在役桥梁健康监测与状况评估系统设计与应用

雷珍珍，梁清清

（贵州省质安交通工程监控检测中心有限责任公司，贵州 贵阳 550014）

桥梁设计的使用寿命往往有几十年或上百年，在桥梁漫长的服役过程中，动静荷载、腐蚀物质以及材料老化等各种人为或天然的因素，影响着桥梁的“健康”。随着时间的推移，桥梁结构出现损伤，其承载能力、弹性强度和刚度不可避免地变差。因此，需要对桥梁进行健康监测和状况评估，以便能够及时发现桥梁结构存在的安全隐患，避免造成重大的人员和经济损失。为了实时获取桥梁状况信息，做出及时的安全评估与预警，设计一款经济实用、稳定可靠、智能科学的在役桥梁健康监测与状况评估系统显得十分有必要[1-2]。

1 健康监测系统设计原则及功能需求

1.1 系统设计原则

根据桥梁监控监测系统的使用需求和桥梁监控监测的特点，系统的设计应满足合理性和经济性的同时，还应遵从如下设计原则：①适用有效。根据桥梁健康监测的相关标准要求，设计出符合不同桥型结构的监测项目，确定相关传感器的布设位置。②准确可靠。选择测量准确度满足测试要求的传感器，传感器的测量范围、适用环境、稳定可靠性等均应满足要求。③先进智能。采用当前先进成熟的监测技术，结合结构安全监测理论，搭配先进的数据采集与传输设备，实现智能预警及安全评估。④兼容性强，易于维护。系统易于操作管理，随着监测技术、监测理论标准及传感技术的发展与进步，系统能与时俱进，便于更新升级。

1.2 系统功能需求分析

通过分析，健康监测系统应满足如下的功能主要需求：①通过对相关内容的监测，建立监测系统，实时掌握桥梁运营状况，有效保证桥梁的安全；②实时了解桥梁结构的应力应变、挠度、温度等情况，辅助操作人员合理设置预警阈值，实现桥梁结构健康监测预警功能，并自动生成监测报告；③通过对监测数据的分析与处理，实现对桥梁结构的安全评估，对灾害进行评估预判，给决策者提供相关依据，使运维方案等更加合理，提高桥梁的使用寿命；④能够进行健康监测项目的管理。

2 健康监测系统组成及内容

健康监测系统由多个子系统组成，具体为传感器子系统、数据采集子系统、数据传输子系统、数据库子系统、数据处理与控制系统、结构状况评估与预警子系统，通过各层相互协调，实现系统的各种功能[3]。

2.1 传感器子系统

传感器子系统是保障数据准确可靠的基础，根据桥梁的桥型、结构特点、相关监测理论及标准，以及环境情况，结合当下传感器技术的发展情况，选择合适的传感器，要保障由不同类型传感器组成的传感器子系统。在恶劣的环境下，仍然能够实时提供真实、可靠的监测数据。

2.2 数据采集子系统

数据采集子系统能够初步诊断传感器子系统提供的数据，能够快速地分辨出传感器提供的信息是否有异常，帮助找到出现损坏或失效的传感器的位置。此外，由于系统的结构状况评估与预警子系统遵循的实时数据采集制度，这样得到的数据量大、信息量多，不可避免地会有很多冗余信息。如何从海量信息中筛选出有意义的信息，如何进行采集数据的数据优化，是结构的安全监控预警的重要源头部分。针对桥梁的实时监测功能，系统设计时考虑了优化采集情况，即具有定时间段采集以及定阈值采集。数据采样时间、采样长度可以根据实际情况灵活设置，多条件触发采样参数有触发逻辑和各通道的触发阈值设置。

2.3 数据传输子系统

光纤、GPRS/3G/4G 和无线网桥是数据传输子系统的常用通讯方式。GPRS/3G/4G 常用于监测场所有手机信号覆盖的情况；当现场无手机信号，或是像视频数据这样的大流量数据时，则采用光纤传输；而无线网桥通讯方式，适用于传输距离不超过9 千米并且监测场地和监控中心可通视的情况。根据情况的不同，选择的数据传输方式也会有所不同。

2.4 数据库子系统

数据库子系统主要用于数据的存储，数据库子系统能对数据进行管理和操作，包括数据的增删改查等。数据库的使用需要谨慎处理，因此设置有权限管理，需要分配专门的人员特定的权限，对数据进行有效的使用。

2.5 数据处理与控制子系统

数据处理和控制子系统主要实现对数据的分析、处理及数据可视化的展现。信号在采集前与采集后均可进行数据处理，其中包括：信号实时可视化显示、数字滤波；数据采集设定、幅域统计；时域、频域分析以及数据的相关性分析等[4]。

