小店高架橋健康監(jiān)測系統(tǒng)設計

中圖分類號：U445.7 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）21-0113-04

Abstract：Thispaper introducesthedesignofthehealthmonitoringsystemforXiaodian ViaductinShanxiProvince，which aimstoimprovethebridgesoperationandmaintenanceeficiencyandsafetybymonitoringthebridge'sstructuralresponsein realtime.Thesystemconsistsofanautomateddatacollctionandmonitoringsubsystem，adatastorageandmanagement subsystem，astructuralearlywaringandstructuralsafetyasessentsubsystem，avideomonitoringsubsystem，andauser interfacesubsystem.Temonitoringcontentincludesthemonitoringofdeflection，strainandcrackofthemainbeam.Thesystem storesadanalyzesdatathroughthecloudplatformservicelayer，andprovidesdatadisplayandearlywaming functionsthrough theclientapplicationlayer.Thesystemhelpsdetectbridgedamageinatimelymanerandprovidesdecisionsupprttobridge management departments，thereby extending bridge service life and reducing maintenance costs.

Keywords： bridge health monitoring; deflection; strain; crack;system design

1系統(tǒng)概況

橋梁是公路基礎設施建設的重要組成部分，橋梁健康監(jiān)測是復雜的系統(tǒng)性工程。當前，基礎設施新建減緩，進入運維時代，在自然因素和人為因素雙重影響下，公路橋梁多存在危病、老化、腐蝕和混凝土開裂等問題，橋梁易損性將愈來愈大，橋梁未老先衰等中長期風險交織疊加，存在復雜周期性問題。此外，橋梁結構健康檢測方式自前仍較為原始，多以人工巡檢為主，在數字化、智能化、自動化等方面發(fā)展不足。近年來，公路橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)受到國內研究團隊、運維管理單位等多方面關注，并在傳感器的優(yōu)化布設、自動監(jiān)測的智能控制、橋梁剩余壽命估計等方面取得顯著成果。但是在實際工程應用中，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)終端布設較為靈活，需要根據橋型、橋位、跨徑等諸多因素因地制宜地進行設置，導致健康檢測系統(tǒng)布設成本較高、普及率較低，一般性橋梁基本未覆蓋。本系統(tǒng)通過云平臺服務層進行數據存儲和分析，并通過客戶端應用層提供數據展示和預警功能。

1.1橋梁概況

小店高架橋梁位于高速公路的南環(huán)線，全長4359.2m ，上部結構為A類預應力混凝土空心板梁，采用簡支轉連續(xù)的施工方法，標準截面梁高為 1.15m ，腹板厚度為 10～18cm （圖1）。該橋于1999年12月建成通車，至今已運營20余年，運營期內大型車輛在交通量中占比較高，且部分車輛存在超載狀況，長期受超出橋梁設計荷載的車輛經過的影響，橋梁存在安全隱患與健康運營風險。

1.2 監(jiān)測目的

本橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)要達到的自標有以下3點：1）通過橋梁靜力響應監(jiān)測，對結構關鍵截面撓度、應變等指標進行監(jiān)控監(jiān)測，掌握橋梁的實時靜力響應狀態(tài)，獲得橋梁的位移變化量信息和受力情況

2）通過實時動態(tài)撓度參數監(jiān)測，在發(fā)生橋梁動態(tài)撓度、應變超過響應閾值時配合橋面攝像頭抓拍超重車輛。橋梁運營期間常有大型車輛經過，部分車輛存在超載狀況，長此以往，會減少橋梁壽命，產生安全隱患。

3）通過分析監(jiān)測數據，對橋梁可能出現(xiàn)的損傷進行定量分析，并分析可能影響結構正常使用以及危及結構安全性和耐久性的因素，為日常養(yǎng)護和維修加固、橋梁狀態(tài)評估和預測提供充分的數據和資料，為橋梁管理部門進行決策提供數據支持和決策依據

1.3 監(jiān)測系統(tǒng)架構

考慮到小店高架橋的結構特征以及橋梁HMS的基本要求，本HMS由以下子系統(tǒng)組成：數據自動采集與監(jiān)測模塊、數據存儲與管理模塊、結構預警與安全評估模塊、視頻監(jiān)控模塊以及用戶界面模塊。系統(tǒng)主要分為以下4個層級（圖2）。第一層為結構感知層即結構的監(jiān)測儀器，由各監(jiān)測傳感器類型組成，如荷載與環(huán)境監(jiān)測、結構整體響應、結構局部響應。第二層為監(jiān)測站采集層，主要完成傳感器數據的采集、信號調理、數據傳輸、邊緣計算、告警及聯(lián)動抓拍等功能。該系統(tǒng)負責收集來自傳感器的信號，執(zhí)行初步的信號預處理，并將預處理后的數據傳輸至云平臺服務層。第三層為云平臺服務層，包括數據庫設計、設備組網、數據存儲、測點計算、數據告警等，系統(tǒng)持續(xù)地收集傳感器數據，并即時保存原始及處理過的數據。經過分析處理后，將特征數據存人中央數據庫，以便為客戶端應用層提供必要的基礎數據支持。第四層為客戶端應用層，主要功能是面向用戶提供數據組網配置、測點部署、數據展示、數據分析、告警信息配置、統(tǒng)計報表、損傷診斷及極限狀態(tài)評估等功能，完成監(jiān)測數據的分析、預警、顯示和輸出等，通過監(jiān)控中心將重要監(jiān)測信息發(fā)布到用戶終端，輔助用戶查看云平臺服務層的相關數據。

