【解决方案】桥梁健康监测

2024-05-0620

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1、监测背景

1.1 监测背景

随着人口的不断增长，城市化步伐的加快，交通基础设施建设成为了各国重点建设领域之一。公路桥梁作为基础交通建设的重要组成部分，对于现代化交通系统的发展和运行起着重要作用。中国公路桥梁行业自改革开放以来发展迅速，从一开始的空白到如今成为世界上拥有型公路桥梁的国家之一。随着国家进一步推进公路网建设以及农村公路建设，公路桥梁规模逐年扩大，新增大型公路桥梁不断涌现。

目前，中国已经建成的道路桥梁数量超过100万座，总长度超过100万公里。其中，高速公路桥梁数量Z多，占比超过50%。此外，截至2019年底，中国的公路总里程已经超过了5.2万公里，其中高速公路里程达到了1.4万公里。涉及梁式桥、拱桥、刚架桥、悬索桥、斜拉桥各个结构类型。

庞大的公路桥梁网络，使得今后公路桥梁行业维护管理将更加严格，包括路面修复、桥梁加固、防护设施、防灾减灾等，这不仅可以延长公路桥梁的使用寿命，保证道路安全，还可为解决“大修大建”造成的交通瘫痪问题发挥积极作用。

建立健全公路桥梁安全监测体系，加强地震风险评估和抗震设防，为公路桥梁的确保安全保驾护航。其中，桥梁健康监测系统在重要桥梁和路网桥梁得以广泛应用，其在指导桥梁高效管养，桥梁病害的预防性治理方面起到了积极作用。

为满足长大桥梁运营养护管理需求，保证桥面行车的安全顺畅，及时报告桥梁异常状态，促进桥梁结构健康监测技术实用化与大桥养护的时效性。中地恒达凭借多年桥梁监测经验，将传感器、物联网、云计算等技术结合，综合分析桥梁施工、运营的实际情况，有效提升桥梁健康监测的感知能力，对桥梁病害起到“防微杜渐”的作用，以产生更大的社会和经济效益。

1.2 监测的必要性

桥梁建成后随着运营时间的推移，桥梁各构件将面临各种损伤及内力状态的改变，相应桥梁的刚度和承载能力就会出现不同程度的衰减，这些损伤和内力状态的改变如果能够被预先警告获知，并且及时进行适当的调整、维护、维修，就不会危及桥梁结构的运营安全，否则在长期疲劳下，多种因素耦合作用可能导致灾难性事故。

桥梁设施在长期的使用过程中，由于环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用，将不可避免地导致结构和系统的损伤累积和抗力衰减，从而抵抗自然灾害，甚至正常环境作用的能力下降，极端情况下可能引发灾难性的突发事故。对于大型桥梁结构而言，由于其大跨、动载、构造复杂等结构特点，使其力学行为复杂，在大桥的使用过程中，又受到车辆荷载、风载、冲击振动等复合载荷作用，再加上环境气候的氧化、腐蚀、材料老化等因素的影响，将使桥梁的结构健康状态逐渐发生变化。

当桥梁在对局部质量严重退化的结构进行维修更新时，由于不能对结构各构件的损伤状况做出准确的评估，常常不得不过于保守的对可能有问题的部件予以全部更换，造成不必要的材料浪费和经济损失。

因此，如果不能对桥梁结构的健康状态进行及时监测评估，则难以及时发现并消除桥梁结构的安全隐患。一旦桥梁局部失效或整体承载能力不足，势必会影响桥梁结构正常使用，甚至造成灾难性的重大事故，造成重大的人员和经济损失。

为实时掌控桥梁的安全使用状况，辅助大桥管理和养护，构建一个技术先进、措施合理、实用经济、易于管理、开放兼容、符合桥梁运营环境和结构特性的桥梁结构在线健康监测系统是十分必要的。

1.3 监测的意义

随着科学技术的发展，综合现代测试与传感技术、网络通信技术、信号处理和分析技术、数学理论和结构分析理论等多个学科领域的桥梁结构健康监测系统，可极大地延拓桥梁的监测内容，并可连续地、实时地、在线地对结构“健康”状态进行监测和评估，对桥梁的运营安全和提高桥梁的管理水平具有极大的指导意义。通过为桥梁建立一个先进实用的桥梁健康与安全状况监测系统，主要功能如下：

