一、橋梁結構安全健康（kāng）監測係統運用背景

橋梁（liáng）作為公共交（jiāo）通的重要載體，對區（qū）域交通（tōng）的通暢運行、社會經濟發展起到至關重要的（de）作用。隨著社會經濟的飛躍式發展（zhǎn），橋梁交通流量快（kuài）速提升，橋梁安全危害影響加劇。橋梁因（yīn）為惡劣使用環（huán）境、荷（hé）載作用、年（nián）限過長等因素導（dǎo）致橋梁損傷，產生病（bìng）害，威脅橋梁安（ān）全，引起橋梁事故。近（jìn）幾年來，橋（qiáo）梁（liáng）安全事故屢有發生，社會影響巨大，人民生命安全危害後果嚴重。按交通運輸部《關於進一步提升公（gōng）路橋梁安全耐久水平的意見》交公路發〔2020〕127號規定（dìng）：“2025年底前實現（xiàn）跨江跨海跨峽穀等特殊橋（qiáo）梁結構（gòu）健康監測係統全麵覆蓋。到2035年（nián），公路橋梁建設養護管理水平進入世（shì）界（jiè）前（qián）列。”為了實現各階段橋（qiáo）梁生命線狀態的可知（zhī）性、可測（cè）性，及時了解、掌握橋梁的健康（kāng）動（dòng）態與安（ān）全狀態，驗證設計（jì）理（lǐ）論並指導（dǎo）後續同類型橋梁的（de）設計，對其建（jiàn）立一個科學的運營期健康與安全監測係統顯得尤（yóu）為重要。

通過橋梁結構安全健康監測係統的（de）建設及運行，可準確、全麵掌握橋梁運營期的環境參數及結構響應參數，並通過數據的分析對橋梁的（de）使用狀態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（yǒu）力的保障。橋梁結構健康監測係統能夠建立一套（tào）完備、係統化、自動（dòng）化、智能化的橋梁整體結構健康（kāng）監測、分析、預（yù）警、評估係統，專門針（zhēn）對橋梁生命線（xiàn）和安全評估建立完備的安全風險防控體係。隨著橋梁結構健康檢測係統的創新性發展，科技化、信息化、智能化、標準化技術監測、研判技術水平逐步提高，橋梁平均服役壽命將大（dà）幅（fú）提升，實現並不（bú）斷完善橋梁健康綜治管理體係和能力的（de）現代化。

二、橋梁結構安（ān）全健（jiàn）康監測（cè）係統組成

橋梁結構安全健康監（jiān）測係統（tǒng）主要由（yóu）橋梁結構安全健康數據監測係統、數據采集與傳輸係統（tǒng）、綜合預警與結構評估係統、橋梁健康綜合管理平台四部分組成。

1.橋（qiáo）梁類型及監測部位

（1）斜拉橋

斜拉橋安全健康檢查主要有：稱重監測、伸縮縫位移監測、應力監測、沉降監測（cè）、外（wài）源環境監測、震動監測、索力監測（cè）、空間變（biàn）位監測等。

（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（diào）索索力監測、伸縮縫位移監測、應力監測（cè）、震動監測、主纜緊固力監測、外源車輛通載量監測、外（wài）源環境監測、外源異常預警等。

（3）梁橋（qiáo）

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

（4）拱橋

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

2.橋梁結構安全健康數據監測

橋（qiáo）梁結構安全健康數（shù）據監測子係統分為：結（jié）構監測、環境監測、荷載監測（cè）及視頻（pín）監測四大部分功（gōng）能數據監（jiān）測。

（1）結構監測

結構可分為撓度監（jiān）測、裂縫監測、振動監測、索力監測（cè）、位移（yí）監測及應變監測等類型（xíng）。

1）撓度監測

橋梁主體的撓度與橋梁的承載能力及抵禦動載荷的能力密切相關，橋梁收到承載車（chē）輛、行人及索拉的（de）共同作（zuò）用，受力複雜（zá），因此對（duì）梁體撓度進行監測極為重要，主要采（cǎi）用靜力（lì）水準儀進行測量。

2）裂縫監測

裂縫監測采用裂（liè）縫針進行測量，其主要用（yòng）於不同的結構體的裂（liè）縫變化測量。

3）振動監測

橋梁動力特（tè）性參數（頻率、振型和阻尼）和振動水平（強度和幅值（zhí））是橋梁整體安全的標誌，橋梁材料（liào）的強度的退化會引起結構振動特性的改變，例如橋梁結構剛度的降低會引起橋梁（liáng）自振頻率的降低，橋梁局部振型的改變可能預示著結構（gòu）局部損壞。因（yīn）此對橋梁動力特性及振動水平的監測能夠起到整體上對橋梁結構健康狀態監測的目的。

