淺談公路橋梁健康監(jiān)測技術(shù)與應(yīng)用

吳金華

摘 要：本文以馬鞍山長江公路大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)為例，對公路橋梁健康監(jiān)測相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用進行了闡述分析。首先對公路橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、監(jiān)測內(nèi)容和測點選擇進行了論述，然后對各子系統(tǒng)進行了具體分析，最后對健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展趨勢進行了展望。

關(guān)鍵詞：公路橋梁;健康監(jiān)測技術(shù);應(yīng)用

隨著我國特大、特殊結(jié)構(gòu)橋梁越來越多，自然破壞、腐蝕老化、超載、交通事故等種種問題，都給橋梁管養(yǎng)帶來了諸多難題。如何才能真正做到主動預(yù)防式管養(yǎng)？公路橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)為橋梁管養(yǎng)者提供了一個有效的管理手段。健康監(jiān)測系統(tǒng)可以實時監(jiān)控感知橋梁，隨時掌握橋梁的運行狀況，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析挖掘，可以對橋梁的結(jié)構(gòu)性能和發(fā)展演變趨勢做出科學(xué)預(yù)測，以便提前對橋梁實施預(yù)防性維護，有效延長橋梁的使用壽命。下面就以馬鞍山長江公路大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)為例，對公路橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用做簡要論述。

一、系統(tǒng)架構(gòu)

健康監(jiān)測系統(tǒng)主要包括傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)。其中，傳感器子系統(tǒng)主要包括前端各類監(jiān)測傳感器;數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)主要包括安裝在外站機柜內(nèi)的各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備和通信設(shè)備，數(shù)據(jù)采集設(shè)備將接入的傳感器監(jiān)測信號經(jīng)過濾波、轉(zhuǎn)換等必要處理后變成數(shù)字信號，再經(jīng)通信設(shè)備上傳至工控機和上一級子系統(tǒng);數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)是整個監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，主要負責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲、處理、分析、展示、調(diào)用以及預(yù)警評估等工作。

二、監(jiān)測內(nèi)容和測點選擇

（一）監(jiān)測內(nèi)容

健康監(jiān)測內(nèi)容一般應(yīng)根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特點、運營時間、運營環(huán)境、交通荷載等因素具體確定，應(yīng)遵循“先進性、通用性、經(jīng)濟型、可靠性”的原則。具體監(jiān)測內(nèi)容一般包括以下幾個方面：

1、交通荷載監(jiān)測。主要利用動態(tài)稱重與抓拍系統(tǒng)來完成，通過對過往車輛實施車型、軸重、總重以及車速等參數(shù)的的實時監(jiān)測，充分了解橋梁斷面的交通流信息，從而為其他監(jiān)測參數(shù)的設(shè)計確定和養(yǎng)管單位的營運管控提供決策依據(jù)。

2、環(huán)境監(jiān)測。主要是對溫度場、濕度、風(fēng)速風(fēng)向、地震動、船撞等方面進行實時監(jiān)測。結(jié)構(gòu)溫度能為結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測提供溫度補償數(shù)據(jù);路面溫度的實時監(jiān)測，在雨雪冰凍等極端天氣下能及時為養(yǎng)管單位提供寶貴信息;此外，根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，特定類型特定區(qū)域的大橋需進行風(fēng)速風(fēng)向、地震動、船撞等參數(shù)監(jiān)測。

3、結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)監(jiān)測。主要對大橋結(jié)構(gòu)振動、位移及變形等方面進行監(jiān)測。振動監(jiān)測就是監(jiān)測橋梁在車輛荷載、自重以及其他環(huán)境外力的綜合作用下，橋梁的頻率、振幅等參數(shù)的變化，進而準(zhǔn)確掌握和預(yù)警橋梁剛度的變化;對橋梁鞍座、伸縮縫位移進行監(jiān)測，有助于了解橋梁的整體動力特性;監(jiān)測橋梁在多種外力的綜合作用下，橋梁的幾何線性變化量，能有效反映當(dāng)前大橋的內(nèi)力狀態(tài)。

4、結(jié)構(gòu)局部響應(yīng)監(jiān)測。主要包括應(yīng)變、索力、裂縫等參數(shù)監(jiān)測。應(yīng)變監(jiān)測就是監(jiān)測橋梁在活載與長期荷載作用下的應(yīng)力變化情況，以便及時知道橋梁結(jié)構(gòu)是否存在缺陷和隱患;實時監(jiān)測吊索拉索在大風(fēng)、交通荷載等外力作用下的加速度響應(yīng)及索力變化情況至關(guān)重要，這樣能充分掌握橋梁的整體動力特性;對于存在裂縫的橋梁，還有必要對其裂縫進行監(jiān)測，以掌握裂縫的發(fā)展趨勢，確保橋梁的運行安全。

馬鞍山長江公路大橋分為左汊懸索橋和右汊斜拉橋，綜合考慮各種影響因子，針對性設(shè)計部署了溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向、地震船撞、振動、位移、GPS、撓度變形、應(yīng)變、索力等多種監(jiān)測傳感器，實時監(jiān)測大橋的運行狀態(tài)，為大橋的安全運行保駕護航。

（二）測點選擇

健康監(jiān)測系統(tǒng)的測點一般應(yīng)選擇布置在橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵敏感部位，所選擇的關(guān)鍵控制界面和控制點應(yīng)該最容易出現(xiàn)疲勞響應(yīng)，或者最容易實現(xiàn)實時監(jiān)測功能，采集到的數(shù)據(jù)應(yīng)該能全面客觀反映橋梁整體和局部結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化。

