初识桥梁“健康手环”

文 中国公路勘察设计协会土木结构健康监测专委会 李娜

近年来，世界范围内的公路桥梁重大事故、险情时有发生，2018年在国际社会引起巨大反响的意大利莫兰迪公路桥垮塌事故，造成43人遇难，13人重伤；2022年1月，美国宾夕法尼亚州匹兹堡发生公路桥梁坍塌事故，造成10人受伤……我国地域辽阔，自然灾害频发，公路桥梁具有量大面广、形式多样、构造复杂等特点，随着投入运营服役年限的增长，以及受自然环境、车辆通行等各种因素的长期作用，桥梁构件材料的使用性能会不可避免地发生退化、衰减，其安全耐久性和承载能力也会随着投入运营时间的推移持续降低、劣化。为此，交通运输部一直对公路桥梁安全耐久性能高度关注。

桥梁检测 陈军 摄

《2021年交通运输行业发展统计公报》显示，截至2020年底，我国公路桥梁共计已达91.28万座，其中大桥约11.99万座，特大桥梁6444座，数量居世界第一。面对已建成的数量庞大的公路桥梁，特别是日趋增多的新型结构桥梁，我国在推动公路高质量发展、加快建设交通强国的新征途中，如何进一步提升公路桥梁基础设施的安全耐久水平？如何有效增强公路桥梁灾害风险防控和安全应急保障能力？如何提升公路桥梁养护效能，为路网畅通运行提供基础支撑？开展桥梁结构健康监测系统建设好比为公路桥梁戴上了“健康手环”，是“见之于未萌、治之于未乱”的重要举措，推动公路桥梁从“以治病为中心”的定期“体检”向“以健康为中心”的实时监测转变，真正实现桥梁全寿命周期管理。

链接

公路长大桥梁结构健康监测系统建设试点一览

1.九江长江大桥（江西）

九江长江大桥

2.江阴长江公路大桥（江苏）

3.铜陵长江公路大桥（安徽）

4.太平湖特大桥（安徽）

5.坝陵河大桥（贵州）

坝陵河大桥 陈恩光 摄

6.大渡河特大桥（四川）

7.嘉绍跨海大桥（浙江）

8.辽河大桥（辽宁）

9.江顺大桥（广东）

10.宜昌长江公路大桥（湖北）

11.滹沱河特大桥（河北）

基本概念

桥梁结构健康监测系统是应用现代传感技术、系统集成与通讯技术、数据处理分析技术，结合风险管理理论，通过监测桥梁所受荷载作用与环境变化、结构响应信息，在综合分析监测及检测数据的基础上，评估桥梁结构的工作性能和安全状态。因其能为桥梁运营管理决策和养护维修提供依据，自问世以来，备受国内管养单位的青睐。在过去的20年间，我国几百座大跨径桥梁陆续建成结构健康监测系统。但受限于多种因素，不少桥梁的监测系统运营状况不甚理想，有的故障频出，难以正常地履行监测职责；还有些系统“看起来很美”，但事实上已被闲置，沦为摆设。鉴于此，2020年，应急管理部、交通运输部针对公路大跨径桥梁的安全状况、健康监测情况及养护现状分别组织了全国性调研并明确提出，为提升公路桥梁安全耐久性，需要研发、应用监测和管养新技术、新系统。

桥梁结构健康监测系统一方面类似于“神经系统”，可对桥梁健康和损伤情况进行感知；另一方面也类似于“心电图背包”，可对已发现的损伤进行跟踪并作出评估。评估重点在于：营运状态的评估（包括桥梁构件、结构的变形、裂缝、振动等），这种评估从早期开始，其结果有助于“治未病”，合理安排预防性养护和养护维修；耐久能力评估，专注于大桥的损伤及其成因等，有助于“治早病”；承载能力评估，包括对大桥使用期整体剩余寿命的评估等，有助于帮大桥“延年益寿”。

建设试点

为进一步提升公路桥梁的安全耐久性水平，有效开展野外观测公路桥梁长期使用性能的基础研究，在综合考虑桥型差异、地域分布、系统新（改）建等因素后，交通运输部于2021年初确定河北、辽宁、江苏、浙江、安徽、广东、江西、湖北、贵州、四川10个省份的11座在役代表性桥梁，作为开展结构健康监测系统建设试点，并由部公路局组织编制《公路长大桥梁结构健康监测系统试点建设技术指南》，按照“一桥一策”“应测尽测”的原则制定试点桥梁监测系统建设具体方案。

11座试点桥梁已于2021年底前全部完成了系统建设并投入使用，其中部分桥梁是对运营多年的原有系统进行升级改造，部分桥梁为首次运用结构健康监测系统。同年底，在圆满完成试点工作总结成功经验的基础上，充分考虑信息化和数字化新技术、新设备对公路桥梁运营维护管理的赋能效果，结合公路桥梁日常养护、应急管理实际需求，交通运输部科技司和公路局协同委托交通运输部技术支撑单位组织行业著名专家、学者共同修编完成《公路桥梁结构监测技术规范》(JT/T1037-2022)（以下简称《规范》）。《规范》面向部、省、公路桥梁群三级网联在线监测管理新需求，目标是在“十四五”期间，按照全国公路桥梁统一标准，指导规范公路单桥的结构健康监测系统设计建设、验收管理工作。

行业要求

2020年至今，交通运输部相继印发《关于进一步提升公路桥梁安全耐久水平的意见》《公路长大桥梁结构健康监测系统建设实施方案》《“十四五”公路养护管理纲要》《公路“十四五”发展规划》《数字交通“十四五”发展规划》等一系列重要文件，均对公路桥梁的安全运行和结构健康监测系统建设提出明确的工作要求。

