桥梁信息化监测在公路桥梁养护中的应用——以董铺水库大桥为例

文｜安徽皖通高速公路股份有限公司合肥管理处 程浩；安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司 汪开喜

引言

近年来中国桥梁的设计和施工水平正以惊人的速度和规模快步由桥梁大国迈向桥梁强国，但是由于前期各种技术及认知程度的局限性，以及设计、施工和材料的先天缺陷、超载运输及结构安全监管不足等耦发因素的综合作用下，加之现代化、信息化桥梁监管养护技术手段和养护资金的不足，桥梁安全事故时有发生，加强桥梁的科学管理与智慧养护已成为一个突出的问题，如何提高对桥梁的管理和养护水平，真正落实“建养并重、强化管理”的方针，成了当务之急。

1.工程概况

董铺水库大桥于2008年建成通车，是合淮阜高速公路上的一座大型桥梁，主桥上部结构为（60+100+60）m三跨PC变截面预应力混凝土连续箱梁，引桥上部结构为30m的装配式预应力混凝土连续箱梁，设计荷载为公路Ⅰ级，设计车速120km/h，桥面全宽34.5m。

该桥建成后，每年有不同病害产生，尤其是主桥有不同程度的下挠，2014年桥梁专项检查报告指出，桥梁线型平顺性较差，其中左幅主跨跨中处与设计值相差最大为17.4cm，右幅主跨跨中处与设计值相差最大为17.6cm。2015年对该桥进行了维修加固处置，主要措施有：

（1）主桥箱梁增设体外预应力钢束；

（2）箱梁裂缝封缝灌封修复；

（3）箱梁腹板、顶板、底板及中横梁粘贴钢板补强。

桥梁维修加固完成后，有效阻止了主梁下挠速度，同时减缓了裂缝的发展。但是主梁跨中下挠问题难以根除，因此对该桥进行健康监测系统建设十分必要且紧迫。

2.桥梁健康监测系统设计

2.1 系统框架

桥梁结构健康监测系统是一个系统工程，其主要任务是获取收集桥梁所在的环境荷载、桥梁各类部件结构应力、应变及位移变化和局部构件损伤或病害等信息，在对采集到的监测信息数据根据各种影响因素进行综合分析和判别评估的基础上得到桥面行车信息和结构安全状态等信息，为大桥安全运营提供技术支持。 系统包括以下子系统：

（1）传感器子系统

通过布设在桥梁上的传感器将各类监测信号转换为电（光）信号。

（2）数据采集与传输子系统

将监测信号转换为可读取识别的数字信号并完成在线远程数据传输。

（3）数据处理与管理子系统

数据处理版块对采集到的桥梁相关数据按照一定的规则进行换算、判别、过滤、统计等处理，将处理过的数字信号转变成相应的物理量和特征值；数据管理版块将最终的实时状态数据和特征值数据存储到相应的数据库或数据文件中，以便在后期管养工作时在系统中查询分析和调用。

（4）软件子系统

软件子系统将获取到的桥梁信息，通过数字、曲线、图形图像等方式实时显示监测数据，展示桥梁状态，根据设定的预警值进行结构安全预警，并可以进行历史数据的查询，自动生成数据统计报表。

2.2 检测内容与方法

梁桥结构健康监测系统监测内容共分为“环境、作用、结构响应、结构变化”4大监测类别。

2.2.1 环境监测

环境监测项主要包括环境温度和环境湿度，该桥健康监测系统中，桥梁新增主梁内温度、湿度监测。

2.2.2 作用监测

作用监测项主要包括车辆荷载、结构温度等。车辆荷载是桥梁运营期间的主要荷载，通过监测桥上所有车道的车重、轴重、车流量、空间分布等数据，可以获得车辆荷载信息，为桥梁评估提供荷载数据。结构温度监测项主要包括混凝土温度等，通过温度监测数据，可以为温度修正和温度梯度的获取提供依据。

2.2.3 结构响应监测

梁桥响应监测项主要包括位移、应变、振动等。位移监测项主要包括主梁挠度、支座位移、梁端纵向位移等，通过位移监测数据，可以评估桥梁整体稳定性；应变监测主要包括主梁关键截面等，通过应变监测数据可以确定主梁的应力状态；振动监测主要包括主梁竖向振动加速度、主梁横向振动加速度，通过振动监测数据可以判断桥梁是否发生过大的振动，识别桥梁结构频率、振型、阻尼比等动力特性，判断是否发生涡振等。

表1 环境监测测点布设

表2 作用监测测点布设

2.2.4 结构变化监测

结构变化监测主要包括基础冲刷、桥墩沉降、裂缝、预应力等，根据该桥实际情况和特点，主要监测裂缝变化。构件裂缝监测测点布设宜依据检测评估结果确定其位置和数量，宜对裂缝宽度的发展变化趋势进行跟踪观测，根据桥梁定期检查报告，左右幅各增设5个裂缝监测点。