（1）通过对相关的内容的监测，建立监测系统，实时掌握桥梁施工、运营状况，有效保证桥梁的安全。

（2）了解桥梁的结构变形、应力等情况，当超过预警值时可及时预警，实现桥梁服务水准的实时安全报警，并通知相关单位及时采取相应措施。

（3）通过监测数据，对灾害进行有效评估，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）合理配置桥梁养护维修资源，为降低桥梁运营维护成本提供科学技术依据，保证桥梁检查维修策略制订具有针对性、及时性和高效性。

（5）为科学研究提供数据支撑。通过对桥梁的监测，获取结构应变的原始数据，为相关的科学研究提供相关数据和分析服务。

（6）验证桥梁的设计建造理论与方法，以及施工工艺，从而完善相关设计施工技术规程，提高桥梁设计及加固方法的设计水平和安全可靠度，保障桥梁的使用安全，具有重要的社会意义、经济价值和广泛的应用前景。

1.4 监测的依据

监测系统设计主要参考以下相关规范和标准和相关的技术文件：

（1）《公路桥梁结构监测技术规程》(JT/T 1037-2022）；

（2）《建筑与桥梁结构监测技术规范》（GB50982-2014）；

（3）《结构健康监测系统设计标准》（CECS333-2012）；

（4）《公路桥涵养护规范》（JTG 5120-2021）；

（5）《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T 3650-2020）；

（6）《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/T H21-2011)；

（7）《建筑变形测量规范》（JGJ8-2016）；

（8）《桥梁工程检测手册》，人民交通出版社，2010；

（9）《桥涵工程试验检测技术》，人民交通出版社2004；

（10）《综合布线系统工程设计规范》（GB 50311-2016）；

（11）《公路工程质量检测评定标准》（JTG F80/1-2017）；

（12）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018)

（13）《公路工程技术标准》(JTG B01-2014)；

（14）《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）；

（15）《工程测量规范》(GB 50026-2007)；

（16）《工程振动测量仪器和测试技术》，中国计量出版社，2001；

（17）《建筑物防雷设计规范》(GB 50057-2010)；

（18）《综合布线系统工程验收规范》（GB/T 50312-2016）；

（19）《计算机软件可靠性和可维护性管理》（GB/T14393－2008）；

（20）《计算机场地安全要求》（GB/T9361-2011）；

（21）《电气装置安装工程低压电器施工及验收规范》（GB 50254-2014）

以及其他相关的施工设计图等。

2、监测内容

2.1 监测内容

根据《公路桥梁结构监测技术规程》(JT/T 1037-2022)并结合桥梁结构特点，对于各类结构桥梁使用期间的桥梁健康监测项目，如下表所示。

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2.2 监测方法

2.3 测点布设

监测测点布设应能够把握环境、作用、结构响应和结构变化的特征,兼顾代表性、经济性、可更换性,并考虑设备布设条件所受约束性。

结构响应和结构变化监测的测点宜布置在受力较大,变形较大、易损、影响主要部件安全耐久和结构整体安全的位置、已有病害和损伤的位置。对性能退化,损伤劣化严重的桥梁构件,应针对性增加监测测点数量。

监测测点布设应明确传感器的类型、数量,安装位置和方向,宜可更换。对不可更换的监测测点,宜做几余布设。对关键部件或关键构件监测内容,可布设校核测点。

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悬索桥测点布设示意图

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斜拉桥测点布设示意图

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梁桥测点布设示意图

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拱桥测点布设示意图

3、系统设计

系统的设计应满足一定的原则，尽量做到可靠、经济、合理。监测系统是提供获取桥梁结构信息的工具，使决策者可以针对特定目标做出正确的决策，设计原则如下：

（1）保证系统的有效性。针对桥梁的结构特点，根据结构状态识别和安全性评估要求确定监测系统的监测项目与传感器测点布设。

（2）保证系统的可靠性：由于桥梁结构安全监测系统为野外实时运行，需保证系统的可靠性，否则先进的仪器，在系统损坏的前提下也发挥不出应有的作用及效果。

（3）保证系统的先进性：设备的选择、监测系统功能与现在技术成熟监测及测试技术发展水平、结构安全监测的相关理论发展相适应，具有先进和超前预警性。

（4）可操作和易于维护性：系统应易于管理、易于操作，对操作维护人员的技术水平及能力不应要求过高，方便更新换代。

（5）系统应该具有很好的开放性、兼容性。在满足功能要求的前提下，应充分考虑现代技术的快速发展，以便系统升级。同时能够实现与交通工程、管理养护等系统对接，实现信息共享。

