文 中國公路勘察設(shè)計(jì)協(xié)會土木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測專委會 李娜

近年來，世界范圍內(nèi)的公路橋梁重大事故、險(xiǎn)情時有發(fā)生，2018年在國際社會引起巨大反響的意大利莫蘭迪公路橋垮塌事故，造成43人遇難，13人重傷；2022年1月，美國賓夕法尼亞州匹茲堡發(fā)生公路橋梁坍塌事故，造成10人受傷……我國地域遼闊，自然災(zāi)害頻發(fā)，公路橋梁具有量大面廣、形式多樣、構(gòu)造復(fù)雜等特點(diǎn)，隨著投入運(yùn)營服役年限的增長，以及受自然環(huán)境、車輛通行等各種因素的長期作用，橋梁構(gòu)件材料的使用性能會不可避免地發(fā)生退化、衰減，其安全耐久性和承載能力也會隨著投入運(yùn)營時間的推移持續(xù)降低、劣化。為此，交通運(yùn)輸部一直對公路橋梁安全耐久性能高度關(guān)注。

橋梁檢測 陳軍 攝

《2021年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示，截至2020年底，我國公路橋梁共計(jì)已達(dá)91.28萬座，其中大橋約11.99萬座，特大橋梁6444座，數(shù)量居世界第一。面對已建成的數(shù)量龐大的公路橋梁，特別是日趨增多的新型結(jié)構(gòu)橋梁，我國在推動公路高質(zhì)量發(fā)展、加快建設(shè)交通強(qiáng)國的新征途中，如何進(jìn)一步提升公路橋梁基礎(chǔ)設(shè)施的安全耐久水平？如何有效增強(qiáng)公路橋梁災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防控和安全應(yīng)急保障能力？如何提升公路橋梁養(yǎng)護(hù)效能，為路網(wǎng)暢通運(yùn)行提供基礎(chǔ)支撐？開展橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)好比為公路橋梁戴上了“健康手環(huán)”，是“見之于未萌、治之于未亂”的重要舉措，推動公路橋梁從“以治病為中心”的定期“體檢”向“以健康為中心”的實(shí)時監(jiān)測轉(zhuǎn)變，真正實(shí)現(xiàn)橋梁全壽命周期管理。

鏈接

公路長大橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)試點(diǎn)一覽

1.九江長江大橋（江西）

九江長江大橋

2.江陰長江公路大橋（江蘇）

3.銅陵長江公路大橋（安徽）

4.太平湖特大橋（安徽）

5.壩陵河大橋（貴州）

壩陵河大橋 陳恩光 攝

6.大渡河特大橋（四川）

7.嘉紹跨海大橋（浙江）

8.遼河大橋（遼寧）

9.江順大橋（廣東）

10.宜昌長江公路大橋（湖北）

11.滹沱河特大橋（河北）

基本概念

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是應(yīng)用現(xiàn)代傳感技術(shù)、系統(tǒng)集成與通訊技術(shù)、數(shù)據(jù)處理分析技術(shù)，結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)管理理論，通過監(jiān)測橋梁所受荷載作用與環(huán)境變化、結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息，在綜合分析監(jiān)測及檢測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，評估橋梁結(jié)構(gòu)的工作性能和安全狀態(tài)。因其能為橋梁運(yùn)營管理決策和養(yǎng)護(hù)維修提供依據(jù)，自問世以來，備受國內(nèi)管養(yǎng)單位的青睞。在過去的20年間，我國幾百座大跨徑橋梁陸續(xù)建成結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。但受限于多種因素，不少橋梁的監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)營狀況不甚理想，有的故障頻出，難以正常地履行監(jiān)測職責(zé)；還有些系統(tǒng)“看起來很美”，但事實(shí)上已被閑置，淪為擺設(shè)。鑒于此，2020年，應(yīng)急管理部、交通運(yùn)輸部針對公路大跨徑橋梁的安全狀況、健康監(jiān)測情況及養(yǎng)護(hù)現(xiàn)狀分別組織了全國性調(diào)研并明確提出，為提升公路橋梁安全耐久性，需要研發(fā)、應(yīng)用監(jiān)測和管養(yǎng)新技術(shù)、新系統(tǒng)。

