公路桥梁结构健康监测系统现状及未来发展趋势

2021-06-22戴泳琰

运输经理世界 2021年29期

戴泳琰

（江西省交运运输科学研究院有限公司，江西南昌330200）

0 引言

公路桥梁结构健康自动监测系统(Structural Health Monitoring，简称 SHM)，与定期开展的人工桥检活动相比在很多功能方面有显著优势：第一，能够实时监测，第一时间发现结构损伤并预警；第二，能够量化结构损伤程度，监测结果可直观反应到系统平台中；第三，平时监测的数据对今后桥梁结构分析起到参考作用；第四，在监测中不影响公路桥梁的正常使用；第五，节约成本减少不必要的浪费。通过定期桥检，对比结构健康监测系统，可以看出来实施结构健康监测对于公路桥梁来说是非常必要的。

健康监测最开始出现在航天和机械领域中，20世纪60年代，在航天和军工领域进行了无损诊断技术(NDT)的研究。70年代，土木工程领域的学者意识到对土木结构进行健康监测和安全评估的重要性，最初在海洋石油钻井平台得到研究和应用，开创了健康监测在土木工程领域上应用的先河。20世纪的80年代中期末，结构健康信息监测分析系统已开始逐步应用于公路桥梁，目的也是以高速公路桥梁主体构件为结构监测信息平台，通过高速桥梁结构状况的全面实时在线监测来收集公路桥梁中关键受力部分的实时结构动态响应，诊断监测和跟踪分析高速桥梁上的主要结构信息，对公路桥梁结构可能由此发生的一些严重危险结构事故进行相对提前程度的预警，尽可能地降低危险事故发生的概率，以免造成更多的损失，并提出针对性的桥梁管理维护建议。

1 研究综述

美国学者Armin B.Mehrabi 等人就对斜拉桥进行了一系列的安全监测，从全球选择25 座斜拉桥，并且进行安全监测分析，评估斜拉桥结构是否可靠，试图对评估的方法进行统一。日本山口大学教授Ayaho Miyamoto 提出了新的方法“状态表示方法”，简称SRM，以及新的应用手段，介绍基础结构系统状态非参数描述的一般理论，并给出将SRM 应用于实际问题的方法。美国南达科他纽约州立大学教授Junwon Seo对世界桥梁的安全可靠性检测方法的研发现状问题做出了分析总结，提出了桥梁在安全性能监测评价领域下的发展研究主要方向，桥梁损伤原因识别、结构的剩余承载力监测评价系统和建筑结构的剩余使用寿命评价。英国克兰菲尔德大学教授G.Kister、D.Winter 等人研究了利用光纤光栅传感器监测道路和桥梁的结构健康。通过开发结合方法和传感器的适当保护系统，使用布拉格光栅传感器是可能的，光学传感器已经成功地应用于现场[1]。

我国在桥梁结构健康监测方面研究起步相对落后，90年代才开始探索在大跨度桥梁上建立监测系统。目前名为香港大桥指的是青马大桥、汲水门大桥和汀九门大桥，是迄今为止世界桥梁投资和规模、在建筑史上跨度最大的一套用于桥梁结构健康和监测研究的工程系统。其中文名称是桥梁风害系统和路桥工程结构病害的健康与监测研究系统(WindAnd 和桥梁Structural 的 Health 和 MonitorIng 的 System，WASHHMS)，主要监测在地震和风荷载作用下桥梁结构的动静力性能，系统内包含应变计、风力风向计、温湿度计、GPS 等各类传感器近千个。在昂船洲大桥建成后，香港特区政府路政署在这座主跨达1014m 的斜拉桥上也建立了该系统。这又为开展我国新型公路桥梁结构健康动态监测评估系统应用的理论研究探索开创了一条先河。北京建筑大学李爱群教授等学者以主跨1490m 的悬索桥、江苏润扬长江大桥等为主要工程背景，建立完善了我国一套大型桥梁结构安全健康在线监测预报系统，并对其结构的监测数据、损伤预警的设置和安全评价的方法进行了研究。哈尔滨工业大学欧进萍教授团队等著名学者先后从安全理论高度上系统地对大桥安全在线监测分析系统采用的关键监测技术指标、监测评判标准、监测评价数据系统的综合使用技术等安全各方面技术进行了全面研究，设计了一种基于传感器获取监测评估数据支持的现代桥梁结构模态的识别、损伤的定位系统及桥梁安全的评价技术方法，并多次结合现场实际与工程实际研究报告了一些其技术应用情况。

进入21世纪后，我国对于公路桥梁结构健康监测系统的研究和应用相继出现。目前在我国各地安装了公路桥梁结构健康状态监测系统装置的高速公路有上海徐浦大桥隧道、江苏江阴长江大桥高速公路、江苏苏通长江大桥、广州虎门大桥高速公路以及南京隧道长江高速公路大桥等。

