雷珍珍，梁清清

（貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測(cè)中心有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550014）

橋梁設(shè)計(jì)的使用壽命往往有幾十年或上百年，在橋梁漫長的服役過程中，動(dòng)靜荷載、腐蝕物質(zhì)以及材料老化等各種人為或天然的因素，影響著橋梁的“健康”。隨著時(shí)間的推移，橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷，其承載能力、彈性強(qiáng)度和剛度不可避免地變差。因此，需要對(duì)橋梁進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)和狀況評(píng)估，以便能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)存在的安全隱患，避免造成重大的人員和經(jīng)濟(jì)損失。為了實(shí)時(shí)獲取橋梁狀況信息，做出及時(shí)的安全評(píng)估與預(yù)警，設(shè)計(jì)一款經(jīng)濟(jì)實(shí)用、穩(wěn)定可靠、智能科學(xué)的在役橋梁健康監(jiān)測(cè)與狀況評(píng)估系統(tǒng)顯得十分有必要[1-2]。

1 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則及功能需求

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

根據(jù)橋梁監(jiān)控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用需求和橋梁監(jiān)控監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足合理性和經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，還應(yīng)遵從如下設(shè)計(jì)原則：①適用有效。根據(jù)橋梁健康監(jiān)測(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計(jì)出符合不同橋型結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，確定相關(guān)傳感器的布設(shè)位置。②準(zhǔn)確可靠。選擇測(cè)量準(zhǔn)確度滿足測(cè)試要求的傳感器，傳感器的測(cè)量范圍、適用環(huán)境、穩(wěn)定可靠性等均應(yīng)滿足要求。③先進(jìn)智能。采用當(dāng)前先進(jìn)成熟的監(jiān)測(cè)技術(shù)，結(jié)合結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)理論，搭配先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備，實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警及安全評(píng)估。④兼容性強(qiáng)，易于維護(hù)。系統(tǒng)易于操作管理，隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)、監(jiān)測(cè)理論標(biāo)準(zhǔn)及傳感技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，系統(tǒng)能與時(shí)俱進(jìn)，便于更新升級(jí)。

1.2 系統(tǒng)功能需求分析

通過分析，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)滿足如下的功能主要需求：①通過對(duì)相關(guān)內(nèi)容的監(jiān)測(cè)，建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)掌握橋梁運(yùn)營狀況，有效保證橋梁的安全；②實(shí)時(shí)了解橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變、撓度、溫度等情況，輔助操作人員合理設(shè)置預(yù)警閾值，實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)預(yù)警功能，并自動(dòng)生成監(jiān)測(cè)報(bào)告；③通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析與處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估，對(duì)災(zāi)害進(jìn)行評(píng)估預(yù)判，給決策者提供相關(guān)依據(jù)，使運(yùn)維方案等更加合理，提高橋梁的使用壽命；④能夠進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的管理。

2 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成及內(nèi)容

健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由多個(gè)子系統(tǒng)組成，具體為傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)狀況評(píng)估與預(yù)警子系統(tǒng)，通過各層相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能[3]。

2.1 傳感器子系統(tǒng)

傳感器子系統(tǒng)是保障數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)，根據(jù)橋梁的橋型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、相關(guān)監(jiān)測(cè)理論及標(biāo)準(zhǔn)，以及環(huán)境情況，結(jié)合當(dāng)下傳感器技術(shù)的發(fā)展情況，選擇合適的傳感器，要保障由不同類型傳感器組成的傳感器子系統(tǒng)。在惡劣的環(huán)境下，仍然能夠?qū)崟r(shí)提供真實(shí)、可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)能夠初步診斷傳感器子系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，能夠快速地分辨出傳感器提供的信息是否有異常，幫助找到出現(xiàn)損壞或失效的傳感器的位置。此外，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)狀況評(píng)估與預(yù)警子系統(tǒng)遵循的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集制度，這樣得到的數(shù)據(jù)量大、信息量多，不可避免地會(huì)有很多冗余信息。如何從海量信息中篩選出有意義的信息，如何進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)優(yōu)化，是結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)控預(yù)警的重要源頭部分。針對(duì)橋梁的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了優(yōu)化采集情況，即具有定時(shí)間段采集以及定閾值采集。數(shù)據(jù)采樣時(shí)間、采樣長度可以根據(jù)實(shí)際情況靈活設(shè)置，多條件觸發(fā)采樣參數(shù)有觸發(fā)邏輯和各通道的觸發(fā)閾值設(shè)置。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

