大桥结构健康监测系统研究——以镇水公路阿志河大桥为例

熊政勇

（贵州省公路建设养护集团有限公司六盘水分公司，贵州 六盘水 553000）

在桥梁的运营过程中，随着时间的推移其承受的总负荷不断增加使得其具有疲劳效应，桥体的老化导致性能不断退化，加上自然环境和人为操作不当对桥体造成的冲击使得桥梁过度损伤和劣化，从而导致整体的使用周期缩短。在一般情况下，这些损伤的处理方法是用人工肉眼或者是人工传统的检测方式进行检测，但是由于人工的检测方式存在高度人为的主观能动性，因此得到的桥梁结构评价更加的主观，导致检查的结果中存在着大量的盲点，不具有准确性。此外人工的传统检查方式具有着难以量化检查、人工作业不够仅有连续性和整体性、阻碍交通、人力资源投入大等一系列的缺点。而为了确保桥梁的稳定性和结构安全，在桥梁中运用现代化科技对其进行过实时监测，而结构健康检测技术则是现代化需要下的科技产物，能够长期有效的为桥梁养护与管理提供强大的数据支撑，从而促进桥梁的养护和加固工作的顺利进行，满足现代化桥梁养护管理的要求。

1 镇水公路阿志河大桥结构健康监测系统工程概况

阿志河大桥位于六盘水市六枝特区境内S314镇水线上，是水城、安顺、贵阳之间交互相通的重要通道，由水城公路管理局负责管养。阿志河大桥全长428米，其中主跨283m为加劲梁悬索桥，而引桥为4跨30m预应力钢筋混凝土T梁，该桥由于长度和建造工艺应归属为特大桥类型，桥梁中心桩号K69+100，桥跨组合为1-283+4-30，初级设计荷载汽车-超20级。该桥于2003年12月建成并投入使用，在2011年交由水城公路管理局负责其日常管养。于2012年委托定期检查，并在2014年对桥梁进行了支座更换、裂缝修补、金属构件防锈防腐等维护修理工作[1]。由于此桥地理位置特殊，因此，为确保该桥能安全运营，在2015年委托苏交科集团股份有限公司安装了健康监测系统，此系统的安装为该桥的养护管理工作提供了强大的数据支撑，使得监管人员可随时查看桥梁车辆通行情况和桥梁结构情况。

2 桥梁结构健康监测系统总体设计以及要求

2.1 桥梁结构健康监测系统总体设计

在对阿志河大桥结构健康监测系统的安装之前对该系统进行总体设计，使其结合阿志河桥梁周围环境和其日常的运行状况，促进此系统在日常应用时提升其应用效果[2]。在对阿志河桥梁进行设计时，在其中设计了传感器子系统、数据采集与传输子系统、数据管理与控制子系统、结构健康预警与评估子系统四个主要的子系统，其主要运行于三个层次之中进行结构健康监测评价，为桥体健康提供数据分析。三个层次中第一层次是数据采集单元采集传感器子系统拾取的信号；第二层次是将采集到的信号转换成数字信号并通过光纤网络输送到数据处理与控制子系统；第三层次是由计算机系统完成数据的后处理、归档、显示及存储，并根据系统的指令为其提供特定格式和内容上的数据以及处理结果，与此同时，对大桥的运营状态进行评价，并对可能发生的问题发出预警信号。四个子系统具体运作的流程如图1所示。

2.2 桥梁结构健康监测系统总体要求

在对阿志河大桥结构健康监测系统的总体设计上由于地理环境和其特殊属性对其技术具有较高的要求，从而提升系统在具体运用中发挥其检测和总结的作用[3]。在此工程中对结构健康监测系统的总体技术要求是运用信号的物理性质作为选择采样频率的根据，使得该采样频率得以满足各个监测项目中所运用的监测方法，进而使得检测方法中各类传感器采样频率的要求得以满足。

3 数据采集与传输子系统

数据采集与传输系统负责传感器信号的采集、调理、预处理、显示、传输和保存等[4]。阿志河大桥结构健康监测系统运用的数据采集与传输系统符合桥体的实际应用状况，因此对于其选型主要是坚持三方面的原则：1）坚持选择采用国际上先进的成熟产品，确保系统良好的稳定性、耐久性和高精度的数据采集单元；2）坚持选用市场上通用性好，易于采购的产品，确保系统的可维护性和可更换性；3）坚持选用性能价格比高的产品，确保系统在最低成本下，实现最良好的运作。

