浅谈结构健康监测系统在桥梁管养中的应用

杨燕青

（上海市嘉定区交通建设管理中心，上海市 201899）

0 引 言

2021年3月1日，交通运输部发布了《公路长大桥梁结构健康监测系统建设实施方案》，决定在“十四五”期组织开展跨江跨海峡等长大桥梁结构健康监测系统建设，并列出了必须要做健康监测系统的401座大型桥梁，标志着桥梁结构健康监测系统发展的“黄金时代”即将到来。

桥梁健康监测系统是指：由安装在桥梁上的传感器以及数据采集与传输、数据处理与管理等软硬件构成，对桥梁荷载与环境作用及桥梁结构性能参数进行测量、收集、处理、分析，并对桥梁正常使用水平与安全状态进行评估与预警的系统[1]。通过对桥梁的响应、环境以及荷载等状况进行全面的监测，动态掌握桥梁结构的运行状况，在异常情况下进行预警，达到防范和化解桥梁运行重大安全风险，进一步提升桥梁结构安全保障能力的目的。

1 建设健康监测系统的必要性

桥梁如人，难免有病有恙，需要维修，维修前需要看病诊断，作为桥梁管理单位，依法依规对桥梁进行定期检查和检测，并进行及时地养护、维修或加固，是确保桥梁运营安全的重要手段。但对于一些特别重要桥梁、长大桥梁以及特殊结构桥梁，仅依靠传统的检测技术和养护手段，是否还能满足桥梁运营安全的需求？

例如，蕰藻浜大桥是我区公路上的一座大型重要桥梁，2010年通车，桥梁总长420m，其中主桥采用飞燕式中承式钢管混凝土系杆拱桥（见图1），长220m，跨径组合32m+156m+32m。该桥地处城乡结合部，桥上交通繁忙，且通行重车较多，如何确保桥梁始终处于安全、可控状态，是摆在桥梁管理单位面前的一个题目。

图1 蕰藻浜大桥立面示意图

1.1 传统桥梁检查手段的局限性

桥梁检查是对桥梁的全面“体检”，为桥梁的运行安全提供了强有力支撑。然而，由于传统的桥梁检查主要依靠人工进行检测，一方面，检查结果的可靠性除了与仪器设备精准度、检测环境等客观因素有关外，在很大程度上还受到检测人员的工作态度、技术能力和检测经验等主观因素影响，而且需要投入大量人力、物力，需要占道影响交通等；另一方面，人工检查是间断的测量，一旦桥梁在两次检查的间隔期间内发生紧急情况，比如超载通行、偶然冲撞、台风等可能会对桥梁产生损伤，人工检查如不能及时发现，这将给桥梁运营安全埋下严重的安全隐患。

1.2 桥梁健康监测系统的优点

桥梁结构健康监测技术不同于传统的桥梁检查，其是运用先进的各类传感器与发达的物联网通讯技术，实现对桥梁全天候、实时、动态监测，并依靠已建立的桥梁模型对采集的数据进行分析和评估，从而实现对桥梁健康状况的动态监测。与桥梁检查技术相比，其具有实时、动态监测以及反应迅速等显著优点。

综上所述，桥梁检查和健康监测均是保证桥梁结构安全运营的重要措施，这两种技术手段应相辅相成，互为补充，尤其是对长大桥梁和复杂结构桥梁实施健康监测系统，意义重大。因此，对于蕰藻浜大桥，除依规组织进行日常巡查和定期检查外，为实时掌控大桥的运行受力情况，辅助管理单位的科学管养，建设一套符合大桥需求的健康监测系统是必要的，也是十分需要的。

2 健康监测系统的建设方案

2.1 建设目标

桥梁健康监测的基本功能是通过构建实时监测系统，实现对大桥关键荷载源（风、地震、车辆荷载）和结构响应（变形、应力、振动、缆索力）的实时监控，为大桥在极端气候、特殊交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导，降低桥梁运营风险和社会财产损失[2]。

蕰藻浜大桥健康监测系统的建设目标为：（1）获取桥梁结构主要构件在环境与交通条件下的运行状态，动态评估桥梁结构的安全性和使用性；（2）发生突发事件（如船舶、车辆撞击，超载，极端天气）后，能够立即识别和反应，可及时查明结构状态和评估预警；（3）获取桥梁结构的外部荷载（主要是车辆荷载）和损伤过程，为大桥的科学管养与维修决策提供依据。

2.2 系统的组成

为实现上述建设目标，蕰藻浜大桥的健康监测系统分以下几个子系统：结构位移与受力监测子系统、环境与交通监测子系统、数据传输子系统、健康状况评估与安全预警子系统。

（1）结构位移与受力监测子系统

蕰藻浜大桥为中承式系杆拱桥，通过分析其结构特点，荷载传递的基本路径是：车辆活载作用于桥面板上，桥面荷载将力传递给纵、横梁组成的框架体系，然后通过吊杆系统传递给主拱肋，再由支座向下部结构进一步传递。

因此，结构位移与受力监测子系统的监测对象主要围绕拱肋、吊杆、主梁（纵梁、横梁）、桥面板、墩台等主要受力构件展开。主要监测项目为应变、变形和索力。主要监测设备有光纤光栅应变传感器、静力水准仪、全站仪、索力传感用无方向加速度传感器等。

