六冲河、六广河特大桥结构健康监测系统建设

廖斌,　罗坤　卢凤文

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550081）

摘要 现代桥梁结构设计越来越复杂化，传统桥梁监测手段难以满足桥梁实际运营管养的需求，文章设计了六冲河、六广河特大桥监测布点方案，设计并实现了桥梁结构健康监测系统，通过对现场监测传感器采集的桥梁荷载及其结构受力等数据进行分析及预测，养护人员可实时掌握桥梁的结构状态和安全状况，能对桥梁的安全性能做出评估和预警，辅助管养人员实现主动预防式管养，避免结构进一步劣化，从而实现桥梁数字化、信息化管理。

关键词 六冲河特大桥;六广河特大桥;健康监测;安全预警

中图分类号 U446.2 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）06-0007-04

引言

随着桥梁设计水平、施工技术和材料性能的进步，大跨径桥梁朝着结构轻柔化、形式与功能复杂化发展[1]，以及车流量的持续增加，桥梁结构的服役性能受到了挑战，对桥梁建立长期的安全健康监测系统，实时掌握桥梁运营时的荷载情况及结构受力状态，确保运营安全十分迫切与重要[2]。为提高投入运营中的桥梁养护管理水平，该文设计并实现了六冲河特大桥、六广河特大桥的桥梁健康监测系统，通过现场布设监测传感器的采集数据，可及时获得桥址环境、外部荷载、内部结构响应及交通状况等信息，掌握桥梁的结构状态和安全状况，在桥梁结构出现异常状况的初级阶段发出预警，辅助管养人员实现主动预防式管养，降低桥梁灾害性事故发生的概率;通过各类监测传感器，采集结构、交通的数据和信息，形成桥梁空间和时间维度的信息数据档案库，在结构安全监测的基础上，实现桥梁数字化、信息化管理。

1 桥梁概况

六冲河特大桥位于乌江支流六冲河河道之上，为跨越六冲河而设，是黔织高速上的一座特大型桥[3]。桥跨为（195+438+195）m，全桥长1 508 m，是贵州省目前跨径最大的混凝土斜拉桥[4]。六广河特大桥位于修文县与黔西县交界处，为跨越六广河而设，是息黔高速的控制性工程[5]。桥跨为（243+580+243）m，全桥长1 280 m，是贵州省目前跨径最大的叠合梁斜拉桥[6]。

1.1 桥址环境

两座桥的桥址均位于亚热带温暖湿润气候区，桥址处较为湿润，大桥在建成后，由于受到腐蚀、老化等因素的影响，桥梁的性能会随时间而降低，不仅影响通行车辆和人员的安全，也会缩短桥梁的服役时间。因此有必要建立一个桥梁结构健康监测系统，用于实时监测桥梁在营运期间的承载能力、工作状态和耐久性能。

1.2 结构特点

大桥均为斜拉桥，桥梁结构本身受力十分复杂，主梁、桥塔、斜拉索均为重要的结构受力部件，该文利用监测传感器对桥梁结构状态进行监测，基于数据预测和评估模型对桥梁安全性进行评估。

1.3 运营管理

桥梁建成投入运营后其养护管理水平影响其服役能力，利用数字化、信息化手段实现桥梁的精准养护和科学管理，是数字化时代下桥梁运营管理的必然趋势。通过合理布设桥梁状态监测传感器采集桥梁相关数据，建立桥梁的健康监测系统，给管理者提供桥梁维护管理的重点，从而提高桥梁养护管理水平。

2 监测方案设计

2.1 监测内容

基于六冲河特大桥主桥和六广河特大桥的桥址环境、结构特点及其运营管理需求，开展桥梁健康监测，以及健康状况分析评估工作。在对若干同类型桥梁典型病害分析及总结的基础上，遵循功能要求和效益—成本分析两大准则，确定了两座大桥的主要监测内容如下：

（1）荷载源监测项：风荷载（包括：风速、风向）监测;温湿度（包括：空气温湿度、结构温度场）监测;交通荷载监测。

（2）结构静动力响应：结构静力特性监测项（包括：关键代表性构件受力、控制点的空间变位状况）;结构动力特性监测项（包括主梁固有动力特性监测与分析）。

2.2 测点布置

结合桥梁的结构特点，考虑到桥梁健康监测系统的可扩展性和监测数据的实效性，基于科学、合理、经济的传感器布设原则，确定了监测传感器的布置方案。六冲河、六广河特大桥的监测项目如表1。