4）索力監測

對於斜拉橋和懸索橋的（de）張拉、索老化、疲勞以及受力變化會直接影響到結構的受力與安全。索力是一個影響斜拉橋和懸索（suǒ）橋的一個核心因素。

5）位移監測

橋塔作為橋梁的重要承重結構，主梁恒荷載、活荷載均通過對稱在（zài）左右兩側拉索（suǒ）傳遞到橋塔，其受力主要（yào）是豎直向下的力，並（bìng）把（bǎ）豎向力傳遞給橋墩。通過對橋塔頂點三維空間位（wèi）置變化進行監測，了解橋塔的位移情況和（hé）結構的穩定性。

6）應變監測

主要通過（guò）應（yīng）變監測實現，主要檢查橋梁結構關鍵界麵（miàn）的受力情況，以了解結構的長期或瞬（shùn）間的受（shòu）力情況。可以了解作為主要承力構件的受力狀態，以及診斷橋梁的病害。

（2）環（huán）境監測

1）溫度監測

橋梁所（suǒ）處的氣候環境，對橋梁結構工作狀況有（yǒu）很大的影響，在橋梁變形、應力變化等工（gōng）作（zuò）狀態的比較和定量都會分析用到溫度參數（shù）。

2）濕度監測

橋梁工作環境中的空氣濕度是影響混凝土結構碳化和鋼筋腐蝕的重要因素，是對橋（qiáo）梁進行耐久性評價不可缺少的數據資料。

3）風（fēng）力監測

風力是橋梁結構主要（yào）動力荷（hé）載之一，在（zài）風力的作用下，橋梁的（de）主要構梁將產生振動，引起疲勞損傷累積，導致橋梁抗力衰減。通（tōng）過檢測風速、風向、統（tǒng）計最大風速值，可以（yǐ）得（dé）出結構的風與結構響（xiǎng）應關係（xì），了（le）解橋梁受風（fēng）力影響的情況。

4）雨（yǔ）量監測

雨量對橋梁的影響主要（yào）表（biǎo）現為降（jiàng）雨對橋（qiáo）梁結構的風致靜力的影響和水流對橋墩的衝擊，通過實施監測，實施掌（zhǎng）握橋梁在雨水天氣的實時（shí）狀態。

（3）荷（hé）載監測

荷載監測分以下三類：車（chē）流量監測係（xì）統、稱重監測係統，主要檢查其數據為斷麵交通（tōng）流、車（chē）型、車軸重、軸數、車輛總重、車（chē）速等。

車輛稱重監測采用不停車（chē）稱重的方法，稱重測（cè）點一般選擇在（zài）路基或有穩定支撐的混凝土結構鋪裝層內，覆蓋（gài）所有行車道（dào）。

通過對車流量及重量的監測，掌握各個時段橋梁所需承載的總量，對於荷載過重的橋梁可以提（tí）供控（kòng）製車輛數量和重量（liàng）的（de）數據參數。

（4）視（shì）頻監測

以視頻方（fāng）式呈現，對橋梁整體狀態實時監控，具備緊急情況時（shí）的應（yīng）急響應能力。

3.數據采集與傳輸

數據采集與傳輸（shū）子係（xì）統完成傳感器數據的采集、信號調理（lǐ）以及數據傳輸。各種（zhǒng）不同類型的傳感器采用不同的信號調理（lǐ）模塊，數據采集模塊完成對調理後的（de）傳感器信（xìn）號的處理與轉換，最終形成統一的數字信號；數據傳輸模塊將經過采集模塊獲得的（de）傳感器監測參數的數字信號調製成可供遠程傳輸的信號，並完成信號的遠程傳輸及解調任務。數據（jù）采集與傳輸子係統同時也作為傳（chuán）感器發送采集（jí）指令的載體與通道。

數據采集與（yǔ）傳輸子係統設計主（zhǔ）要應考慮：傳感器輸（shū）出信號類型、信號電纜的類型和長度、采樣頻率和測（cè）量（liàng）精度。

（1）模塊預期功能因大橋結構健康監測涉及的傳感器種類多，輸出信號類型多，因此必須根據不同的傳感器種類、精度以及采樣頻率的要求，采用不同的（de）傳輸方案，並將采集係統（tǒng）集成一個大係統，該係統（tǒng）應具有以下特點和功能。