按照部公路局统一部署，2022年，全国要按照《规范》统一标准，至少建设完成150座公路桥梁的结构健康监测系统，至2025年底，实现跨江、跨海、跨峡谷公路桥梁结构健康监测系统全面覆盖，构建“部-省-单桥”三级平台，对公路桥梁实施全国统一监管。到2035年底，我国公路桥梁结构健康监测系统将全面建立，全国公路桥梁结构监测网联平台建设完成，彻底破除行业壁垒，实现系统互联、数据共享共用，推动公路桥梁运维端全面向信息化、数字化、智能化管养升级转型。

建设情况

据不完全统计，截至2020年底，我国已构建结构健康监测系统的公路桥梁超过460座，主要集中在长大跨径桥梁，其中主跨在300米以上的桥梁超过150座。因为不同区域、不同国省道公路桥梁结构健康监测系统的监测标准和监测需求不同，其选定的监测内容、测点布设，选用的感知采集传输设备，开发软件的功能和系统性能等均有所不同，监测规模、系统造价也存在很大差异。近年来，随着传感、采集、通讯、存储等信息技术的快速发展，系统建设成本整体呈下降趋势。

相对于公路长大桥梁，公路常规桥梁数量巨大、病害更多，但所受关注却严重不足，一边是其自身安全风险相对较高，另一边则是运维端管养专业人员数量相对较少，采用工具手段的技术先进性和适用性也有待提升。目前，健康监测技术作为当代桥梁管养依托的重要有效科技手段之一，已延伸至多省份常规中小桥梁的运营安全监管中，并逐步向集群化、平台化、网络化的公路桥群监测方向发展。

由于全国各地公路系统对结构健康监测技术的认知不同，区域经济发展也不平衡，对应养护资金的投入也存在差异。粤港澳大湾区、长三角、长江经济带沿线等经济发达区域的大跨度桥梁和特殊桥梁，较为普遍地安装了不同规模和标准的监测系统；西南地区随着近年来高速路网快速发展，部分大跨径和特殊公路桥梁构建了兼具研究和工程特性的结构监测系统，个别桥梁拥有与施工监控系统一体化设计建设的公路桥梁健康监测系统；西北、东北等经济欠发达地区的公路桥梁构建结构监测系统的比例较低。

作用意义

提升公路养护管理技术水平的重要手段

近年来，我国公路基础设施运行安全水平不断提高，四、五类公路桥梁总体数量持续下降，但随着运行时间的增加，基础设施老化等周期性问题逐渐凸显，运行安全风险逐步增加。对此，党中央、国务院高度重视，多次作出重要指示、批示，明确指出公路桥梁老化是重大周期性问题。交通运输部也积极部署并组织专家、学者开展深入调研和反复论证，分析讨论国内外结构健康监测技术发展和工程实践经验，最终明确，开展结构健康监测系统建设是“见之于未萌、治之于未乱”的重要举措。

作为当代跨学科多专业新融合技术，结构健康监测技术涉及公路、桥隧等土木工程结构及电子工程、计算机科学、信息技术、软件工程、网络工程、数据科学等多专业领域。通过动态掌握公路桥梁结构运行状况，加快形成主动发现、智能分析、自动预警和响应及时的工作闭环，真正把“公路桥梁建设是发展，桥梁养护管理也是发展，而且是可持续发展”的理念落到实处，并使之成为能够及时采取预防措施提升公路运行安全耐久水平的重要技术手段，为有效增强公路灾害风险防控能力，提升防范“黑天鹅”事件的应急处置保障能力及路网畅通运行能力提供基础支撑，助力提升公路养护效能，推进公路养护治理模式创新和行业监管效能提升，对公路桥梁实现决策科学化、治理精准化和管理现代化具有重要支撑作用。

促进基础设施数字化转型的迫切需要

党的十九大报告明确将建设交通强国、科技强国、数字中国作为国家发展战略。2022年1月，国务院发布《“十四五”数字经济发展规划》并指出，要加快推进交通运输等领域基础设施数字化改造，稳步构建智能高效的融合基础设施，提升基础设施网络化、智能化、服务化、协同化水平。为落实国家发展战略，交通运输部于2021年底陆续发布了《数字交通“十四五”发展规划》和《公路“十四五”发展规划》，并由部公路局将公路数字化拓展到公路建设、养护、运行、管理、服务的全生命周期和全过程领域。而桥梁结构健康监测系统作为桥梁养护数字化转型的重要载体，是促进基础设施数字化转型的迫切需要，也是公路桥梁养护信息化、数字化、智能化的重要实践探索。

夯实公路行业基础研究的重要工具

过去我国公路桥梁基础研究工作，是在各种规模、条件不同的试验室中，采用传统设备装备，依靠科研人员的工作经验及模型实验、典型观测数据、数值模拟、仿真计算等方式进行的，由于数据分散呈碎片化，造成数据获取途径不系统、不健全、不持久，严重制约了相关技术研究成果的精确性和适用性。

构建桥梁结构健康监测系统，可在真实、自然的运营环境中，基于公路桥梁足尺结构，贯穿其全寿命周期，按需采集、积累足量、真实、持续、准确的数据，为预防性养护创造数据共享、成果共用的信息基础条件。产、学、研、用各方可远程登录系统，观测新设备、新技术工程应用的适用性和实用性，创新协同研究，联合攻克技术瓶颈，研究理论，研发算法，为行业科学研究提供高质量、可持续的全要素、全参数数据支撑，对深化研究我国不同地域、不同构造类型、不同材料建设的公路桥梁长期性能规律性，提升运维端管养科技水平和养护效能，夯实公路桥梁建管养运维“基层、基础、基本功”具有重要作用。