2.6 结构状况评估与预警子系统

结构状况评估与预警子系统是通过监测关键参数的变化及变化趋势，在应力和应变等达到限值、结构状况出现异常的时候发出预警信息[3]。预警级别按工程风险由小到大分为四级：蓝色预警、黄色预警、橙色预警和红色预警。桥梁健康监测工作人员能够根据系统的预警提示进行分析与咨询，及时对不稳定结构或可能出现失稳的结构采取一定的治理措施进行防治，防止灾害的发生或扩大，减少损失。

3 健康监测系统应用

3.1 工程概况

火花特大桥位于贵州省安顺市紫云县火花乡，桥位区属构造、剥蚀低中山地貌，地形起伏较大，冲沟发育。最大桥高约115m，最大墩身高约为107.5m，桥梁孔径布置及桥长不受水文及流量控制，主要取决于两侧地形。结合桥位处地形、地质和场地条件等特点，考虑工程的安全性、经济性、施工可行性及景观性，选取火花特大桥主桥右幅作为健康监测系统布设的对象。

火花特大桥主桥右幅的上部结构采用主跨3×120m的连续刚构，桥跨结构为右线：65m+3×120m+65m，下部桥墩采用空心墩，桥墩基础均采用桩基础；主桥过渡墩顶采用320 型伸缩缝，右线桥长为490m。

3.2 监测内容及结果分析

火花特大桥的健康监测内容有温度、应变、挠度、震度、索力、倾斜和伸缩缝监测。根据某季度的桥梁健康监测数据分析可知：

（1）温度监测。温度监测测点采集连续率均达到90%以上，桥梁的温湿度变化具有较强的日变化规律，最高温度日均值33.97℃，最低温度日均值1.61℃，本期最大温差为30.76℃。

（2）应变监测。桥梁应变可以作为了解主要承力构件的受力状态指标，及时诊断桥梁的病害、控制车辆荷载。通过应力数据与初始的应力数据进行统计并对比分析，应变最大变化量为-107.32με，火花特大桥应力变化不大，整体波动较为稳定。

（3）挠度监测。通过挠度的变化可以对桥梁的运营状态做出准确的实时评估。比较该季度初始挠度中值与末尾挠度中值，各测点中，挠度变化量最大为-13.67mm，整体呈现较好的波动规律性。说明桥梁结构在横桥向上整体性较好，且本监测周期内挠度数据呈明显起伏波动，但数据具有稳定基线，说明挠度数据较为稳定。

（4）振动监测。因此桥梁频率蕴含着桥梁的整体结构信息与安全信息。当桥梁出现较大损伤或结构改变时，桥梁的振动频率也会随之改变，利用监测系统中采集的桥梁各构件的振动加速度数据，可初步识别桥梁自振频率大约为1.85Hz。

（5）索力监测。索力状态是衡量桥梁是否正常运营的一个重要标志。索力的最大变化量百分比为-3.4%，索力的变化量除受荷载影响外还受温度变化影响，整体数据正常变化，大桥预应力梁的体内预应力筋受力状态稳定。

（6）倾斜监测。桥墩倾斜能够反映桥墩的水平偏位变化情况。桥墩在X 方向该季度最大变化量为0.12°，Y 方向本周期最大变化量为-0.29°，数据变化主要受到温度影响，X 方向呈正相关，Y 方向呈现负相关，剔除温度影响则角度变化较小。

（7）伸缩缝监测。伸缩装置是易损坏、难修补的部位，因此对伸缩缝进行监测。伸缩缝的宽度变化幅度均不大，最大变化为-10.0mm。另外，从伸缩缝的变化趋势来看，火花特大桥伸缩缝测点数据并无持续增大或减小的趋势，而是受温度影响较大呈现动态增大、减小的趋势，符合结构正常的变化规律。

4 结论

本文设计了一款稳定可靠的桥梁健康监测系统，实现对桥梁结构状况的监测与安全评估。将该桥梁健康监测系统应用于火花特大桥，通过对各监测参数综合分析，结果表明火花特所处状态良好，监测数据变化较为稳定。随着技术的发展与桥梁监测标准的规范化，未来的桥梁健康监测系统可能的发展方向有：

（1）数据采集传感器更加准确可靠。桥梁健康监测系统通过传感器采集数据，随着测量技术与传感技术的发展，测量数据更加精确，更加可靠地反映桥梁结构的真实情况；传感器的类别更多，全方位掌握桥梁结构的各方面数据；传感器采用无线充电，可在桥梁修建时便将无源传感器嵌入到桥梁结构内部，使桥梁健康监测时更便捷美观。

（2）安全评估更加智能化。随着不断深入研究、桥梁健康监测参数增加、采集的有效数据增加，出现更加智能化、标准化和精准化的桥梁结构健康评估方法，为桥梁的运营状况、健康评估和预测提供更加可靠的途径[5]。