桥梁健康监测系统在桥梁运营期的应用

何清　唐文娟　李国威

摘要：在桥梁的长期运营过程中，由于受到内部和外部因素影响，桥梁结构的安全性、适用性和耐久性逐渐下降，而传统的检测方法不能完全满足现今桥梁管养需要。因此，运用桥梁健康监测系统，以信息化、自动化的方式对运营期桥梁的健康状况进行监测尤为重要。文章通过介绍桥梁健康监测系统，分析在桥梁运营期使用桥梁健康监测系统的必要性，阐述运营期桥梁健康监测系统建设及应用方法，并探讨其未来发展方向。

关键词：桥梁;健康监测系统;应用;发展方向

中国分类号：U447文献标识码：A

0 引言

随着我国经济不断发展，我国桥梁建设技术突飞猛进，桥梁工程未来发展将逐渐从以建设为主过渡到以管养为主。长期以来，人们主要以人工巡检的方式对桥梁进行检测，且通常是在发生一些危险情况时才进行检测，而此时桥梁已经出现了损坏，修复工作耗时耗力。因此，本文通过介绍桥梁健康监测系统，分析使用桥梁健康监测系统的必要性，结合某运营期桥梁健康监测系统实际用例，阐述桥梁健康监测系统在桥梁运营期的设计思路及应用方法，并提出桥梁健康监测系统现存问题及未来研究方向，旨在提供一定的参考与借鉴。

1 桥梁健康监测系统概述

近几十年来，世界范围内由于设计、建设、管养手段不足或由于多种因素的耦合作用而导致的桥梁灾难性事故频频发生，桥梁结构健康状况问题逐渐引起人们的重视。20世纪90年代后期，我国香港特别行政区率先借助欧、美、日等桥梁强国的桥梁计算分析技术，结合香港地区高校的科研实力建立了结构健康监控系统，并在此基础上开展探索性研究和设计创新，致力于桥梁的监测和管养工作，为后期设计和建设的桥梁收集实测数据及结构响应实测资料。

为实现在桥梁运营期对桥梁的健康状况进行监测与评估，从目前桥梁健康监测系统研究和应用现状来看，其具备以下特点：

（1）健康监测系统由硬件和软件组成，通过布设传感器进行数据采集;

（2）主要监测桥梁外部环境及桥梁结构的物理和力学状态;

（3）可分析数据并对桥梁进行整体性和安全性评估;

（4）随着信息技术发展，使得桥梁健康监测系统能够获得更加准确的数据，并具有大容量和網络化的数据采集、传输、处理能力。

2 应用桥梁健康监测系统必要性

虽然传统的检测手段以及健康保障体系经过了长久的发展，但是这类检测方式仍有许多不足之处，具体表现在以下几个方面：

（1）检测的目的性差，检测手法及检测内容大众化，没有根据桥梁结构特点因地制宜地进行检测;

（2）检测方面存在诸多盲点，内部许多复杂结构无法检测到或检测不准确;

（3）传统人工检测时效性差，不能随时掌握桥梁健康状况，无法做到提前预警或在突发情况下找出问题所在，很难为运营期桥梁的管养与维护提供决策支持;

（4）人工记录检测信息效率低，主观性强，无法对检测数据进行及时、准确的处理分析和长期记录与管理。

截至2017年年末，全国公路桥梁达83.25万座，总长5 225.62万m，比上年增加2.72万座、308.66万m。其中，特大桥梁4 646座、826.72万m，大桥91 777座、2 424.37万m。而桥梁在长期运营过程中由于受到车辆荷载、环境、材料等因素影响导致结构响应往往超出设计预期。在我国桥梁管养工作越来越重要，桥梁安全健康状况监测和预警需求越来越迫切的今天，为保证桥梁结构在运营期内的安全，桥梁健康监测系统的应用尤为重要。在桥梁运营期应用桥梁健康监测系统可对桥梁的结构安全状况进行实时监测，对结构危险进行提前预警，对监测数据进行长期记录和分析等，从而为桥梁管养提供理论依据与决策支持，尽量延长桥梁运营寿命。