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)一方面類似于“神經(jīng)系統(tǒng)”，可對橋梁健康和損傷情況進(jìn)行感知；另一方面也類似于“心電圖背包”，可對已發(fā)現(xiàn)的損傷進(jìn)行跟蹤并作出評估。評估重點(diǎn)在于：營運(yùn)狀態(tài)的評估（包括橋梁構(gòu)件、結(jié)構(gòu)的變形、裂縫、振動等），這種評估從早期開始，其結(jié)果有助于“治未病”，合理安排預(yù)防性養(yǎng)護(hù)和養(yǎng)護(hù)維修；耐久能力評估，專注于大橋的損傷及其成因等，有助于“治早病”；承載能力評估，包括對大橋使用期整體剩余壽命的評估等，有助于幫大橋“延年益壽”。

建設(shè)試點(diǎn)

為進(jìn)一步提升公路橋梁的安全耐久性水平，有效開展野外觀測公路橋梁長期使用性能的基礎(chǔ)研究，在綜合考慮橋型差異、地域分布、系統(tǒng)新（改）建等因素后，交通運(yùn)輸部于2021年初確定河北、遼寧、江蘇、浙江、安徽、廣東、江西、湖北、貴州、四川10個省份的11座在役代表性橋梁，作為開展結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)試點(diǎn)，并由部公路局組織編制《公路長大橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)試點(diǎn)建設(shè)技術(shù)指南》，按照“一橋一策”“應(yīng)測盡測”的原則制定試點(diǎn)橋梁監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)具體方案。

11座試點(diǎn)橋梁已于2021年底前全部完成了系統(tǒng)建設(shè)并投入使用，其中部分橋梁是對運(yùn)營多年的原有系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，部分橋梁為首次運(yùn)用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。同年底，在圓滿完成試點(diǎn)工作總結(jié)成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，充分考慮信息化和數(shù)字化新技術(shù)、新設(shè)備對公路橋梁運(yùn)營維護(hù)管理的賦能效果，結(jié)合公路橋梁日常養(yǎng)護(hù)、應(yīng)急管理實(shí)際需求，交通運(yùn)輸部科技司和公路局協(xié)同委托交通運(yùn)輸部技術(shù)支撐單位組織行業(yè)著名專家、學(xué)者共同修編完成《公路橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(JT/T1037-2022)（以下簡稱《規(guī)范》）?！兑?guī)范》面向部、省、公路橋梁群三級網(wǎng)聯(lián)在線監(jiān)測管理新需求，目標(biāo)是在“十四五”期間，按照全國公路橋梁統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)規(guī)范公路單橋的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)建設(shè)、驗(yàn)收管理工作。

行業(yè)要求

2020年至今，交通運(yùn)輸部相繼印發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步提升公路橋梁安全耐久水平的意見》《公路長大橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)實(shí)施方案》《“十四五”公路養(yǎng)護(hù)管理綱要》《公路“十四五”發(fā)展規(guī)劃》《數(shù)字交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》等一系列重要文件，均對公路橋梁的安全運(yùn)行和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)提出明確的工作要求。

按照部公路局統(tǒng)一部署，2022年，全國要按照《規(guī)范》統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，至少建設(shè)完成150座公路橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，至2025年底，實(shí)現(xiàn)跨江、跨海、跨峽谷公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)全面覆蓋，構(gòu)建“部-省-單橋”三級平臺，對公路橋梁實(shí)施全國統(tǒng)一監(jiān)管。到2035年底，我國公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)將全面建立，全國公路橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測網(wǎng)聯(lián)平臺建設(shè)完成，徹底破除行業(yè)壁壘，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)互聯(lián)、數(shù)據(jù)共享共用，推動公路橋梁運(yùn)維端全面向信息化、數(shù)字化、智能化管養(yǎng)升級轉(zhuǎn)型。