3 桥梁结构健康监测系统设计

3.1 系统总体设计方案

3.1.1 系统架构设计

根据系统的业务功能，在逻辑上将系统的层次划分清楚，形成系统逻辑架构。逻辑架构分为六层，分别为基础设施层、数据资源层、软件平台层、技术支撑层、业务应用层、终端展示层。层次划分遵守两个主线：系统建设标准规范体系和系统工程安全保障体系。

3.1.2 系统数据流

桥梁结构健康监测系统实时监测数据设计有清晰的数据流向和逻辑。每种数据均采用线性的数据流结构。监测用的温度传感器、加速度计、应变计等各种传感器的数据均汇聚到数据采集与传输服务器，再进入后续的处理、控制、数据库等模块，电子化人工巡检的数据通过巡检终端直接输出到数据库服务器。

3.1.3 系统基本组成

桥梁结构健康监测系统将桥梁运营安全监测和结构安全评估等功能集中于同一平台进行管理，服务于运营期内六冲河特大橋和六广河特大桥的养护管理等决策的制定，以保证运营期内桥梁较好的服务水平。功能内容如下：

（1）安全监测。开展运营环境监测及桥梁响应监测，并依据监测数据进行桥梁安全预警，辅助桥梁管养单位进行科学决策，保证桥梁结构与行车双重安全。安全监测系统是通过监测传感器获取的桥梁荷载以及结构的响应、局部损伤等数据，对其结构状态进行监控，及时掌控桥梁受力情况及行车荷载情况，为桥梁结构安全运营提供数据支持。

（2）安全评估。桥梁投入运营后，结合该桥梁安全监测与资产检查结果，定期开展桥梁承载力、结构病害、缺陷隐患等关键指标及桥梁总体技术状况的综合评估工作。桥梁综合评估主要分为：安全一级评估、安全二级评估和专项评估。基于安全评估结果，可辅助桥梁管养人员进行桥梁精益化养护。

3.2 子系统功能设计

基于对现有桥梁结构健康监测系统平台功能的调研，结合六冲河、六广河特大桥的结构特点及运营需求，该文详细设计了传感器子系統、数据采集与传输子系统、数据处理与控制子系统、中心数据库子系统以及结构安全预警子系统五大子系统功能。

3.2.1 传感器子系统

传感器子系统用于获取监测信号，处于监测系统的最前端。监测内容包括：车辆荷载信息监测、风荷载监测、桥面铺装温度监测、索塔锚固区温湿度监测、主梁动力监测、主梁挠度监测、支座位移监测、主梁关键截面应变监测以及斜拉索索力监测。共布设测点280个，各类传感器数量如表2所示。

3.2.2 数据采集与传输子系统

数据采集与传输子系统主要负责现场监测传感器的数字信号处理及网络传输。基于上文对六冲河、六广河特大桥监测内容及传感器的测点布设方案，将数据采集方式归为动态信号数据采集、数字/模拟信号数据采集、振弦信号采集、频监控信号采集四类，各类监测传感器数据采集方案如表3所示。

3.2.3 数据处理与控制子系统

数据处理及控制子系统用于完成实时监测数据的接收、处理、分析、整合与存储，在数据采集服务器与其他服务器之间起到桥梁作用，实现对现场设备的管理与控制，分担其他服务器的数据处理压力。数据处理及控制模块的主要功能为：

（1）与现场数据采集服务器进行通信，对所有传感器信号数据进行收集、整理。

（2）通过调用数据处理算法仓库，对所采集的数据进行提取、滤波、挖掘、耦合、转换等预处理。

（3）针对不同监测项开发相应的算法，进行实时处理分析，使输出的数据均为结构参数。

（4）数据加工、归档和存储功能，实时解算各通道的特征值，将现场监测数据与提取的特征数据写入数据库。

（5）数据检索和传输功能，将经过处理和分析的数据根据系统界面配置发送到结构安全预警评估系统进行展示。

（6）将经过处理的实时数据通过预先结构计算值进行预警判断，并将预警结果传输至信息展示界面。

（7）离线处理功能，定制离线处理计划，手动调用进行数据文件的处理功能。

3.2.4 中心数据库子系统

中心数据库子系统用于桥梁设计数据、现场监测数据、地理信息数据、历史数据等系统相关数据的安全存储，实现海量数据查询、可快速视图生成、归档、存储等相关功能，同时，为保证系统稳定运行要求能长期不间断的稳定工作。

