看完就懂什么是橋梁結(jié)構(gòu)安全健康在線監(jiān)測系統(tǒng)

一、橋梁結(jié)構(gòu)安全健康監(jiān)測系統(tǒng)運用背景

橋梁作為公共交通的重要載體，對區(qū)域交通的通暢運行、社會經(jīng)濟發(fā)展起到至關重要的作用。隨著社會經(jīng)濟的飛躍式發(fā)展，橋梁交通流量快速提升，橋梁安全危害影響加劇。橋梁因為惡劣使用環(huán)境、荷載作用、年限過長等因素導致橋梁損傷，產(chǎn)生病害，威脅橋梁安全，引起橋梁事故。近幾年來，橋梁安全事故屢有發(fā)生，社會影響巨大，人民生命安全危害后果嚴重。按交通運輸部《關于進一步提升公路橋梁安全耐久水平的意見》交公路發(fā)〔2020〕127號規(guī)定：“2025年底前實現(xiàn)跨江跨海跨峽谷等特殊橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)全面覆蓋。到2035年，公路橋梁建設養(yǎng)護管理水平進入世界前列。”為了實現(xiàn)各階段橋梁生命線狀態(tài)的可知性、可測性，及時了解、掌握橋梁的健康動態(tài)與安全狀態(tài)，驗證設計理論并指導后續(xù)同類型橋梁的設計，對其建立一個科學的運營期健康與安全監(jiān)測系統(tǒng)顯得尤為重要。

通過橋梁結(jié)構(gòu)安全健康監(jiān)測系統(tǒng)的建設及運行，可準確、全面掌握橋梁運營期的環(huán)境參數(shù)及結(jié)構(gòu)響應參數(shù)，并通過數(shù)據(jù)的分析對橋梁的使用狀態(tài)和力學行為進行預警和初步評估，為橋梁的安全運營提供有力的保障。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)能夠建立一套完備、系統(tǒng)化、自動化、智能化的橋梁整體結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、分析、預警、評估系統(tǒng)，專門針對橋梁生命線和安全評估建立完備的安全風險防控體系。隨著橋梁結(jié)構(gòu)健康檢測系統(tǒng)的創(chuàng)新性發(fā)展，科技化、信息化、智能化、標準化技術監(jiān)測、研判技術水平逐步提高，橋梁平均服役壽命將大幅提升，實現(xiàn)并不斷完善橋梁健康綜治管理體系和能力的現(xiàn)代化。

二、橋梁結(jié)構(gòu)安全健康監(jiān)測系統(tǒng)組成

橋梁結(jié)構(gòu)安全健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由橋梁結(jié)構(gòu)安全健康數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、綜合預警與結(jié)構(gòu)評估系統(tǒng)、橋梁健康綜合管理平臺四部分組成。

1.橋梁類型及監(jiān)測部位

（1）斜拉橋

斜拉橋安全健康檢查主要有：稱重監(jiān)測、伸縮縫位移監(jiān)測、應力監(jiān)測、沉降監(jiān)測、外源環(huán)境監(jiān)測、震動監(jiān)測、索力監(jiān)測、空間變位監(jiān)測等。

（2）懸索橋

懸索橋(也稱吊橋)安全健康檢查主要有：全橋GNSS定位、吊索索力監(jiān)測、伸縮縫位移監(jiān)測、應力監(jiān)測、震動監(jiān)測、主纜緊固力監(jiān)測、外源車輛通載量監(jiān)測、外源環(huán)境監(jiān)測、外源異常預警等。

（3）梁橋

梁橋安全健康檢查主要有：全橋GNSS定位、伸縮縫位移監(jiān)測、應力監(jiān)測、振動監(jiān)測、橋墩傾斜監(jiān)測、外源車輛通載量監(jiān)測、外源環(huán)境監(jiān)測。

（4）拱橋

拱橋安全健康檢查主要有：全橋GNSS定位、伸縮縫位移監(jiān)測、應力監(jiān)測、震動監(jiān)測、拱圈收斂監(jiān)測、外源車輛通載量監(jiān)測、橋墩傾斜監(jiān)測。

2.橋梁結(jié)構(gòu)安全健康數(shù)據(jù)監(jiān)測

橋梁結(jié)構(gòu)安全健康數(shù)據(jù)監(jiān)測子系統(tǒng)分為：結(jié)構(gòu)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、荷載監(jiān)測及視頻監(jiān)測四大部分功能數(shù)據(jù)監(jiān)測。

（1）結(jié)構(gòu)監(jiān)測

結(jié)構(gòu)可分為撓度監(jiān)測、裂縫監(jiān)測、振動監(jiān)測、索力監(jiān)測、位移監(jiān)測及應變監(jiān)測等類型。

