关于桥梁健康监测与安全运维的发展应用探究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：邵雪荣（1977），女，汉族，江苏连云港人，中级职称，本科，研究方向交通工程质量监督。-169-关于桥梁健康监测与安全运维的发展应用探究 邵雪荣 灌南县交通运输综合行政执法大队，江苏 连云港 223500 摘要：摘要：在中国，随着经济发展和交通基础设施建设的加快，大量桥梁的运营安全状态形势严峻，存在病桥、危桥等问题，给人民生命财产和社会政治带来危害和影响。由于传统桥梁检测方法存在诸多不足，为保证及时获取桥梁的监测信息，宜设计出适合桥梁的健康监测系统。桥梁健康监测系统通过传感器实时获取与分析数据，辅以传统检测的方法，为桥梁维护、修复和加固提供有力支持。为保障桥梁的安全运行，发展应用桥梁健康监测与安全运维至关重要。关键词：关键词：桥梁；健康监测；安全运维 中图分类号：中图分类号：U44 1 概述 1.1 桥梁健康监测与安全运维的发展背景 随着我国经济的迅猛增长和交通基础设施建设的提速，桥梁建设日新月异。但是，众多桥梁的通车运行也带来了日益严峻的运营安全问题：其中不乏大量旧桥，一部分在最初的设计与施工阶段就已经存在风险；另一部分的设计荷载已无法满足当前车辆荷载的需求。有的使用过程中经常超载运营，损伤严重。据统计数据显示，在目前 80 余万座公路桥梁中有约 10万余座为危桥。并且，桥梁的数量依然在不断增加，既有的桥梁老化，以及交通流量的急剧增长，尤其是重载车辆的持续增多，危险桥梁的数量仍然呈现出治理一边又增长一边的趋势。近年来，桥梁垮塌事故不断，据统计，2000 年到 2022 年国内大型桥梁坍塌事故93 起。这些大量的桥梁事故不仅给国家造成了巨大的经济损伤，更给遇难者亲属带来难以磨灭的伤痛，已演变为一类社会危害，也引起了党和国家领导人的高度关注。2011 年召开的国务院常务会议上，明确要求：“全面排查和消除安全隐患。要针对近期事故多发暴露的突出问题，对以铁路、公路、桥梁为重点的交通运输，开展全面、系统、彻底的安全隐患排查”。1.2 桥梁健康监测与安全运维的必要性 传统上，桥梁结构的评估主要依赖于人工进行目视检查或使用便携式仪器进行数据获取分析。这些方法主要包括一般性检查、定期检查和在特定情况下的特殊检查。然而，实际应用中这些方法显示出明显的局限性：（1）人工检查方法费时费力，并且存在检查盲点。对于现代的大型桥梁来说，这个问题尤为突出，因为这些桥梁的结构形式往往非常复杂，而且很多构件和隐蔽工程部位很难直接进行检查；（2）人工检查的结果客观性不足，难以进行量化评估。这主要是因为检查结果主要取决于现场检查人员的专业知识和现场检测经验。尽管现代大跨桥梁的分析设计和施工技术已经越来越完善，但是对于某些响应现象，尤其是某些处于发展阶段的损伤现象，我们还在积累经验，因此定性与定量化描述尤为关键；（3）人工检查缺乏整体性。检查人员通常以单一的构件作为检查对象，而现代使用机械、光学、超声波和电磁波等技术的检测工具，也只能提供局部的检测和诊断信息，无法对桥梁的整体结构安全进行综合性的评估与分析；（4）人工桥梁检查可能会对正常的交通运行造成影响。在对大型桥梁进行检测时，通常需要观察平台或观测车辆进行辅助检查，这就不可避免地需要实施交通控制，从而影响交通的正常运行；（5）人工检查的时程长，实时性差。对于大型桥梁的检查周期可能会长达数年。在发生重大事故或严重自然灾害的情况下，人工检查的数据无法及时向社会提供即时的信息，因此无法满足快速响应的需求。1.3 桥梁健康监测与安全运维的应用途径 桥梁健康监测系统通常由传感器、数据采集器、传输设备和数据处理软件等部分组成。传感器负责监中国科技期刊数据库 工业 A 测桥梁的关键指标，如变形、应力、振动等；传感器所获数据定期传输至数据采集器中；数据中心接收到来自采集器经传输设备所提供的数据；数据处理软件对收集的数据进行分析，评估桥梁的健康状态。