廖斌,　羅坤　盧鳳文

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081）

摘要 現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜化，傳統(tǒng)橋梁監(jiān)測手段難以滿足橋梁實(shí)際運(yùn)營管養(yǎng)的需求，文章設(shè)計(jì)了六沖河、六廣河特大橋監(jiān)測布點(diǎn)方案，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，通過對(duì)現(xiàn)場監(jiān)測傳感器采集的橋梁荷載及其結(jié)構(gòu)受力等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及預(yù)測，養(yǎng)護(hù)人員可實(shí)時(shí)掌握橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和安全狀況，能對(duì)橋梁的安全性能做出評(píng)估和預(yù)警，輔助管養(yǎng)人員實(shí)現(xiàn)主動(dòng)預(yù)防式管養(yǎng)，避免結(jié)構(gòu)進(jìn)一步劣化，從而實(shí)現(xiàn)橋梁數(shù)字化、信息化管理。

關(guān)鍵詞 六沖河特大橋;六廣河特大橋;健康監(jiān)測;安全預(yù)警

中圖分類號(hào) U446.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）06-0007-04

引言

隨著橋梁設(shè)計(jì)水平、施工技術(shù)和材料性能的進(jìn)步，大跨徑橋梁朝著結(jié)構(gòu)輕柔化、形式與功能復(fù)雜化發(fā)展[1]，以及車流量的持續(xù)增加，橋梁結(jié)構(gòu)的服役性能受到了挑戰(zhàn)，對(duì)橋梁建立長期的安全健康監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)掌握橋梁運(yùn)營時(shí)的荷載情況及結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，確保運(yùn)營安全十分迫切與重要[2]。為提高投入運(yùn)營中的橋梁養(yǎng)護(hù)管理水平，該文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了六沖河特大橋、六廣河特大橋的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，通過現(xiàn)場布設(shè)監(jiān)測傳感器的采集數(shù)據(jù)，可及時(shí)獲得橋址環(huán)境、外部荷載、內(nèi)部結(jié)構(gòu)響應(yīng)及交通狀況等信息，掌握橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和安全狀況，在橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常狀況的初級(jí)階段發(fā)出預(yù)警，輔助管養(yǎng)人員實(shí)現(xiàn)主動(dòng)預(yù)防式管養(yǎng)，降低橋梁災(zāi)害性事故發(fā)生的概率;通過各類監(jiān)測傳感器，采集結(jié)構(gòu)、交通的數(shù)據(jù)和信息，形成橋梁空間和時(shí)間維度的信息數(shù)據(jù)檔案庫，在結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)橋梁數(shù)字化、信息化管理。

1 橋梁概況

六沖河特大橋位于烏江支流六沖河河道之上，為跨越六沖河而設(shè)，是黔織高速上的一座特大型橋[3]。橋跨為（195+438+195）m，全橋長1 508 m，是貴州省目前跨徑最大的混凝土斜拉橋[4]。六廣河特大橋位于修文縣與黔西縣交界處，為跨越六廣河而設(shè)，是息黔高速的控制性工程[5]。橋跨為（243+580+243）m，全橋長1 280 m，是貴州省目前跨徑最大的疊合梁斜拉橋[6]。

1.1 橋址環(huán)境

兩座橋的橋址均位于亞熱帶溫暖濕潤氣候區(qū)，橋址處較為濕潤，大橋在建成后，由于受到腐蝕、老化等因素的影響，橋梁的性能會(huì)隨時(shí)間而降低，不僅影響通行車輛和人員的安全，也會(huì)縮短橋梁的服役時(shí)間。因此有必要建立一個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測橋梁在營運(yùn)期間的承載能力、工作狀態(tài)和耐久性能。

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

大橋均為斜拉橋，橋梁結(jié)構(gòu)本身受力十分復(fù)雜，主梁、橋塔、斜拉索均為重要的結(jié)構(gòu)受力部件，該文利用監(jiān)測傳感器對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，基于數(shù)據(jù)預(yù)測和評(píng)估模型對(duì)橋梁安全性進(jìn)行評(píng)估。

1.3 運(yùn)營管理

橋梁建成投入運(yùn)營后其養(yǎng)護(hù)管理水平影響其服役能力，利用數(shù)字化、信息化手段實(shí)現(xiàn)橋梁的精準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和科學(xué)管理，是數(shù)字化時(shí)代下橋梁運(yùn)營管理的必然趨勢。通過合理布設(shè)橋梁狀態(tài)監(jiān)測傳感器采集橋梁相關(guān)數(shù)據(jù)，建立橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)，給管理者提供橋梁維護(hù)管理的重點(diǎn)，從而提高橋梁養(yǎng)護(hù)管理水平。

