中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
一、橋梁結(jié)構(gòu)安全健康監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。隨著社會經(jīng)濟(jì)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?yàn)閻毫邮褂铆h(huán)境、荷載作用、年限過長等因素導(dǎo)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(yán)重。按交通運(yùn)輸部《關(guān)于進(jìn)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(shí)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(shè)養(yǎng)護(hù)管理水平進(jìn)入世界前列?！睘榱藢?shí)現(xiàn)各階段橋梁生命線狀態(tài)的可知性、可測性，及時(shí)了解、掌握橋梁的健康動態(tài)與安全狀態(tài)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)理論并指導(dǎo)后續(xù)同類型橋梁的設(shè)計(jì)，對其建立一個(gè)科學(xué)的運(yùn)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(shè)及運(yùn)行，可準(zhǔn)確、全面掌握橋梁運(yùn)營期的環(huán)境參數(shù)及結(jié)構(gòu)響應(yīng)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(xué)行為進(jìn)行預(yù)警和初步評估，為橋梁的安全運(yùn)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(yù)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(fēng)險(xiǎn)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(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)監(jiān)測、研判技術(shù)水平逐步提高，橋梁平均服役壽命將大幅提升，實(shí)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(yù)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(yīng)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(yīng)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(yù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(guān)，橋梁收到承載車輛、行人及索拉的共同作用，受力復(fù)雜，因此對梁體撓度進(jìn)行監(jiān)測極為重要，主要采用靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行測量。
2）裂縫監(jiān)測
裂縫監(jiān)測采用裂縫針進(jìn)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(qiáng)度和幅值）是橋梁整體安全的標(biāo)志，橋梁材料的強(qiáng)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(yù)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(gè)影響斜拉橋和懸索橋的一個(gè)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(diǎn)三維空間位置變化進(jìn)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(yīng)變監(jiān)測
主要通過應(yīng)變監(jiān)測實(shí)現(xiàn)，主要檢查橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)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?？梢粤私庾鳛橹饕辛?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(yīng)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(jìn)行耐久性評價(jià)不可缺少的數(shù)據(jù)資料。
3）風(fēng)力監(jiān)測
風(fēng)力是橋梁結(jié)構(gòu)主要動力荷載之一，在風(fēng)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(dǎo)致橋梁抗力衰減。通過檢測風(fēng)速、風(fēng)向、統(tǒng)計(jì)最大風(fēng)速值，可以得出結(jié)構(gòu)的風(fēng)與結(jié)構(gòu)響應(yīng)關(guān)系，了解橋梁受風(fēng)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(fēng)致靜力的影響和水流對橋墩的沖擊，通過實(shí)施監(jiān)測，實(shí)施掌握橋梁在雨水天氣的實(shí)時(shí)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(diǎn)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(gè)時(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)控，具備緊急情況時(shí)的應(yīng)急響應(yīng)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(yuǎn)程傳輸?shù)男盘?，并完成信號的遠(yuǎn)程傳輸及解調(diào)任務(wù)。數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)同時(shí)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(shè)計(jì)主要應(yīng)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(yù)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(gè)大系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)具有以下特點(diǎn)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(kuò)展性和開放性，容易進(jìn)行傳感器升級；
◆自動對各傳感器信號進(jìn)行實(shí)時(shí)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(bào)警的功能；
◆各監(jiān)測項(xiàng)目在現(xiàn)場具有數(shù)據(jù)緩存和預(yù)處理功能；
◆具有單點(diǎn)故障不影響控制網(wǎng)絡(luò)其他部分的功能；
