桥梁健康监测系统发展回顾

2019-11-23王明俊陈炳聪吕仰槟曾鑫彬

城市道桥与防洪 2019年11期

王明俊，王湛，陈炳聪，吕仰槟，曾鑫彬

（1.广州市中心区交通项目领导小组办公室，广东广州510030；2.广州大学，广东广州510006；3.广州市市政集团有限公司，广东广州510000）

0 引言

桥梁健康监测系统是以科学的监测理论与方法作为基础，采用各种适宜的监测手段获取数据，为桥梁结构设计方法、计算假定、结构模型分析提供验证；对桥梁结构的性能指标、特性进行分析，及早预见、发现和处理桥梁结构安全隐患和缺陷，诊断结构突发和累计损伤发生的位置与程度，并对症状后果的可能性进行判断与预测。通过对桥梁结构健康状态的监测与评估，系统在各种气候、交通条件下和桥梁运营状况异常时提供预警信号，为桥梁维护、维修与管理措施提供依据；桥梁工作者采取及早的措施，防止桥梁坍塌、局部破坏，保障和延长桥梁的使用寿命。进入21 世纪后的十余年中，我国越来越多的桥梁安装了桥梁健康监测系统，积累了大量经验，采集了海量数据，系统功能不断完善与增强。本文对国内外桥梁健康监测系统的建设和发展进行综述。

1 桥梁健康监测系统的特点

1.1 系统的监测内容

系统设计者针对不同的桥型和结构特点，量身定做桥梁健康监测系统。一般情况下，系统的监测内容包含变形、位移、构应力、裂缝、环境、索力、动力性能等。随着机电技术的不断发展，越来越多的手段得到应用与发展，传感器的类型主要为电阻式、振弦式、光纤光栅式等，传输模式以TCP/IP、BNC、RS485 式为主。各种测量方法的比较见表1。

1.2 系统评估分析方法

目前桥梁安全评估的分析方法主要有常规综合法、层次分析法、可靠度理论、振动模态方法、模糊理论等。

1.3 系统优点

桥梁健康监测系统优点：

（1）可以节省人力物力，避免检查盲点；

（2）具有整体性，能够提供整体全面的结构健康监测；

（3）不会影响正常交通的运行；

（4）周期短，具有时效性；

（5）不仅能够监控和评估结构状态，其反馈的信息也可使结构设计方法和相应的规范标准得到改进，还可能成为桥梁研究的“现场实验室”。

1.4 系统存在的问题

桥梁健康监测系统还不太完善，存在以下不足：

（1）系统的费用较高，约占桥隧总造价的1%；

（2）系统设计缺乏统一标准，系统规模差异性较大；

（3）所用的技术多种多样，未形成统一的数据接口和格式，兼容性和扩展性较差；

（4）多数监测系统是独立运行的“单机版”，各桥系统独立运作，所采集信息不能共享；

（5）系统本身的使用寿命难以得到保证，电子设备的耐久性远低于结构寿命，传感器和其他硬件更换时影响数据采集的连续性；

（6）系统在运营过程中仪器设备保护措施不完善，耐久性能不足，仪器设备过早报废，导致部分数据缺失；

（7）系统获取了海量数据，但是未有效及时处理，分析人员缺乏足够的桥梁知识，造成数据灾难。

2 国内外典型案例

随着大跨度桥梁的相继建成，人们对这些大型重要桥梁的安全性、耐久性与正常使用功能日渐关注和重视。桥梁健康监测系统和智能控制技术相继运用到这些大型桥梁中，国内外从20 世纪80年代中后期开始建立各种规模的桥梁健康监测系统[2]。美国威斯康辛州一座已有65 年历史的提升式桥（Michigan Street Bridge）在桥上安装了世界上第一套全桥远程监测系统；我国自20 世纪90 年代起对部分大桥建立长期监测系统，如香港青马大桥。虎门大桥、徐浦大桥、江阴长江大桥等在施工阶段已安装健康监测用的传感设备，以运用在运营期间的实时监测。以下针对典型案例展开论述。