经过方案比选分析，该系统选定Microsoft SQL SERVER数据库和InfluxDB数据库作为后台数据服务基础。其中InfluxDB作为实时监测数据存储平台，Microsoft SQL SERVER作为业务数据存储平台。

3.2.5 结构安全预警子系统

结构安全预警子系统是监测系统的核心内容之一，对桥梁运营安全的相关指标（如桥梁荷载、结构及其相应指标）进行预警预报，服务于桥梁应急管理，辅助决策的制定。通过对桥梁代表性关键构件及关键参数变化的监测，提供桥梁结构在线预警信息，辅助管养人员及时且有针对性地对桥梁运营环境及结构构件安全状况进行维修养护，以保障结构安全运行。主要包括：

（1）对监测数据进行统计分析。

（2）建立风、结构位移、结构变形等关键参数的预警指标，能对预警信息进行分级分类，并能根据长期监测数据的积累，对预警指标阈值进行修正。

（3）能够定期进行结构静力特性、动力特性和变形分析，定期提交数据分析报告。

（4）突发事件时进行专项评估分析，并提交专项数据分析报告。

4 桥梁结构健康监测系统设计实现

4.1 基于BIM的Web网站

门户网站采用基于B/S模式的3D Web技术，用户通过浏览器可查询访问桥梁基础信息、安全预警信息、传感器实时监测数据和历史记录等，系统主界面如图1所示。

4.2 桥梁监测数据展示及分析

该系统平台提供了强大的数据展示能力，包括：查看桥梁监测传感器实时数据和历史数据;基于预警预报模型进行异常现象报警;桥梁监测报告生成及查看;基于BIM建模的桥梁三维模型实时显示及各类数据的分级分类统计，桥梁监测数据分析子页面如图2所示。

4.3 桥梁监测安全预警

可根据监测数据进行在线预警，基于桥梁的风、结构位移、结构变形等监测参数的两级预警指标，结合监测传感器实时传输的数据，能够对监测结果进行在线实时预警，其中Ⅰ级预警信息显示为黄色，Ⅱ级预警信息显示为红色。

4.4 自动生成监测报告

利用所有的监测数据，系统会定期生成结构监测报告。该报告的建立是桥梁数字化、信息化“档案”的一部分，也是追踪结构内力状态演变过程。推测其预期发展趋势的基本依据，同时也能为同类型桥梁的进一步研究提供有力的数据支持。

4.5 监测信息可视化展示

结合桥梁BIM模型，将桥梁状态进行三维可视化展示，通过交互式操作实现运营桥梁的动画、漫游、全景展示，为桥梁运营阶段的养护管理以及统筹决策提供直观、可靠科学的依据，监测信息可视化展示子页面如图3所示。

5 结语

六冲河特大桥、六广河特大桥所处的地理环境因素复杂，桥梁自身结构特殊，风险较高，建立健康监测系统非常有必要。该文基于六冲河特大桥主桥和六广河特大桥的桥址环境、结构特点及其运营管理需求，有针对性地选择全桥受力较薄弱的部分，“少而精”地选择监测点，设计监测方案，建立了桥梁结构健康监测系统，通过对采集的监测数据进行分析预测，准确地对大桥全桥状况作出评估，对其安全性能作出预警，辅助管养人员实现主动预防式管养。

参考文献

[1]张雪飞. 健康监测系统在辽宁省桥梁养护中的应用[J]. 北方交通， 2014（2）： 33-35+38.

[2]李博. 大型桥梁安全监测评估新技术探索与实践[J]. 工程技术研究， 2020（12）： 94-95.

[3]郑兴贵， 杨鸿波， 王达磊. 贵州黔织公路六冲河特大桥抗风性能研究[J]. 公路， 2014（7）： 178-181.

[4]杨万林， 刘建军， 丁作常. 贵州大跨径斜拉桥建设发展与展望[J]. 公路交通科技（应用技术版）， 2015（8）： 195-198.

[5]韩洋. 六广河特大桥主桥预制桥面板施工方案[J]. 黑龙江交通科技， 2019（10）： 103-104.

[6]李钊. 六广河特大桥边跨顶推施工技术[J]. 世界桥梁， 2017（5）： 11-16.

收稿日期：2022-01-12

作者简介：廖斌（1989—），男，本科，中级工程师，研究方向：智慧交通。