公路桥梁试验检测与信息工程结合在桥梁健康监测中的应用研究

张洪

摘要：随着交通网络的不断扩展和桥梁基础设施的日益老化，桥梁健康监测变得至关重要。旨在探讨公路桥梁试验检测与信息工程相结合在桥梁健康监测中的应用，以提高桥梁的安全性和可靠性。首先，论述了公路桥梁健康监测，明确了检测的必要性和当前健康监测的挑战，其次，提出了桥梁健康监测的关键参数与指标，即结构变形、环境影响以及车辆载荷等，最后，探讨了公路桥梁试验检测与信息工程结合在桥梁健康监测中的具体应用，进而为桥梁健康监测工作的全面开展提供参考。

关键词：试验检测；信息工程；桥梁；健康监测

一、前言

公路桥梁作为基础设施的重要组成部分，承担着运输和社会经济发展的关键角色。然而，随着桥梁年龄的增长和交通負荷的不断增加，桥梁结构的健康状况监测变得尤为重要。及时准确地了解桥梁结构的性能和安全状况，对于确保交通的畅通和公众的安全至关重要。因此，进行公路桥梁试验检测与信息工程结合在桥梁健康监测中的应用研究具有十分重要的现实意义。

二、公路桥梁健康监测概述

（一）健康监测的必要性

桥梁是基础设施的重要组成部分，承担着大量的交通负荷和人员流动。在现代社会，人们依赖桥梁进行日常的通勤、货物运输和紧急救援。因此，桥梁的可靠性和安全性至关重要。然而，随着桥梁的不断老化和环境因素的影响，桥梁结构可能会受到损害，存在潜在的风险。

健康监测的必要性在于及时识别这些问题并采取适当的措施以防止事故和灾难的发生。通过监测桥梁的结构和性能，可以获得有关其健康状态的关键信息，包括裂缝、应力、挠度、震动等参数。这些数据允许进行实时评估，以便在出现问题之前采取措施修复或加固受影响的部分，不仅有助于减少维修和替代成本，还可以防止交通中断和潜在的人员伤亡。同时，健康监测还有助于优化资源管理，确保资源的有效使用。通过了解桥梁的实际状况，可以制定合理的维护计划，避免不必要的维修和浪费，有助于提高基础设施的可持续性，减少对有限资源的消耗。

（二）公路桥梁健康监测的挑战

首先，桥梁数量众多，分布广泛，监测任务庞大而复杂。每座桥梁都需要投入资源进行监测，而资源是有限的，因此，选择合适的桥梁进行监测成为一项重要挑战。其次，桥梁的结构和材料多种多样，不同桥梁可能存在不同类型的问题和风险，需要开发多样化的监测方法和技术来满足不同桥梁的需求。同时，现有的监测技术和设备也需要不断升级和改进，以适应新型桥梁和复杂环境条件的监测需求。最后，数据处理和分析是一个重要挑战。大量的监测数据需要高效处理和分析，以提取有用的信息和指标。数据的安全性和隐私问题也需要得到妥善解决，以确保数据的完整性和保密性[1]。

三、桥梁健康监测的关键参数与指标

（一）结构变形监测

1.桥梁挠度和位移

首先，桥梁的挠度监测旨在测量桥梁结构在荷载作用下的弯曲程度。通过在桥梁的不同位置安装挠度传感器，可以实时监测到桥梁在运行中的变形情况。桥梁的挠度是一个重要的参数，因为它直接反映了桥梁结构的刚度和变形特性。异常的挠度变化可能表明桥梁结构存在问题，如损伤或疲劳裂纹，可能会影响桥梁的安全性和稳定性。因此，挠度监测有助于及早发现问题，采取必要的维护和修复措施，确保桥梁的正常运行。其次，位移监测用于测量桥梁结构的水平和垂直位移。这些位移数据有助于了解桥梁在不同条件下的移动情况，包括荷载作用下的位移以及由温度变化引起的膨胀和收缩。位移监测可以帮助工程师评估桥梁的稳定性和变形情况，确保桥梁的参数在正常工作状态下保持在设计要求的范围内。如果位移异常，可能需要进一步的检查和维护。