光纖、GPRS/3G/4G 和無線網(wǎng)橋是數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)的常用通訊方式。GPRS/3G/4G 常用于監(jiān)測(cè)場(chǎng)所有手機(jī)信號(hào)覆蓋的情況；當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)無手機(jī)信號(hào)，或是像視頻數(shù)據(jù)這樣的大流量數(shù)據(jù)時(shí)，則采用光纖傳輸；而無線網(wǎng)橋通訊方式，適用于傳輸距離不超過9 千米并且監(jiān)測(cè)場(chǎng)地和監(jiān)控中心可通視的情況。根據(jù)情況的不同，選擇的數(shù)據(jù)傳輸方式也會(huì)有所不同。

2.4 數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)主要用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和操作，包括數(shù)據(jù)的增刪改查等。數(shù)據(jù)庫的使用需要謹(jǐn)慎處理，因此設(shè)置有權(quán)限管理，需要分配專門的人員特定的權(quán)限，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的使用。

2.5 數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理和控制子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分析、處理及數(shù)據(jù)可視化的展現(xiàn)。信號(hào)在采集前與采集后均可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其中包括：信號(hào)實(shí)時(shí)可視化顯示、數(shù)字濾波；數(shù)據(jù)采集設(shè)定、幅域統(tǒng)計(jì)；時(shí)域、頻域分析以及數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析等[4]。

2.6 結(jié)構(gòu)狀況評(píng)估與預(yù)警子系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)狀況評(píng)估與預(yù)警子系統(tǒng)是通過監(jiān)測(cè)關(guān)鍵參數(shù)的變化及變化趨勢(shì)，在應(yīng)力和應(yīng)變等達(dá)到限值、結(jié)構(gòu)狀況出現(xiàn)異常的時(shí)候發(fā)出預(yù)警信息[3]。預(yù)警級(jí)別按工程風(fēng)險(xiǎn)由小到大分為四級(jí)：藍(lán)色預(yù)警、黃色預(yù)警、橙色預(yù)警和紅色預(yù)警。橋梁健康監(jiān)測(cè)工作人員能夠根據(jù)系統(tǒng)的預(yù)警提示進(jìn)行分析與咨詢，及時(shí)對(duì)不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)或可能出現(xiàn)失穩(wěn)的結(jié)構(gòu)采取一定的治理措施進(jìn)行防治，防止災(zāi)害的發(fā)生或擴(kuò)大，減少損失。

3 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 工程概況

火花特大橋位于貴州省安順市紫云縣火花鄉(xiāng)，橋位區(qū)屬構(gòu)造、剝蝕低中山地貌，地形起伏較大，沖溝發(fā)育。最大橋高約115m，最大墩身高約為107.5m，橋梁孔徑布置及橋長不受水文及流量控制，主要取決于兩側(cè)地形。結(jié)合橋位處地形、地質(zhì)和場(chǎng)地條件等特點(diǎn)，考慮工程的安全性、經(jīng)濟(jì)性、施工可行性及景觀性，選取火花特大橋主橋右幅作為健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)的對(duì)象。

火花特大橋主橋右幅的上部結(jié)構(gòu)采用主跨3×120m的連續(xù)剛構(gòu)，橋跨結(jié)構(gòu)為右線：65m+3×120m+65m，下部橋墩采用空心墩，橋墩基礎(chǔ)均采用樁基礎(chǔ)；主橋過渡墩頂采用320 型伸縮縫，右線橋長為490m。

3.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容及結(jié)果分析

火花特大橋的健康監(jiān)測(cè)內(nèi)容有溫度、應(yīng)變、撓度、震度、索力、傾斜和伸縮縫監(jiān)測(cè)。根據(jù)某季度的橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知：

（1）溫度監(jiān)測(cè)。溫度監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)采集連續(xù)率均達(dá)到90%以上，橋梁的溫濕度變化具有較強(qiáng)的日變化規(guī)律，最高溫度日均值33.97℃，最低溫度日均值1.61℃，本期最大溫差為30.76℃。