（2）环境与交通监测子系统

大桥地处长江三角洲，夏季温度高，且空气湿度大，对钢结构耐久性有影响，需掌握桥梁周边大气环境的温湿度。又由于桥址周边区域空旷、地势平坦，尤其夏秋季受台风影响，桥上风力较大，需对风力进行监测。此外，该桥所处道路交通繁忙，且通行重车较多，需全天候监测过桥车辆的车速、总重以及交通量等信息，并对超载车辆号牌、现场场景照等信息予以记录。

因此，大桥环境与交通监测的主要对象和项目为：大气环境温湿度、风速、过桥车辆荷载、交通量等。监测设备主要有：温湿度传感器、风速仪、不限速汽车称重仪、车牌识别摄像机、全景高清摄像机等。

（3）数据传输子系统

数据传输子系统包括了现场数据传输和远程数据传送。由于本监测系统现场采用了大量的光信号设备及数字信号设备，最终选用光纤通信设备并使用双环冗余网络交换机和多芯铠装光缆（有备用光纤）组成光纤环路，来完成桥梁现场各个现场测站之间的通信及可靠性。对于现场和监控中心之间的数据传输，采用无线传输方式，利用非视距（NLOS）无线网桥来实现数据远程传输。

（4）健康状况评估与安全预警子系统

该子系统主要是对传输到监测中心的数据进行存储、分析、处理以及评估和预警，是整个健康监测系统的核心。根据其功能定位，又将该子系统划分为数据处理分析、状态评估和安全预警三个模块。

数据处理分析模块包括前处理与后处理两部分。前处理主要是对接收的、来自于自动化数据采集系统原始数据的整理、筛选，并将结果进行存储。后处理主要是将已存储的数据重新获取后，进行离线分析，数据处理分析主要是为结构状态评估、安全预警等提供数据支持。

状态评估模块，将数据处理分析结果与结构理论计算值进行横向比较，以及与历次实测数据进行纵向比较，并结合人工巡检情况，按照规范对本桥所监测的应力、变形、索力等进行分析，据此评估桥梁主要受力构件的工作情况和桥梁总体状况。

安全预警模块，主要针对突发情况下的桥梁报警，需要确定预警的参数、阈值、分级、通知方式、应急方案等内容。

3 健康监测系统应用案例

蕰藻浜大桥健康监测系统自2013年建成运行以来，至今已有8年，系统运行状况总体良好，现场安装的各类型传感器存活率高，监测数据持续稳定，这对桥梁管理单位实时掌控大桥安全状态，辅助大桥科学管养等方面发挥了积极作用。以该桥2021年1月份监测数据为例，通过统计桥梁交通量和实际通行车辆荷载，并结合各类传感器采集的数据，分析超重荷载对桥梁状态的影响。

3.1 桥面交通情况

经环境与交通监测子系统识别和统计，蕰藻浜大桥2021年1月份通行车辆总数为34.17万辆，最大日通行车辆总数达1.48万辆，期间未出现交通拥堵和车辆集中停留的现象，交通状况正常，1月份每日车辆通行情况见图2。

图2 1月份每日通行车辆统计图

3.2 桥梁超载情况

蕰藻浜大桥设计荷载城-A级，桥梁限载40t。2021年1月份，过桥车辆中，超过桥梁限载吨位的车辆总数为560辆，超载最大车辆总重为74.14t，其中，1月1日超载车辆最多，高达76辆，最重车辆也出现在该日。1月份桥梁超载车辆数量统计情况见图3，1月份每日最大车重曲线图见图4。

图3 1月份超载车辆统计图

图4 1月份每日最大车重曲线图

3.3 超载对桥梁结构的影响性分析

选取主拱肋拱顶底面应变、变形以及11#吊杆索力共三个监测点，对1月份监测数据进行统计并绘制曲线图（见图5～图7）。可以发现，各监测项目曲线的变化规律基本相似，且与1月份每日最大车重曲线图变化规律也高度相似，各曲线峰值均发生在1月1日，可以判断大桥当月的应变、变形、索力最大监测值的出现均与超载车辆过桥有关。由于监测数据均未达到预警值，且超载车辆通过后各构件监测数据恢复正常，表明当月超载情况对桥梁结构的影响程度有限，大桥处于安全可控状态，但长期超载，仍对桥梁安全运营存在不利影响，超载管理仍是桥梁主管部门今后关注的重点。下一步，将与路政、交警等部门联合，推送监测数据，对车辆超载行为进行惩戒，确保大桥运行安全。

图5 主拱肋拱顶下缘应变曲线图

图6 主拱肋拱顶位移曲线图

4 结论与展望

（1）桥梁健康监测系统具有全天候、实时动态、测试精度高等优点，通过对桥梁的响应、环境以及荷载等状况进行全面监测，动态掌握桥梁结构的运行状况，在异常情况下进行预警，达到防范和化解桥梁运行重大安全风险，进一步提升桥梁结构安全保障能力的目的。

图7 11#吊杆索力曲线图

（2）在发挥桥梁健康监测系统优势的同时，我们也要清醒地看到其还存在不足之处，如健康监测虽然实时动态，但由于监测点不可能对桥梁结构的每个构件进行全覆盖，故还不能完全依赖健康监测方法，必须结合日常巡检和定检，充分发挥桥梁检测和健康监测两种手段的各自优势，相互补充，确保长大桥梁的运营安全。

（3）BIM技术目前在国内应用越来越普遍，有些重点工程招标时建设方要求必须应用BIM技术，许多大型桥梁在设计阶段也已开始应用BIM技术，如何将其与结构健康监测系统相结合，更好地为后期桥梁管养服务，是未来研究的一个方向。