1）撓度監(jiān)測

橋梁主體的撓度與橋梁的承載能力及抵御動載荷的能力密切相關，橋梁收到承載車輛、行人及索拉的共同作用，受力復雜，因此對梁體撓度進行監(jiān)測極為重要，主要采用靜力水準儀進行測量。

2）裂縫監(jiān)測

裂縫監(jiān)測采用裂縫針進行測量，其主要用于不同的結(jié)構(gòu)體的裂縫變化測量。

3）振動監(jiān)測

橋梁動力特性參數(shù)（頻率、振型和阻尼）和振動水平（強度和幅值）是橋梁整體安全的標志，橋梁材料的強度的退化會引起結(jié)構(gòu)振動特性的改變，例如橋梁結(jié)構(gòu)剛度的降低會引起橋梁自振頻率的降低，橋梁局部振型的改變可能預示著結(jié)構(gòu)局部損壞。因此對橋梁動力特性及振動水平的監(jiān)測能夠起到整體上對橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測的目的。

4）索力監(jiān)測

對于斜拉橋和懸索橋的張拉、索老化、疲勞以及受力變化會直接影響到結(jié)構(gòu)的受力與安全。索力是一個影響斜拉橋和懸索橋的一個核心因素。

5）位移監(jiān)測

橋塔作為橋梁的重要承重結(jié)構(gòu)，主梁恒荷載、活荷載均通過對稱在左右兩側(cè)拉索傳遞到橋塔，其受力主要是豎直向下的力，并把豎向力傳遞給橋墩。通過對橋塔頂點三維空間位置變化進行監(jiān)測，了解橋塔的位移情況和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

6）應變監(jiān)測

主要通過應變監(jiān)測實現(xiàn)，主要檢查橋梁結(jié)構(gòu)關鍵界面的受力情況，以了解結(jié)構(gòu)的長期或瞬間的受力情況。可以了解作為主要承力構(gòu)件的受力狀態(tài)，以及診斷橋梁的病害。

（2）環(huán)境監(jiān)測

1）溫度監(jiān)測

橋梁所處的氣候環(huán)境，對橋梁結(jié)構(gòu)工作狀況有很大的影響，在橋梁變形、應力變化等工作狀態(tài)的比較和定量都會分析用到溫度參數(shù)。

2）濕度監(jiān)測

橋梁工作環(huán)境中的空氣濕度是影響混凝土結(jié)構(gòu)碳化和鋼筋腐蝕的重要因素，是對橋梁進行耐久性評價不可缺少的數(shù)據(jù)資料。

3）風力監(jiān)測

風力是橋梁結(jié)構(gòu)主要動力荷載之一，在風力的作用下，橋梁的主要構(gòu)梁將產(chǎn)生振動，引起疲勞損傷累積，導致橋梁抗力衰減。通過檢測風速、風向、統(tǒng)計最大風速值，可以得出結(jié)構(gòu)的風與結(jié)構(gòu)響應關系，了解橋梁受風力影響的情況。

4）雨量監(jiān)測

雨量對橋梁的影響主要表現(xiàn)為降雨對橋梁結(jié)構(gòu)的風致靜力的影響和水流對橋墩的沖擊，通過實施監(jiān)測，實施掌握橋梁在雨水天氣的實時狀態(tài)。

（3）荷載監(jiān)測

荷載監(jiān)測分以下三類：車流量監(jiān)測系統(tǒng)、稱重監(jiān)測系統(tǒng)，主要檢查其數(shù)據(jù)為斷面交通流、車型、車軸重、軸數(shù)、車輛總重、車速等。

車輛稱重監(jiān)測采用不停車稱重的方法，稱重測點一般選擇在路基或有穩(wěn)定支撐的混凝土結(jié)構(gòu)鋪裝層內(nèi)，覆蓋所有行車道。

通過對車流量及重量的監(jiān)測，掌握各個時段橋梁所需承載的總量，對于荷載過重的橋梁可以提供控制車輛數(shù)量和重量的數(shù)據(jù)參數(shù)。

（4）視頻監(jiān)測

以視頻方式呈現(xiàn)，對橋梁整體狀態(tài)實時監(jiān)控，具備緊急情況時的應急響應能力。

3.數(shù)據(jù)采集與傳輸

數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)完成傳感器數(shù)據(jù)的采集、信號調(diào)理以及數(shù)據(jù)傳輸。各種不同類型的傳感器采用不同的信號調(diào)理模塊，數(shù)據(jù)采集模塊完成對調(diào)理后的傳感器信號的處理與轉(zhuǎn)換，最終形成統(tǒng)一的數(shù)字信號；數(shù)據(jù)傳輸模塊將經(jīng)過采集模塊獲得的傳感器監(jiān)測參數(shù)的數(shù)字信號調(diào)制成可供遠程傳輸?shù)男盘枺⑼瓿尚盘柕倪h程傳輸及解調(diào)任務。數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)同時也作為傳感器發(fā)送采集指令的載體與通道。

