山区长大桥结构监测系统设计及应用研究

李超群，李文华，甄一帆

(1.北京城建设计发展集团股份有限公司 北京市 100032; 2.北京源清慧虹信息科技公司 北京市 100000)

0 引言

自20世纪80年代起，我国已持续进行了大规模的交通基础设施建设，完成了数万亿的投资，截止2020年末我国公路桥梁已达91.28万座，其中特大桥梁6444座。虽然我国桥梁工程实践已取得了辉煌的成就，但是桥梁设计、管理水平和安全评定方法等相关基础理论的研究与世界发达国家相比还存在一定的差距，跨越式发展也暴露出了诸多问题[1]。有专家认为，在发达国家交通基础设施建设高峰30～50年后出现的养护维修高峰可能在我国会提前到来，与传统的人工检测技术相比，桥梁安全与健康监测技术大大缩短了对突发性损伤的发现速度，遇到较大损伤或异常事件发生时可提前预警，因此，对桥梁布设监测系统具有重要意义[2-4]。其中山区桥梁的受害风险远大于平原区桥梁，特别是破坏性强、应对措施乏力的崩塌、滑坡、泥石流等次生地质灾害所造成的桥梁破坏。依托现有桥梁监测项目经验，构建适用于山区长大桥的结构监测系统，并通过对某山区长大桥结构监测、数值模拟和荷载试验数据的对比分析探索山区长大桥结构监测系统的可行性。

1 国内外桥梁结构监测系统发展现状

上世纪80年代后期，国外明确提出了桥梁结构监测的新思路和概念，当前国外大量大型桥梁(大跨100m以上)建立了结构健康大数据分析系统，其中较具代表性的桥梁有：丹麦的Great Belt大桥、加拿大的联邦大桥、美国的Commodore Barry大桥、日本的明石海峡大桥、韩国的首尔大桥等[5-8]。我国自上个世纪九十年代起对一些大型重要桥梁建立了不同规模的结构监测系统，据2020年底不完全统计，我国已构建桥梁健康监测系统的桥梁超过460座，主要应用于特大跨径桥梁，其中主跨在300m以上的桥梁近150座，在桥梁服役结构安全评估和助力科学养管等方面发挥着重要作用。但由于各地经济发展不平衡，珠江三角洲、长江三角洲地区等经济发达地区，以及武汉、重庆、南京等城市的大跨度桥梁和特殊桥梁较为普遍地安装了监测系统；西北、东北经济较不发达地区桥梁构建结构监测系统比例较低；西南地区随着近些年高速路网快速发展，多数大跨径桥梁均已构建监测系统[9]。

2021年3月1日，交通运输部办公厅印发《公路长大桥梁结构健康监测系统建设实施方案》要求按照“安全第一、预防为主、明确责任、分级管理、突出重点、分步实施、单桥监测、联网运营”的原则，对跨江跨海跨峡谷等长大桥梁结构健康开展实时监测，动态掌握长大桥梁结构运行状况，着力防范化解公路长大桥梁运行重大安全风险，进一步提升公路桥梁结构监测和安全保障能力。该实施方案要求对长大桥梁养护管理从制度上、技术上和模式上进行探索和创新，并给出了401座长大桥监测清单，经统计位于云贵川等山区长大桥的监测数量位居前列，如表2所示。

表2 401座长大桥清单各省桥梁统计表

2 山区长大桥结构监测系统设计

山区长大桥结构监测系统作为一个信息化系统工程，需要综合考虑山区桥梁所处环境、所受作用及结构构造特点、力学行为特性、状态评估需求和管养养护要求等因素，并结合《公路桥梁结构安全监测系统技术规程》(JTT 1037—2016)、《公路长大桥梁结构健康监测系统试点建设技术指南》和《公路长大桥梁结构健康监测系统建设实施方案》等政策规范要求，在桥梁关键部位部署数据采集设备，获取环境和结构响应等信息，并利用先进的数据传输、存储、处理、评估和可视化等技术，立体直观展示山区桥梁运营状态，及时有效对结构异常状况进行报警提示，为桥梁结构运营安全、安全隐患的预判、日常桥梁的养护管理和计划制定提供科学依据和支撑[10-11]。

为实现山区长大桥实时自动化监测，监测系统分为数据采集层、数据传输层、数据服务层、业务应用层：

(1)数据采集层

数据采集层采集模块支持环境荷载、结构整体响应和局部响应各指标监测需求；算法模块支持设备内嵌适用不同指标智能算法；业务模块支持远程触发采样和远程系统功能及算法升级；通信模块支持NB、Lora、RS485、B-Stack传及4G/5G传感设备；供电模块支持适用于不同监测场景的电池供电、外部电源供电和可充电电池供电等。

(2)数据传输层

数据传输层介于数据采集层和数据服务层之间，结合数据采集模块设备类型、数据采样频率、传输方式、后期运维便捷性、成本控制等要求支持无线(4G/5G/NB)、有线(以太网/光纤)传输方式，完成采集数据传输到远端数据库。

(3)数据服务

数据服务层为数据核心层，完成监测数据的处理与管理。包含存储、接入、转发，数据的清洗、预处理、特征计算、预警、评估分析。

(4)业务应用层

业务应用层实现数据的展示与应用服务，包括数据分析、实时报警/预警、资产信息管理、安全评估、智能报告报表、BIM&GIS可视化展示。

2.1 数据传输设计

数据通信链路的可靠性是保证监测系统良好工作非常重要的一部分，为有效保障数据的高可靠性，实现静态、动态或静动结合的数据采样，同时大大降低了桥梁监测的施工和后期维护的成本，山区长大桥梁数据的主要传输方式可采用无线或光纤环网或者是无线+光纤环网的方式，系统数据采集和传输的拓扑图如图1所示。