◆係統集成化程（chéng）度高，便於統一管理（lǐ）控製；

◆具有良好的兼（jiān）容性、可擴展性和開放（fàng）性，容易進行傳感器升級；

◆自動對各傳感器信號進行（háng）實時采集、同步傳輸（shū）、自動存儲並便於查詢；

◆具（jù）有識別傳感器與子係統故障並自動報警的功能；

◆各監測項目在現場具有數據緩存（cún）和預處理功能；

◆具有單點故障不影響控製網絡其他部分的功能；

◆數據采集軟件應界麵（miàn）友好（hǎo）、便於操作，具有數據捕獲、篩選和檔案處理功能；

（2）數據采集策略由於大橋實測數據特別是動態采集數據量龐（páng）大，若不采取（qǔ）合（hé）理的采集與存儲策略（luè），則會導（dǎo）致整個數據係統非常臃腫，因（yīn）此，應采取合理的采集（jí）策略，本係統（tǒng）根據不同的數（shù）據要（yào）求采用以（yǐ）下方法進行采集：

A.定時製，預先設定采樣的（de）時刻和采樣時間；

B.觸發製，設置閾值（zhí）或其它觸發條件，結構測點（diǎn）滿（mǎn）足觸發條件時采樣（yàng），采樣時長可預定或根據事先確（què）定的條件來終止采樣；

C.統計製（zhì），采用（yòng）雨流計數法進行譜統計和記錄，並采用（yòng）統計（jì）的方法同時記（jì）錄每統計時段的最大值、最（zuì）小值（zhí）、均值方差和（hé）趨勢等；

D.以上方法並行。

采集方案很大程度上（shàng）依賴（lài）於係（xì）統（tǒng）要求（qiú）和數據庫的容量。靜態數（shù）據反映的是橋梁結構緩慢的變（biàn）化過程（chéng），並且采集的次數較少，所以，對於靜態數據，可以完全提交或采用統計方式存儲；相對而言，動態監（jiān）測的數據量遠大於（yú）靜態數據，故重點考慮動態（tài）數（shù）據的采集與存儲。理論與試驗都證明，結構的高（gāo）階動力特性與結（jié）構損傷（shāng）的關（guān）係更明顯，更有利於結構（gòu）損傷的（de）監（jiān）測和判斷。但是，如果缺少外部有效激勵，僅采用環境激勵動力特性的檢測方法是不可（kě）能準確地檢測到結構的高階頻率和振型（xíng）的。另外，結構（gòu）損傷除了（le）在特大事（shì）故和惡劣氣象時可能會突然發生，一般結構損傷是一個（gè）緩（huǎn）慢累（lèi）積的（de）過程。因此（cǐ）可以考慮在正常情況時，可采用一天內選（xuǎn）擇高峰期或夜間某（mǒu）些時段（duàn）（以滿足動（dòng）力特性分析和振動響應為（wéi）前提）的方案；在特大事故或惡劣氣象時，可采用連續采集方式的（de）隨（suí）機（jī）采（cǎi）集。采集完（wán）成後進行（háng）實時動力分析和時間序列分析，如果結構安（ān）全則拋棄此段采集的原始數據，僅保留（liú）分析結果和統（tǒng）計參數，這樣對數據庫的壓力就會更小。

（3）數據采集（jí）流程數據采集係統包括風速數據采集、溫濕度數據采集、結構幾何狀態。數據采（cǎi）集、結構響（xiǎng）應數（shù）據（jù）采集等內容。

4.綜合預警和結構評估

橋梁的健（jiàn）康狀況主要根據橋梁的設計信息、施（shī）工階（jiē）段信息、人工檢查結果以及自動化監控係統的監測結果加以評估。結構安全綜合評（píng）估子係統主（zhǔ）要包括構件（jiàn）評（píng）級係（xì）統、疲勞損傷評估以及整體狀（zhuàng）況評估等內容。結構安全綜合評估（gū）係統通過相應的（de）評價軟件完成數據分析與（yǔ）解釋、結構健康狀況評價、結果數據管理、生成結構健康狀況（kuàng）報告（gào）等（děng）功能。