2 監(jiān)測方案設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測內(nèi)容

基于六沖河特大橋主橋和六廣河特大橋的橋址環(huán)境、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其運(yùn)營管理需求，開展橋梁健康監(jiān)測，以及健康狀況分析評(píng)估工作。在對(duì)若干同類型橋梁典型病害分析及總結(jié)的基礎(chǔ)上，遵循功能要求和效益—成本分析兩大準(zhǔn)則，確定了兩座大橋的主要監(jiān)測內(nèi)容如下：

（1）荷載源監(jiān)測項(xiàng)：風(fēng)荷載（包括：風(fēng)速、風(fēng)向）監(jiān)測;溫濕度（包括：空氣溫濕度、結(jié)構(gòu)溫度場）監(jiān)測;交通荷載監(jiān)測。

（2）結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力響應(yīng)：結(jié)構(gòu)靜力特性監(jiān)測項(xiàng)（包括：關(guān)鍵代表性構(gòu)件受力、控制點(diǎn)的空間變位狀況）;結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性監(jiān)測項(xiàng)（包括主梁固有動(dòng)力特性監(jiān)測與分析）。

2.2 測點(diǎn)布置

結(jié)合橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮到橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)效性，基于科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)的傳感器布設(shè)原則，確定了監(jiān)測傳感器的布置方案。六沖河、六廣河特大橋的監(jiān)測項(xiàng)目如表1。

3 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

3.1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能，在邏輯上將系統(tǒng)的層次劃分清楚，形成系統(tǒng)邏輯架構(gòu)。邏輯架構(gòu)分為六層，分別為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、軟件平臺(tái)層、技術(shù)支撐層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、終端展示層。層次劃分遵守兩個(gè)主線：系統(tǒng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和系統(tǒng)工程安全保障體系。

3.1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)有清晰的數(shù)據(jù)流向和邏輯。每種數(shù)據(jù)均采用線性的數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)。監(jiān)測用的溫度傳感器、加速度計(jì)、應(yīng)變計(jì)等各種傳感器的數(shù)據(jù)均匯聚到數(shù)據(jù)采集與傳輸服務(wù)器，再進(jìn)入后續(xù)的處理、控制、數(shù)據(jù)庫等模塊，電子化人工巡檢的數(shù)據(jù)通過巡檢終端直接輸出到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

3.1.3 系統(tǒng)基本組成

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)將橋梁運(yùn)營安全監(jiān)測和結(jié)構(gòu)安全評(píng)估等功能集中于同一平臺(tái)進(jìn)行管理，服務(wù)于運(yùn)營期內(nèi)六沖河特大橋和六廣河特大橋的養(yǎng)護(hù)管理等決策的制定，以保證運(yùn)營期內(nèi)橋梁較好的服務(wù)水平。功能內(nèi)容如下：

（1）安全監(jiān)測。開展運(yùn)營環(huán)境監(jiān)測及橋梁響應(yīng)監(jiān)測，并依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行橋梁安全預(yù)警，輔助橋梁管養(yǎng)單位進(jìn)行科學(xué)決策，保證橋梁結(jié)構(gòu)與行車雙重安全。安全監(jiān)測系統(tǒng)是通過監(jiān)測傳感器獲取的橋梁荷載以及結(jié)構(gòu)的響應(yīng)、局部損傷等數(shù)據(jù)，對(duì)其結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)掌控橋梁受力情況及行車荷載情況，為橋梁結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營提供數(shù)據(jù)支持。

（2）安全評(píng)估。橋梁投入運(yùn)營后，結(jié)合該橋梁安全監(jiān)測與資產(chǎn)檢查結(jié)果，定期開展橋梁承載力、結(jié)構(gòu)病害、缺陷隱患等關(guān)鍵指標(biāo)及橋梁總體技術(shù)狀況的綜合評(píng)估工作。橋梁綜合評(píng)估主要分為：安全一級(jí)評(píng)估、安全二級(jí)評(píng)估和專項(xiàng)評(píng)估?；诎踩u(píng)估結(jié)果，可輔助橋梁管養(yǎng)人員進(jìn)行橋梁精益化養(yǎng)護(hù)。

