桥梁结构安全健康在线监测系统

一、 桥梁结构安全健康监测系统运用背景

   桥梁作为公共交通的重要载体，对区域交通的通畅运行、社会经济发展起到至关重要的作用。随着社会经济的飞跃式发展，桥梁交通流量快速提升，桥梁安全危害影响加剧。桥梁因为恶劣使用环境、荷载作用、年限过长等因素导致桥梁损伤，产生病害，威胁桥梁安全，引起桥梁事故。近几年来，桥梁安全事故屡有发生，社会影响巨大，人民生命安全危害后果严重。按交通运输部《关于进一步提升公路桥梁安全耐久水平的意见》交公路发〔2020〕127号规定：“2025年底前实现跨江跨海跨峡谷等特殊桥梁结构健康监测系统全面覆盖。到2035年，公路桥梁建设养护管理水平进入世界前列。”为了实现各阶段桥梁生命线状态的可知性、可测性，及时了解、掌握桥梁的健康动态与安全状态，验证设计理论并指导后续同类型桥梁的设计，对其建立一个科学的运营期健康与安全监测系统显得尤为重要。
   通过桥梁结构安全健康监测系统的建设及运行，可准确、全面掌握桥梁运营期的环境参数及结构响应参数，并通过数据的分析对桥梁的使用状态和力学行为进行预警和初步评估，为桥梁的安全运营提供有力的保障。桥梁结构健康监测系统能够建立一套完备、系统化、自动化、智能化的桥梁整体结构健康监测、分析、预警、评估系统，专门针对桥梁生命线和安全评估建立完备的安全风险防控体系。随着桥梁结构健康检测系统的创新性发展，科技化、信息化、智能化、标准化技术监测、研判技术水平逐步提高，桥梁平均服役寿命将大幅提升，实现并不断完善桥梁健康综治管理体系和能力的现代化。

二、 桥梁结构安全健康监测系统组成

   桥梁结构安全健康监测系统主要由桥梁结构安全健康数据监测系统、数据采集与传输系统、综合预警系统三部分组成。
1.桥梁类型及监测因素
（1） 斜拉桥
斜拉桥安全健康检查主要有：称重监测、伸缩缝位移监测、应力监测、沉降监测、外源环境监测、震动监测、索力监测、全桥GNSS定位等。

（2）悬索桥悬索桥(也称吊桥)安全健康检查主要有：全桥GNSS定位、吊索索力监测、伸缩缝位移监测、应力监测、震动监测、主缆紧固力监测、外源车辆通载量监测、外源环境监测、外源异常预警等。

（3）梁桥
梁桥安全健康检查主要有：全桥GNSS定位、伸缩缝位移监测、应力监测、振动监测、桥墩倾斜监测、外源车辆通载量监测、外源环境监测。

（4）拱桥
拱桥安全健康检查主要有：全桥GNSS定位、伸缩缝位移监测、应力监测、震动监测、拱圈收敛监测、外源车辆通载量监测、桥墩倾斜监测。

2. 桥梁结构安全健康数据监测
桥梁结构安全健康数据监测子系统分为：结构监测、环境监测、荷载监测及视频监测四大部分功能数据监测。

（1）结构监测
结构可分为挠度监测、裂缝监测、振动监测、索力监测、位移监测及应变监测等类型。

1）挠度监测
桥梁主体的挠度与桥梁的承载能力及抵御动载荷的能力密切相关，桥梁收到承载车辆、行人及索拉的共同作用，受力复杂，因此对梁体挠度进行监测极为重要，主要采用静力水准仪进行测量。

2）裂缝监测

裂缝监测采用裂缝针进行测量，其主要用于不同的结构体的裂缝变化测量。

3）振动监测
桥梁动力特性参数（频率、振型和阻尼）和振动水平（强度和幅值）是桥梁整体安全的标志，桥梁材料的强度的退化会引起结构振动特性的改变，例如桥梁结构刚度的降低会引起桥梁自振频率的降低，桥梁局部振型的改变可能预示着结构局部损坏。因此对桥梁动力特性及振动水平的监测能够起到整体上对桥梁结构健康状态监测的目的。

4）索力监测

对于斜拉桥和悬索桥的张拉、索老化、疲劳以及受力变化会直接影响到结构的受力与安全。索力是一个影响斜拉桥和悬索桥的一个核心因素。

5）位移监测

桥塔作为桥梁的重要承重结构，主梁恒荷载、活荷载均通过对称在左右两侧拉索传递到桥塔，其受力主要是竖直向下的力，并把竖向力传递给桥墩。通过对桥塔顶点三维空间位置变化进行监测，了解桥塔的位移情况和结构的稳定性。

6）应变监测

主要通过应变监测实现，主要检查桥梁结构关键界面的受力情况，以了解结构的长期或瞬间的受力情况。可以了解作为主要承力构件的受力状态，以及诊断桥梁的病害。

（2）环境监测

1）温度监测

桥梁所处的气候环境，对桥梁结构工作状况有很大的影响，在桥梁变形、应力变化等工作状态的比较和定量都会分析用到温度参数。

2）湿度监测

桥梁工作环境中的空气湿度是影响混凝土结构碳化和钢筋腐蚀的重要因素，是对桥梁进行耐久性评价不可缺少的数据资料。

3）风力监测

风力是桥梁结构主要动力荷载之一，在风力的作用下，桥梁的主要构梁将产生振动，引起疲劳损伤累积，导致桥梁抗力衰减。通过检测风速、风向、统计最大风速值，可以得出结构的风与结构响应关系，了解桥梁受风力影响的情况。