（1）安全綜合評估主要功能和處理信息

主要功能：

◆能夠對巡檢、監測以及識別的結果進行趨勢對比、分析與預測；

◆對結構應（yīng）力（lì）、變形等監測參數建立有明確的預警指標，能夠對其監測結（jié）果進行分級預（yù）警；

◆根據內力基準狀態（tài）識別的結果（guǒ）並在此基礎上（shàng）進行活載及其它荷載的加（jiā）載以獲得（dé）結構的組合內力，進而對其進行（háng）安全程度進行判斷；

◆根據疲勞（láo）熱點監測的結果預測疲勞壽命、疲勞損傷；

◆根據定（dìng）期（qī）測量和巡檢的結果對結構損傷（shāng）進行定級評估；

◆綜合各種內力狀態及損傷的情況對結（jié）構進行綜合評估。綜合評估係統主要處理的信息（xī）包括：

◆人（rén）工巡檢獲得的損傷信息；

◆自動化監測子係統獲（huò）得的變形、索力以及應力等信息（xī）；

◆識別子係統獲（huò）得的（de）內力、剛度等信息。

（2）安全綜合評估總體設計

①結構（gòu）狀況評估係統總體框架

結構狀況評（píng）估係（xì）統是橋梁運營期監測（cè）係統的核心，評估係統（tǒng）應密切結合大橋的管養要求，做（zuò）到“預測性維護、評估式維（wéi）護（hù）”，對（duì）橋梁的運營（yíng）期狀況以及可能的發展趨勢（shì）有清晰（xī）的了（le）解，對橋梁構件的不（bú）正常表現做出及時診斷，並提出對策建議。結構狀態評估係統分為在線評估和離線評估兩個部（bù）分：

◆在線評估主要對實時采集的（de）監測數據進行基本的統計分析、趨（qū）勢分析，並與其閾值對比，給出結構的初步（bù）安全狀（zhuàng）態評估（gū）。

◆離線（xiàn）評估主要對（duì）各種監（jiān）測數據（包括人（rén）工巡檢獲得的信息）進行（háng）綜合的高級分析，以給出結構（gòu）全麵的（de）評估結論。離線評估（gū）係統分為正常（cháng）狀態評估子係統和突發事件狀態評估子係統。正常使用狀態評估（gū）頻度每半年（nián）一次。橋梁建成後5年內（nèi），評估（gū）的重點（diǎn）是結構安全性和使用性；5年後，耐久性也列入重點評估內容。

②評估報告

結構狀況評估根據係統采集的數據、其它監測係統及常（cháng）規檢（jiǎn）查養護係統（tǒng）的信息，通過在線評估、離線（xiàn）評估，完成結構狀況月度報告（一年以後改為季度報告）、年度報告、突發事件評估報告、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（gū）主要以月度報告（季度報告）的形式體現，包括各傳（chuán）感器數據的統計分析結果、有關結構安全的狀況，給出橋梁結構安全（quán）狀態的初（chū）步結論。

離線評估主要以半年或年度報（bào）告的形式體現，全麵評估結構的（de）狀（zhuàng）態（tài）指標。離（lí）線評估還包括重要臨時事件報告及突發事件評估報告。

5.億維股份橋梁（liáng）健康綜合管理平台

過去的人工巡檢存在檢查內容不一、記錄格式較為混亂、難以歸（guī）檔及查閱、監（jiān）測質量過分依賴檢查人員水平和經驗等問題。億維股（gǔ）份橋梁健康綜合管理平台擬（nǐ）采用基於電子化的人工檢查（chá）的養護管理係統來綜合管理定期巡檢過程中所記錄到的橋（qiáo）梁表麵損傷及表麵異常（cháng）情況。建立橋梁健康綜合管理平台的目的就是為了輔助有關部門（mén）對所轄橋梁進行科學有效的管理，取得最大的經濟效益和社會效益。橋梁（liáng）管理係統的主要（yào）功能可以概括為橋梁（liáng）數據采集、橋梁狀態評估、橋梁狀態預測、維修方案選擇。相應的，係統的模塊主要分為數（shù）據采（cǎi）集模塊、評估模（mó）塊、預測模塊、決策（cè）模塊。主要（yào）包括：橋（qiáo）梁構件使用年限（xiàn）、狀態退化規律、維修的單位費用、維修（xiū）的（de）工程量和施工進度、維修對狀態（tài）的影（yǐng）響、通貨膨脹等對維修費用（yòng）的影響、交通量（liàng）的增長等。