3 桥梁运营期桥梁健康监测系统建设

3.1 系统设计思路

桥梁健康监测系统的设计与应用需因地制宜，根据所需监测桥梁结构特点和地理环境、系统的建设规模以及造价要求来确定桥梁在运营期内监控系统的设计目标、功能、总体框架和运作流程，并根据监测目标和功能需求确定以下内容：

（1）确定需要监测的环境及使用荷载，并根据设计规范确定荷载在各种极限状态下的分布、幅值等。

（2）结合桥梁结构受力状态，确定传感器的选型和布设方法，以确保选用的传感器能够对桥梁内部状况进行准确监测;建立全桥视频监控系统，对桥梁外部状况进行实时视频监测，随时了解桥梁通行状况及外部情况。

（3）确定结构安全评估的方法与预警系统，对结构损伤、性能退化或突然状况进行预警或识别，保证桥梁结构的安全运营。

（4）确定数据处理与控制系统的数据分析、显示、存档等要求，从而掌握结构性能演化规律，为桥梁结构耐久性、可靠性评估提供数据支持。

（5）健康监测系统结合人工检测，建立桥梁管理系统，为桥梁管理养护及维修加固提供技术支持。

3.2 监测内容

在桥梁运营期，其内力与变形情况复杂，并且在风或地震等荷载作用下，会影响桥梁结构的安全性和耐久性，因此桥梁健康监测系统监测内容通常包括以下几个方面：

（1）环境荷载，包括风荷载、温度荷载。由于桥梁特别是大跨度桥梁结构对风荷载较为敏感，风速矢量是重要监测参数。同时，大跨度桥梁结构对温度荷载反应显著，通过对温度实时监测，可获得桥址气温变化规律，对桥梁运营状态进行分析与评价有着重要作用。

（2）车辆荷载。车辆荷载是桥梁结构主要的运营荷载，也是导致桥梁结构疲劳损伤的重要因素。通过长期的监测可为车辆荷载分析系统录入大量数据，从中获取车辆荷载基本特征和属性。

（3）动态特性。动态特性是反映结构本身健康状态的重要指标，通过监测应用结构参数和损伤识别技术，有助于对桥梁结构健康状态做出评价。

（4）结构响应，包括变形、应力、索力等。可实时了解结构变形情况与变形性质，分析变形规律、速率与趋势，可预警结构隐患。对桥墩、主梁等重要构件和关键部位的受力状态进行监测，可及时发现异常情况和局部损伤部位，是健康监测的重要内容。而由于索力、吊杆等关键承重构件的内力直接反映结构状态，因此可及时发现结构发生损伤或状态改变。

（5）地震监测。与传统监测技术相比，桥梁健康监测系统的重要特点之一是可对偶然性灾害进行记录，为灾后评估和振动响应提供依据，对于运营期桥梁的健康状况评估有着重要意义。

接下来将以某运营期桥梁的健康监测系统为例，简述桥梁健康监测系统在桥梁运营期内的应用。

4 工程实例

4.1 工程概况

某运营期桥梁全长1 050 m，采用（108+3×188+108） m连续刚构，引桥采用30 m预应力混凝土空心板，跨径组合为：5×30 m+（108+3×188+108） m+4×30 m，主桥桥墩采用薄壁式，引桥桥墩采用桩柱式桥墩。

4.2 监测重点

桥梁健康监测系统监测范围的选取遵循传感器实时监测和人工检测相结合原则，监测内容要能满足结构安全及综合评价、结构状态及损伤识别要求，根据该桥结构特点，确定该桥监测重点：

（1）动力响应监测。掌握大桥箱梁振动响应，用于计算结构模态参数和振动类突发事件预警;

（2）内力监测。在应力变化幅度较大位置布设测点进行监测以考察疲劳状况;

（3）变形监测。掌握主梁挠度变形和梁端位移实时情况;

（4）温度监测。由于温度对结构温度影响较大，因此要实时监测结构温度和大气温度;

