短期监测，让特大桥梁损伤评估更高效

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短期监测系统通常基于无线传输进行搭建，具有针对性强、布设密度高、安装快捷等优点，是现有人工巡检和健康监测系统的有力补充。

芮毅 摄

现有监测手段存在缺陷

根据《2018年交通运输行业发展统计公报》数据显示，我国的特大型桥梁已达5053座。与一般的中小型桥梁相比，特大型桥梁结构损伤表征更为隐蔽，形成原因更加复杂。这些结构损伤一旦成为养护盲点，在无监测、无管控的情况下，往往呈现出增速发展的趋势，最终导致局部桥梁结构遭到破坏，甚至影响桥梁的整体安全，造成重大的经济损失和社会负面影响。目前，主要依靠人工巡检和健康监测系统来监测桥梁损伤。我国现行的人工巡检体系如图1所示。

图1.我国现行的人工巡检体系

人工巡检对中小型钢筋混凝土桥梁损伤监测十分有效，但应用于大跨径的复杂结构桥梁却存在明显不足；桥梁健康监测系统具有获取时序性数据信息、实时值守的能力，能够对人工巡检无法获得的关键信息进行量化监测，弥补了人工巡检的不足，但从健康监测系统在我国桥梁上的实际应用来看，仍然存在分析难度大、针对性不足等问题。

基于此，迫切需要探索一种介于人工巡检和健康监测系统之间的损伤监测方法，来弥补目前特大型桥梁损伤监测体系的不足。短期监测技术兼具人工巡检方便快速和健康监测系统数据连续的优点，可作为两者的有力补充。

短期监测技术优势显著

众所周知，桥梁健康监测系统的初始造价和维护成本较高，为了保证海量数据的采集和传输，目前的健康监测系统主要采取有线传输的方案，系统相对复杂。相比于健康监测系统，短期监测项目具有系统规模较小、功能较单一、监测对象指向性强的特点。而且短期监测项目搭建多采用无线传感器，监测数据则通过互联网实现24小时不间断传输。在监测任务完成后，相应的传感器还可以应用到其他项目中。综合来看，短期监测技术的核心优势有以下几点：

围绕病害，有针对性布设

对于混凝土关键裂缝、钢板疲劳裂缝、梁端偏位、单板受力、支反力异常等病害，实行建设期全覆盖式监测显然是一种资源浪费，短期监测可以对关键病害信息进行针对性捕捉，高效且经济。

密集部署，获取最优数据

健康监测系统获取的数据存在空间稀疏性与时间冗余性的矛盾，且系统造价过高、传感器耐久性无法保障。在短期监测中，通过快速密集部署大量有效传感器获取的密集型数据，更能反映出实际工程问题。

简单快捷，评估特定构件

可以通过短期监测技术，获取伸缩缝、支座、斜拉索等特定易损构件的关键性能参数，并给予准确的性能评估。

分项监测，发现特定规律

根据桥梁已经暴露出来的问题或关键风险点，进行作用与响应关系分析后，通过布设不同的短期监测项目，快速验证各参数之间的相关性。例如裂缝与温度、挠度与汽车荷载等的关系。

应急监测，提供处置依据

在施工过程中、船撞后、火灾后等情况下，桥梁结构安全性的应急短期监测可为针对性处置提供依据。

根据实践经验，笔者总结了常用的短期监测项目，如表1所示。

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人工巡检的不足之处

◎ 人工巡检主要依靠结构的表观状况判断，从方法原理上只能获取到部分结构信息；

◎ 大跨径桥梁结构体系复杂，仍存在人工巡检盲区与知识认知盲区；

◎ 人工巡检仅能获取瞬时信息，而部分桥梁损伤信息需要时序性数据的支撑才可诊断评估；

◎ 灾变突发情况下，人工巡检手段无法做到实时值守，只能事后评估检测。

健康监测系统的不足之处

◎ 数据冗余，有效分析难度大。由于健康监测系统永久性布置于桥梁结构上，每天不间断地采集，产生了海量的数据。然而，这些数据所承载的“有效信息”密度却不够大，给数据分析造成了很大的困难。特别是当大量噪声数据、错误数据混杂其中时，分析处理变得非常棘手。