1、交通荷載監(jiān)測一般采用動態(tài)稱重系統(tǒng)，稱重測點宜選擇在混凝土路面上，應(yīng)覆蓋所有車道，確保每臺過往車輛都能檢測到。

2、環(huán)境監(jiān)測測點一般應(yīng)選取橋面兩側(cè)、塔頂、拱頂、主梁跨中等關(guān)鍵截面，船撞監(jiān)測測點宜選擇在最易遭受船舶撞擊的橋墩處。

3、結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)監(jiān)測測點一般應(yīng)選擇振幅最大、變形最大的部位。振幅監(jiān)測需避開節(jié)點位置;結(jié)構(gòu)整體變形監(jiān)測點應(yīng)選取兩跨跨中截面或1/3截面，并科學(xué)布設(shè)基準(zhǔn)測點和相對沉降測點;位移測點一般布置在鞍座或主梁兩端伸縮縫處。

4、結(jié)構(gòu)局部響應(yīng)監(jiān)測應(yīng)力測點應(yīng)布設(shè)在受力較大的關(guān)鍵部位、最易損壞并易導(dǎo)致整體坍塌的關(guān)鍵部位和截面;索力監(jiān)測點應(yīng)選取索力值較大、長度規(guī)格不一的吊索和拉索進行布設(shè);裂縫應(yīng)選取裂縫較大、發(fā)展演變較快、影響整體結(jié)構(gòu)的典型性裂縫進行監(jiān)測。

三、傳感器子系統(tǒng)

1、交通荷載監(jiān)測。一般采用不停車動態(tài)稱重系統(tǒng)，采用壓電式稱重傳感器，將應(yīng)力轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，再經(jīng)過控制器轉(zhuǎn)換計算得到單軸重，最后累加計算得到整車重量。在稱重的同時，通過線圈或者紅外觸發(fā)進行抓拍。

2、環(huán)境監(jiān)測。主要包括溫濕度計、風(fēng)速風(fēng)向儀、地震船撞監(jiān)測傳感器等。采集到的信號一般以電壓信號、電流信號、光信號或者RS232/485信號輸出。不同類型信號的傳輸距離、抗干擾能力都不一樣，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況靈活選擇。光纖光柵傳感器憑借抗電磁干擾能力強、體積小、傳輸距離遠等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用。

3、結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)監(jiān)測。振動傳感器一般采用加速度傳感器，有壓電式、磁電式等多種類型，要求具有較高的測量精度和低頻測量性能;伸縮縫位移一般采用拉繩式位移計測量，有電壓式和電流式多種類型;橋梁的整體變形可以通過GPS系統(tǒng)和撓度計進行監(jiān)測。GPS系統(tǒng)具有很高的測量精度和測量頻率，但是建設(shè)成本較高;撓度計建設(shè)成本較低，但也能很好滿足線形監(jiān)測的需要。

4、結(jié)構(gòu)局部響應(yīng)監(jiān)測。目前國產(chǎn)的應(yīng)變、索力傳感器和裂縫計已經(jīng)能完全滿足健康監(jiān)測的要求。與其他傳感器對比，光纖光柵應(yīng)變計分辨率高、測量范圍大、抗腐蝕性能好、耐久性強，已被廣泛應(yīng)用。

四、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)由工作站、數(shù)據(jù)采集與傳輸軟件以及數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)等組成，一般部署在外站，可以根據(jù)距離遠近采用集中式或分布式布置，主要負責(zé)傳感器信號的采集、調(diào)理、預(yù)處理和傳輸，要求能自動連續(xù)采樣，斷電恢復(fù)后能自動重啟、自動校時和采集;傳輸誤碼率低，數(shù)據(jù)失真小。數(shù)據(jù)傳輸一般都采用光纖自愈環(huán)網(wǎng)模式，可以有效確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

五、數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理與控制子系統(tǒng)主要包括服務(wù)器、磁盤陣列、工作站以及對應(yīng)的軟件系統(tǒng)，是整個健康監(jiān)測系統(tǒng)最核心的部分。它主要負責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收、存儲、處理、分析、展示與預(yù)警等功能。目前普遍還是采用C/S架構(gòu)，但隨著5G、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，基于B/S結(jié)構(gòu)的云平臺化設(shè)計已經(jīng)逐漸推廣應(yīng)用。

六、結(jié)語

總之，公路橋梁健康監(jiān)測技術(shù)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)對橋梁進行在線監(jiān)控、實行預(yù)測性維護的重要技術(shù)手段。上文主要對傳統(tǒng)的健康監(jiān)測系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用進行了闡述分析。隨著新一代信息技術(shù)的不斷發(fā)展，健康監(jiān)測技術(shù)將向簡單化、平臺化、實效化快速演進，必將對公路橋梁的全壽命周期管理起到更加重要的作用。

參考文獻：

[1]程詠春. 公路橋梁健康監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用[J]. 山西建筑，2019，45（15）：104-105.

[2]羅紀(jì)彬. 大型橋梁健康監(jiān)測技術(shù)的研究與應(yīng)用[J]. 山西建筑，2009，35（11）：292-293.

[3]袁利偉. 公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用[J]. 科技與生活，2011，（20）：129-129，219.