公路桥梁工程具有受力结构复杂、外部使用环境较为恶劣、服役期相对长等结构特点而导致公路桥梁系统在施工运营养护期间有一定概率会出现桥梁某些部分结构的损伤变形问题。从桥梁工程设计实践中看，桥梁结构损伤分为各种突发性结构损伤和局部累积性损伤。其中，突发性结构损坏往往是指由于机动车严重超载、船舶严重碰撞倾覆等突发事件造成，产生房屋坍塌、断裂损坏等严重交通安全破坏事故。桥梁健康安全监测分析系统中实时在线监测能够有效获取关键指标数据，在面临突发危险事故产生前进行科学有效的安全预警，并适时地向当地相关责任部门逐级报告紧急事件情况，降低损失。并且，对于已经累积造成的工程结构重大损伤，桥梁结构安全健康风险监测评价系统的有效事故预警信息可以帮助工程后续的设施检测加固、维修养护和加固养护评估等工作决策，提供经济价值性参考。

“预警”一词最早应用在军工领域，此后在经济、安全、工程等领域也得到广泛的应用。随着网络计算机技术和大规模数据智能挖掘应用技术的进步，基于人工神经网络理论的智能预警系统方法应用的相关研究也得到了深入的发展。在一些实际防灾工程和应用项目中，可根据现场实际工程需要而选择科学合理先进的应急预警检测方法，以提升预测效果降低人工成本，达到灾害最佳应急效果。

目前，我国桥梁结构健康预警系统的研究大多是理论性的，通常是基于对桥梁运营现状的分析，然后建立预警指标体系，建立桥梁结构的有限元模型，最后根据预先设定的预警程序发布相关预警信息。在桥梁结构预警中，合理的预警阈值设置和快速高效的预警系统的建立是预警技术的重要因素，国内学者在该领域也开展了相关研究。孙雅琼提出分离高频和低频采样监测数据中的温度效应，剩余的监测数据响应能体现在活荷载作用下的桥梁结构响应，可以用于活荷载的识别和桥形分析；通过桥梁结构的受力情况结合有限元模型计算结果和实际监测数据，对各项监测指标设置了预警阈值，并制定了预警流程。专家通过重新建立了有限元模型，运用三阶目标响应面法并计算修正出二阶目标响应面函数，同时又利用了fmincon 函数对其进行了一些优化和处理之后，得到修正出的数值结果，并且采用经验模态分解法来计算剥离点温度系数及温度应变，通过拟合测厚点的实际温度与应变关系得到给出了实际温度系数和实际应变的系数与实际被试测薄点之间的实际温度系数间的线性关系。根据这个拟合线性关系，用可预测的真实温度值或真实应变的数值来代替实际统计值的加权平均值来确定作为动态预警温度阈值依据的温度计算的参数，得到实际温度及应变温度的动态预警阈值。我国已经建立研发出了桥梁结构的安全健康风险黄色系统和红色系统两种预警和监测阈值系统。黄色的系统预警及监测的阈值主要选取了基于桥梁结构安全健康风险预警监测阈值系统中的实测数据，红色系统的预警与检测的阈值将被系统选择为基于经修正和计算验证后建立的有限元模型中给出的最短的不利荷载响应值。根据桥梁基准有限元模型，模拟主跨桥的主跨中的损伤，分析了桥梁损伤的预警指标DSF 和桥梁对DSF′的敏感性。基于DSF′损伤指数，提出了全桥预警方法，并应用于实际桥梁监测。结合工程实际的桥梁隧道安全在线监测系统项目，提出完善了多监测指标和双监测预警服务流程。根据结构的真实受力异常状态，选取相关预警检测指标，对应相关预警监测指标得出的预警监测报告数据偏离设计正常数值范围程度和设计异常状态严重变形程度，建立多个预警阈值。最后，将结构的预警状态从安全到潜在危险程度分为了三个风险等级。其安全预警的阈值理论和安全流程模型设计评价方法都对我国桥梁结构安全状态监测分析和应急预警管理具有极为重要实用的借鉴参考应用意义。专家基于变权原理，研究了变权平衡系数问题。基于损伤灵敏度理论，介绍了一种计算挠度和应变测点初始权的新方法。最后，采用改进的变权层次分析法对主桥箱梁的安全状态进行了评估，评估结果良好。专家基于Matlab 平台创建出了另外一种结构，在随机环境激励模式下响应的AR-ARX 模型，可用于进行桥梁结构的损伤预警，该研究方法只需事先对该桥梁结构在随机环境和随机激励方式下随机采集得到的加速度和响应的信号数据进行预处理，据此建立一个时间序列模型，进行桥梁损伤预警。最后还证明出了该分类方法的确具有十分广泛的经济适用性。

2 监测异常数据的类别和特点

提出一种针对桥梁健康监测系统中监测数据预处理以及异常数据处理的方法，并通过对四方台大桥的实测数据进行验证，表明该方法能较好在工程中应用，同样适用于对类似桥梁结构的监测指标异常数据的识别和处理。根据在四方台大桥实际监测中和其他桥梁的健康监测数据中异常数据的形式中看，大体可分为三类较为常见的数据异常形式：单点异常数据、持续异常数据和缺失数据。

2.1 单点异常数据的形式和特点

单点异常数据的产生主要是由于传感器自身的不稳定性导致，在通过对监测数据的分析中发现其产生频率较高大约占比监测数据的3%。传感器单点异常数据的特点是：仅有极少数的数据出现异常，在出现异常数据后监测数据立即恢复正常，异常数据的数值与正常数据相比差异较大。