建設(shè)情況

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2020年底，我國已構(gòu)建結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的公路橋梁超過460座，主要集中在長大跨徑橋梁，其中主跨在300米以上的橋梁超過150座。因?yàn)椴煌瑓^(qū)域、不同國省道公路橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)測需求不同，其選定的監(jiān)測內(nèi)容、測點(diǎn)布設(shè)，選用的感知采集傳輸設(shè)備，開發(fā)軟件的功能和系統(tǒng)性能等均有所不同，監(jiān)測規(guī)模、系統(tǒng)造價也存在很大差異。近年來，隨著傳感、采集、通訊、存儲等信息技術(shù)的快速發(fā)展，系統(tǒng)建設(shè)成本整體呈下降趨勢。

相對于公路長大橋梁，公路常規(guī)橋梁數(shù)量巨大、病害更多，但所受關(guān)注卻嚴(yán)重不足，一邊是其自身安全風(fēng)險(xiǎn)相對較高，另一邊則是運(yùn)維端管養(yǎng)專業(yè)人員數(shù)量相對較少，采用工具手段的技術(shù)先進(jìn)性和適用性也有待提升。目前，健康監(jiān)測技術(shù)作為當(dāng)代橋梁管養(yǎng)依托的重要有效科技手段之一，已延伸至多省份常規(guī)中小橋梁的運(yùn)營安全監(jiān)管中，并逐步向集群化、平臺化、網(wǎng)絡(luò)化的公路橋群監(jiān)測方向發(fā)展。

由于全國各地公路系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的認(rèn)知不同，區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展也不平衡，對應(yīng)養(yǎng)護(hù)資金的投入也存在差異?；浉郯拇鬄硡^(qū)、長三角、長江經(jīng)濟(jì)帶沿線等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域的大跨度橋梁和特殊橋梁，較為普遍地安裝了不同規(guī)模和標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測系統(tǒng)；西南地區(qū)隨著近年來高速路網(wǎng)快速發(fā)展，部分大跨徑和特殊公路橋梁構(gòu)建了兼具研究和工程特性的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，個別橋梁擁有與施工監(jiān)控系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)建設(shè)的公路橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)；西北、東北等經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的公路橋梁構(gòu)建結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的比例較低。

作用意義

提升公路養(yǎng)護(hù)管理技術(shù)水平的重要手段

近年來，我國公路基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行安全水平不斷提高，四、五類公路橋梁總體數(shù)量持續(xù)下降，但隨著運(yùn)行時間的增加，基礎(chǔ)設(shè)施老化等周期性問題逐漸凸顯，運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)逐步增加。對此，黨中央、國務(wù)院高度重視，多次作出重要指示、批示，明確指出公路橋梁老化是重大周期性問題。交通運(yùn)輸部也積極部署并組織專家、學(xué)者開展深入調(diào)研和反復(fù)論證，分析討論國內(nèi)外結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)發(fā)展和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，最終明確，開展結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)是“見之于未萌、治之于未亂”的重要舉措。

