城市级桥梁群结构监测研究★

沃晓楠 郭书峰

(中交公路规划设计院有限公司，北京 100088)

1 概述

城市桥梁指城市范围内，修建在河道上的桥梁和道路与道路立交、道路跨越铁路的立交桥。近年，城市桥梁建设速度突飞猛进，数量众多，桥梁形式和构造各异，桥梁分布区域广，城市桥梁集群在为社会经济发展发挥积极作用的同时，其安全监管工作面临着日益严峻的挑战。

为更好地做好城市桥梁群的监管、养护工作，研究城市级桥梁群监测，利用桥梁结构计算、计算机信息技术、传感测试、信号分析、自动控制、移动通信、结构有限元分析、构件巡检管理等多专业跨行业技术融合，为城市桥梁建立数字化、信息化的“桥梁电子档案”[1]，服务于城市桥梁的百年服役期。

2 城市级桥梁群监测平台构建

2.1 总体架构

平台架构按照空间布局分为内场监测中心和外场桥梁现场，内场主要功能是实现健康监测、安全报警、状态评估和实时监控，外场由一系列桥梁群上采集器组成。监测中心与现场设备之间通过专用的远程传输模块通信，从而实现了内外场的互联互通，监测中心由桥梁监测管理服务器集群组成，实现实时数据的采集、传输、处理、计算和显示。监测中心能够根据各桥上传到平台的监测数据综合判别每个桥梁的安全使用状况，一旦遇到超限荷载或极端环境能及时激发报警，将讯息快速传递给大桥管理者，后者及时采取桥梁应急管理措施，服务于管养，见图1。

2.2 网络形式

外场桥梁监测系统与监测中心通过虚拟专网VPN连接，桥群中的每座桥均有一条VPN链路，监测中心有一条汇总数据VPN链路，每座桥梁现场由光纤数据冗余环网构成局域网，见图2。

2.3 软件架构设计

本系统基于GIS平台和分布式数据库管理技术，建立一个三层C/S和B/S混合结构的城市级桥群结构监测系统。利用通讯光缆传输网络作为信息传输平台，将结构现场监测站和监测中心有机地链接为一个分布式的整体。远程客户端可以直接从采集服务器处获取数据，无需经过数据存储过程，而且多个数据采集服务器可并行提供实时数据传输。整个系统利用GIS实现空间信息和非空间信息的集成，用于存贮、显示、查询、分析和表示各种与结构健康相关联的信息，真正满足整个系统数字化、高资源利用效率以及可持续发展的要求，见图3。

2.4 软件功能设计

系统的总体业务功能由各个子系统分工协作实现，通过系统总体业务功能图，可以明确软件系统的业务工作流程，满足用户对系统业务逻辑的要求。实时监测数据通过数据采集、预处理、存储数据库和数据文件方式保存实时监测数据；对收集的各种数据，采用预警评估处理方法和数据后处理方法，计算预警评估信息，最终向用户提供实时监测与预警、数据查询与统计和系统运行状态监控等模块，实现用户对各种监测数据的使用以及系统维护方面的需求，见图4。

系统平台由地理信息系统、用户权限管理、设备管理、后台管理、健康监测与安全预警子系统和交通实时监控子系统构成。1)用户权 限管理负责控制整个平台的用户访问权限；2)设备管理功能相对独立；3)后台管理功能负责平台的异常信息报警管理和信息发布以及健康监测与安全预警子系统的参数设置功能；4)健康监测与安全预警子系统为平台提供监测和预警的实时数据，为地理信息系统提供实时监测数据；5)交通实时监控子系统为平台提供车载和视频数据；6)地理信息系统作为平台的一个入口显示地理信息数据及某些三维桥梁模型的展示，在模型上提供实时监测数据的展示及其他模块跳转的功能。

2.5 数据同步

本平台的数据分析等对时间同步有较高的要求，例如GNSS数据和挠度数据进行时域对比时需要进行绝对时间同步，因此需在监测中心统一设置网络时钟服务器，作为精确时钟源，提供本网络的授时服务。网络时钟服务器内置GNSS 接收机模块，接收GNSS信号输出的时间为基准并提供NTP，SNTP时钟协议服务。本系统时间显示统一采用北京时区时间，24小时制式。

系统中的LINUX/UNIX/Windows Server 2012操作系统服务器，Windows 7操作系统工作站等同步协议采用NTP协议，在各个数据库服务器和应用服务器上安装时钟同步软件与时钟服务器进行同步；系统中采用LINUX，UNIX，SUN SOLARIS，IBM AIX等操作系统的路由器及交换机等也进行时钟同步。

通过IEEE1588 和NTP/SNTP时钟同步方案，自动与GNSS标准时间校对实现10 μs以内同步精度，满足实时同步采集要求，见图5。

3 系统实现

3.1 系统界面

用户界面主要实现Web端实时监测界面的显示，主要分为监测总览界面、实时预警界面及各实时监测项界面。

在单个桥梁的健康监测界面，根据各桥具体监测项目的不同特点划分不同的监测单元，监测单元主要包括：温湿度监测项、风荷载监测项、位移监测项、倾斜监测项、应变监测项、结构动力及振动监测项、温度场监测项、GNSS监测项、车轴车速仪监测项等，见图6，图7。

3.2 数据分析

桥梁监测数据的分析可以分为一级评估、二级评估两个方面[2]。本文以庆丰桥为例首先结合规范[2]进行一、二级评估工作，监测数据见图8～图10。

除了规范规定的评价方法之外，本文还提出了一些反映桥梁综合性能的指标。下面以庆丰桥的振动舒适性示例。

评价桥面振动舒适性，主要是考虑主梁在车辆荷载作用下的竖向振动加速度。主梁竖向加速度监测数据报表如图11所示。

按Sperling舒适度指标进行振动舒适性评价。Sperling舒适度指标是我国铁道车辆乘坐舒适度评价指标，适用于频率0.5 Hz～20 Hz的竖向振动或0.5 Hz～26 Hz的横向振动，指标值按下式[3,4]计算：

其中，a为振动加速度，cm/s2；f为振动频率，Hz；F(f)为与振动频率有关的修正系数，Sperling评价指标的频率加权系数因振动方向不同而不同，对竖向振动当频率在0.5 Hz～5.9 Hz时为0.325乘以频率的平方。由于庆丰桥振动频率很低，对小于0.5 Hz时此处偏安全地取频率加权系数为0.325×0.52=0.081 3,见表1。

表1 Sperling指标舒适度评定等级

本次涡振的结果如表2所示。

表2 Sperling指标舒适度评价结果

评估结果表明，庆丰桥振动不会产生不舒适。

4 结语

本文根据城市桥梁群特点，构建了一套城市级桥梁群监测管理平台。通过对监测平台采集和存储的数据进行分析，分析结果表明构建的监测平台能实现城市级桥梁群监测数据的有效性、实时性和同步性。以宁波市桥梁群结构监测为例，阐述了监测系统的功能实现，并以庆丰桥为例详细的介绍了结构监测的数据分析。