表1 各种测量方法的比较[1]

2.1 国内案例

2.1.1 香港青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥健康监测系统

青马大桥和相邻的汲水门大桥是通往香港新机场的重要通道。青马大桥是世界上最长的公路/铁路悬索吊桥，全长2200 m，主跨度1377 m，塔高206 m。汲水门大桥为斜拉吊桥，全长820 m，主跨度430 m，塔高150 m。汀九大桥为三塔斜拉吊桥，塔高分别为170 m、194 m 和158 m，全长1177 m，主跨度为448 m 和475 m。青马控制区原有桥梁监测传感器多达774 个，包括风速计、气象传感器、动力称量系统、加速度计、位移传感器、应变标尺和水平仪七大类用以监测。但由于原有的传统监测手段在监测桥梁振动位移方面都有一些显著缺点，不能对衡量大桥是否正常运营的大桥主梁和索塔轴线空间位置进行准确测量评估。青马控制区桥梁是早期使用GPS 进行监测的系统之一。其优点如下：直接获取三维绝对位置；实时计算并显示三维位移；全天候、24 h 连续进行高采样率（20 Hz）观测；系统数据传输采用光纤网络，运作效率提升，极大降低系统维护工作成本；对原有监测系统进行独立检核[3-4]。

2.1.2 广州鹤洞大桥健康监测系统

鹤洞大桥位于广州市海珠区和荔湾区之间的珠江后航道上，全桥总长2300 m，主桥长648 m，为双塔双索面复合斜拉桥，主跨为360 m 钢- 混叠合梁，采用空间扇形索面，主跨索间距9.5 m，密索体系。该系统在边跨混凝土截面布置9 个应力传感器，GPS 测试天线安装在两个塔顶和跨中，与基准测站连成局域网，可同时在线实时监测，测试精度可达毫米级；拾振器布置在跨中截面和主跨四分点截面的上下游侧，共六个监测位置；所有采集信号由位于东西塔和跨中的三个工作站负责采集，所有采集数据由光纤环网汇集到现场服务器进行储存[5]。其健康监测系统将计算机及网络通信、传感器新技术、自动化监测技术与桥梁工程的最新研究成果相结合，在可靠实用的前提下进行一定的技术创新[6]（见图1）。

图1 鹤洞大桥健康监测系统

2.1.3 东莞水道特大桥健康监测系统

东莞水道特大桥位于东莞市环城路西五环路跨东莞水道路段。大桥全长750 m，由主桥、引桥两部分组成。其中主桥采用三孔（50+280+50）m 飞鸟式中承式钢管混凝土系杆拱桥。钢管混凝土拱桥主要受力结构是钢管混凝土拱肋，拱肋钢管和混凝土的损伤直接影响整个结构的安全，吊杆和主梁等结构的状态也影响到桥梁的安全性能和使用性能[7]。大桥共安装了130 台（个）监测元件、5 个采集站、5 台服务器、1 个监控室，导线总长约21000 m[8]（见图2）。

图2 东莞水道特大桥健康监测系统

2.1.4 杭州湾跨海大桥结构健康与安全监测系统

杭州湾大桥首次在桥梁监测领域提出采用环网的通信方式来克服系统的易干扰性，使得监测系统在数据传输上更加稳定、可靠，开发了现代化的信息监测管理系统对桥梁进行监测和管理，建立一个电子信息化的档案和信息平台。系统采用了基于桥梁结构静动力响应的评估方法，这能更加全面地反映桥梁结构的真实状况。而且该系统提出了以静力内力状态识别和动力损伤识别相结合的理论，从而一方面能够从整体上把握大桥的内力状态，另一方面能够从局部上识别大桥的损伤状态，兼顾了整体和局部、实用性和科研性[9]。