2 系統(tǒng)設計

2.1傳感器模塊

本橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的核心監(jiān)測內容是結構響應監(jiān)測，涵蓋主梁撓度和應變的監(jiān)測。在選擇和布置小店高架橋的傳感器時，遵循以下準則：傳感器的布局設計旨在全面監(jiān)測大橋的局部與整體荷載及其響應變化，并使其數據可與大橋的設計荷載和相關響應變化進行有效對比。應將傳感器安裝在承受較大荷載和響應的構件或位置上，這些區(qū)域也可能是結構損傷的高發(fā)區(qū)。這些關鍵位置應通過計算分析、實驗測試以及歷史經驗來確定。在選擇和布置傳感器時，必須確保其測量數據能夠與大橋的結構分析模型的計算結果進行有效的相關性比較或分析。

2.1.1 撓度監(jiān)測

1）監(jiān)測目的及意義?？紤]到結構動力特性參數的變化易被環(huán)境噪聲淹沒或對結構損傷不敏感的問題，本系統(tǒng)計劃采用主梁撓度作為評估結構安全的關鍵指標，通過研究其在不同作用力下的撓度變化（即響應）來進行分析。尋找與結構安全有關的特征信息及其演化規(guī)律，進而判斷橋梁結構的安全狀況

2）LVDT位移傳感器。LVDT位移傳感器在航空、機械控制、混凝土收縮徐變及橋梁監(jiān)測中得到廣泛的應用，屬于接觸式測量的一種。因此，要用于橋梁撓度監(jiān)測需要對其測桿進行改造，并布置基準線與測桿連接，擬在橋跨兩側橋墩拉鋼絲繩作為基準線，鋼絲穿過位移傳感器測桿前端小孔（圖3）。撓度監(jiān)測采用LVDT位移傳感器，該設備具有響應速度快、低溫飄、始動漂移小、重復性好，使用壽命長等特點，且能實現(xiàn)較高頻率動態(tài)測量。

3）安裝位置。LVDT傳感器安裝在邊梁底板上，分別布置在監(jiān)測跨的跨中位置，每個截面布置2個測點，共安裝8個LVDT傳感器（圖4）。

2.1.2 應變監(jiān)測

1）監(jiān)測目的和意義。成橋后，結構應力是評估結構安全性的最直接指標。結構的亞健康狀態(tài)常常導致應力超限或應力異常重分布。通過應變監(jiān)測，可以實時了解關鍵部位在車輛荷載、風荷載、溫度變化和地震等外部荷載作用下的應力狀態(tài)。這有助于直接判斷測試點的應力是否在安全范圍內、驗證構件的疲勞應力，并核對結構模型修正及損傷識別的準確性。

2）振弦式應變計。應力監(jiān)測采用振弦式應變計，其設計原理是將一根鋼弦的兩端固定于中空金屬管中，當金屬管受外力或溫度影響而變形時，鋼弦的張力將因此遞增或衰減，其共振頻率隨之改變。

3）安裝位置。在選取的跨中位置安裝應變計，分別布置在各個空心板梁底位置，每個截面布置8個，合計32個。同時在連續(xù)梁選取的兩跨之間墩頂邊梁外側面腹板布置應變計，每個截面布置2個，合計4個（圖5）。

2.1.3 裂縫監(jiān)測

1）監(jiān)測目的和意義。混凝土橋梁的病害進展、性能退化及結構失效通常源于裂縫的形成與擴展。因此，裂縫預警和狀態(tài)監(jiān)測構成了混凝土橋梁安全監(jiān)測的關鍵組成部分之一。通過安裝裂縫傳感器（裂縫計），長期監(jiān)測裂縫寬度，在裂縫寬度超過安全閾值時及時報警，并通過對裂縫跨度發(fā)展的長期數據進行趨勢分析，以確定是否需要進行修復，從而確保橋梁的安全運營。

2）監(jiān)測設備選型。振弦式裂縫計廣泛應用于橋梁、隧道大壩及其他混凝土結構物的裂縫監(jiān)測，故本次裂縫監(jiān)測也采用振弦式裂縫計。振弦式裂縫計內部包含一組振動鋼弦敏感組件，鋼弦一端被固定，另一端則連接到彈簧拉力棒，現(xiàn)場裂縫變形時帶動了拉力棒的移動，使彈簧改變了鋼弦的振動頻率，這個振動頻率的大小與裂縫開合大小成比例關系。振弦采集儀等自動化記錄系統(tǒng)可用于測讀裂縫峰計振動頻率數據。