4）雨量监测

雨量对桥梁的影响主要表现为降雨对桥梁结构的风致静力的影响和水流对桥墩的冲击，通过实施监测，实施掌握桥梁在雨水天气的实时状态。

（3）荷载监测

荷载监测分以下三类：车流量监测系统、称重监测系统，主要检查其数据为断面交通流、车型、车轴重、轴数、车辆总重、车速等。
车辆称重监测采用不停车称重的方法，称重测点一般选择在路基或有稳定支撑的混凝土结构铺装层内，覆盖所有行车道。
通过对车流量及重量的监测，掌握各个时段桥梁所需承载的总量，对于荷载过重的桥梁可以提供控制车辆数量和重量的数据参数。

（4）视频监测

以视频方式呈现，对桥梁整体状态实时监控，具备紧急情况时的应急响应能力。

3.数据采集与传输

数据采集与传输子系统完成传感器数据的采集、信号调理以及数据传输。各种不同类型的传感器采用不同的信号调理模块，数据采集模块完成对调理后的传感器信号的处理与转换，最终形成统一的数字信号；数据传输模块将经过采集模块获得的传感器监测参数的数字信号调制成可供远程传输的信号，并完成信号的远程传输及解调任务。数据采集与传输子系统同时也作为传感器发送采集指令的载体与通道。


数据采集与传输子系统设计主要应考虑：传感器输出信号类型、信号电缆的类型和长度、采样频率和测量精度。

（1）模块预期功能因大桥结构健康监测涉及的传感器种类多，输出信号类型多，因此必须根据不同的传感器种类、精度以及采样频率的要求，采用不同的传输方案，并将采集系统集成一个大系统，该系统应具有以下特点和功能。

◆系统集成化程度高，便于统一管理控制；

◆具有良好的兼容性、可扩展性和开放性，容易进行传感器升级；

◆自动对各传感器信号进行实时采集、同步传输、自动存储并便于查询；

◆具有识别传感器与子系统故障并自动报警的功能；

◆各监测项目在现场具有数据缓存和预处理功能；

◆具有单点故障不影响控制网络其他部分的功能；

◆数据采集软件应界面友好、便于操作，具有数据捕获、筛选和档案处理功能；

（2）数据采集策略由于大桥实测数据特别是动态采集数据量庞大，若不采取合理的采集与存储策略，则会导致整个数据系统非常臃肿，因此，应采取合理的采集策略，本系统根据不同的数据要求采用以下方法进行采集：

A.定时制，预先设定采样的时刻和采样时间；

B.触发制，设置阈值或其它触发条件，结构测点满足触发条件时采样，采样时长可预定或根据事先确定的条件来终止采样；

C.统计制，采用雨流计数法进行谱统计和记录，并采用统计的方法同时记录每统计时段的最大值、最小值、均值方差和趋势等；

D.以上方法并行。

   采集方案很大程度上依赖于系统要求和数据库的容量。静态数据反映的是桥梁结构缓慢的变化过程，并且采集的次数较少，所以，对于静态数据，可以完全提交或采用统计方式存储；相对而言，动态监测的数据量远大于静态数据，故重点考虑动态数据的采集与存储。理论与试验都证明，结构的高阶动力特性与结构损伤的关系更明显，更有利于结构损伤的监测和判断。但是，如果缺少外部有效激励，仅采用环境激励动力特性的检测方法是不可能准确地检测到结构的高阶频率和振型的。另外，结构损伤除了在特大事故和恶劣气象时可能会突然发生，一般结构损伤是一个缓慢累积的过程。因此可以考虑在正常情况时，可采用一天内选择高峰期或夜间某些时段（以满足动力特性分析和振动响应为前提）的方案；在特大事故或恶劣气象时，可采用连续采集方式的随机采集。采集完成后进行实时动力分析和时间序列分析，如果结构安全则抛弃此段采集的原始数据，仅保留分析结果和统计参数，这样对数据库的压力就会更小。

（3）数据采集流程数据采集系统包括风速数据采集、温湿度数据采集、结构几何状态。数据采集、结构响应数据采集等内容。

4.综合预警与结构评估
桥梁的健康状况主要根据桥梁的设计信息、施工阶段信息、人工检查结果以及自动化监控系统的监测结果加以评估。
主要功能：
能够对监测以及识别的结果进行趋势对比、分析与预测；

对结构应力、变形等监测参数建立有明确的预警指标，能够对其监测结果进行分级预警；

综合各种内力状态及损伤的情况对结构进行综合评估

  结构状况评估是桥梁运营期监测系统的核心，评估应密切结合大桥的管养要求，做到“预测性维护、评估式维护”，对桥梁的运营期状况以及可能的发展趋势有清晰的了解，对桥梁构件的不正常表现做出及时诊断，并提出对策建议。
  在线评估主要对实时采集的监测数据进行基本的统计分析、趋势分析，并与其阈值对比，给出结构的初步安全状态评估。

三、 结论

  随着桥梁信息化、智能化的不断发展，桥梁结构安全健康监测系统对桥梁安全运营、延长桥梁使用寿命起到至关重要的作用。通过早期桥梁病害的发现及预警，能够大幅节约桥梁的维修费用、养护费用，有效避免频繁性维修和关闭交通所引起的重大损失，特别针对重大桥梁安全性事故起到关键性预测预知作用。

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