典型大跨径桥梁轻量化健康监测技术研究

朱舒婷

摘要： 江苏省拥有丰富的公路网络，桥梁作为其重要的交通设施，对其正常运行和安全性的要求非常高。对桥梁进行长期自动化的监测，能够帮助管养部门更有效地维护和管理桥梁，提高其使用寿命，从而提升安全性和交通效率。目前，桥梁轻量化监测方向属于空白。以筋混凝土连续箱梁、预应力混凝土连续箱梁、预应力混凝土空心板梁、预应力混凝土组合箱梁、装配式预应力混凝土连续箱梁等为对象，对桥梁轻量化健康监测需求分析，开展数据采集方案、系统开发方案的研究，实现桥梁状态全天候的监测，全面提升桥梁的安全管理水平。

关键词： 大跨径桥梁 轻量化 健康监测 交通设施

中图分类号： TU753 文献标识码： A 文章编号： 1672-3791（2023）24-0149-03

桥梁结构物作为现代交通运输体系的重要组成要素，对于国民经济的持续、稳定发展起着重要作用［1］。在其服役期间，由于使用、维护不当及环境侵蚀等因素的影响，桥梁将会产生各种结构性损伤［2］。随着桥梁服役时间延长，桥梁结构的可靠性、安全性等指标随时间而退化，桥梁结构物出现安全事故的可能性将成倍增加［3］。如果桥梁结构性损伤不能被及时发现，就不能进行必要的维修、维护，桥梁结构物的预期使用寿命将降低，甚至发展为结构性破坏进而引发结构物坍塌等严重事故。桥梁安全事故带来的巨大经济损失及恶劣社会影响具体叙述如下。

（1）直接经济损失：桥梁的建造成本高达数千万元甚至数亿元，桥梁垮塌等事故将使公共资产受到巨大损失；（2）间接经济损失：桥梁垮塌将直接影响所属地域交通通行及经济，产生巨大的间接经济损失；（3）人员伤亡：依历史经验来看，桥梁事故通常造成较大的人员伤亡，使人民群众生命受到极大威胁；（4）负面舆情：桥梁事故会引起公众舆论对工程质量和政府监督管理工作的关注和质疑，继而引发流量效应、带来负面舆情，包括群众心理恐慌、媒体不良评价、政府公信力受损等严重社会问题［4-5］。江苏省作为交通强国建设中的“先行区”“先行军”，非常有必要结合实际情况开展高速公路典型大跨径桥梁（除跨江大桥以外的大跨径桥梁、特殊桥型桥梁）长期监测的探索与试点，进一步强化江苏省桥梁管理的信息化水平，为江苏省高速桥梁建养工作高质量发展以及全面建成现代综合交通运输体系做出更多贡献。

1 典型大跨径桥梁轻量化健康监测需求分析

1.1 现有技术存在的问题

在桥梁结构物服役期间，为能够及时发现桥梁结构性损伤并对可能发生的桥梁安全事故进行预警，我国长期以来都在探索如何借助先进的技术手段对桥梁结构状态进行实时监测，并根据监测结果对桥梁的健康状况进行科学评估、对可能存在的结构性损伤进行预测，从而达到帮助主管部门制订科学有效的管养方案，达到有效延长桥梁结构物服役寿命的目的。然而，当前的技术手段难以实现对大多数桥梁状态的有效监测，严重制约了主管部门在桥梁服役期间，对桥梁健康状况及时、完整、科学地了解和分析。就目前而言桥梁主管部门使用的技术手段主要包括人工定期巡检和有线系统监测两种方式。然而就现实需求而言，这两种技术手段都存在明显的不足，具体情况如下。

1.1.1 人工定期巡检的不足

（1）人工巡检的频率极为有限，通常为一年几次，致使检测结果较结构损伤滞后，结构损伤不能被及时发现。（2）人工巡检主观性强，检测过程中极易发生错漏。（3）缺乏长期的连续监测数据，无法对损伤变化情况进行跟踪分析并对桥梁健康趋势进行预判。（4）人工巡检通常需要对路面进行长时间封闭，严重干扰交通运行，而检测人员需要进行路面及高空作业，也存在着极大的安全隱患。

1.1.2 有线监测系统的不足

（1）有线监测系统的安装和维护成本较高。（2）有线监测系统的灵活性较差，系统部署后很难对监测点数和位置进行调整，难以满足桥梁结构动态变化的需要。

1.2 行业发展需求分析

2021 年，交通运输部确定了河北、辽宁、江苏等10个省份的11 座在役公路长大桥梁作为桥梁结构健康监测系统建设试点项目，按照“一桥一策”原则制订了桥梁监测系统建设具体方案，基本完成了所有试点项目的验收工作，同步修订完成了《公路桥梁结构监测技术规范》（JT/T 1037—2022），达到了“试点先行、统一标准”的目的。该规范规定了公路在役和在建单孔跨径500 m 以上的悬索桥、单孔跨径300 m 以上的斜拉桥、单孔跨径160 m 以上的梁桥和单孔跨径200 m 以上的拱桥均应开展长大桥梁健康监测系统的建设。2022年，公路长大桥梁结构健康监测系统建设全面推开。这表明各级交通运输主管部门都高度重视长大桥的结构健康监测，但针对长大桥梁以外的其他典型跨径桥梁的长期监测还未开展系统性的试点与实践。