2.桥墩与桥面变形

首先，桥墩的变形监测涉及桥墩的倾斜、沉降和位移等方面的数据收集与分析。桥墩是桥梁结构的支撑和承重部分，其变形情况直接关系到桥梁的稳定性。通过监测桥墩的倾斜和沉降情况，可以及时发现和识别可能存在的问题，如桥墩下沉或倾斜过度，以及土壤沉降引起的变形。这些数据的分析可以指导维护团队采取相应的措施，确保桥墩的结构完整性和稳定性。其次，桥面的变形监测涉及桥面板的变形、裂缝和沉降等参数的监测。桥面是车辆行驶的部分，其变形情况直接关系到行车的舒适性和安全性。通过实时监测桥面的变形情况，可以及时发现并修复裂缝、凹陷或变形问题，确保桥面的平整度和安全性，避免发生车辆行驶中的不稳定情况[2]。

（二）环境影响监测

1.温度、湿度和风速

首先，温度监测是桥梁健康监测中的一个重要方面。桥梁的温度变化可能会导致结构材料的膨胀和收缩，从而影响桥梁的稳定性和结构性。通过实时监测桥梁的温度变化，可以了解到温度对桥梁结构的影响程度，以便采取相应的措施，如加固材料或采用热膨胀补偿措施，以确保桥梁的结构稳定性。其次，湿度监测也是环境影响监测的一个重要参数。高湿度环境可能导致桥梁结构的腐蚀和材料的损坏，尤其是对于钢结构来说。通过监测湿度变化，可以及时发现湿度过高的情况，并采取保护措施，如防水涂层或防潮材料，以延长桥梁的使用寿命。最后，风速监测也是环境影响监测的重要组成部分。风速的变化可能对桥梁结构产生风振效应，导致桥梁的振动和变形。通过监测风速，可以了解到风振效应的频率和幅度，从而采取减振措施或者改进桥梁设计，以提高桥梁的抗风性能和安全性。

2.地震与振动

地震是一种极端的自然灾害，对桥梁结构的影响可能是灾难性的。因此，监测地震活动以及桥梁的振动响应对于确保桥梁的安全性和结构健康至关重要。

首先，地震监测是为了及时探测地震活动并评估其对桥梁结构的影响。地震传感器和监测设备被部署在桥梁附近，用于实时监测地震的震级和震源距离等参数。当地震发生时，这些传感器能够捕捉到地震波的信息，并迅速传输给监测系统，使桥梁管理者能够及时获得地震数据，评估桥梁结构的受损程度，采取桥梁封闭或紧急维修等必要的安全措施，以确保交通安全和结构完整性。其次，振动监测是为了评估桥梁的振动响应，不仅包括地震引起的振动，还包括日常交通和风振效应引起的振动。振动传感器被安装在桥梁结构上，用于监测振动的频率、幅度和振动模式。通过定期的振动监测，可以了解桥梁结构的振动特性，及时发现振动引起的损伤或疲劳裂纹，以采取预防性维护措施，延长桥梁的寿命。

（三）车辆荷载监测

1.交通流量与速度

交通流量与速度监测有助于了解桥梁受到的实际荷载以及荷载的分布情况，从而评估桥梁结构的受力状态和健康状况。

首先，交通流量监测是为了追踪通过桥梁的车辆数量和类型。监测通常通过在桥梁附近安装交通摄像头、传感器或电子收费系统来实现。监测系统能够记录每辆车的通过时间、车型和车速等信息。通过分析这些数据，可以确定不同时间段内的交通流量峰值和低谷，了解交通负荷的变化趋势。这对于桥梁的荷载评估和结构疲劳分析非常重要，因为不同的交通流量和速度会对桥梁产生不同的荷载效应。其次，车辆速度监测有助于了解车辆在桥梁上的行驶速度。这些数据对于评估桥梁的振动響应和结构动力特性至关重要。高速行驶的车辆可能会引起更大的振动荷载，因此监测车辆速度可以帮助预测桥梁受力情况，采取必要的维护和修复措施。

2.车辆重量与频率

通过监测车辆的重量和频率，可以更准确地了解桥梁所受的荷载，从而实施针对性的维护和修复措施。

首先，车辆重量监测旨在测量通过桥梁的车辆总重量，通常通过在桥梁上安装称重传感器或称重仪来实现。称重传感器能够记录每辆车的重量，从而计算出整个交通流中车辆的平均重量。这些数据对于评估桥梁的受力状态至关重要，因为不同重量的车辆会对桥梁产生不同的荷载效应。通过监测车辆重量，可以识别可能对桥梁造成过载或损害的情况，及时采取措施以保护桥梁结构。其次，车辆频率监测旨在测量车辆通过桥梁的频率和间隔时间，通常通过在桥梁上安装传感器或使用车辆检测系统来实现。监测车辆通过的频率有助于了解交通流的密度和速度，从而确定桥梁在不同时间段内受到的荷载情况。频率监测还有助于检测可能的交通拥堵和车辆振动问题。这些数据对于桥梁结构的疲劳分析和寿命评估非常重要[3]。