（5）交通荷载。安装摄像头以监控交通量情况，并在桥梁两边设置动态称重系统，以实时掌握交通荷载情况。

4.3 系统结构

该桥正在使用的健康监测系统包括设备供电系统、自动化传感测试系统、数据采集与传输系统、数据处理与分析系统四部分，可在桥梁运营期对主河桥主桥桥面交通状况、桥梁长期受力情况、周边环境状态、桥面及桥下情况等多种参数提供实时在线监测，如图1所示。

4.4 主要系统应用

4.4.1 自动化传感器系统

由传感器系统和视频监控系统组成。以梁、墩身为主要监测对象，以结构静力、动力、变形以及结构与环境温度为重点监测内容，布设相应的监测仪器，建立起结构健康監测系统。

4.4.2 数据采集与传输系统

数据采集基站主要由硬盘录像机、采集单元以及工控机组成。共设有两个采集基站，一个负责交通荷载监测和部分视频监测;另一个负责环境、视频、主梁变形、结构应变监测等。数据传输系统由局部光纤或电缆网络和整体光纤网络组成，局部光纤或电缆网络将各传感器或摄像头连接到数据采集单元，整体光纤网络将各数据采集单元连接成星形网络，并将采集的数据传输到数据处理与分析系统服务器。

4.4.3 数据处理与分析系统

该系统将获取的数据进行二次处理，并展示到健康监测系统平台页面上，从而可在异地实时观测桥梁健康状况，获取监控与分析数据。数据处理与分析系统网站包括四个模块，可实现视频监控、数据记录分析、预警、状态评估、损伤识别等功能，具体模块功能如表1所示。

随着桥梁运营期的安全状况日益受到重视，桥梁检测需求逐渐增多，桥梁健康监测系统综合现代传感器、网络通信、数据管理、结构分析等技术对运营期桥梁进行实时监测，它的应用对桥梁管养、日常运营维护有着重要作用。

5 桥梁健康监测系统现存问题与发展方向

桥梁健康监测系统在桥梁运营期的应用，在很大程度上解决了传统桥梁检测的不足，并在可靠性、易维护性等多方面取得了较好的成效，但在实践中也发现了尚存的一些问题：

（1）缺乏相关规范或标准对监测内容与监测方式、传感器布设方法等进行评估;

（2）电子产品如传感器存在耐久性低、不稳定等问题;

（3）结构状态预警功能缺乏实用性研究，可靠性待提升;

（4）安全评估方法尚且不够完善，未能合理利用监测系统对桥梁健康状况和安全状态进行综合评价;

（5）监测与养护管理没有得到很好的连接，监测数据未能进行有效运用;

（6）桥梁健康情况、结构状况、传感器布设情况未能更加直观地体现。

随着桥梁健康监测系统的开发与应用技术日趋成熟，从目前应用现状及存在问题来看，未来桥梁健康监测系统的主要研究方向为：

（1）监测内容和方式应结合实际分情况、分阶段实施，并进行传感器选型以及布设方法优化研究，形成具有实用性的评估标准;

（2）硬件设备及产品通过技术研究不断革新;

（3）基于健康监测技术对实测数据和现场情况等进行分析，优化算法将损伤程度分级量化，形成更加合理的预警阈值;

（4）对桥梁健康监测和状态评估系统进行探索研究，侧重于对桥梁整体性、耐久性和安全性的监测与评估;

（5）监测系统与管理相结合，为管理养护、维修加固提供科学依据，更好地为桥梁检测所服务;

（6）将监测系统与BIM（建筑信息模型）技术相融合，以三维方式更直观地展现桥梁各结构状况及传感器布设等情况。

6 结语

综上所述，桥梁健康监测系统不只是对传统桥梁健康检测技术的简单改进，而是结合现代信息化技术为桥梁健康状况进行监测、分析、评估和应用研究，并提供科学的依据，在桥梁运营期的应用有着重要意义。目前桥梁健康检测系统尚且有不足之处，在一定程度上还不能满足现阶段的桥梁建设快速发展的需要，其未来的发展和应用还需要各界共同探索与研究，让桥梁健康监测系统向更加实用、便捷、经济的方向发展，进一步提高我国桥梁健康监测的整体水平。

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