2.2 持续异常数据的形式和特点

传感器的持续数据异常是桥梁在线安全监测系统中另一种主要的数据异常形式。其数据异常原因和表现形式复杂，根据是否存在数据丢失，可以分为数据持续异常和数据丢失异常两种。数据的持续异常通常是由外部环境的干扰、传输电缆的变形或摩擦等引起的，说明每个时间点采集的数据没有丢失，但是从某个时刻开始，数据在短时间内突然发生了很大的变化，变化后的数据特征和以前一样，短时间内无法恢复。

3 检测数据预处理

在桥梁健康监测系统中，通过监测传感器实时采集的海量原始数据是进行桥梁结构健康状态预警和评估的基础。通过对海量监测数据的进一步处理，可以对所监测桥梁的结构健康状态进行实时预警和评估。

所以，对桥梁结构健康状态的准确预警和评估是建立在海量原始监测数据能精准地反映出桥梁结构受力状态的基础上。但在实际监测的应用中，桥梁健康监测系统长时间处在比较恶劣的自然环境中，受到环境影响、内部电路损坏、电器部件老化和其他原因导致的传感器故障比较常见。传感器故障会导致监测数据异常，进而导致监测系统误报，为监控系统的正常运行带来严重的干扰，极大增加了监测系统的维护成本。

4 监测系统预警体系的分级设置

为了全面、完整地评价当前桥梁运营状况，桥梁运营监控系统预警阈值采用分级设置的原则。在桥梁结构安全预警中，根据结构状态的不同，预警状态可分为四个等级，分别用绿色、蓝色、黄色和红色表示。

正常状态(绿色)：即桥梁结构安全监控系统中各种指标都没有超过阈值，不影响结构安全、结构耐久性以及行车舒适性。

一级预警状态(蓝色)：桥梁结构安全监测系统中存在的指标监测值超过了一次报警阈值，但没有达到其他阈值限度。这种情况发生的原因可能由于传感器数据异常、车流量的变化(通过重型车辆)等，一般情况下可以很快恢复，全桥结构几乎处于无异常的状态。

二级预警状态(黄色)：在桥梁结构安全监测系统中，多个指标的监测值超过一级预警阈值，单个指标的监测值连续超过一级预警阈值，或者现有指标的监测值超过二级预警阈值。这种状态表明桥梁结构的某些部分可能损坏，或者桥梁上的荷载发生了很大变化，亦或是发生了紧急情况，应及时部署相应的处理措施，以确定是否进行必要的交通控制和加固处理。

三级预警状态(红色)：桥梁结构安全监测系统中存在的指标监测值超过三级报警阈值。这表明桥梁结构可能出现了相当大的损伤，或者桥梁所处的环境发生了明显的变化，或者发生了极端的突发事件，问题比较严重，需要触发全桥的安全评估，并向有关部门报告启动预案。

5 案例分析

20世纪90年代末21世纪初，我国大规模修建的大跨度桥梁服役时间已近20年，桥梁结构老化严重，此外，近年来国内外桥梁安全事故频发，为公路桥梁养护工作不断加压，大规模发展公路桥梁结构健康监测系统已是当务之急。安全预警作为健康监测系统中极其重要的一环，如何设计健康监测系统中的预警体系，如何设置预警阈值，成为众多学者广泛研究的问题。以四方台大桥为依托对双塔斜拉桥的健康监测系统进行研究，得到以下研究结论。

第一，采用国际大型成熟的桥梁有限元仿真软件Midas 和图像处理软件Civil 建立开发出了四方台大桥结构的三维有限元模型，对模型进行动静力分析，以确定不同工况下该桥的结构响应，得到结构响应的包络图，并得出在汽-超20 偏载工况下为最不利工况。为健康监测系统中的测点布置提供依据，并作为预警阈值的设置参照。

第二，制定了双塔斜拉桥健康监测系统的设计原则和系统框架，并对四方台大桥的健康监测系统进行整体设计，监测信息包括主梁应变、温湿度、风速风向、主梁挠度、主塔位移、主梁振动和位移以及索力等方面，并根据有限元分析结果布置测点。

第三，根据试运行阶段的监测数据，将数据分为静态监测数据和动态监测数据，其中动态监测数据采用极值法、平均值法、标准方差法分析，并介绍了直线和曲线两种数据的线形趋势测定方程。总结了三种较为常见的异常数据类别和特点，并采用3σ 法处理异常数据。

第四，基于四方台大桥健康监测系统设计了一套安全预警体系，并制定了一套预警流程，实现了多层次、多方面的安全预警体系。以监测挠度数据统计值、静载试验、有限元模型、规范限值等指标设置三级预警阈值，以2019年度温度荷载和汽车荷载所引起的最大挠度和为一级预警阈值，以静载试验下偏载最大挠度工况的挠度值为二级预警阈值，以0.9 倍规范规定的最大值为三级预警阈值。并通过2020年度的监测数据验证了该预警体系的合理性和准确性。