桥梁健康监测系统在桥梁日常养护中的应用

侯恩厚　王能威　甘超　付文博　康通

摘要 桥梁健康监测系统具有可视化、实时动态、精度高等优点，为全面提升桥梁管养的数字化水平提供了新的解决方案。通过桥梁健康监测系统，可以对桥梁异常状况进行报警，动态掌握桥梁结构的运行状况。文章介绍了某桥梁健康监测系统的建设情况，并结合监测数据，从桥面状况监控、重车通行量、结构性能变化三个方面对养护管理中的应用进行了说明。

关键词 桥梁结构；养护管理；健康监测系统

中图分类号 U443文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）24-0019-04

0 引言

桥梁作为重要的基础设施，承载着人们出行和物流运输的重要任务[1]。然而，由于长期使用和自然环境的影响，桥梁结构容易出现疲劳、腐蚀、裂缝等问题，严重威胁到其安全性和可靠性。因此，及时准确地监测桥梁的健康状况，及时发现和修复存在的问题，成为确保桥梁安全的关键。

传统的桥梁养护方法主要依靠人工巡检和周期性的结构评估。然而，这些方法存在着工作量大、成本高、监测周期长以及对人员安全的潜在风险等问题。随着信息技术的发展，桥梁健康监测系统应运而生，为桥梁日常养护提供了全新的解决方案[2-3]。

桥梁健康监测系统是利用传感器、数据采集、通信和数据分析等技术手段，对桥梁结构的各种参数进行实时监测和分析，以实现对桥梁健康状况的全面评估[4-5]。这些参数包括但不限于结构振动、应变、温度、湿度等。通过实时监测和分析，桥梁管理者可以及时获得桥梁结构的健康状态信息，准确评估桥梁的结构完整性和承载能力，并根据监测数据制定相应的养护策略，以延长桥梁的使用寿命[6]。

桥梁健康监测系统在桥梁日常养护中具有重要的应用价值。首先，它可以实现桥梁的实时监测，及时发现结构异常和缺陷，有助于避免桥梁事故的发生。其次，通过连续不断地监测数据，可以实现对桥梁结构的长期评估和趋势分析，帮助管理者制定合理的养护计划和维修策略。此外，桥梁健康监测系统还可以降低养护成本和人力投入，提高养护效率和工作安全。该文以某桥梁为背景，从重车抓拍、重车通行量估算、结构性能变化三个方面详细介绍了桥梁健康监测系统在养护工作中的应用。

1 工程概况

桥梁全长1 297 m，桥宽组合0.5 m（栏杆）+14.5 m（行车道）+1.5 m（中央分隔带）+14.5 m（行车道）+0.5 m（栏杆）。大桥左、右幅上部结构形式为43 m×30 m的装配式预应力混凝土连续小箱梁，横向各布设5片梁；下部结构形式为钢筋混凝土双柱式桥墩、钢筋混凝土框架式桥台、桩基础，桥梁实景图见图1。

2 健康监测系统

2.1 监测系统测点布置

健康监测系统软件平台通过在结构的关键部位部署相应传感器监测节点，对桥梁的环境荷载、运营荷载、结构特征和响应等参数进行实时监测。同时，利用各种数据分析方法，对监测数据进行智能分析，从而有效地评估不同桥梁结构的健康状况，确定其可能的损伤部位，为各种结构的养护管理提供科学依据。

根据桥梁结构特点及管养需求，对左幅1-4跨及右幅40-43跨进行对称监测，监测项目包括结构挠度、结构应变、结构振动、梁端位移、裂缝等。监测测点具体布置如表1及图2所示。

2.2 监测系統软件设计

结构安全监测系统由传感器模块、数据采集与传输模块、数据处理与管理模块、数据分析与安全预警及评估模块、结构健康数据管理系统、检查与维护系统等六部分组成。桥梁结构安全监测系统各模块主要功能如表2所示。数据采集与传输系统应采用基于传感器、通信网络、计算机等硬件设备构成的计算机集成系统。健康监测系统软件平台具有强大的综合运维管理能力，为用户提供符合工业标准的桥梁全方位解决方案。通过良好的人机交互界面，实现智能监测、智慧运维、安全保障、高效管理四大管理目标。监测平台页面如图3所示。

3 健康监测系统应用案例

该桥梁项目建设的桥梁健康监测运营时间已应用2年，现场各种传感器基本功能完善，各项工作运行稳定，监测数据比较稳定，对于管养人员掌握桥梁的运行状态有极为重要的作用，也为科学性管养工作的开展奠定了基础。该文选择2023年1—3月监测数据展开分析，对监测系统在管养中发挥的重车抓拍、重车通行量估算、结构性能变化分析等作用进行说明。

3.1 桥面状况监控

该健康监测系统具有超重抓拍及超预警值抓拍功能，通过将监测数据与抓拍相机进行联动，在桥梁运营过程中对动挠度、动应变实测值超预警值的情况进行抓拍，并将相应车辆照片在系统中进行推送，对桥梁运营过程中遇到的突发事件进行及时报警，使管养人员及时掌握重车经过时的桥面状况。典型重车经过时抓拍图像及挠度响应分别如图4、图5所示。

3.2 重车通行量估算

对应变监测数据进行小波变换，分解得到车辆作用下的准静态响应数据和动态响应数据。根据一辆典型六轴车经过时引起的应变变化，如图6所示，其最大变化幅值约60 με，以此为依据统计六轴重车数量，如表3所示。通过对重车交通量的估算，掌握交通流量变化情况，为路面大中修养护及桥梁性能评估提供支撑。

可见1—3月内左右两幅桥重车数量接近，但重车交通量有增长趋势，应对重车通行情况持续关注。

3.3 结构性能变化分析

桥梁的模态参数识别主要是获取桥梁结构的自振频率、阻尼和振型，模态参数反映了桥梁结构质量、刚度和阻尼的分布规律，反映桥梁结构当前状态的固有特性，为结构的内力状态改变分析和损伤识别提供依据。因此，该文通过基于结构振动数据进行傅里叶变换，识别桥梁基频，如图7所示。三个月内桥梁频率变化如表4所示，可见，三个月内结构基频变化幅度较小，结构性能无明显退化。

4 结语

桥梁健康监测在日常养护中的应用主要体现为3个方面，即桥面状况监控、重车通行量、结构性能变化。

（1）通过将监测数据与抓拍相机进行联动，对桥梁运营过程中遇到的突发事件进行及时报警。

（2）基于监测数据对重车通行状况进行统计，为桥梁维修加固及交通管制提供依据。

（3）桥梁健康监测系统通过定期数据处理和分析，可以对桥梁的安全状况进行识别。

参考文献

[1]于兴泉， 韩涛， 梁柱. 桥梁健康监测系统的功能及在桥梁运营中的应用实例[J]. 公路， 2014（11）： 106-110.

[2]樊叶华， 陈雄飞. 基于管养需求的江阴大桥结构健康监测系统研究[J]. 公路交通科技， 2010（S1）： 43-47+52.

[3]李苏生， 朱学军， 王媛青， 等. BIM建模与健康监测预警相融合的桥梁运营管养一体化研究[J]. 交通与运输， 2022（4）： 52-57.

[4]全恩懋. 基于检测信息融合的悬索桥状态评估与预测研究[D]. 西安：长安大学， 2022.

[5]魏世银. 大跨桥梁结构健康诊断和管养决策的机器学习方法研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2020.

[6]欧阳歆泓， 徐一超. 桥梁管养信息化发展现状与展望[J]. 运输经理世界， 2020（16）： 113-114.