（6）系统具有远程固件升级功能：根据系统自检以及系统需求可通过远程固件进行完善，且系统具备各种类型的通讯协议和接口，可为后期设备升级服务。

（7）以Z优成本控制：监测系统的一个原则就是利用Z优布控方式做到既节省项目成本、后期维护投入的人力及物力，又能Z大限度发挥出监测的效果。

总之，系统坚持贯彻“技术可行、实施可能、经济合理”的基本原则，使得监测系统做到可用、实用、好用的程度，充分发挥作用，为桥梁养护管理及安全运营提供数据上和技术上的支持。

3.2 系统组成

系统由感知层、传输层和运用层组成，具体为传感器系统、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、安全评价和预警子系统，通过各个层相互协调，实现系统的各种功能。现就对系统组成及功能进行介绍。

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3.3 传感器子系统

自动化监测传感器子系统作为感知层，是整个监测系统的基础部分，能在恶劣条件下，对监测结构物的各监测项能提供真实、实时和可靠的安全监测数据。传感器子系统即把结构等的变化，转换成其他信号的方式，例如声、光、电、磁等，对结构的变化进行定量，转换成人们比较熟悉的数值等，从而了解结构的受力及其他参数等。

3.4 数据采集子系统

数据采集子系统就是采集传感器子系统测量的环境条件和结构自身的声、光、电、磁等信号，并将信号处理成数字信号。数据采集子系统应当具有一定的诊断功能，对于异常的信息数据、传感器失效和损坏部位等能进行快速的分辨，并且保证系统能够在恶劣的气候条件（如雨、雪、台风、地震、暴雨等）下正常运行，连续的采集传输桥梁安全监测各监测项的信息数据。数据采集子系统还具有一定的数据初步处理功能。

3.5 数据传输子系统

数据传输子系统常用的通信方式有GPRS/4G/5G、光纤和无线网桥。视频数据的传输常用的方式有光纤等。组网方式的选择原则如下：

（1）现场和监控中心可通视，且距离不超过10km，可考虑采用无线网桥的方式进行数据传输；

（2）现场无手机信号或数据流量过大（含视频监控）时，需采用光纤进行传输。

3.6 数据库子系统

数据库子系统是一种数据处理系统，为实际可运行的存储、维护和应用系统提供数据的软件系统，是存储介质、处理对象和管理系统的集合体。其软件主要包括操作系统、各种宿主语言、实用程序以及数据库管理系统。数据库子系统由数据库管理系统统一管理，数据的插入、修改和检索均要通过数据库管理系统进行。数据管理员负责创建、监控和维护整个数据库，使数据能被任何有权使用的人有效使用。

3.7 数据处理与控制子系统

数据处理与控制子系统是数据传输子系统的下一个环节，对于数据采集和传输子系统采集传输过来的大量原始数据资料，需要通过数据处理与控制子系统，进行深一步的处理和分析。通过软件、硬件系统的处理，进行数据校对检验、总体数据初步分析、响应后续子系统功能模块的指令等等。数据处理和控制子系统实现了数据查询、存储、可视化等结构化处理，控制着桥梁处安装的数据采集设备，通过数据库操作实现了数据的提取和处理，是对原始数据进行处理和分析的关键系统部分。

数据处理与控制主要包括对数据进行过滤、二次处理等，并用原始数据或曲线等进行展示，然后多终端，进行原始数据或者以曲线的形式等进行展示，打印相关表、数据等。

3.8 安全评价与预警子系统

安全评价与预警子系统的主要功能就是对采集数据进行统计分析，并对各种环境条件下，在一定的温度和荷载作用下，结构关键部件和控制截面的参数值，确定应力等的值域范围。在各种情况下，监测关键参数的变化，并通过数据判断出变化趋势，在遇到突发状况的时候，能够提前判断结构各种状况，在应力和应变等达到限值的时候发出预警信息，结合预警机制，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，防止灾害的发生或扩大，减少损失。

4、设备选型

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