2.2 国外典型案例

2.2.1 意大利墨西拿海峡大桥健康监测系统

意大利墨西拿海峡大桥为主跨3300 m 的超长跨径悬索桥。墨西拿海峡大桥的监控系统由操作控制中心的1 个中央主机服务器、15 个数据采集和处理单元以及1 个传感器网络组成。该系统模块化，具有灵活性，可以在项目完成后以及桥梁使用寿命期间进行更改和完善。墨西拿海峡大桥计划在3301 个位置安装便携式传感器，其中2999 个测试数据将被整合到系统永久数据流中，并根据具体工程情况额外安装178 个传感器，并安装了光纤传感器。该类传感器具有灵活性，所以在通常的主缆上安装光纤传感器具有较大的可行性。光纤传感器的安装是通过已创建光纤光栅的光纤链涂装特殊涂料实现的，但是这项技术目前尚未成熟，因此通过墨西拿海峡大桥的建设发展并应用[10]。

2.2.2 日本明石海峡大桥健康监测系统

日本明石海峡大桥是主跨为1991 m 的三跨双铰悬索桥，作为日本大跨径桥梁健康监测现状的代表性案例，明石海峡大桥的动态监测尤为突出。大桥安装的传感器配置设备包括地震仪、风速计、加速度计、速度计、GPS、梁边位移计、温度计以及调谐质量阻尼器（TMD）位移计。采用高精度的双频GPS 接收机对大桥进行实时动态监测，用以预估将来桥梁在遭受强烈台风和地震侵袭时可能会发生的不正常的位移[11]。

2.2.3 土耳其伊兹米特湾跨海大桥健康监测系统

伊兹米特湾大桥主桥是跨度为（650+1550+650）m 的三跨悬索桥。该桥的监测系统所用传感器为石英传感器，与传统传感器相比，具有优秀的线性、隔离横向力、灵敏度一致和对气候不敏感（无须温度补偿）等优势。而且该传感器方便快速安装，可镶嵌在公路中，避免过高的维护费用，从经济性上看，该传感器精度稳定、寿命长；从灵活性上看，动态量程宽，可模块式全覆盖路面设计[12]。

3 总结国内外桥梁健康监测系统的特点

3.1 我国桥梁健康监测系统的特点

在我国，很多桥梁已经安装了桥梁监测系统，部分桥梁系统经过一段时间的运行，根据桥梁管理部门的要求进行了升级。还有一些监测系统，则是由于桥梁健康监测系统的设计和实施趋于规范化的成果。目前我国桥梁健康监测系统都有如下特点：

（1）健康监测系统的设计理念越来越侧重于为桥梁的养护管理提供支撑，在监测内容和技术与测试数据处理和评价之间找到了平衡点；

（2）健康监测系统本身的耐久性受到了重视，传感器和其他硬件具有可更换性；

（3）不同大桥的监测系统都有大桥本身的特色，立足于高起点、高目标，充分利用现代高新技术，将计算机及网络通信、传感器新技术、自动化监测技术与桥梁工程的最新研究成果相结合，在可靠实用的前提下进行一定的技术创新[13]。

3.2 国外桥梁健康监测系统的特点

国外桥梁健康监测系统的发展比较早，美国威斯康辛州提升式桥安装了世界上第一套全桥远程监测系统，世界桥梁系统无论是在设计理念还是在系统核心技术和材料上，发展都比较成熟。总结下来，国外桥梁健康监测系统有以下特点：

（1）系统发展成熟，侧重于新型技术在重要工程中的研发，如待建设的意大利墨西拿海峡大桥系统，将会极大地发展光纤传感器技术的研究和开发；

（2）大跨度桥梁的变形量测技术成熟，如高精度的GPS 系统；

（3）侧重传感器系统和数据传输系统的耐久性，尽可能与大跨桥梁大于50 a 甚至到100 a 的设计寿命相匹配。

4 系统发展前景

从研究现状和实际应用来看，桥梁健康监测系统的评估内容基本统一，评估理论日趋成熟。通过对传感器的革新和自动远程监控技术的更新换代，桥梁健康监测与安全评价系统正向简单易装、经济可行、持久可靠的方向发展。随着5G 时代的到来，建议健康监测人工巡检中引入AR（虚拟现实）技术辅助检测，引入VR（虚拟现实）技术进行专家会诊评估。