數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)設計主要應考慮：傳感器輸出信號類型、信號電纜的類型和長度、采樣頻率和測量精度。

（1）模塊預期功能因大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測涉及的傳感器種類多，輸出信號類型多，因此必須根據(jù)不同的傳感器種類、精度以及采樣頻率的要求，采用不同的傳輸方案，并將采集系統(tǒng)集成一個大系統(tǒng)，該系統(tǒng)應具有以下特點和功能。

◆系統(tǒng)集成化程度高，便于統(tǒng)一管理控制；

◆具有良好的兼容性、可擴展性和開放性，容易進行傳感器升級；

◆自動對各傳感器信號進行實時采集、同步傳輸、自動存儲并便于查詢；

◆具有識別傳感器與子系統(tǒng)故障并自動報警的功能；

◆各監(jiān)測項目在現(xiàn)場具有數(shù)據(jù)緩存和預處理功能；

◆具有單點故障不影響控制網(wǎng)絡其他部分的功能；

◆數(shù)據(jù)采集軟件應界面友好、便于操作，具有數(shù)據(jù)捕獲、篩選和檔案處理功能；

（2）數(shù)據(jù)采集策略由于大橋?qū)崪y數(shù)據(jù)特別是動態(tài)采集數(shù)據(jù)量龐大，若不采取合理的采集與存儲策略，則會導致整個數(shù)據(jù)系統(tǒng)非常臃腫，因此，應采取合理的采集策略，本系統(tǒng)根據(jù)不同的數(shù)據(jù)要求采用以下方法進行采集：

A.定時制，預先設定采樣的時刻和采樣時間；

B.觸發(fā)制，設置閾值或其它觸發(fā)條件，結(jié)構(gòu)測點滿足觸發(fā)條件時采樣，采樣時長可預定或根據(jù)事先確定的條件來終止采樣；

C.統(tǒng)計制，采用雨流計數(shù)法進行譜統(tǒng)計和記錄，并采用統(tǒng)計的方法同時記錄每統(tǒng)計時段的最大值、最小值、均值方差和趨勢等；

D.以上方法并行。

采集方案很大程度上依賴于系統(tǒng)要求和數(shù)據(jù)庫的容量。靜態(tài)數(shù)據(jù)反映的是橋梁結(jié)構(gòu)緩慢的變化過程，并且采集的次數(shù)較少，所以，對于靜態(tài)數(shù)據(jù)，可以完全提交或采用統(tǒng)計方式存儲；相對而言，動態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)量遠大于靜態(tài)數(shù)據(jù)，故重點考慮動態(tài)數(shù)據(jù)的采集與存儲。理論與試驗都證明，結(jié)構(gòu)的高階動力特性與結(jié)構(gòu)損傷的關系更明顯，更有利于結(jié)構(gòu)損傷的監(jiān)測和判斷。但是，如果缺少外部有效激勵，僅采用環(huán)境激勵動力特性的檢測方法是不可能準確地檢測到結(jié)構(gòu)的高階頻率和振型的。另外，結(jié)構(gòu)損傷除了在特大事故和惡劣氣象時可能會突然發(fā)生，一般結(jié)構(gòu)損傷是一個緩慢累積的過程。因此可以考慮在正常情況時，可采用一天內(nèi)選擇高峰期或夜間某些時段（以滿足動力特性分析和振動響應為前提）的方案；在特大事故或惡劣氣象時，可采用連續(xù)采集方式的隨機采集。采集完成后進行實時動力分析和時間序列分析，如果結(jié)構(gòu)安全則拋棄此段采集的原始數(shù)據(jù)，僅保留分析結(jié)果和統(tǒng)計參數(shù)，這樣對數(shù)據(jù)庫的壓力就會更小。

（3）數(shù)據(jù)采集流程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括風速數(shù)據(jù)采集、溫濕度數(shù)據(jù)采集、結(jié)構(gòu)幾何狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集、結(jié)構(gòu)響應數(shù)據(jù)采集等內(nèi)容。