2.3 数据采集与传输

桥梁结构安全监测数据采集与传输模块是整个自动化结构监测子系统的中枢，负责完成对桥梁上各类传感器获取的桥梁信息数据的信号调理、模数转换及信号传输，是连接桥梁外场和网络云端的纽带，数据采集与传输模块主要由数据采集软件、采集设备、传输设备以及其它附属设备等构成[1]。

2.3.1 数据采集

数据采集主要设备有动态称重采集仪、多功能信号采集仪、采集工控机、数据采集站。基于桥梁上各类传感器和数据采集设备的不同，其所支持的采样频率需满足系统的数据采集特点和要求。系统软件设计考虑灵活性和可配置性，可以支持通过配置程序修改采样制式和频率，实现对桥梁的动态实时监测，对可能发生的突发事件进行实时报警。

2.3.2 数据传输

数据传输方式应根据桥址环境、监测规模、传感器及采集设备类型进行选择，可分为有线传输和无线传输。数据传输应优先考虑有线传输方式，当不具备条件或较为困难时，可考虑选用无线传输。有线传输应选用带宽高、传输距离远、稳定性高、抗干扰能力强的光纤传输，传输网络宜采用基于TCP/IP协议的光纤专网[2]。无线传输应选用监测规模、监测需求及具备的网络条件选择适宜的无线通信网络，带宽、传输距离、时延应满足监测需求。

2.3.3 数据处理

桥梁健康监测系统获得的大量基础数据要进行有序存储，以便在调取时可以快速检索查询；日常监测数据的处理对保证所观测桥梁的安全运营具有重要意义，将在线数据中获取结构状态监测信号转化为养护工作师可以理解的有用信息。

监测系统软件接收并解析大桥现场发送的各类监测数据，进行数据预处理、二次处理、特征值提取以及数据持久化存储功能。针对不同的监测项设计对应的处理方法，对数据进行滤波、特征提取、数据解耦、转换与统计等处理。同时软件可通过可视化界面远程进行数据处理参数设置。

数据处理的主要功能包括：

（1）与数据采集设备进行通信，接收采集数据；

（2）对所采集的原始数据进行预处理（包括过滤、提取、数据耦合、转换）[3]；

（3）将实时数据传给网络服务器，由B/S软件平台完成数据调用；

（4）将处理过后的时程数据写入数据库和文件；

（5）将经过处理的数据以指定格式传输至Web服务器。

3.数据采集与分析在养护中的应用

3.1 养护平台搭建

以满足桥梁运营养护管理需求为前提，通过GIS+BIM模式，来展示各监测类别、监测内容、测点等实时数据信息，并绘制摄像机外场图层、各测点图层实现桥梁监测资源的分布展示，了解桥梁结构信息，为桥梁养护提供科学决策依据。

3.2 桥梁养护管理

系统实时监测桥梁动静态信息，通过数据处理转化为养护人员可读取识别的可用信息，及时了解桥梁运行状态和结构变化，为进一步做好桥梁养护提供可靠谱依据。

3.2.1 桥梁信息管理

桥梁信息管理模块用来展示桥梁的基本信息、图片信息、历史大事记信息，根据《公路桥涵养护规范》中桥梁卡片的信息要求，完成桥梁所处行政区划代码、行政识别数据、桥梁技术指标、桥梁结构信息、桥梁档案资料等信息的录入和展示，并且可自动生成桥梁基本状况卡片。

3.2.2 桥梁监测管理

通过实时数据展示模块展示系统中各监测项的监测数据，直观反映桥梁结构状态变化和实时状态，养护人员可查看各监测点的具体数值，并结合历史数据分析，了解桥梁的病害发展，为桥梁养护工作提供第一手数据，更好的采取养护措施，为桥梁的健康安全保驾护航。

3.2.3 桥梁报警管理

桥梁出现的异常状态实时警示报警基于监测数据和监测数据的分析结果进行。监测报警分为基于直接监测数据的报警和基于监测数据分析结果的报警两类。基于直接监测数据的报警通过设定监测变量的报警阈值，当实际监测量超过阈值时，进行报警。基于监测数据分析结果的报警，通过监测数据分析，提取与结构健康状态相关的特征指标，并根据这些特征指标的变化，进行桥梁结构异常状态报警。

董铺水库大桥监测主要对主桥下挠程度进行报警设置，一是监测当年的下挠值与上年的数值进行对比分析，设置每年的下挠报警值；二是分析桥梁从建设时期到现在的下挠情况，设置累计下挠的限值进行报警。

通过采集的下挠数据，进行数据分析对比，数据分析与应用围绕桥梁安全与耐久，对桥梁运营和结构安全进行报警，并定期进行状态评估及诊断，根据评估诊断结果，适时制定养护方案，限制桥梁病害和下挠进一步发展，保障桥梁结构运行安全。

4.结语

本文以董铺水库大桥健康监测系统建设实例，阐述了桥梁结构健康监测在养护管理中的应用，通过数据分析与评估，有效的监管和掌握运营期桥梁的结构功能状态和发展趋势，帮助桥梁运营管理单位制定精准、经济、合理的养护措施，为桥梁开展科学决策和智慧养护提供依据。

表4 结构变化监测测点布设（裂缝）

图1 桥梁测点布置图