桥梁结构健康监测系统数据分析处理功能总体构成见下图，主要由数据采集与整合模块，数据分类挖掘模块，存储模块与数据管理界面 4 部分组成。图 1 数据分析处理功能构成方案示意图 2 桥梁健康监测的技术手段 健康监测系统相较于传统检测技术更为及时和准确。它利用了各种数据收集仪器，这些仪器被布置在桥梁的关键部位，对桥梁的各种参数进行实时的的监测。这种方式不仅提高了检测效率，而且能够实时反馈桥梁的状态，使得潜在的问题都能被及时发现和解决。以下将介绍几种常见的桥梁监测仪器以及常用方法：2.1 裂缝监测技术 通过柔性导电涂料分布式裂缝传感器对裂缝进行监测，比以往的振弦式裂缝计覆盖面大，对裂缝监测的范围更广，其通过实时监测裂缝宽度和发展趋势，判断桥梁结构在运营阶段处的稳定状态，同时为桥梁结构进行安全性和耐久性分析提供依据。分布式裂缝传感器对裂缝进行监测与传统监测技术相比的五大优势：分布式、全寿命、高灵敏度和精度、高可靠性、综合成本低。（1）分布式 单个传感器可监测 2 到 3 米区域内任意位置混凝土开裂，监测范围更大，可在裂缝出现就进行安装监测；而目前常用的钢弦式、光纤光栅式传感器监测范围只有 10cm 左右，因此不能对已出现裂缝的发展趋势监测。（2）全寿命 传感器采用了是类似于橡胶的柔性高分子材料，断裂延伸率大幅度提高，不会像断裂延伸率低的碳纤维丝在裂缝出现后不久就断裂无信号输出，能对裂缝发生、扩展直至破坏的全过程进行监测。（3）高灵敏度和精度 在裂缝瞬间出现时，导电涂料传感器的电阻值变化量可以是结构应变和环境温度变化引起电阻变化的数倍甚至十几倍。这意味着采集的信息对环境温度等干扰的敏感度较低，从而更容易准确地提取裂缝信息。（4）高可靠性 与光纤光栅式传感器易折断和受环境影响相比，柔性导电涂料分布式裂缝传感器具有很好的化学和温度稳定性。（5）综合成本低 以传统的电阻值作为识别变量，柔性导电涂料分布式裂缝传感器是在成熟的原材料和元器件基础上制造而成的。因此，相比于光纤光栅、分布式光纤等监测方式，该方法的硬件综合成本要低得多。2.2 挠度监测技术 桥梁结构健康监测系统中对主梁挠度监测可以采用静力水准仪进行监测，其可以通过监测桥梁的空间位移，确定桥梁的变形状况、几何线形等，从而提供资料以便评估桥梁的状态；为评价桥梁的适用性提供依据。静力水准仪在进行挠度监测时具有测量精度高、误差小以及测试速度快的优势。在通过静力水准仪测量桥梁挠度的方法中，桥梁主跨各位置的高差对设备的选型、安装、调试要求不同。当主跨跨径相对较长时，可根据桥梁设计文件计算跨中截面箱梁与主跨两端箱梁的相对高差，以此数值明确在静力水准仪的安装过程中，是否需在四分点设立节点，增加储液罐数量对桥梁挠度进行监测。2.3 主梁混凝土结构构件应变监测技术 在桥梁健康监测系统中，为了监测箱梁应变，获得箱梁内部温度分布，且获取主梁温度/应变的实时情况，可以采用振弦式应变计对结构物进行监测。振弦式应变计可以输出频率信号，因而不会受到电阻或受潮引起的衰变的影响，其还具有较高的灵敏度以及测量精度，能够测量微小的应变以及温度变化。在工程建设中，振弦式应变计应根据结构计算分析和易损性分析，选择受力较大的关键截面部位进行铺设，从而对主梁关键构件进行截面静态和动态应变监测。2.4 主梁振动监测技术 170中国科技期刊数据库 工业 A 为监测桥梁主梁的振动情况，可以使用单向加速度计实时监测桥梁主梁的振动加速度。通过测量主梁在不同时间点的振动速度和加速度，可以得到主梁的振动特性，如振幅、频率等。在建立桥梁健康监测系统时，使用单向加速度计可以对监测到的数据进行实时传输和处理。数据采集系统可以记录和分析传感器输出的信号，提供桥梁主梁的振动趋势和状况。根据监测到的振动数据，对主梁振动进行实时监测，并根据振动频谱对构件的振动进行监测及预警，同时可根据数据进行模态分析，判断结构振动衰减情况。