3.2 子系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于對(duì)現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)平臺(tái)功能的調(diào)研，結(jié)合六沖河、六廣河特大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)營需求，該文詳細(xì)設(shè)計(jì)了傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)、中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)以及結(jié)構(gòu)安全預(yù)警子系統(tǒng)五大子系統(tǒng)功能。

3.2.1 傳感器子系統(tǒng)

傳感器子系統(tǒng)用于獲取監(jiān)測信號(hào)，處于監(jiān)測系統(tǒng)的最前端。監(jiān)測內(nèi)容包括：車輛荷載信息監(jiān)測、風(fēng)荷載監(jiān)測、橋面鋪裝溫度監(jiān)測、索塔錨固區(qū)溫濕度監(jiān)測、主梁動(dòng)力監(jiān)測、主梁撓度監(jiān)測、支座位移監(jiān)測、主梁關(guān)鍵截面應(yīng)變監(jiān)測以及斜拉索索力監(jiān)測。共布設(shè)測點(diǎn)280個(gè)，各類傳感器數(shù)量如表2所示。

3.2.2 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)主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場監(jiān)測傳感器的數(shù)字信號(hào)處理及網(wǎng)絡(luò)傳輸?；谏衔膶?duì)六沖河、六廣河特大橋監(jiān)測內(nèi)容及傳感器的測點(diǎn)布設(shè)方案，將數(shù)據(jù)采集方式歸為動(dòng)態(tài)信號(hào)數(shù)據(jù)采集、數(shù)字/模擬信號(hào)數(shù)據(jù)采集、振弦信號(hào)采集、頻監(jiān)控信號(hào)采集四類，各類監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)采集方案如表3所示。

3.2.3 數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理及控制子系統(tǒng)用于完成實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收、處理、分析、整合與存儲(chǔ)，在數(shù)據(jù)采集服務(wù)器與其他服務(wù)器之間起到橋梁作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的管理與控制，分擔(dān)其他服務(wù)器的數(shù)據(jù)處理壓力。數(shù)據(jù)處理及控制模塊的主要功能為：

（1）與現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集服務(wù)器進(jìn)行通信，對(duì)所有傳感器信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理。

（2）通過調(diào)用數(shù)據(jù)處理算法倉庫，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、濾波、挖掘、耦合、轉(zhuǎn)換等預(yù)處理。

（3）針對(duì)不同監(jiān)測項(xiàng)開發(fā)相應(yīng)的算法，進(jìn)行實(shí)時(shí)處理分析，使輸出的數(shù)據(jù)均為結(jié)構(gòu)參數(shù)。

（4）數(shù)據(jù)加工、歸檔和存儲(chǔ)功能，實(shí)時(shí)解算各通道的特征值，將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與提取的特征數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫。

（5）數(shù)據(jù)檢索和傳輸功能，將經(jīng)過處理和分析的數(shù)據(jù)根據(jù)系統(tǒng)界面配置發(fā)送到結(jié)構(gòu)安全預(yù)警評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行展示。

（6）將經(jīng)過處理的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過預(yù)先結(jié)構(gòu)計(jì)算值進(jìn)行預(yù)警判斷，并將預(yù)警結(jié)果傳輸至信息展示界面。

（7）離線處理功能，定制離線處理計(jì)劃，手動(dòng)調(diào)用進(jìn)行數(shù)據(jù)文件的處理功能。

3.2.4 中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)

中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)用于橋梁設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)查詢、可快速視圖生成、歸檔、存儲(chǔ)等相關(guān)功能，同時(shí)，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行要求能長期不間斷的穩(wěn)定工作。

經(jīng)過方案比選分析，該系統(tǒng)選定Microsoft SQL SERVER數(shù)據(jù)庫和InfluxDB數(shù)據(jù)庫作為后臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)基礎(chǔ)。其中InfluxDB作為實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)，Microsoft SQL SERVER作為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)。

3.2.5 結(jié)構(gòu)安全預(yù)警子系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)安全預(yù)警子系統(tǒng)是監(jiān)測系統(tǒng)的核心內(nèi)容之一，對(duì)橋梁運(yùn)營安全的相關(guān)指標(biāo)（如橋梁荷載、結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)指標(biāo)）進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)，服務(wù)于橋梁應(yīng)急管理，輔助決策的制定。通過對(duì)橋梁代表性關(guān)鍵構(gòu)件及關(guān)鍵參數(shù)變化的監(jiān)測，提供橋梁結(jié)構(gòu)在線預(yù)警信息，輔助管養(yǎng)人員及時(shí)且有針對(duì)性地對(duì)橋梁運(yùn)營環(huán)境及結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全狀況進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)，以保障結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行。主要包括：

