浅谈公路桥梁健康监测技术与应用

吴金华

摘 要：本文以马鞍山长江公路大桥健康监测系统为例，对公路桥梁健康监测相关技术和应用进行了阐述分析。首先对公路桥梁健康监测系统的系统架构、监测内容和测点选择进行了论述，然后对各子系统进行了具体分析，最后对健康监测系统的发展趋势进行了展望。

关键词：公路桥梁;健康监测技术;应用

随着我国特大、特殊结构桥梁越来越多，自然破坏、腐蚀老化、超载、交通事故等种种问题，都给桥梁管养带来了诸多难题。如何才能真正做到主动预防式管养？公路桥梁健康监测系统为桥梁管养者提供了一个有效的管理手段。健康监测系统可以实时监控感知桥梁，随时掌握桥梁的运行状况，通过对监测数据的分析挖掘，可以对桥梁的结构性能和发展演变趋势做出科学预测，以便提前对桥梁实施预防性维护，有效延长桥梁的使用寿命。下面就以马鞍山长江公路大桥健康监测系统为例，对公路桥梁健康监测系统的相关技术和应用做简要论述。

一、系统架构

健康监测系统主要包括传感器子系统、数据采集与传输子系统以及数据管理与控制子系统。其中，传感器子系统主要包括前端各类监测传感器;数据采集与传输子系统主要包括安装在外站机柜内的各种数据采集设备和通信设备，数据采集设备将接入的传感器监测信号经过滤波、转换等必要处理后变成数字信号，再经通信设备上传至工控机和上一级子系统;数据管理与控制子系统是整个监测系统的核心部分，主要负责监测数据的存储、处理、分析、展示、调用以及预警评估等工作。

二、监测内容和测点选择

（一）监测内容

健康监测内容一般应根据桥梁的结构特点、运营时间、运营环境、交通荷载等因素具体确定，应遵循“先进性、通用性、经济型、可靠性”的原则。具体监测内容一般包括以下几个方面：

1、交通荷载监测。主要利用动态称重与抓拍系统来完成，通过对过往车辆实施车型、轴重、总重以及车速等参数的的实时监测，充分了解桥梁断面的交通流信息，从而为其他监测参数的设计确定和养管单位的营运管控提供决策依据。

2、环境监测。主要是对温度场、湿度、风速风向、地震动、船撞等方面进行实时监测。结构温度能为结构应变监测提供温度补偿数据;路面温度的实时监测，在雨雪冰冻等极端天氣下能及时为养管单位提供宝贵信息;此外，根据相关规范规定，特定类型特定区域的大桥需进行风速风向、地震动、船撞等参数监测。

3、结构整体响应监测。主要对大桥结构振动、位移及变形等方面进行监测。振动监测就是监测桥梁在车辆荷载、自重以及其他环境外力的综合作用下，桥梁的频率、振幅等参数的变化，进而准确掌握和预警桥梁刚度的变化;对桥梁鞍座、伸缩缝位移进行监测，有助于了解桥梁的整体动力特性;监测桥梁在多种外力的综合作用下，桥梁的几何线性变化量，能有效反映当前大桥的内力状态。

4、结构局部响应监测。主要包括应变、索力、裂缝等参数监测。应变监测就是监测桥梁在活载与长期荷载作用下的应力变化情况，以便及时知道桥梁结构是否存在缺陷和隐患;实时监测吊索拉索在大风、交通荷载等外力作用下的加速度响应及索力变化情况至关重要，这样能充分掌握桥梁的整体动力特性;对于存在裂缝的桥梁，还有必要对其裂缝进行监测，以掌握裂缝的发展趋势，确保桥梁的运行安全。

马鞍山长江公路大桥分为左汊悬索桥和右汊斜拉桥，综合考虑各种影响因子，针对性设计部署了温湿度、风速风向、地震船撞、振动、位移、GPS、挠度变形、应变、索力等多种监测传感器，实时监测大桥的运行状态，为大桥的安全运行保驾护航。

（二）测点选择

健康监测系统的测点一般应选择布置在桥梁结构的关键敏感部位，所选择的关键控制界面和控制点应该最容易出现疲劳响应，或者最容易实现实时监测功能，采集到的数据应该能全面客观反映桥梁整体和局部结构的发展变化。

