七都大桥北汊桥健康监测系统设计

胡逸凡

（温州市城市基础设施建设投资有限公司，浙江温州325000）

1 引言

随着我国已建成和在建大型桥梁的不断增多，桥梁事故也频繁发生[1]。桥梁在役期间承受环境荷载、车辆荷载的反复作用，其中某些超过桥梁承载能力的荷载必然会对桥梁结构造成损伤。结构损伤达到一定程度时会引起结构状态的改变（如金属疲劳导致断裂），有些结构损伤在未引起结构状态改变之前就造成了结构破坏（如钢结构局部失稳）。为了避免桥梁结构损伤不断累积最终发生事故，对运营期的桥梁进行结构安全监测是十分必要的[2]。

桥梁结构运营期监测应包括结构力学状态（静力响应和动力响应）改变及局部构件劣化（损伤）2 方面。长期荷载作用下的基础沉降、结构蠕变及损伤等因素会导致结构力学状态发生改变；而金属结构锈蚀、混凝土结构碳化、车辆超载严重等因素会导致局部构件劣化[3]。

本文以七都大桥北汊桥为例，设计一套安全可靠的健康监测系统，为本桥运营期的安全监测及管理养护提供有力支撑。

2 工程概况

温州市七都大桥北汊桥连接永嘉县与七都岛，起点顺接目前已经通车的七都大桥南汊桥，并在七都岛上设置七都互通。大桥向北跨越瓯江后，到达永嘉县新建村南侧，设置新建枢纽连接104 国道。

七都大桥北汊桥跨径布置为58m+102m+360m+102m+58m=680m，结构形式为五跨连续半漂浮体系，空间密索型布置双塔中央索面叠合梁斜拉桥，空间密索型布置。主梁为叠合梁，边中跨比0.44[4]。

3 健康监测系统总体技术路线

桥梁结构健康监测系统是为桥梁安全运营和养护管理提供信息化服务而建立，系统的设计和构建是一项综合系统工程，包含了先进的传感技术、传输技术、计算机技术、海量数据分析与处理技术、结构力学分析计算及结构评估理论等方面[5]。

七都大桥北汊桥健康监测系统依托自动化监测技术和BIM 智能管养技术，其设计思路（见图1）如下：感监测系统来识别结构力学状态的改变；

图1 系统建立总体思路

3）将人工巡检信息电子化，把自动化监测数据和定期检测、人工巡检结合起来，从多角度保证桥梁结构运营期的安全；

4）通过对桥梁结构进行力学分析，为各项监测指标设置适当的阈值，并通过可靠的采集传输方式获取结构的真实响应监测数据，从而保证整个健康监测系统和安全评估系统正常工作；

5）深度融合健康监测系统、BIM 模型和管养系统，面向运营期桥梁管养维护提供数据集成和可视化服务。

4 监测系统构成

4.1 监测内容

七都大桥北汊桥健康监测的内容分为环境参数与荷载监测、结构响应（包括静力响应与动力响应）两大类，具体内容如下：

1）环境参数及荷载监测，包括：路面温度、环境温湿度、风速风向、地震动或船撞、结构温度、车辆荷载等；

2）结构静力响应监测，包括主梁及主塔结应变、斜拉索索力、主塔及主梁空间变位、支座位移、主梁线形等；

3）结构动力响应监测，包括主梁各特征点的横向及竖向加速度，主塔底部三向加速度。

本桥健康监测系统共布置156 个测点，如图2 所示。

图2 七都大桥北汊桥健康监测测点图

1）通过对结构实时监测数据进行处理与分析，并结合桥梁结构局部和整体受力分析的成果，评估大桥主要构件是否存在潜在病害，为桥梁养护提供可靠的评估结果，并指导桥梁养护工作；

2）以“静力为主、动力为辅”的识别原则，通过自动化传

4.2 系统架构及功能组成

七都大桥北汊桥工程结构健康监测系统由5 个子系统组成，包括自动化监测子系统、电子化人工巡检子系统、结构安全预警综合评估子系统、数据存储与管理子系统和用户界面子系统。