四、公路桥梁试验检测与信息工程结合在桥梁健康监测中的具体应用

（一）传感器布置与数据采集

1.传感器布置

首先，传感器类型选择至关重要。不同类型的传感器适用于不同的监测需求。例如，应变计传感器用于测量桥梁结构的应力和变形，加速度计用于检测振动和震动，温度传感器用于监测环境温度，湿度传感器用于测量湿度水平。因此，在选择传感器类型时，需要根据监测的具体参数和要求来确定合适的传感器类型。其次，布置位置策略也需要精心设计。传感器的放置位置应考虑到监测对象的关键部位，以确保监测的全面性和准确性。例如，应变计传感器可以放置在桥梁的关键支撑点和梁柱连接处，以监测结构的应力变化。对于加速度计，可以放置在桥梁的各个部位，以监测振动和地震活动。温度和湿度传感器通常需要均匀分布在桥梁不同位置，以捕捉环境参数的变化。因此，布置位置的策略需要结合桥梁的结构特点和监测目标来综合考虑，以确保监测系统能够提供准确的数据，帮助评估桥梁的健康状况。

2.数据采集

首先，数据采集频率对于监测系统的性能至关重要。采集频率决定了监测系统对于结构变化的敏感度和精度。通常，监测系统需要以高频率进行数据采集，特别是对于振动、位移和应力等快速变化的参数。这可以确保系统能够及时捕捉到结构的变化，并在必要时进行预警或干预。采集频率的选择应根据监测对象的特性和监测目标来确定，以平衡数据质量和数据处理的复杂性。其次，数据传输和存储也是数据采集过程中需要考虑的关键问题。采集到的监测数据通常需要传输到数据处理和分析中心进行进一步处理。因此，数据传输必须可靠、高效且安全，通常涉及网络通信和数据传输协议的选择，以确保数据在传输过程中不丢失且不被篡改。同时，采集到的数据需要进行存储，以便进行历史数据的回顾和分析。存储系统应具备足够的容量和可扩展性，以应对大量的监测数据。此外，数据存储还需要考虑数据的备份和保护，以确保数据的安全性和完整性[4]。

（二）结构状态评估与预警

1.结构状态评估

首先，数据处理与分析是评估结构状态的关键步骤。在这个阶段，监测数据需要进行预处理，包括噪声去除、数据校正和异常值检测等操作，以确保数据的准确性和可靠性。然后，数据需要进行分析，采用各种数学和统计方法，如频谱分析、时域分析和模式识别技术，来识别结构的特征和变化。这些分析方法可以帮助工程师了解桥梁的动态响应、振动特性和应力分布等关键信息。其次，在数据处理与分析的基础上，健康指标的计算是评估结构状态的重要环节。这些健康指标是通过对监测数据进行进一步处理和分析而得出的数值或参数，用于反映桥梁的健康状况。健康指标包括结构的振动频率、自然频率、振型形状、变形程度、裂缝检测等多个方面的信息。这些指标可以与事先设定的阈值或标准进行比较，以判断桥梁是否存在异常或潜在的问题，并及时预警。

2.预警系统

预警系统扮演着至关重要的角色，它可以及时检测到结构的异常行为并生成预警信号，以便采取必要的措施来保障桥梁的安全。

首先，预警信号的生成是预警系统的核心之一。这一过程通常涉及监测数据的实时分析和比较。当监测数据与事先设定的阈值或标准发生偏差时，系统会识别潜在的问题或异常，然后生成相应的预警信号，包括声音警报、视觉警示、电子邮件通知等多种形式，以确保相关人员可以迅速获得关键信息。其次，预警通知与响应机制是预警系统的另一个重要组成部分。一旦生成预警信号，系统需要确保及时通知相关的监测人员、维护人员或管理机构，通知通过自动化的通知系统来实现，例如，将警报发送到手机、电子邮件或监控中心。同时，系统还应该建立相应的响应机制，以便相关人员可以采取适当的行动来处理潜在的问题，包括暂停交通、进行维修或安排详细的检查等。

（三）数据挖掘与模式识别

1.数据清洗与预处理

数据清洗与预处理是确保数据质量和一致性的关键步骤。监测数据通常会受到各种干扰和噪音的影响，可能导致数据的不准确性。数据清洗包括去除异常值、平滑数据、填充缺失值等操作，以确保数据的可靠性。预处理则包括对数据进行标准化、归一化和降维等操作，以便为后续的分析和建模提供干净、一致的数据集。这些步骤的正确执行可以提高数据分析的准确性，帮助准确识别和预测桥梁结构的健康状况。

