桥梁动载健康诊断信息系统研究与应用

高繁强 辛京伟 沈义勤 周守朋 裴 磊

（1.南四湖水利管理局二级坝水利枢纽管理局 微山 277600 2.淮河水利委员会沂沭泗水利管理局 徐州 221018 3.沂沭泗水利管理局防汛机动抢险队 徐州 221018）

1 研究背景

二级坝溢流坝交通桥为南四湖二级坝除险加固工程的一个单位工程，是二级坝坝顶道路重要组成部分，桥梁总长400m，桥面总宽12m，桥面净宽9m，两侧人行道各宽1.5m，共20 跨，单跨跨度20m，荷载等级为公路-Ⅰ级。交通桥工程完工后面临重载、超载车辆长期通行的困境，对新建桥梁的破坏日积月累，将会大大降低工程设计寿命，并带来安全隐患。

根据国家发改委“强化过坝车辆限流限载管理，做好维修养护，保证工程长期稳定发挥效益”及水利部“加强坝顶道路管理，确保工程良性运行”的要求，有必要引入先进的技术手段对桥梁进行动载健康诊断管理，实时记录通行车辆重量，统计分析实时的桥梁应力及挠度变化，并能及时发出超阈值报警。监测诊断数据需要实时记录并长期储存，既能及时反映桥梁运行状况，为交通桥运行管理单位采取桥梁限载限行措施提供依据，也为今后桥梁除险加固、拆除重建等基本建设提供可靠的数据支撑。

2 项目简介

桥梁动载健康诊断信息系统项目是在结合工程运行管理实际需求，充分考虑外部环境的基础上，大量查阅相关的资料、文献，通过不断摸索实践提出的，并经过反复调整、试验、修改，逐步形成研究成果。

2.1 总体思路

近年来全国已发生多起桥梁坍塌、倾倒、断裂等重大安全事故，桥梁运行安全警钟长鸣。通过对多起桥梁安全事故案例的分析和研究，大多存在超设计标准运行的情况，而且缺少有效的健康监测诊断手段，不能及时反映桥梁运行状况，从而未采取有效的限制措施，导致事故的发生。

新建溢流坝交通桥是国道518 的组成部分，承担着地方交通运输功能，对当地的经济发展具有重要的意义，由于重载、超载车辆较多，对桥梁主体结构造成疲劳荷载，尤其是改装的超重单轴车辆荷载较大，汇车行驶时对桥梁造成不可恢复性伤害。为了避免由于重载、超载车辆对交通桥造成结构性破坏，出现较大的安全事故，造成较大的经济损失，实时监测诊断桥梁各项指标变化，及时发出超阈值预警，为溢流坝交通桥通车运行后管理单位采取有效的桥梁保护措施提供参考依据，保障桥梁安全运行，是南四湖二级坝除险加固工程建设管理处作为溢流坝交通桥建设单位应充分考虑的问题。

由工程参建单位联合科研机构共同组建课题研究团队，在溢流坝交通桥工程实施初期便开始投入探究，从桥板预制到桥面二期恒载加载再到通车运行，将课题研究覆盖到桥梁施工全过程，最终形成交通桥通车后能够稳定和长期运行的动载健康诊断信息系统。

经过团队充分研究，最终的研究成果应是一个完整的健康诊断体系，系统内容应包括桥板的挠度、应变、通行车辆荷载。实现智能动态监测，监测数据为实时数据，健康监测数据能够在服务器长期储存，并通过专门开发的诊断数据整合软件进行统计分析和发布预警，能够便捷高效地展示桥梁健康诊断成果。

2.2 技术方案

2.2.1 内部应变监测

在预制桥板施工过程中采取特殊手段对施工阶段的质量进行监控。在预制桥板施工过程中，采取在桥板内部埋设应力传感器的方式，监测桥板预制完成到通车运行后的内应力变化。在第一跨选取5片桥板，在每片预应力混凝土空心板埋设振弦式钢筋应力传感器，每片梁4 只，其中埋在混凝土空心板底部受拉区两只，上部受压区埋设两只。钢筋应力计布设图如图1。

图1 钢筋应力计埋设位置图

在交通桥铺装层施工过程中，采取在铺装层内部埋设应力传感器的方式，监测桥梁二期恒载加载及通车运行后的内应力变化。在第一跨选取5 片梁，在桥板上部混凝土铺装层跨中位置埋设振弦式钢筋应力传感器，并将信号线引出。

2.2.2 表面应变监测

在溢流坝交通桥通车运行后，在第一跨桥板下部跨中位置安装电阻式表面式应变计，用于监测通车后加载动载荷后桥板表面应力变化，用于同内部应变对比分析。表面应变计同桥板底面紧密贴合，并且粘贴牢固，避免外部环境造成应变计震动脱落，确保读取的数据稳定可靠。