2 典型大跨径桥梁轻量化健康监测数据采集方案

2.1 监测指标体系确定

当前高速公路建设项目涉及的主要梁板类型有变截面混凝土连续箱梁、钢筋混凝土连续箱梁、预应力混凝土连续箱梁、预应力混凝土空心板梁、预应力混凝土组合箱梁、装配式预应力混凝土连续箱梁等。结合江苏省高速公路典型大跨径桥梁梁型的分布情况，选择变截面混凝土连续箱梁、连续钢箱梁、钢桁架梁、变截面预应力混凝土波形钢腹板梁4 种具有代表性的梁型，并根据《公路桥梁结构监测技术规范》（JT/T 1037—2022）相关条款，结合代表性梁型的结构计算分析和危险性分析、环境特点、使用需求等多方面，确定监测指标如表1 所示。

2.2 监测指标感知设备

基于设备成本、设备功耗、安装的便利性对监测指标感知设备进行综合分析与筛选，考虑监测部位、构件的全面性、代表性、重要性等因素。确定的指标涉及的相关传感器设备见表2。

3 典型大跨径桥梁轻量化健康监测系统开发

根据桥梁运营管养需求，结合大桥运营预警和结构安全评价要求，桥梁轻量化健康监测系统采用集中统一下的分布式结构，即由云平台/监控中心和桥梁现场监测站两部分组成，云平台和监控中心共存。其中，桥梁现场监测站包括传感器模块和数据采集与传输模块，云平台和监控中心均包括数据处理与管理模块、数据分析与安全预警及评估模块、系统集成及用户界面交互模块。具体功能要求如下。

3.1 参数趋势分析

趋势分析模块对环境、结构响应、结构变化三个维度的所有监测指标，进行以时间段为监测范围的数据变化趋势分析。选择桥梁、选择指标、选择设备、选择时段，查看该时段内指标数据的变化趋势，并对所选时段内的最大值、最小值进行标记。

3.2 参数对比分析

选择两个或多个桥梁，选定指标，选择设备和时段，进行桥梁之间单维度监测数据的对比，包括经纬度海拔高度等参数对桥梁监测参数的影响、分析桥址环境（如盐雾多发地）对桥梁监测参数的影响、分析车辆轴载对桥梁监测参数的影响。

3.3 参数相关性分析

选择桥梁，选择多个指标及设备，选择时段，形成多个指标参数变化趋势对比图和相关关系散点图，分析不同参数在一段时段内是否同方向或反方向变化，以及条件概率分布，包括均值和标准差等信息。通过不同参数变化的相关性分析，辅助综合评估桥梁健康状态和养护作业实施。

3.4 人工监测数据上传

当设备出现故障或设备维护期间，自动采集数据无法实现时，可临时采用人工监测方式，并将监测数据填报进系统，或者根据系统提供的数据模板上传相应的数据，满足持续监测及数据分析的需要。

3.5 监测数据分析报告自动生成

通过对每座桥梁采集数据的汇总、统计和分析，系统定期自动化生成桥梁健康监测数据分析基础报告，包括月报、季报和年报，由数据分析部分和结论部分构成，支持用户对结论部分进行人工调优，形成正式报告并发布，同时支持报告在线查看和下载。

3.6 监测数据预警

3.6.1 多重多级预警

将所有监测设备采集到的实时数据与超限阈值比较，判断超限等级。根据超限等级触发预警机制，系统自动化提醒或报警，并推送检查建议。

系统提供多种预警方式，包括但不限于PC 后台预警、App 预警、短信预警、邮件预警、声光预警、情报板预警，采用文字、数值、颜色、语音等元素生成预警信息，对相关部门或公众进行提醒。

系统汇总保存所有历史预警数据，并对处理状态（已处理标记为绿色，未处理标记为红色）及处理办法进行跟踪，形成预警闭合机制，同时便于用户随时查看预警记录，参照或探索预警问题处理方案。

3.6.2 智能评估功能

利用桥梁的监测数据针对桥梁的健康和安全狀态进行智能评估，使用户看到的不再是零散的数据堆积，而是更简单易懂的监测结论［6］。

4 结论

本文以筋混凝土连续箱梁、预应力混凝土连续箱梁、预应力混凝土空心板梁、预应力混凝土组合箱梁、装配式预应力混凝土连续箱梁等为对象，对桥梁轻量化健康监测需求分析、数据采集方案、系统开发方案等进行研究。主要结论如下：（1）对典型桥梁的监测技术应用现状调研，确定桥梁轻量化监测需求；（2）确定了结构温度、位移、应变、振动等为典型大跨径桥梁轻量化监测的参数；（3）基于分层理念设计桥梁轻量化监测系统架构，包括数据处理与管理模块、数据分析与安全预警及评估模块、系统集成及用户界面交互模块等，实现桥梁状态全天候的监测。

参考文献

[1] 董小瑞. 浅谈交通工程建设在国民经济发展中的重要性[J]. 技术与市场，2017，24（5）：356-357.

[2] 李晶晶. 基于BP 神经网络的桥梁断面最不利风攻角预测[J]. 江西建材，2023（4）：260-261，264.

[3] 彭建新，柴莹，张建仁. 桥梁结构服役状态可靠度评估综述[J]. 中外公路，2023，43（4）：1-7.

[4] 张志超. 基于时变因素的桥梁可靠度指标计算[J].城市道桥与防洪，2023（4）：103-105，16-17.

[5] 陈曼. 预应力混凝土连续梁设计研讨[J]. 中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术， 2023（4）：142-145.

[6] 许玉和，刘晓剑，黄正荣，等. 基于BIM 的多塔斜拉桥评估系统研究[J]. 城市道桥与防洪， 2022（6）： 147-150，20.