4.綜合預警和結(jié)構(gòu)評估

橋梁的健康狀況主要根據(jù)橋梁的設計信息、施工階段信息、人工檢查結(jié)果以及自動化監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果加以評估。結(jié)構(gòu)安全綜合評估子系統(tǒng)主要包括構(gòu)件評級系統(tǒng)、疲勞損傷評估以及整體狀況評估等內(nèi)容。結(jié)構(gòu)安全綜合評估系統(tǒng)通過相應的評價軟件完成數(shù)據(jù)分析與解釋、結(jié)構(gòu)健康狀況評價、結(jié)果數(shù)據(jù)管理、生成結(jié)構(gòu)健康狀況報告等功能。

（1）安全綜合評估主要功能和處理信息

主要功能：

◆能夠?qū)ρ矙z、監(jiān)測以及識別的結(jié)果進行趨勢對比、分析與預測；

◆對結(jié)構(gòu)應力、變形等監(jiān)測參數(shù)建立有明確的預警指標，能夠?qū)ζ浔O(jiān)測結(jié)果進行分級預警；

◆根據(jù)內(nèi)力基準狀態(tài)識別的結(jié)果并在此基礎上進行活載及其它荷載的加載以獲得結(jié)構(gòu)的組合內(nèi)力，進而對其進行安全程度進行判斷；

◆根據(jù)疲勞熱點監(jiān)測的結(jié)果預測疲勞壽命、疲勞損傷；

◆根據(jù)定期測量和巡檢的結(jié)果對結(jié)構(gòu)損傷進行定級評估；

◆綜合各種內(nèi)力狀態(tài)及損傷的情況對結(jié)構(gòu)進行綜合評估。綜合評估系統(tǒng)主要處理的信息包括：

◆人工巡檢獲得的損傷信息；

◆自動化監(jiān)測子系統(tǒng)獲得的變形、索力以及應力等信息；

◆識別子系統(tǒng)獲得的內(nèi)力、剛度等信息。

（2）安全綜合評估總體設計

①結(jié)構(gòu)狀況評估系統(tǒng)總體框架

結(jié)構(gòu)狀況評估系統(tǒng)是橋梁運營期監(jiān)測系統(tǒng)的核心，評估系統(tǒng)應密切結(jié)合大橋的管養(yǎng)要求，做到“預測性維護、評估式維護”，對橋梁的運營期狀況以及可能的發(fā)展趨勢有清晰的了解，對橋梁構(gòu)件的不正常表現(xiàn)做出及時診斷，并提出對策建議。結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估系統(tǒng)分為在線評估和離線評估兩個部分：

◆在線評估主要對實時采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行基本的統(tǒng)計分析、趨勢分析，并與其閾值對比，給出結(jié)構(gòu)的初步安全狀態(tài)評估。

◆離線評估主要對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)（包括人工巡檢獲得的信息）進行綜合的高級分析，以給出結(jié)構(gòu)全面的評估結(jié)論。離線評估系統(tǒng)分為正常狀態(tài)評估子系統(tǒng)和突發(fā)事件狀態(tài)評估子系統(tǒng)。正常使用狀態(tài)評估頻度每半年一次。橋梁建成后5年內(nèi)，評估的重點是結(jié)構(gòu)安全性和使用性；5年后，耐久性也列入重點評估內(nèi)容。

②評估報告

結(jié)構(gòu)狀況評估根據(jù)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)、其它監(jiān)測系統(tǒng)及常規(guī)檢查養(yǎng)護系統(tǒng)的信息，通過在線評估、離線評估，完成結(jié)構(gòu)狀況月度報告（一年以后改為季度報告）、年度報告、突發(fā)事件評估報告、預警報告等，以便對大橋的安全性、耐久性、使用性給出定性或定量的評判。

在線評估主要以月度報告（季度報告）的形式體現(xiàn)，包括各傳感器數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析結(jié)果、有關結(jié)構(gòu)安全的狀況，給出橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的初步結(jié)論。

離線評估主要以半年或年度報告的形式體現(xiàn)，全面評估結(jié)構(gòu)的狀態(tài)指標。離線評估還包括重要臨時事件報告及突發(fā)事件評估報告。