（2）應(yīng)變監(jiān)測(cè)。橋梁應(yīng)變可以作為了解主要承力構(gòu)件的受力狀態(tài)指標(biāo)，及時(shí)診斷橋梁的病害、控制車輛荷載。通過應(yīng)力數(shù)據(jù)與初始的應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并對(duì)比分析，應(yīng)變最大變化量為-107.32με，火花特大橋應(yīng)力變化不大，整體波動(dòng)較為穩(wěn)定。

（3）撓度監(jiān)測(cè)。通過撓度的變化可以對(duì)橋梁的運(yùn)營狀態(tài)做出準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)評(píng)估。比較該季度初始撓度中值與末尾撓度中值，各測(cè)點(diǎn)中，撓度變化量最大為-13.67mm，整體呈現(xiàn)較好的波動(dòng)規(guī)律性。說明橋梁結(jié)構(gòu)在橫橋向上整體性較好，且本監(jiān)測(cè)周期內(nèi)撓度數(shù)據(jù)呈明顯起伏波動(dòng)，但數(shù)據(jù)具有穩(wěn)定基線，說明撓度數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定。

（4）振動(dòng)監(jiān)測(cè)。因此橋梁頻率蘊(yùn)含著橋梁的整體結(jié)構(gòu)信息與安全信息。當(dāng)橋梁出現(xiàn)較大損傷或結(jié)構(gòu)改變時(shí)，橋梁的振動(dòng)頻率也會(huì)隨之改變，利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中采集的橋梁各構(gòu)件的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，可初步識(shí)別橋梁自振頻率大約為1.85Hz。

（5）索力監(jiān)測(cè)。索力狀態(tài)是衡量橋梁是否正常運(yùn)營的一個(gè)重要標(biāo)志。索力的最大變化量百分比為-3.4%，索力的變化量除受荷載影響外還受溫度變化影響，整體數(shù)據(jù)正常變化，大橋預(yù)應(yīng)力梁的體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋受力狀態(tài)穩(wěn)定。

（6）傾斜監(jiān)測(cè)。橋墩傾斜能夠反映橋墩的水平偏位變化情況。橋墩在X 方向該季度最大變化量為0.12°，Y 方向本周期最大變化量為-0.29°，數(shù)據(jù)變化主要受到溫度影響，X 方向呈正相關(guān)，Y 方向呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，剔除溫度影響則角度變化較小。

（7）伸縮縫監(jiān)測(cè)。伸縮裝置是易損壞、難修補(bǔ)的部位，因此對(duì)伸縮縫進(jìn)行監(jiān)測(cè)。伸縮縫的寬度變化幅度均不大，最大變化為-10.0mm。另外，從伸縮縫的變化趨勢(shì)來看，火花特大橋伸縮縫測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)并無持續(xù)增大或減小的趨勢(shì)，而是受溫度影響較大呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)增大、減小的趨勢(shì)，符合結(jié)構(gòu)正常的變化規(guī)律。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款穩(wěn)定可靠的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀況的監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估。將該橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于火花特大橋，通過對(duì)各監(jiān)測(cè)參數(shù)綜合分析，結(jié)果表明火花特所處狀態(tài)良好，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化較為穩(wěn)定。隨著技術(shù)的發(fā)展與橋梁監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范化，未來的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可能的發(fā)展方向有：

（1）數(shù)據(jù)采集傳感器更加準(zhǔn)確可靠。橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過傳感器采集數(shù)據(jù)，隨著測(cè)量技術(shù)與傳感技術(shù)的發(fā)展，測(cè)量數(shù)據(jù)更加精確，更加可靠地反映橋梁結(jié)構(gòu)的真實(shí)情況；傳感器的類別更多，全方位掌握橋梁結(jié)構(gòu)的各方面數(shù)據(jù)；傳感器采用無線充電，可在橋梁修建時(shí)便將無源傳感器嵌入到橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部，使橋梁健康監(jiān)測(cè)時(shí)更便捷美觀。

（2）安全評(píng)估更加智能化。隨著不斷深入研究、橋梁健康監(jiān)測(cè)參數(shù)增加、采集的有效數(shù)據(jù)增加，出現(xiàn)更加智能化、標(biāo)準(zhǔn)化和精準(zhǔn)化的橋梁結(jié)構(gòu)健康評(píng)估方法，為橋梁的運(yùn)營狀況、健康評(píng)估和預(yù)測(cè)提供更加可靠的途徑[5]。