◎ 监测点位针对性不强。绝大多数桥梁的健康监测系统都是在建设期安装的。但建设期内，很难对桥梁未来可能发生的损伤进行准确判断，造成桥梁健康监测系统布设千篇一律，没有针对性。

◎ 系统维护工作量大。桥梁健康监测系统安装后，如果不能及时维护，电子元器件的损坏率会很高，有可能导致系统频繁瘫痪。

◎ 测点布设的密度不够。受投资额度限制，健康监测系统不可能大规模布设。只能根据建设成本，选取重点或典型的部位进行布设，但桥梁损伤往往具有随机性，使得系统的效力受限。

芮毅 摄

技术应用高效实现要点

在对特大型桥梁结构进行短期监测时，必须做到以下几点，否则短期监测将失去意义。

确保安装、拆卸便捷

在实施短期监测前，可以事先将仪器的传感器、采集仪、通讯接头模块化，加工简易的工装将众多离散的功能部署集成，以提高工作效率，节省人力物力。需要注意的是，部署花费的时间需要控制在监测时长的1.5%左右（实践证明可实现），否则短期监测将不具备竞争力。

实现数据无线传输

无论是从现场的可实施性，还是今后传感技术的发展方向来看，实现采集数据结构化与无线传感都是不可或缺的。短期监测的单个无线传感器节点需要包含传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块。数据传输模块采用无线传输系统，可以通过无线方式灵活组建网络，将现场采集到的数据汇集到中继节点或网关，再通过运营商网络（2G/3G/4G/5G）将数据上传至在线监测云平台，实现数据的实时传输。

设计短期监测方案

现阶段健康监测系统已经逐步完备，其全寿命周期数据具有重要工程意义。而短期监测则要根据工程的特点，结合运营过程中发现的具体问题，对关键病害形成原因进行重点分析，与健康监测系统信息有效互补，发现和解决实际的工程问题，这也是短期监测的意义所在。

芮毅 摄工作人员正在进行钢箱梁检查

表1.常用短期监测项目汇总表

舒运平 摄

短期监测系统通常基于无线传输方式进行搭建，具有针对性强、布设密度高、安装快捷等优点，是现有人工巡检和健康监测系统的有力补充。笔者认为，未来短期监测系统有几个主要发展方向：进一步拓展研究短期空间高密度数据更深层次的分析评估方法；关注同一短期时段内，桥梁结构内部子系统之间的相关性、子系统与整体之间的相关性，桥梁系统与外界环境的相互作用等整体关联性关系；做好特大型桥梁综合评估的顶层设计，将电子化人工巡检、健康监测系统和短期监测系统的数据进行综合分析和应用；将短期监测技术、人工巡检和健康监测系统一起纳入新建时期桥梁的养护设计中。

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混凝土关键裂缝短期监测实践

本项目依托某大桥工程，采用“振弦式应变计+智能采集器传输”的无线传感方法，对混凝土关键裂缝进行短期监测以获取关键数据。

通过分析各测点温度数据发现，在短期监测期间，监测部位的整体大气环境温度从17摄氏度上升到21摄氏度。利用小波变换的方式，对采集的数据进行去噪分析后发现，裂缝宽度方向上的应变有明显的周期性，约24小时为一个周期。随后，将采集到的环境温度与裂缝宽度方向上的应变水平进行相关性分析后得出：

1.所监测的混凝土关键裂缝宽度变化与环境温度相关性较强；

2.混凝土关键裂缝宽度与环境温度的周期性变化趋势一致，并未监测到裂缝宽度有扩展的趋势；

3.建议对此混凝土关键裂缝宽度加强观测监测工作。

综上所述，通过对混凝土结构关键裂缝的短期监测数据进行深入分析后，揭示了其非结构裂缝的本质，消除了桥梁管养者的担忧，更避免了对裂缝进行盲目封闭修补导致的无效投入。