5.億維股份橋梁健康綜合管理平臺

過去的人工巡檢存在檢查內(nèi)容不一、記錄格式較為混亂、難以歸檔及查閱、監(jiān)測質(zhì)量過分依賴檢查人員水平和經(jīng)驗等問題。億維股份橋梁健康綜合管理平臺擬采用基于電子化的人工檢查的養(yǎng)護管理系統(tǒng)來綜合管理定期巡檢過程中所記錄到的橋梁表面損傷及表面異常情況。建立橋梁健康綜合管理平臺的目的就是為了輔助有關部門對所轄橋梁進行科學有效的管理，取得最大的經(jīng)濟效益和社會效益。橋梁管理系統(tǒng)的主要功能可以概括為橋梁數(shù)據(jù)采集、橋梁狀態(tài)評估、橋梁狀態(tài)預測、維修方案選擇。相應的，系統(tǒng)的模塊主要分為數(shù)據(jù)采集模塊、評估模塊、預測模塊、決策模塊。主要包括：橋梁構(gòu)件使用年限、狀態(tài)退化規(guī)律、維修的單位費用、維修的工程量和施工進度、維修對狀態(tài)的影響、通貨膨脹等對維修費用的影響、交通量的增長等。

橋梁健康綜合管理平臺登錄界面

該模塊提供數(shù)據(jù)的采集和實時展示的功能，通過接收數(shù)據(jù)采集和傳輸子系統(tǒng)上送的數(shù)據(jù)，實時解算并進行初步分析，對處理結(jié)果進行展示，實時數(shù)據(jù)展示以監(jiān)測項為分類標準，包括如：風荷載、溫濕度監(jiān)測、主梁振動、索力、主梁應力、地震動等，在某一類監(jiān)測項中，通過圖形化展示傳感器位置分布，同時在頁面下方顯示傳感器實時數(shù)據(jù)列表、時程曲線、相關性分析等，通過友好的界面清晰直觀的展示監(jiān)測數(shù)據(jù)，反應橋梁結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境的實時狀態(tài)。

（1）監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

該模塊提供對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析功能，可通過選取時間段來對待分析的監(jiān)測物理量進行展示，也可進行相關的統(tǒng)計分析及相關性分析等。通過統(tǒng)計分析能夠得到數(shù)據(jù)的分布水平及與不同監(jiān)測物理量間的差異，如QQ圖、頻數(shù)直方圖、箱型圖等；通過相關性分析能夠?qū)Σ煌瑫r間段或不同位置的傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，以判斷數(shù)據(jù)間的關系，或分析監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量高低。

（2）預警信息管理

該模塊提供監(jiān)測點數(shù)據(jù)的超限預警功能，當某個監(jiān)測點實時數(shù)據(jù)值大于設定的預警閾值時，系統(tǒng)彈出相應的預警信息提示用戶，預警信息包括傳感器編號、超限等級、超限時間、恢復時間等，同時該預警信息自動寫入數(shù)據(jù)庫中預警信息表中，提供用戶對歷史預警信息的查詢功能。系統(tǒng)根據(jù)預先設置的分級預警策略對超限數(shù)據(jù)進行分析，得出預警分析結(jié)果并將預警信息以郵件的方式發(fā)送給終端用戶，提醒用戶注意。

（3）歷史數(shù)據(jù)查詢

該模塊提供各個監(jiān)測項任意一個傳感器歷史數(shù)據(jù)的查詢功能，包括最大值、最小值、平均值的統(tǒng)計分析，可以按照年、月、日和自定義時間段查詢某傳感器的歷史數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)曲線和數(shù)據(jù)列表形式直觀展示歷史數(shù)據(jù)查詢結(jié)果。

（4）監(jiān)測報告報表

該模塊提供基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析報告功能，可根據(jù)用戶事先編輯好的模板格式自動組裝、導出、打印相應的報告報表，報表導出格式支持Word、Excel、PDF等常用文檔格式。

（5）橋梁構(gòu)件管理

該模塊用于對橋梁所屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其相關屬性進行編輯、管理。通過在系統(tǒng)中定義橋梁構(gòu)件庫，方便管理人員進行橋梁構(gòu)件的選擇和快速添加，同時實現(xiàn)構(gòu)件的標準化和模塊化管理。

三、結(jié)論

隨著橋梁信息化、智能化的不斷發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)安全健康監(jiān)測系統(tǒng)對橋梁安全運營、延長橋梁使用壽命起到至關重要的作用。通過早期橋梁病害的發(fā)現(xiàn)及預警，能夠大幅節(jié)約橋梁的維修費用、養(yǎng)護費用，有效避免頻繁性維修和關閉交通所引起的重大損失，特別針對重大橋梁安全性事故起到關鍵性預測預知作用。億維股份具備多年橋梁結(jié)構(gòu)安全健康監(jiān)測技術、產(chǎn)品研發(fā)、項目建設經(jīng)驗，具有健全的管理機構(gòu)和豐富經(jīng)驗的橋梁專業(yè)化技術團隊和實施團隊，堅持以一流化、專業(yè)化、規(guī)范化的產(chǎn)研、技術服務理念為系統(tǒng)性解決橋梁運行期間的病害預防問題提供有力的支持與助力。

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