2.2.3 桥板挠度监测

在成桥状态下监测桥板的形变，并通过静态、动态荷载条件下桥板挠度值的变化，来反映运行状态下桥梁的整体性能。在第一跨每片桥板下部安装直线位移计，用于实时监测桥板挠度变化。采用稳固且形变较小的支架作支撑，避免外部环境造成位移计震动，确保读取的数据稳定可靠。在桥面无外加荷载的情况下读取零点值，以便同后续读值对比分析。

2.2.4 称重设备安装

为分析动载荷对桥梁的影响，需掌握桥面通行车辆重量，因此在溢流坝交通桥东端连接道路施工阶段便着手考虑设置道路称重设备。经过团队充分考察，确定布设固定式轴重秤。固定式轴重秤是通过对车辆的轴（组）重分别计量，再通过累计获得整车重量（总重）的计量设备，由秤体(包括称重传感器、接线盒、限位套件、预埋件等)和称重仪表等组成。整秤是由0.9m×4.0m 的正方秤面，与U型梁结构秤梁无缝激光焊铸组成的秤体框架。选用稳定可靠的高精度合金钢桥式称重传感器。当车辆通过轴重秤时，称重显示器对于收集到的信号进行动态数据处理，显示整车的重量，并向计算机上传实时数据。

2.2.5 设备调试、数据读取整合

在直线位移计和表面应变计布设完成后，安装数据自动采集设备，安装远程应变数据采集器、在线监测机箱、数据采集卡等设备，并通过光纤将信号传输至监控中心服务器上，通过团队创新开发的“桥梁动载健康诊断信息系统软件”将采集的数据进行分类统计和分析展示，并设置预警阈值。

3 科技创新性

3.1 安全性高

该系统硬件设备均由课题研发团队自行考察采购，数据通过铺设的光纤专线传输，信号转换设备、采集设备均采取加密措施，并新建数据采集设备机房。健康诊断软件为针对该项目专门开发的在线监测平台，具有独立的知识产权，包括源代码、接口协议等。系统配有专用服务器，可以通过局内网访问，安装有工控机安全卫士，具有防火墙、入侵检测等网络安全防护设备。

3.2 系统性强

通过传感器、数据采集设备、信号传输设备、服务器、工控机、显示器等多个模块互相协作，各环节运转高效、灵敏，最后通过监测软件集成，形成一个完整的桥梁动载健康诊断信息系统。

3.3 人性化设计

虽然该桥梁动载健康诊断信息系统建设过程较长，但形成实体后整体框架结构清晰简单，软件界面布局合理，监测诊断数据信息一目了然，方便使用和查询。监测系统简单快捷，人机功效好，适合广大管理人员操作使用，同时便于检修和维护。桥梁动载健康诊断信息系统机构见图2。

图2 桥梁动载健康诊断信息系统结构图

4 研发历程

该课题于2019年9月开始构思、规划并组建研发团队。2019年10月30日—11月8日完成桥板内部应变计埋设及桥板静载试验，开始存梁期内部应变监测。2019年12月26—28日，完成桥板外部应变计和连通管、钢弦、刻度尺安装，开始存梁期桥板外部应变和挠度监测。2020年3月18—26日，完成桥面铺装层内部应变计埋设及桥板表面位移计安装，开始桥板二期恒载加载后内部应变及挠度变化监测。2020年6月10—18日完成整桥静、动载试验。从桥板预制到整桥通车，各阶段的试验和监测数据为项目开发和后期应用提供了大量数据参考和支撑。在研发团队攻坚克难、不懈努力下，于2020年10月完成了设备安装调试、数据采集传输、监测软件开发建设，并投入使用。2021年1月申报了课题发明专利和实用新型专利。

5 应用效果

经过一段时间的运行，系统软硬件设备运行正常，各项数据传输准确无误，系统显示分析正常，数据实时更新，数据存储正常，内部应变、挠度变化监测数据分析结果均满足设计指标要求。整个动载健康诊断系统研发符合桥梁总体安全运行管理实际，无论从硬件还是软件，系统功能均符合最初研发目的，整体达到并局部超越预期目标。

6 推广应用前景

本套动载健康诊断信息系统实用性强，可以应用于众多桥梁健康监测，符合水利行业具体要求。该系统设备无需人员值守看护，可以长期运行，设备造价经济，安装方便，管理人员经简单培训后即可上岗应用，推广应用条件要求低，有较强的实用性，经济、社会效益良好，可为同类型桥梁设计提供参考■