◆數(shù)據(jù)采集軟件應(yīng)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(dǎo)致整個(gè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)非常臃腫，因此，應(yīng)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(jìn)行采集：
A.定時(shí)制，預(yù)先設(shè)定采樣的時(shí)刻和采樣時(shí)間；
B.觸發(fā)制，設(shè)置閾值或其它觸發(fā)條件，結(jié)構(gòu)測點(diǎn)滿足觸發(fā)條件時(shí)采樣，采樣時(shí)長可預(yù)定或根據(jù)事先確定的條件來終止采樣；
C.統(tǒng)計(jì)制，采用雨流計(jì)數(shù)法進(jìn)行譜統(tǒng)計(jì)和記錄，并采用統(tǒng)計(jì)的方法同時(shí)記錄每統(tǒng)計(jì)時(shí)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(jì)方式存儲；相對而言，動態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于靜態(tài)數(shù)據(jù)，故重點(diǎn)考慮動態(tài)數(shù)據(jù)的采集與存儲。理論與試驗(yàn)都證明，結(jié)構(gòu)的高階動力特性與結(jié)構(gòu)損傷的關(guān)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(zhǔn)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(shí)可能會突然發(fā)生，一般結(jié)構(gòu)損傷是一個(gè)緩慢累積的過程。因此可以考慮在正常情況時(shí)，可采用一天內(nèi)選擇高峰期或夜間某些時(shí)段（以滿足動力特性分析和振動響應(yīng)為前提）的方案；在特大事故或惡劣氣象時(shí)，可采用連續(xù)采集方式的隨機(jī)采集。采集完成后進(jìn)行實(shí)時(shí)動力分析和時(shí)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(jì)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(fēng)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(yīng)數(shù)據(jù)采集等內(nèi)容。
4.綜合預(yù)警和結(jié)構(gòu)評估
橋梁的健康狀況主要根據(jù)橋梁的設(shè)計(jì)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(yīng)的評價(jià)軟件完成數(shù)據(jù)分析與解釋、結(jié)構(gòu)健康狀況評價(jià)、結(jié)果數(shù)據(jù)管理、生成結(jié)構(gòu)健康狀況報(bào)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(jìn)行趨勢對比、分析與預(yù)測；
◆對結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形等監(jiān)測參數(shù)建立有明確的預(yù)警指標(biāo)，能夠?qū)ζ浔O(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分級預(yù)警；
◆根據(jù)內(nèi)力基準(zhǔn)狀態(tài)識別的結(jié)果并在此基礎(chǔ)上進(jìn)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(jìn)而對其進(jìn)行安全程度進(jìn)行判斷；
◆根據(jù)疲勞熱點(diǎn)監(jiān)測的結(jié)果預(yù)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(jìn)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(jìn)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(yīng)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(shè)計(jì)
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(yùn)營期監(jiān)測系統(tǒng)的核心，評估系統(tǒng)應(yīng)密切結(jié)合大橋的管養(yǎng)要求，做到“預(yù)測性維護(hù)、評估式維護(hù)”，對橋梁的運(yùn)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(shí)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(gè)部分：
◆在線評估主要對實(shí)時(shí)采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行基本的統(tǒng)計(jì)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(jìn)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)安全性和使用性；5年后，耐久性也列入重點(diǎn)評估內(nèi)容。
②評估報(bào)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(hù)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(bào)告（一年以后改為季度報(bào)告）、年度報(bào)告、突發(fā)事件評估報(bào)告、預(yù)警報(bào)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(bào)告（季度報(bào)告）的形式體現(xiàn)，包括各傳感器數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果、有關(guān)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(bào)告的形式體現(xiàn)，全面評估結(jié)構(gòu)的狀態(tài)指標(biāo)。離線評估還包括重要臨時(shí)事件報(bào)告及突發(fā)事件評估報(bào)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(yàn)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(hù)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(guān)部門對所轄橋梁進(jìn)行科學(xué)有效的管理，取得最大的經(jīng)濟(jì)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(yù)測、維修方案選擇。相應(yīng)的，系統(tǒng)的模塊主要分為數(shù)據(jù)采集模塊、評估模塊、預(yù)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(fèi)用、維修的工程量和施工進(jìn)度、維修對狀態(tài)的影響、通貨膨脹等對維修費(fèi)用的影響、交通量的增長等。
