桥梁健康监测系统优化研究

沈立中 张田湉

摘    要：桥梁健康监测管理系统是基于传感系统，信息采集系统、信息处理分析系统及结构分析技术为基础，集自动监测和安全性评估、分级预警为一体的系统。其主要功能是对桥梁的基本数据进行采集，并通过数据处理分析，综合评判桥梁运营状态时结构性能并进行安全等级评估，如若超过安全状态时系统给出维修意见或紧急处理对策并进入预警状态，将结构缺损位置及缺损程度等信息通知到养护管理中心，这大大改善了传统管养的不足之处。而现阶段国内桥梁健康监测系统主要存在着以下几类问题：（1）监测系统布点设置针对性不明确。（2）传感器类型多，硬件无法全面兼容性。（3）采取独立式管理系统，无法做到数据联网式。

关键词：健康监测;系统优化;斜拉桥

1  系统优化总体目标及设计原则

1.1总体目标

进一步提升桥梁的科学化管理水平，通过整合资源、合理规划，将自动化监测技术与人工巡检技术相结合，以构建一个集约高效、技术先进、易于管理、开放兼容、实用经济、符合桥梁管理需求的现代化、信息化桥梁管理平台，具体包含以下方面：

（1）为桥梁科学有序的养管工作提供一个综合管理平台，建立基于桥梁巡检养护综合管理系统（包括电子人工巡检子系统等）的桥梁全寿命期信息化“档案”。

（2）建立桥梁安全预警系统，有效地掌控重要桥梁的结构使用状态及其发展演化趋势，对桥梁运营期出现的各类异常状况及时作出诊断、预警，根据需求对桥梁健康状况进行综合评估，最终确保桥梁的安全运营。

（3）并针对不同突发性事故，提出应急措施及决策方法，辅助管理单位快速做出应对措施，提高管理水平，并建立桥梁结构状态数据监控和应急指挥信息的多重发布平台。

（4）为桥梁科学监测管理提供一个平台，可对多座重点桥梁进行在线监测集中式管理、对桥梁进行巡检养护信息化管理及安全预警等综合管理，可与智慧交通平台等多部门共享交通信息，进行联动管理，预留其他重要基础设施在线监测系统接口，共享监测管理信息，实现交通基础设施的智能化管理。

1.2  设计原则

为使桥梁健康监测系统成为一个功能强大并能真正长期用于桥梁养护管理，同时具备经济效益和高水平的桥梁健康监测与养护管理系统，系统的功能构建遵循如下原则：

（1）强调监测系统的科学性，遵循“简洁、实用、性能可靠、经济合理”的原则。

（2）满足桥梁养护管理和运营维护的需要，同时兼顾考虑科学试验与设计验证等方面因素。

（3）根据实际需要，采用实时监测、定期监测及人工检查相结合的方法。

（4）根据不同类型桥梁易损性分析结果，选择桥梁易损、重点部位及日常养护无法检查或检查非常困难的部位进行实时监测。

（5）监测系统能顺应桥梁健康监测的发展方向，具有可扩展性。

1.3  系统级别分类

按照系统规模、功能的不同大致可分将系统分为三种级别，即全效型、实用型、经济型。（1）全效型桥梁健康监测系统：一般应用于重要性程度高、结构新颖复杂、桥址环境恶劣的超大跨度桥梁中，其功能不仅是进行桥梁安全监测与评估，更兼有设计验证和科学研究的功能，因此无论从监测内容、监测方法、仪器选型、自动化程度，都具备较好的先进性和可靠性。（2）经济型桥梁健康监测系统：一般应用于重要性程度一般、结构较为简单、跨度不大的中小桥梁，其系统功能主要是进行桥梁安全监测，甚至桥梁综合评估的功能也可简单化，因此系统监测内容最少、自动化程度相对较低，组成架构也最简单。（3）实用型桥梁健康监测系统：介于全效型和经济型之间，其功能主要以进行桥梁安全监测与评估为主，监测内容相对全效型较少，监测方法和仪器以实用可靠为主。实用型桥梁健康监测系统可独立成为一个完整的系统，也可由几个系统共同组成区域集群健康监测平台。

基于功能与成本费用最优的原则，应在不同类型的桥梁上安装与其现状相匹配的桥梁健康监测系统。在确定桥梁健康监测系统的等级时，应主要考虑桥梁结构特点、跨度、技术状况这三个因素。

2  利用优化算法修正模型

利用优化算法进行模型修正的机理是：在特定已知的结构输入参数的前提下，结构系统参数和结构系统响应（输出）存在确定的映射关系。换言之，在特定输入下，结构的响应信息是随结构的系统参数的变化而变化的。基于优化算法的模型修正实质是利用优化算法对结构系统参数的优化求解，得到的结构系统参数的最优化的解，具体步骤如图1。

3  传感器选型

按桥梁结构健康监测系统的监测内容，应选用相应类型的传感器，选择的传感器类型符合表1规定。

4  温州大桥健康监测系统优化

4.1  桥梁概况

温州大桥主桥为（135+270+135）m双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，于1998年建成通车。设计荷载：汽超20，挂120。斜拉桥采用扇形索面、漂浮体系;主梁断面为边箱梁，梁高2.5m，全宽30m。索塔为钢筋混凝土花瓶形塔柱，全高99.8m，塔柱每侧索面有15对斜拉索，梁上索距8m，塔上索距1.8m。主墩基础为直径Φ250钻孔桩。

4.2  按优化次序建立系统

根据温州大桥运营状况，按实用型类型建立一个功能相对齐全并能真正长期用于结构损伤和状态评估，满足桥梁养护管理和运营的需要，同时又具经济实用性的健康监测系统，遵循如下设计原则：（1）遵循总体设计，分步实施的指导思想;（2）系统结合运营养护管理需要及结构易损性分析的结果，以简洁、实用、性能可靠、经济合理的原则进行监测点的布设;（3）监测与结构安全性密切相关内容，主要监测一些有代表性的结构、必须进行监测的重要结构以及日常养护无法检查或检查非常困难的结构响应。（4）从动力、静力、耐久性对结构进行监测，以结构位移监测为主，以索力、应力、模态分析为辅助，力求用最少的传感器和最小的数据量完成工作;5、系统应具有可扩展性。

监测范围的选取应遵循传感器实时监测和人工定期监（检）测相结合的原则，监测内容能覆盖结构评估的要求。根据以上原则，考虑到本桥建设过程中的特点并结合大桥近期实际运营状况对本桥健康监测系统的进行设置

4.3  监测范围及内容

4.3.1  實时监测范围

4.3.2  定期监测范围

4.3.3  测点位置布设

全桥传感器布置图如图2所示。

4.3.4  系统功能及硬件总框架

依据总体设计思路及传感器选型后形成总框架如下：

4.4  优化后系统建设成果

优化后的温州大桥健康监测系统，具备重要部件数据实时传输及处理、分层次评估、安全分级预警、应急指挥等功能;是综合性管养平台，选取部分成果如下：

5  结束语

本文对桥梁健康监测的优化建议是结合结构理论分析，并对国内外已建设有监测系统的桥梁进行总结归纳，可为其他桥梁监测系统建设提供参考依据。同时以温州大桥为依托，建立温州大桥健康监测系统，实现对桥梁结构状态数据监控及预警、数据评估、应急指挥等功能。

参考文献：

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