4 数据采集与传输子系统安装调试方法、注意事项及维护要点

数据采集与传输子系统基本上采用了常规设备，在安装调试方面就比较简单，维护中也是采用常规维护方法，主要有以下几个要点：1）运用由工业控制计算机及插在其槽上的A/D转换数据采集卡组成的数据采集工作站。对设备调试时需先装入计算机操作系统软件、数据采集与传输软件，连接好各传感器、信号调理器、RS485转换器信号，运行软件进行调试[5]；2）数据采集单元（DAU）由机柜、数据采集工作站、避雷隔离器、UPS不间断电源、光纤收发器、交换机等组成。在进行设备安装时要对其进行整齐、规范安装，使得其中蕴含的线路排放整洁并将各设备的标签进行检查，使得其清楚、规范；3）数据采集单元的机柜应满足相关国家标准，具有良好通风、防尘作用，从而避免设备的温度过高。在阿志河大桥结构健康监测系统运用的数据采集单元机柜的尺寸为：1600mm×800mm×1500mm；4）要将数据采集单元安装在钢箱梁内，在竣工时要规范其安装技术和工艺并采取相应的安全措施保障整个工程的质量。其五、在维护、养护方面。由于在此过程中，箱梁在通车过程中产生的震动较大，相关人员要注意检查设备安装是否产生松动，并对各接插件进行定期检查接插的情况，UPS要定期充放电。

5 数据管理与控制子系统

位于阿志河大桥结构健康监测系统监控中心的数据管理与控制系统，其中最主要的硬件构成是数据存储、处理及显示硬件，由1台计算机数据服务器和3台计算机工作站所组成[6]。在此硬件中主要包括：数据管理与控制计算机数据服务器、健康监测系统实时显示用计算机工作站、健康监测系统数据传输用计算机工作站、结构健康评估用计算机工作站[7]。由于监控中心的各个计算机的硬件系统是一致的，在此处对为其进行一同分析。在数据管理与控制计算机服务器中，其作为数据库、数据文件的存储中心，管理着从各数据采集单元汇总的全部数据，并具有发送指令对测试系统的测试工况参数进行控制和改变的功能[8]。数据管理与控制计算机服务器用统一的方式对数据采集单元汇总的海量监测数据进行集中式管理，并且能够对数据收集、处理、传输、存储和显示进行全面控制，为达到对海量监测数据高效管理的目的，可以利用其具有的低冗余属性使得系统具有安全性、可靠性。在监控中心数据管理与控制计算机服务器用作为统一的数据出口，可以实现多用户操作及数据共享的效果。不仅如此，此服务器还管理于存储原始数据及其预处理结果的动态数据库，时期原始数据可以保存至少90d，预处理结果可以保存到一年以上，并且还能做到定期完成数据的存档、备份。在产品的选型中阿志河大桥结构健康监测系统监控中心的服务器选用的是美国HP公司的HP ProLiant DL388 G9机架式计算机服务器产品。

6 软件系统

在软件系统中本工程分为三种软件运行环境及界面、中文界面、图形界面。

软件运行环境及界面：阿志河大桥结构健康监测系统软件拟采用C/S（客户机/服务器）结构。各系统外站和各系统计算机工作站的操作系统采用Windows XP Professional，数据管理与控制服务器的操作系统采用Windows Server 2003，中央数据库采用Oracle，各数据采集站内传感器参数信息数据库采用Windows Access 2003，监测系统应用程序的编程工具采用VC/C++7.0及NI LabVIEW 8。

中文界面：本应用软件完全是自主在中文操作系统下开发的，所以各计算机服务器、工作站中的数据采集与传输系统、数据管理及控制系统均采用简体中文操作界面，数据输出和报表打印也采用中文输出。

