于保護(hù)盒內(nèi)。

3.6應(yīng)變、應(yīng)力監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

應(yīng)變和應(yīng)力作為橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵指標(biāo)，能夠反映出其整體和局部受力情況。通常根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)、實(shí)際運(yùn)營(yíng)中易發(fā)生損傷的部位來(lái)布置測(cè)點(diǎn)。該系統(tǒng)選用光纖光柵應(yīng)變傳感器，采用激光冷焊工藝將傳感器連接于鋼結(jié)構(gòu)間，在門(mén)架桿件、吊桿和腹桿、橫梁及橋面板等多個(gè)位置布設(shè)多個(gè)測(cè)點(diǎn)，并使用具有測(cè)量波長(zhǎng)值、顯示波長(zhǎng)等特點(diǎn)的采集軟件，便于用戶實(shí)時(shí)獲取各個(gè)測(cè)點(diǎn)的波長(zhǎng)、應(yīng)變測(cè)量結(jié)果。

3.7 視頻監(jiān)控子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)由前端子系統(tǒng)（攝像儀、現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換及安全防護(hù)系統(tǒng)）和后端（監(jiān)控中心）組成，且借助通信光纜實(shí)現(xiàn)二者的連接。其中，前端子系統(tǒng)中利用攝像儀記錄該橋梁各個(gè)部位實(shí)時(shí)運(yùn)營(yíng)情況、突發(fā)事件等，并將其傳輸至監(jiān)控中心；安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是防止現(xiàn)場(chǎng)攝像儀被盜，該系統(tǒng)中使用紅外探測(cè)器設(shè)備；現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換即解決遠(yuǎn)距離傳輸問(wèn)題，在監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)光信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)變、處理。后端系統(tǒng)涉及信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及視頻顯示等方面，綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及業(yè)主需求等因素，該系統(tǒng)使用光纖收發(fā)器、中心交換機(jī)、視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器等設(shè)備，按照機(jī)房要求來(lái)安裝后端設(shè)備。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，該文以古益溝特大橋工程為例，分析該橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際需求，結(jié)合該工程特點(diǎn)、監(jiān)測(cè)內(nèi)容等，設(shè)計(jì)該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體框架，并從環(huán)境溫濕度、風(fēng)速和風(fēng)向、橋面荷載車輛、結(jié)構(gòu)動(dòng)力、應(yīng)變和應(yīng)力等方面入手，分析各個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集及顯示，該研究以期充分發(fā)揮自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)、信息技術(shù)等在保障橋梁安全運(yùn)營(yíng)方面的優(yōu)勢(shì)，為其他類似工程的信息化建設(shè)提供新思路。

參考文獻(xiàn)

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