（1）對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

（2）建立風(fēng)、結(jié)構(gòu)位移、結(jié)構(gòu)變形等關(guān)鍵參數(shù)的預(yù)警指標(biāo)，能對(duì)預(yù)警信息進(jìn)行分級(jí)分類，并能根據(jù)長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的積累，對(duì)預(yù)警指標(biāo)閾值進(jìn)行修正。

（3）能夠定期進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力特性、動(dòng)力特性和變形分析，定期提交數(shù)據(jù)分析報(bào)告。

（4）突發(fā)事件時(shí)進(jìn)行專項(xiàng)評(píng)估分析，并提交專項(xiàng)數(shù)據(jù)分析報(bào)告。

4 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

4.1 基于BIM的Web網(wǎng)站

門戶網(wǎng)站采用基于B/S模式的3D Web技術(shù)，用戶通過瀏覽器可查詢訪問橋梁基礎(chǔ)信息、安全預(yù)警信息、傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史記錄等，系統(tǒng)主界面如圖1所示。

4.2 橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)展示及分析

該系統(tǒng)平臺(tái)提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)展示能力，包括：查看橋梁監(jiān)測傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù);基于預(yù)警預(yù)報(bào)模型進(jìn)行異?，F(xiàn)象報(bào)警;橋梁監(jiān)測報(bào)告生成及查看;基于BIM建模的橋梁三維模型實(shí)時(shí)顯示及各類數(shù)據(jù)的分級(jí)分類統(tǒng)計(jì)，橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)分析子頁面如圖2所示。

4.3 橋梁監(jiān)測安全預(yù)警

可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行在線預(yù)警，基于橋梁的風(fēng)、結(jié)構(gòu)位移、結(jié)構(gòu)變形等監(jiān)測參數(shù)的兩級(jí)預(yù)警指標(biāo)，結(jié)合監(jiān)測傳感器實(shí)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，能夠?qū)ΡO(jiān)測結(jié)果進(jìn)行在線實(shí)時(shí)預(yù)警，其中Ⅰ級(jí)預(yù)警信息顯示為黃色，Ⅱ級(jí)預(yù)警信息顯示為紅色。

4.4 自動(dòng)生成監(jiān)測報(bào)告

利用所有的監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)定期生成結(jié)構(gòu)監(jiān)測報(bào)告。該報(bào)告的建立是橋梁數(shù)字化、信息化“檔案”的一部分，也是追蹤結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)演變過程。推測其預(yù)期發(fā)展趨勢的基本依據(jù)，同時(shí)也能為同類型橋梁的進(jìn)一步研究提供有力的數(shù)據(jù)支持。

4.5 監(jiān)測信息可視化展示

結(jié)合橋梁BIM模型，將橋梁狀態(tài)進(jìn)行三維可視化展示，通過交互式操作實(shí)現(xiàn)運(yùn)營橋梁的動(dòng)畫、漫游、全景展示，為橋梁運(yùn)營階段的養(yǎng)護(hù)管理以及統(tǒng)籌決策提供直觀、可靠科學(xué)的依據(jù)，監(jiān)測信息可視化展示子頁面如圖3所示。

5 結(jié)語

六沖河特大橋、六廣河特大橋所處的地理環(huán)境因素復(fù)雜，橋梁自身結(jié)構(gòu)特殊，風(fēng)險(xiǎn)較高，建立健康監(jiān)測系統(tǒng)非常有必要。該文基于六沖河特大橋主橋和六廣河特大橋的橋址環(huán)境、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其運(yùn)營管理需求，有針對(duì)性地選擇全橋受力較薄弱的部分，“少而精”地選擇監(jiān)測點(diǎn)，設(shè)計(jì)監(jiān)測方案，建立了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，通過對(duì)采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析預(yù)測，準(zhǔn)確地對(duì)大橋全橋狀況作出評(píng)估，對(duì)其安全性能作出預(yù)警，輔助管養(yǎng)人員實(shí)現(xiàn)主動(dòng)預(yù)防式管養(yǎng)。

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收稿日期：2022-01-12

作者簡介：廖斌（1989—），男，本科，中級(jí)工程師，研究方向：智慧交通。