图形界面：系统提供丰富多样的显示方式把处理结果展现给用户。包括：桥梁轮廓图的绘制，直观显示传感器的位置；系统组态网络图，直观显示系统各接点之间的连接；测量值的水银柱图，直观显示当前值的大小和当前值在其范围内的位置；统计趋势图，直观显示各类统计在不同时段内的发展趋势；时域波形图和频域波形图，直观显示相关采集数据实时时域波形和频域波形。

7 软件的主要内容

此种软件主要包括四个部分，即前台数据采集软件、前后台数据传输软件、后台控制与分析软件以及健康监测评估与预警软件。

首先，前台数据采集软件中其中的内容主要包括对各外站的数据进行实时采集、存储与传输；对各外站、传感器、网络设备的运行状况进行判别及异常报警；对传感器参数设置，报警限设置；对校验外站时钟；以及与桥梁监测数据库服务器的通信与接口等几种。

其次，在前后台数据传输软件中具有着将各外站实时采集的数据传送到监控中心数据库服务器，同时存储在本地外站工控机内；根据监控中心健康监测计算机工作站的命令（及用户的命令），将相应外站某通道的实时采集数据传送到该工作站实时显示画面上；将各外站、传感器、网络设备的运行状况进行判别后的异常报警数据实时传送到监控中心健康监测计算机工作站进行报警等。

再次，在后台控制与分析软件的内容包括运用控制采集启停，实现各外站同步采集；在控制中心各工作站间进行数据的实时采集、存储与传输；进行数据库的建立、运行与维护；实时进行数据的监测，并对数据显示输出（示值、时域波形、频域波形、趋势）等进行分析；对采集信号进行处理（滤波、抽样、信号加窗、FFT、相关性分析及统计等）；监测数据查询统计输出及打印（列表、时域波形、频域波形、趋势、报表）以及监测数据超过预设报警限，进行报警等方面。

最后，在健康监测评估与预警软件中其具有的内容主要为疲劳分析软件、在线评估软件以及基于统计特征比较法的预警软件等三方面。

8 维护与巡查

在进行数据采集中数据采集系统是整体系统中的重要内容，也是其关键性的运行环节，其主要采用分散安装的形式，安装于主桥区的各个箱梁中。在此过程中对数据采集系统进行有效的巡查和日常的管理对整个系统的正常平稳的运行具有重要作用，因此需要对其进行巡查的力度和效力需要根据具体需要不断的增加。其主要进行的日常管理、巡查和维护的内容虽然具有固定性质，但是仍旧需要对其进行不固定的细节检查，使得其具有的故障和不平稳的因素出现能够被相关的维护人员及时的发现并且能够采取相应的措施及时的将风险进行清除。

在进行日常的巡查、管理和维护的过程和内容如下：首先，需要对数据采集站进行清理，尤其是对采集单元计算机进行每隔一段时间的重点清理，使得其具有的防尘过滤网得以长期的洁净，一般清理的时间为三个月，此类情节不仅能促进其通风散热的性质得以提升，还能保持其长期有效使得通风散热性质得以保证。在进行清理时需要对其进行拆机清理，并将其中具有的灰尘进行由内向外的清理，在由内向外的进行清除，在此过程中机内的灰尘也应运用吹出的方式进行清理。

在进行定期巡查过程中需要进行一月一次的运行检查，并且需要对计算机中的运行效果进行有效的查看，对其中的指示灯的运行进行观察，在对声音进行甄别查看其中是否具有故障。在监控中心需要对其各种采集的数据进行远程的查看，对其中数据的真实性和误差进行每周一次的检查。

9 结语

总而言之，结构健康监测就是对桥梁整体和桥梁结构进行自动化系统检测，运用最小值的劳动换取最有效的回报使得其对桥梁结构能够进行持续性的监测检查，对其中存在的损伤进行有效监测，并对桥梁整体结构状况进行有效评估，促进其维护和管理工作的开展可以更加顺利，降低其运维成本的投入。桥梁结构健康监测系统是一个将多种专业的学科知识进行整合的科技系统，是一个具有综合性的建设工程养护工作的必备工作环节，在大桥的建造和养护中发挥重要作用，们能够积极的促进桥梁使用寿命得以延长，提升桥梁的使用效果和使用效益，促进桥梁建设与发展，保障桥梁的运营安全和使用安全。