普立大桥结构健康监测系统实践分析

席恩伟、韩志刚、孟祥昌、闫文佳

（云南云岭高速公路工程咨询有限公司，云南昆明 650200）

0 引言

截至2020 年年底，我国300m 以上跨径的斜拉桥、悬索桥中至少有140 座安装了结构健康监测系统[1]，随着新技术的不断发展，BIM、GIS 与GNSS 等技术逐步应用于桥梁健康监测，桥梁结构全生命周期监测的理念也不断贯穿在桥梁健康监测系统的设计过程中。对于悬索桥的健康监测，20 世纪90 年代开始，一些世界级的悬索桥相继建立了健康监测系统，如1998 年建成的日本明石海峡大桥，我国的虎门大桥、润扬长江大桥、江阴长江大桥[2]等。近年来，依托大数据技术，桥梁结构健康监测系统建设朝着集群化方向发展，对监测数据的研究也不断深入，例如，胡柏学等利用健康监测数据对矮寨大桥的吊索疲劳可靠性进行了评估，巫生平等对主跨为235m 的自锚式悬索桥的疲劳易损性进行了分析。目前，对于悬索桥的健康监测，监测技术已经趋于成熟，此外，对于监测数据的分析以及数据的有效利用，国内学者及单位也进行了大量的研究，一些成熟的理论及方法也应用于桥梁健康监测中。

普立大桥是普宣高速公路控制性工程之一，主桥为628m 单跨简支钢箱加劲梁悬索桥，主缆边跨为166m，索塔为直塔柱门式框架结构，群桩基础，普立岸采用隧道锚，宣威岸采用重力锚，本文以该桥健康监测系统实践为例，从监测系统架构、监测内容、数据采集及传输、数据分析方面论述普立大桥健康监测系统实践过程，为后期同结构类型桥梁健康监测系统的建设提供参考。

1 系统组成

普立大桥结构健康监测系统由5 个子系统组成，分别为前端传感器子系统、数据采集及传输子系统、数据处理与管理子系统、结构安全评估与预警子系统、桥梁监测平台，整个系统架构如图1 所示。

图1 普立大桥健康监测系统架构

1.1 监测内容

普立大桥监测内容包括荷载与环境、结构静力响应、结构动力响应三大类，监测参数12 项，监测内容见表1。

表1 普立大桥监测内容一览表

1.2 数据采集与传输子系统

数据采集与传输子系统的主要功能是采集传感器的信号并将采集信号通过传输介质进行传输，普立大桥现场设置9 个数据采集站、1 个数据采集中心，采集站与数据采集中心用双环光纤网络连接，采集中心通过Internet 将数据传输至监测中心，数据的传输路由如图2 所示。

图2 普立大桥数据传输路由

1.3 数据处理与控制子系统

该子系统布置在监测站或监测中心，主要由监测中心服务器、数据存储设备及相应的软件系统构成，它是健康监测数据的“集采中心”，同时也是桥梁管养信息化和数据化的核心，通过监测数据处理分析，为桥梁结构健康状况评估及预警提供数据支持。该子系统的主要功能是完成监测数据的预处理、后处理及数据存储及管理；通过网络能够控制现场各个采集站并根据条件设置相应的数据采集或采样频率，管理和存储整个桥梁全生命周期的基础数据和动态数据，同时管理结构健康监测系统实时动态监测数据。普立大桥数据处理与控制子系统设置在桥管站监测中心机房内。

1.4 结构健康评价子系统

利用监测数据分析能够识别桥梁结构运行状态及损伤，并结合对结构的识别结果融合检查、检测数据对桥梁结构的运营安全状况进行预警及评估；对环境监测数据、作用监测数据、结构响应数据和结构变化数据进行统计分析和特殊分析，为桥梁结构安全预警、状态评估提供基础数据。

1.5 桥梁监测平台

对桥梁基础数据及健康监测数据进行统一管理，通过平台可以根据用户需求实现健康监测数据、养护过程数据的个性化展示，同时用户可以在平台上实现对系统的控制和输入。普立大桥桥梁监测平台布置在监测中心的服务器上，平台基于B/S 架构，内置一系列可视化的操作组件，可向监测中心工作人员或其他远程用户提供良好的人机操作交互界面，通过平台可以实现监测数据的在线可视化、桥梁养护数据的多维度在线查询、统计、分析。

2 海量数据存储与显示

由于普立大桥结构健康监测系统监测参数多，数据量大，为了提高数据存储及检索的效率及数据可视化效果，数据存储端采用了TDengine 时序数据库，应用云原生技术，对普立大桥结构健康监测系统底层数据结构进行分布式设计，数据分片区和分区存储，存储与计算分离，大大提高了数据的存算效率；WEB 端采用BIM+GIS 技术进行数据可视化展示，将GIS 的数据宏观管理和BIM 的数据微观功能进行交换和互操作，提升了数据展示及操作效果[3]。

2.1 环境监测

普立大桥环境监测包含桥面、锚室、鞍罩及加劲梁内的温湿度监测，取代表性的测点，监测数据图如图3 所示。

图3 环境监测数据图

2.2 作用监测

普立大桥作用监测包含车辆荷载、风速风向、地震及结构温度，取代表性的监测点，监测数据图如图4所示。

图4 作用监测数据图

2.3 结构响应

普立大桥结构响应监测包含主梁竖向位移、主梁横向位移、支座位移、梁端纵向位移、塔顶偏位、主梁及索塔关键截面应变、吊索索力、主梁与索塔振动，取代表性的监测点，监测数据图如图5 所示。

2.4 结构变化

普立大桥结构变化监测内容包含普立鞍隧道锚锚塞体位移、宣威岸重力锚锚碇倾斜，取代表性的测点，监测数据如图6 所示。

图6 结构变化监测数据图

3 结论

普立大桥结构健康监测系统于2018 年12 月建成，截至2023 年10 月运行近五年，目前系统各监测内容均正常运行，通过系统的建设及运行维护，得出如下结论：

第一，大型悬索桥的工程结构健康监测系统，监测参数众多，对数据采集、传输要求高，现场宜采用有线的方式进行数据采集传输。第二，地震、加速度、动应变等数据由于采样频率高，数据量大，宜采用文件的方式对数据进行存储，同时提取特征值存储在数据库文件中。第三，对于大型悬索桥健康监测系统的数据管理，宜采用时序数据库，可以解决关系数据库存在的亿级海量数据并发写入、时间序列数据累积快的问题，更好地实现海量数据实时显示与可视化。第四，结构监测系统应注重后期系统的运行维护，制定相应的维护制度，定期开展系统巡检或检查工作，确保系统的正常运行及数据的有效采集。第五，隧道锚锚塞体的相对位移监测采用磁致伸缩位移计的监测方法是可行的，后期可推广使用。第六，利用磁致伸缩位移计对悬索桥的伸缩缝位移进行监测，统计其时间维的累计行程，可为后期伸缩缝的使用寿命的判定及更换提供数据支撑。