自动化监测子系统由传感器模块、数据采集与传输模块和数据处理与控制模块组成，将桥梁结构实时响应及环境因素进行识别采集，转换成可存储的数据。

电子化人工巡检子系统包含了中心服务系统和智能巡检终端。中心服务系统是集巡检养护管理信息数据库、管理平台软件以及相关配套的管理工具等内容为一体的综合软、硬件系统。其功能为提供桥梁技术档案和巡检管养信息录入接口、数据存储管理及各种涉及数据的应用（查询、调用、分析、评价、自动报告报表等），同时为巡检提供协助（自动制定巡检路线、自动提供养护建议措施等）。智能巡检终端由便携式移动终端设备及巡检终端软件构成。巡检人员在巡检时携带智能巡检终端，通过巡检终端软件录入巡检信息，同步到中心服务系统，实现桥梁结构病害和事件的准确定位和全面描述，为桥梁管养提供准确依据。

结构安全预警综合评估子系统是监测系统的核心功能，也是技术难度最大的部分。不仅要对传感器监测数据有效识别与分析，也需对桥梁结构力学特性准确掌握。通过多种技术的深入研究，建立了一套具有依据自动化监测系统以及人工巡检、检测等信息进行结构的实时预警以及安全性评估、承载力评估、疲劳评估和其他专项评估（如台风、地震、船撞等）等功能的系统。

数据存储与管理子系统构建海量数据存储管理系统，并实现对整个系统运行状态的监控，包括数据管理和系统自诊断2 个子模块。数据管理模块将海量数据按照一定的组织形式存储到数据库中进行集成管理。如果系统出现数据错误，则启动系统自诊断模块进行故障诊断与排除。

用户界面子系统基于移动互联网、BIM、物联网、GIS 等技术融合集成动态数据展示平台。系统融合了无人机倾斜摄影的桥梁场地实景、施工期的BIM 模型、参数和资料等信息，关联施工期监控数据、运营期健康监测和巡检管养数据，提供一个直观的、可交互的BIM 系统，为提升施工期规范化管理和运营期管养决策水平提供有力支撑。

4.3 结构安全预警设计

建立健康监测系统的目的在于监测桥梁结构在运营过程中的状态，通过荷载输入和结构响应的监测结果判断结构是否处于正常使用极限状态内，为及时提供结构状态信息，指导维修养护措施实施，尽量减少结构达到服役极限状态的可能，保障结构健康正常运行。因此，建立预警报警体系，判断结构状态，对可能威胁到桥梁安全运营的事件进行预警，提醒桥梁管理和养护人员及时关注结构安全情况并进行妥善处理，并根据需要启动评估机制以确定结构是否处于安全状态。

预警报警体系从物理概念上分为4 类，分别是可变荷载预警、结构响应预警、基准状态变化预警和趋势变化预警。采用自动化报警结合人工判断报警的方式进行预警报警[6]。

七都大桥北汊桥健康监测系统将预警分为3 级：黄色预警（低风险）、橙色预警（中风险）以及红色预警（高风险）。当传感器监测值超出计算阈值时，触发黄色预警，结构已明显表现出趋向危险状态的趋势；当传感器出现异常、外部荷载（如车流量）发生明显变化或者桥梁已经出现轻微损伤时，触发橙色预警，结构已经接近危险状态；结构出现一定程度损伤，结构已达到危险状态时，触发红色预警，需要维修才能满足使用要求，应该立即限制交通且对桥梁进行全面的安全检查。

5 结语

七都大桥北汊桥健康监测系统以环境因素、车辆荷载、结构响应监测为基础，通过海量数据存储与分析技术，对桥梁结构安装状态进行评估及预警。运用BIM 技术，将健康监测、运营管养、巡检维护等数据资料有机整合，提供一个直观的、可交互的BIM 系统，为提升运营期管养决策水平提供有力支撑。本桥健康监测系统可为类似系统的建立提供参考与借鉴。