作為當(dāng)代跨學(xué)科多專業(yè)新融合技術(shù)，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)涉及公路、橋隧等土木工程結(jié)構(gòu)及電子工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息技術(shù)、軟件工程、網(wǎng)絡(luò)工程、數(shù)據(jù)科學(xué)等多專業(yè)領(lǐng)域。通過動態(tài)掌握公路橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀況，加快形成主動發(fā)現(xiàn)、智能分析、自動預(yù)警和響應(yīng)及時的工作閉環(huán)，真正把“公路橋梁建設(shè)是發(fā)展，橋梁養(yǎng)護(hù)管理也是發(fā)展，而且是可持續(xù)發(fā)展”的理念落到實(shí)處，并使之成為能夠及時采取預(yù)防措施提升公路運(yùn)行安全耐久水平的重要技術(shù)手段，為有效增強(qiáng)公路災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防控能力，提升防范“黑天鵝”事件的應(yīng)急處置保障能力及路網(wǎng)暢通運(yùn)行能力提供基礎(chǔ)支撐，助力提升公路養(yǎng)護(hù)效能，推進(jìn)公路養(yǎng)護(hù)治理模式創(chuàng)新和行業(yè)監(jiān)管效能提升，對公路橋梁實(shí)現(xiàn)決策科學(xué)化、治理精準(zhǔn)化和管理現(xiàn)代化具有重要支撐作用。

促進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化轉(zhuǎn)型的迫切需要

黨的十九大報(bào)告明確將建設(shè)交通強(qiáng)國、科技強(qiáng)國、數(shù)字中國作為國家發(fā)展戰(zhàn)略。2022年1月，國務(wù)院發(fā)布《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》并指出，要加快推進(jìn)交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化改造，穩(wěn)步構(gòu)建智能高效的融合基礎(chǔ)設(shè)施，提升基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)化、智能化、服務(wù)化、協(xié)同化水平。為落實(shí)國家發(fā)展戰(zhàn)略，交通運(yùn)輸部于2021年底陸續(xù)發(fā)布了《數(shù)字交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》和《公路“十四五”發(fā)展規(guī)劃》，并由部公路局將公路數(shù)字化拓展到公路建設(shè)、養(yǎng)護(hù)、運(yùn)行、管理、服務(wù)的全生命周期和全過程領(lǐng)域。而橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)作為橋梁養(yǎng)護(hù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要載體，是促進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化轉(zhuǎn)型的迫切需要，也是公路橋梁養(yǎng)護(hù)信息化、數(shù)字化、智能化的重要實(shí)踐探索。

夯實(shí)公路行業(yè)基礎(chǔ)研究的重要工具

過去我國公路橋梁基礎(chǔ)研究工作，是在各種規(guī)模、條件不同的試驗(yàn)室中，采用傳統(tǒng)設(shè)備裝備，依靠科研人員的工作經(jīng)驗(yàn)及模型實(shí)驗(yàn)、典型觀測數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬、仿真計(jì)算等方式進(jìn)行的，由于數(shù)據(jù)分散呈碎片化，造成數(shù)據(jù)獲取途徑不系統(tǒng)、不健全、不持久，嚴(yán)重制約了相關(guān)技術(shù)研究成果的精確性和適用性。

構(gòu)建橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，可在真實(shí)、自然的運(yùn)營環(huán)境中，基于公路橋梁足尺結(jié)構(gòu)，貫穿其全壽命周期，按需采集、積累足量、真實(shí)、持續(xù)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，為預(yù)防性養(yǎng)護(hù)創(chuàng)造數(shù)據(jù)共享、成果共用的信息基礎(chǔ)條件。產(chǎn)、學(xué)、研、用各方可遠(yuǎn)程登錄系統(tǒng)，觀測新設(shè)備、新技術(shù)工程應(yīng)用的適用性和實(shí)用性，創(chuàng)新協(xié)同研究，聯(lián)合攻克技術(shù)瓶頸，研究理論，研發(fā)算法，為行業(yè)科學(xué)研究提供高質(zhì)量、可持續(xù)的全要素、全參數(shù)數(shù)據(jù)支撐，對深化研究我國不同地域、不同構(gòu)造類型、不同材料建設(shè)的公路橋梁長期性能規(guī)律性，提升運(yùn)維端管養(yǎng)科技水平和養(yǎng)護(hù)效能，夯實(shí)公路橋梁建管養(yǎng)運(yùn)維“基層、基礎(chǔ)、基本功”具有重要作用。