2.模式识别算法

模式识别算法是一类强大的工具，广泛应用于公路桥梁健康监测领域。这些算法旨在自动识别和分类数据中的模式、规律和关联性，以帮助分析桥梁结构的运行状态和健康状况。在桥梁监测中，模式识别算法可以分析大量从传感器和监测设备收集到的数据，以便更好地理解桥梁的性能和行为。常用模式识别算法如下所示：聚类分析用于将相似的数据点分组，帮助监测人员识别具有相似特征的桥梁结构。分类算法则用于将桥梁结构分为不同的健康状态或类别，例如正常、受损或需要维修。回归分析可用于预测桥梁结构的未来行为，如结构变形趋势。时间序列分析用于检测数据中的季节性变化和周期性变形，有助于了解桥梁的长期性能。神经网络是一种强大的算法，可以从大量数据中学习桥梁结构的复杂模式，进一步改善健康监测的准确性。

通过应用模式识别算法，桥梁监测人员可以更快速、准确地识别结构问题，提前发现潜在威胁，采取适当的维护措施，确保桥梁的安全性和可靠性。这些算法的使用不仅提高了监测效率，还有助于延长桥梁的寿命，降低了维护成本，对于保障公路桥梁的安全和可持续运营具有重要意义。

（四）健康状况可视化与报告生成

1.健康状况可视化

通过将复杂的监测数据以直观、易于理解的方式呈现给工程师和决策者，数据可视化工具有助于及时识别结构的健康状况、趋势和异常，为决策提供有力支持。

数据可视化工具可以采用多种图表和图形来呈现监测数据，例如折线图、柱状图、热图、散点图等。这些工具允许用户以直观的方式查看数据的变化趋势，帮助用户识别出潜在问题或异常。例如，通过绘制桥梁振动随时间的折线图，工程师可以快速检测到是否存在异常振动情况，以及振动是否超出了安全范围。地理信息系统（GIS）是一个常用的数据可视化工具，可以将桥梁的监测数据与地理位置信息相结合，以空间图形的方式展示，可以帮助用户更好地理解桥梁在不同地理位置上的健康状况，有助于进行地理信息分析和决策。同时，现代数据可视化工具通常具有交互性，用户可以根据需要进行数据筛选、放大、缩小和导出。这种交互性使工程师和决策者能够深入挖掘数据，发现潜在问题，并采取及时的措施。

2.健康报告生成

健康报告生成是将监测数据整合、分析和归档的过程，以生成详细的桥梁健康报告。这些报告不仅包括结构的健康评估，还包括环境影响、车辆荷载等各个方面的综合评估。报告的生成需要经过数据清洗、处理和分析，以确保数据的准确性和可靠性。然后，这些数据的结果将被整合到报告中，包括结构的健康状况、潜在问题的识别、健康指标和趋势等内容。报告为决策者提供了有关桥梁健康的全面信息，帮助决策者制定维护和修复策略，确保桥梁的安全性和可靠性。此外，报告还可以用于预测未来的健康状况和历史变化趋势，为长期维护规划提供有用的数据支持[5]。

五、结语

综上所述，公路桥梁试验检测与信息工程的结合为桥梁健康监测提供了一种先进、高效的方法。然而，尽管已经取得了显著的成果，仍然需要进一步的研究和实践，以不断完善这一方法，并适应不同桥梁的监测需求。随着科技的不断发展和创新，公路桥梁的安全性和可靠性将得到更好的保障，为社会的可持续发展提供坚实的基础。

参考文献

[1]池传树，周俊.基于MIDAS CIVIL的桥梁健康监测与评估[J].山西建筑，2023，49 （22）：155-157+162.

[2]储光，余尧.基于腾讯云的桥梁健康监测平台设计[J].淮南职业技术学院学报，2023，23（05）：146-148.

[3]张敬伟，满新杰.结构健康监测技术在公路桥梁养护中的应用[J].交通节能与环保，2023，19（S1）：143-146.

[4]易小纬.健康监测技术在市政桥梁结构安全评估中的应用研究[J].工程建设与设计，2023（18）：110-112.

[5]郑朋飞，杨康，韩家山，等.基于LoRa+云服務的桥梁健康监测系统研究[J].山西建筑，2023，49（19）：175-178.

责任编辑：张津平、尚丹