1、交通荷载监测一般采用动态称重系统，称重测点宜选择在混凝土路面上，应覆盖所有车道，确保每台过往车辆都能检测到。

2、环境监测测点一般应选取桥面两侧、塔顶、拱顶、主梁跨中等关键截面，船撞监测测点宜选择在最易遭受船舶撞击的桥墩处。

3、结构整体响应监测测点一般应选择振幅最大、变形最大的部位。振幅监测需避开节点位置;结构整体变形监测点应选取两跨跨中截面或1/3截面，并科学布设基准测点和相对沉降测点;位移测点一般布置在鞍座或主梁两端伸缩缝处。

4、结构局部响应监测应力测点应布设在受力较大的关键部位、最易损坏并易导致整体坍塌的关键部位和截面;索力监测点应选取索力值较大、长度规格不一的吊索和拉索进行布设;裂缝应选取裂缝较大、发展演变较快、影响整体结构的典型性裂缝进行监测。

三、传感器子系统

1、交通荷载监测。一般采用不停车动态称重系统，采用压电式称重传感器，将应力转换为电压信号输出，再经过控制器转换计算得到单轴重，最后累加计算得到整车重量。在称重的同时，通过线圈或者红外触发进行抓拍。

2、环境监测。主要包括温湿度计、风速风向仪、地震船撞监测传感器等。采集到的信号一般以电压信号、电流信号、光信号或者RS232/485信号输出。不同类型信号的传输距离、抗干扰能力都不一样，应根据现场情况灵活选择。光纤光栅传感器凭借抗电磁干扰能力强、体积小、传输距离远等优点被广泛应用。

3、结构整体响应监测。振动传感器一般采用加速度传感器，有压电式、磁电式等多种类型，要求具有较高的测量精度和低频测量性能;伸缩缝位移一般采用拉绳式位移计测量，有电压式和电流式多种类型;桥梁的整体变形可以通过GPS系统和挠度计进行监测。GPS系统具有很高的测量精度和测量频率，但是建设成本较高;挠度计建设成本较低，但也能很好满足线形监测的需要。

4、结构局部响应监测。目前国产的应变、索力传感器和裂缝计已经能完全满足健康监测的要求。与其他传感器对比，光纤光栅应变计分辨率高、测量范围大、抗腐蚀性能好、耐久性强，已被广泛应用。

四、数据采集与传输子系统

数据采集与传输子系统由工作站、数据采集与传输软件以及数据传输网络等组成，一般部署在外站，可以根据距离远近采用集中式或分布式布置，主要负责传感器信号的采集、调理、预处理和传输，要求能自动连续采样，断电恢复后能自动重启、自动校时和采集;传输误码率低，数据失真小。数据传输一般都采用光纤自愈环网模式，可以有效确保数据传输的稳定性。

五、数据管理与控制子系统

数据管理与控制子系统主要包括服务器、磁盘阵列、工作站以及对应的软件系统，是整个健康监测系统最核心的部分。它主要负责监测数据的接收、存储、处理、分析、展示与预警等功能。目前普遍还是采用C/S架构，但随着5G、云计算、大数据等新一代信息技术的飞速发展，基于B/S结构的云平台化设计已经逐渐推广应用。

六、结语

总之，公路桥梁健康监测技术是一种能够实现对桥梁进行在线监控、实行预测性维护的重要技术手段。上文主要对传统的健康监测系统的相关技术和应用进行了阐述分析。随着新一代信息技术的不断发展，健康监测技术将向简单化、平台化、实效化快速演进，必将对公路桥梁的全寿命周期管理起到更加重要的作用。

参考文献：

[1]程咏春. 公路桥梁健康监测技术应用[J]. 山西建筑，2019，45（15）：104-105.

[2]罗纪彬. 大型桥梁健康监测技术的研究与应用[J]. 山西建筑，2009，35（11）：292-293.

[3]袁利伟. 公路桥梁结构健康监测系统的建设与应用[J]. 科技与生活，2011，（20）：129-129，219.