桥梁结构安全监测技术与应用

文/张进 中国建筑东北设计研究院有限公司 辽宁沈阳 110003

1、桥梁结构的安全监测

1.1 桥梁结构的状态监测

桥梁结构的状态检测分为连续监测和定期监测。主要监测内容包括表面外观监测、强度监测、性能趋势监测、温度监测、声学监测和振动监测。对于不同的监测对象，桥梁结构监测的物理参数也因其工作性能控制因素而不同。振动和噪声检测在桥梁检测中应用最广泛。对于一些大型桥梁，强度监测、振动监测和外观监测通常是主要目标。当监测桥梁结构时，为了保证监测数据的准确性，技术人员一定要严格监测对象的选择，通常情况下，应该选择灵敏度较高的特征参数作为监测数据。

1.2 桥梁结构的病害诊断

1.2.1 模式识别方法，使用这种诊断方法需要离线分析和在线诊断。所谓离线分析是指通过离线分析确定能够表达结构状态的特征向量集和由特征向量集描述的疾病模式向量，从而形成疾病的基本模式集。在线诊断需要实时提取结构状态的特征向量，并通过判别函数分离和定位桥梁结构疾病。

1.2.2 专家系统法，该方法通过该领域一些专家的触觉、听觉、嗅觉和视觉获得一些客观事实，然后根据桥梁结构和疾病史判断桥梁疾病的位置和原因。这种诊断方法特别适用于一些复杂结构的桥梁疾病故障诊断。

1.2.3 模糊数学法，当系统负载不确定或不清楚时，可以用模糊集来描述它，技术人员可以通过模糊聚类分析将模糊集划分为不同级别的子集，以识别疾病最可能属于的子集。

1.2.4 人工神经网络法，这种诊断方法在桥梁结构病害诊断时分为两个阶段，首先是学习阶段，技术人员需要选择合适的网络结构和模型，同时借助一定的学习算法，反映系统的动态特征以及干扰影响的变量作为神经网络的输入，对应的状态编码是期望输出，形成输入/期望输出的样本，进而确定神经网络的阈值和权值，在学习收敛之后再冻结神经网络的阈值和权值。诊断阶段是使训练好的神经网络处于回想状态，对于给定的输入，产生相应的输出，通过输出与状态编码之间的比较，确定病害。

1.2.5 是对比诊断法，这种诊断方法应用最广泛。技术人员首先通过初步统计归纳、计算和分析确定与每个状态一致的标志，最后将这些标志与参考模型进行比较，以获得桥梁结构的状态。

2、桥梁结构变形和应力监测

2.1 桥梁结构应变(温度)监测

桥梁结构应变监测采用智能表面数码弦式应变计进行测试，关键截面应力(温度)采用JMZR-2000无线自动综合监测系统进行远程无线监测，可确保数据采集的连续性。JMZR-2000型自动化综合测试系统是一种分布式全自动静态网络数据采集系统，通过不同的数据传输方式与采集模块(MCU)联系，完成系统管理、系统参数设定、指挥系统的指令下达与数据实时采集、定时测量数据的上载传输、数据分析与处理、数据库管理等功能。

2.2 结构变形监测

为保证观测结果的准确，减少数据离散，桥梁结构变形监测坚持“四固定”原则，即固定主要观测人员、固定主要观测设备、固定观测路线和固定数据处理方法。桥梁结构变形监测采用徕卡TS30超高精度全站仪，同时配备永久性观测棱镜及反射贴片，其测点位移测量精度：角度测量精度0.5″;距离精度0.6mm+1ppm。历次观测时以墩顶截面固定点作为临时基准点，以附合(闭合)路线观测各监测点高程相对差值。测点的初测高程测量两次并取其平均值。监测频率为每个季节各一次。对跨中测点每次连续监测24h，每1h间隔测量一次。

3、桥梁监测技术的新发展

3.1 桥梁挠度监测技术

GPS法。类似GPS桥梁位移监测，这时只是通过GPS差分定位待测点的坐标计算挠度。系统也是由基准站、监测站和通信系统组成，同时选取多颗卫星作为测量基准，以提高监测效率。

倾角仪法。在桥面纵向上不同的被测点，安装可以根据电压和测量物倾斜角度的比例关系来测量角度的倾角仪，测得不同点的倾斜角度，再用拟合挠度曲线积分和最小二乘法求出不同点的挠度值。

激光图像挠度测量方法。监测系统采用由固定于桥体的光源发出激光束到标靶，再用面阵CCD成像，图像采集卡采集图像，并将数据传送到计算机进行图像处理和计算，也就是通过CCD传感器之间的不同比例关系得出桥梁挠度值。

3.2 桥梁位移监测技术

GPS桥梁位移监测。它是利用导航卫星获得相位差分（RTK），实时测量桥梁位移。这一桥梁位移监测系统包括接收卫星差分信息的GPS基准站、可实时差分后测得站点三维空间坐标的GPS监测站和通信系统。然后由监控中心进行桥梁位移计算。

GPS桥梁位移监测系统测量自动化程度高，受大气、天气因素影响较小，GPS定位速度快、精度高。

3.3 桥梁其他方面的监测技术

桥梁裂缝采用红外热像仪检测技术或神经静脉仿生裂缝监测方法进行检测。红外热像仪将红外辐射转换成可见的热图像，然后分析其特征以获得目标表面温度分布。当桥梁破裂或损坏时，发射的红外线不同于周围的红外线，桥梁的裂缝和损坏部分可以通过热成像来了解。神经静脉仿生裂缝监测方法是在桥梁的某个部位连接金属丝网，当裂缝出现时，由中间处理器判断和确定裂缝的位置和长度。

结语：

桥梁结构监测主要测试桥梁结构变形、应变和裂缝变化等指标，通过仪器测试和人工验证对关键部件进行监测，确定桥梁结构的整体运行状态和局部裂缝的变化，预测其变化趋势和规律，通过现场测量和检测整理和分析相关数据，根据现行规范评估目标桥梁结构的状态，为维护决策提供支持。通过对重点部位的自动化连续监测技术的应用，填充了人工检查不能覆盖的时段，能够及时发现问题解决问题，为桥梁运营安全保驾护航。