图1 数据采集与传输架构拓扑图

2.2 预警机制设计

系统预警机制设计以监测获取的桥梁结构特征为基础，包含环境激励指标(地震、洪水等)、自身特性指标(变形、受力等)、结构响应指标(频率、振型、阻尼等)，结合桥梁基本设计、数值模拟、桥梁检测评定以及其他系统和设备的数据形成预警指标的数据源，根据需要对原始监测数据或预处理后的监测数据进行不同等级报警设置。为降低或排除冗余报警，系统增设报警验证机制，当异常疑似报警发生时，先通过触发联动采样方式获取更多实时分析数据，再通过多传感器、多参数的方式进行相互验证，特殊情况下可结合人工干预的方式提高预警的准确性，报警机制流程如图2所示。

图2 报警机制流程示意图

2.3 综合评估方法设计

长大桥主要的评估方法有常规综合评估法、模糊综合评估法、灰色关联度评估法、模糊神经网络法、特尔斐专家评估法、层次分析法、可靠度方法等，目前大型桥梁结构状态的综合评估主要运用层次分析法[12-13]，该方法首先是根据监测桥梁桥型、监测指标将影响桥梁状态的因素层次化，构建评估层次模型，再结合部件及监测的重要程度，建立评估矩阵并利用层次分析法计算各层次权重，监测期间权重分配可结合现场巡定检的病害情况灵活调控，然后通过监测数据确定底层各指标的状态，并采用变权综合法自下而上逐级计算中间各层指标的得分，最终算出总体结构使用功能评分，以此判断桥梁的实际运行状态。

3 山区长大桥结构监测数据分析及评估

某桥主桥为预应力混凝土单塔双索面斜拉桥，主梁标准段采用预应力钢筋混凝土，为单箱三室流线形箱梁，密索区箱内浇注卵石混凝土作平衡配重，梁宽29.50m，轴线处梁高3.00m，主桥索塔为墩塔梁固结体系，索塔为“H”形，主梁以上设置两根横系梁，塔上设了176根斜拉索，靠近西侧42号箱室至24号箱室索间距为3m，其余斜拉索间距均为6m。

图3 某长大桥立面和平面布置图(单位：cm)

桥梁结构空间位置的变化与结构内力变化是一个统一体，在特殊荷载作用下，结构的变位响应与荷载的对应关系也是判断结构状态的主要依据，为此某桥根据所处环境、所受作用及结构构造特点、力学行为特性、状态评估需求和管养养护需求，结合《公路桥梁结构安全监测系统技术规程》(JTT 1037—2016)要求和图4有限元计算分析结果在主梁等间隔部署了26个主梁竖向位移监测节点。

图4 某长大桥有限元计算模型和汽-超-20荷载标准下位移变形

为了进行人工检测和智能传感设备监测的测量效果对比，根据《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21-01—2015)的规定，按某桥梁结构的最不利受力原则和代表性原则确定了如表3所示的7个静力荷载工况，选取其中两个关键工况2和工况4的监测数据、有限元影响线及荷载试验数据进行分析，如图5～图7和表4所示。

表3 某长大桥静力荷载试验各工况加载时间表

根据工况2和工况4的监测数据、有限元影响线及荷载试验数据对比可得：

(1)静力荷载试验工况下，监测获取的梁体挠度变化曲线与对应工况下模型模拟影响线及荷载试验挠度变形曲线一致。

(2)左右主梁最大挠度加载工况下，监测获取的挠度最大值与荷载试验挠度测试结果的最大值存在10%以内的误差，产生误差的主要原因是监测与荷载试验设备等间隔部署位置存在差异，一定程度影响对比效果。

图5 某长大桥工况2和工况4主梁最大挠度影响线

图6 工况2某长大桥挠度监测数据曲线图

图7 工况4某长大桥挠度监测数据曲线图

表4 某长大桥各工况满载作用下主梁各截面荷载试验挠度测试结果

4 结论

(1)山区长大桥监测部署需要考虑地震、洪水、滑坡、泥石流等灾害对结构安全运营的影响，增加地震动、桥墩倾斜、基础不均匀沉降及环境温湿度、风速风向、雨量等类似的桥梁监测指标，在桥梁遭受突发事件后，可通过强风、索异常振动、地震、重车和洪水等专项分析，辅助桥梁管理部门实时掌握桥梁在经历这些事件后的安全状态。

(2)根据山区长大桥桥梁地理环境特点、桥梁类型、静动态采样、成本预算、实施难度、后期运维便捷性等因素综合考虑，选取无线或无线+光纤环网的监测方案进行数据采集和传输，采用此种监测方式相比传统的有线监测部署可以减少工程投资、节省工期和后期的运维费用。

(3)通过实际桥梁监测数据与荷载试验、有限元模拟对比分析可得：监测数据与荷载试验及模型分析结果基本保持一致，且监测数据更能清晰呈现整个荷载试验加载及卸载过程结构的受力变形，长期实时监测数据能更有效分析结构安全状况，在异常问题出现时可以做到及时响应，快速判断并给出处置措施，可有效地辅助桥梁日常管养工作，对灾害突发的山区桥梁其安全价值更加凸显。