2.1.4橋面實時監(jiān)控

橋梁是公路運輸網絡中的控制關鍵環(huán)節(jié)，對橋梁的結構承載能力進行評估以確定其是否能夠承受大件運輸車輛的通行是至關重要的。

小店高架橋視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要提供直觀的監(jiān)控技術給養(yǎng)護單位，并為橋梁的運營與維護部門提供視頻資料。并與報警系統(tǒng)相結合，提供預警信息。

使用攝像機對各種車輛進行實時抓拍，通過軟件設置，修改觸發(fā)模式、與外接設備（動撓度傳感器）進行聯(lián)動，設備參數見表1。

2.2數據采集與傳輸模塊

因前端無網絡設備，故采用的采集方式為：傳感器的監(jiān)測設置一個數據采集以太網，將采集站內所有設備組成小的局域網，由嵌入式設備對采集設備的輸出數據進行解析，再按照統(tǒng)一的接口協(xié)議通過4G通信發(fā)送到云平臺服務層（圖6）。

3 結構報警及評估

3.1 報警值確認

閾值是安全狀態(tài)評估中的一個關鍵參量，但合理確定閾值，特別是大型橋梁的閾值是一項艱巨的工作。應指出的是，閾值不是一個孤立的物理量限值（如位移等），一般情況下是一個相對值（如相對基礎沉降、橋面線型、各吊桿內力分布曲線等）；閾值也是一個變量，可能和時間、溫度、荷載等有關；另外，確定合理閾值是一個根據長期監(jiān)測結果不斷修正完善的過程，應指出的是，閾值不是一個固定不變的值，特別是針對內力和變形不斷發(fā)生重分布的新建橋梁，合理閾值的確定需在較長時間段內不斷調整、優(yōu)化的過程

小店高架橋報警系統(tǒng)根據設計資料，采用橋梁結構分析軟件MIDAS/CIVIL構建橋梁的有限元計算機模型，并依據現(xiàn)場檢測數據對模型進行校準，以模擬橋梁的實際運行狀況。通過計算分析橋梁在不同環(huán)境條件、荷載情況以及監(jiān)測時段下的撓度和內力，建立一個原始的理論數據庫，用作實測數據對比的預警基準。

3.2報警聯(lián)動

3.2.1 告警

在監(jiān)測采集層的嵌入式系統(tǒng)中，增加報警功能，一旦撓度或應變發(fā)生預警，即啟動報警功能，提醒過往車輛及路人注意路面狀況。

3.2.2 聯(lián)動抓拍

在監(jiān)測采集層的嵌入式系統(tǒng)中，增加報警功能，一旦撓度或應變發(fā)生預警，即啟動攝像機抓拍功能。同時監(jiān)測平臺接收報警信息，可以對報警問題迅速做出反應（圖7）。

3.2.3 報警通知

被測物體結構響應的某項測量數據超出閾值時，觸發(fā)報警： ① 在計算機web軟件平臺和監(jiān)看大屏上，通過醒目的消息提示形式展示預警狀態(tài)； ② 前端有報警信息時，聯(lián)動結構上安裝的攝像機進行橋面狀況抓拍。

3.3數據分析

根據對應的監(jiān)測項配置不同的數據分析方法，本系統(tǒng)主要監(jiān)測項有動撓度、應力應變。本系統(tǒng)采用的分析方法有以下幾種。實時數據：打開頁面查看橋梁的實時監(jiān)測數據。歷更數據：根據開始時間和結束時間，加載該測點的歷史曲線，計算其極值、平均值、方差等數據，同時支持數據導出功能，用來對橋梁狀態(tài)進行長期觀測。對比分析：選擇同一時間段，不同測點，可對比不同應力曲線數據。

3.4綜合預警與安全評估子系統(tǒng)

結構預警與安全評估子系統(tǒng)的核心功能是對傳感器傳回的應變、溫度和振動等信號進行深入分析，以識別結構狀態(tài)和潛在損傷。該系統(tǒng)結合損傷識別結果和常規(guī)巡檢維護數據，對橋梁的結構安全性進行綜合評估，并提供實時預警服務。系統(tǒng)設計的關鍵環(huán)節(jié)包括：對橋梁監(jiān)測和監(jiān)控識別數據進行趨勢分析、對比和預測；建立結構內力和變形等參數的預警指標體系，實施分級預警；并綜合運用多種監(jiān)測和識別結果，采用先進的損傷識別技術，對結構的安全使用狀態(tài)進行全面評估。

小店高架橋預警體系基于監(jiān)測數據的統(tǒng)計信息及簡單數據分析，對監(jiān)測點力學指標進行預警，信息通過web界面和消息推送給相關人員。

4結束語

通過建立山西小店高架橋健康監(jiān)測系統(tǒng)，有效提高了管養(yǎng)單位對結構實時狀態(tài)的把握，實時預警系統(tǒng)對超限車輛進行抓拍，對報警信息進行及時處理，延長大橋使用壽命。通過山西小店高架橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的實際應用，養(yǎng)護管理單位降低了現(xiàn)場養(yǎng)護的成本與工作量，具有良好的經濟性，同時可以保證良好的監(jiān)測效果。

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