在工程建设的实际运用中，梁竖向和横向振动监测测点应根据主梁振动振型确定，宜布设在振型峰值点处，避开振型节点；测点位置应至少包括主跨跨中和 1/4，3/4 主跨。2.5 环境温湿度监测技术 为实时监测桥址区的环境温度与湿度，应使用大气温湿度计对所需数据进行测量。根据技术指标的要求，大气温湿度计应安装专用防护罩与防撞、抗震措施。温湿度计的数据可以作为重要依据，分析大桥在环境温度下结构受力的变形、结构状态与耐久性。在工程建设过程中，桥址区环境温度和湿度的测点宜布设在桥梁跨中位置，可根据桥梁跨径、构造、联长增设测点。对于桥梁构件所组成的封闭空间，应按要求布设环境温度和湿度测点。对于安装在箱梁上桥面的大气温湿度计，传感器应制作安装支杆和支架，传感器与桥面的竖向距离应大于 1.0m。3 桥梁安全运维的数据管理与预警分析 桥梁监测预警系统具备实时数据分析、损伤识别和安全预警等多项功能。通过对桥梁结构实时监测数据的收集和结构状态分析，结合巡检结果，该系统能够全面评估桥梁的安全使用状况，并及时发出预警和报警信息。此外，桥梁监测预警系统还能对巡检和监测数据进行趋势分析、相关与相干分析以及回归分析，以预测桥梁结构的变化规律和潜在风险。针对结构应力、变形、索力等关键监测参数，该系统可设定预警指标，并根据监测数据的分级情况提供相应的预警级别，以确保桥梁的安全运营。具体功能要求如下：（1）通过对监测数据的深入提取和挖掘，能够进行详尽的统计和对比分析，有助于综合评估桥梁结构的整体状态。为确保桥梁的安全和持久性，定期提供桥梁结构数据报告，为桥梁养护管理单位提供有力指导，以实施高效、有针对性的养护管理措施；（2）为了确保桥梁的安全，应当设立指标以预先识别可能的安全风险。针对预警参数，需要构建专门的计算模型，并设定相应的阈值。利用实时监测数据，可以对桥梁的结构状态和损伤进行识别，并结合损伤识别结果和定期巡检报告，对桥梁结构的安全使用状况进行全面预警，以确保桥梁的稳定性和安全性；（3）基于数据分析结果和可能出现的桥梁异常状况，给出相应的对策和维护管养建议，以完善桥梁维修管养制度；（4）要求系统预留数据接口，方便后期系统的扩展和补充。3.1 数据处理子系统（1）监控中心 监控中心作为整个结构健康监测系统的核心，涵盖了数据管理与控制子系统，该系统负责数据采集的控制、处理、分析、统计及显示。其构成包括数据管理与控制计算机、服务器、磁盘阵列、数据库及相关软件。数据处理与管理子系统对实时传输的数据进行处理、归档、显示和存储。用户可通过专用的账户密码在 Internet 上进行访问位于数据中心的 WEB 服务器，获取相关的实时数据和分析数据。若出现异常情况，系统会迅速发送报警信息至相关工作人员，确保及时通知相关的桥梁管理人员。（2）数据管理系统 数据管理系统作为桥梁安全监测系统的重要组成部分，主要由数据分类软件、数据分析以存储管理软件组成，共同确保桥梁安全监测的准确性和及时性。在面对众多桥梁进行监测所产生的庞大数据时，有效的数据管理和快速的数据分析手段显得尤为关键。只有这样，才能确保安全预警工作的顺利进行，及时发现并解决可能存在的安全隐患。在国省干线公路的管理和指挥系统中，GIS 电子地图是最为直观和高效的数据发布方式，它能够为决策者提供实时的、全面的信息。与此同时，实时采集系统在数据处理上的及时性和便利性，与间断便携式采集系统相比具有明显的优势。3.2 预警子系统（1）结构状态预警 171中国科技期刊数据库 工业 A 结构状态预警属于有模型预警体系中的关键环节，通过数据处理与分析子系统，获得桥梁的结构状态的变化信息，一般包括静力状态识别预警和动力状态识别预警两个方面。这两种预警方式均可通过定期分析或特殊事件触发（例如超载、地震等）来启动相应的在线内力状态识别模块和结构模态识别模块，以进行分析和预警。这种预警体系有助于及时发现结构状态的变化，为采取相应的维护和修复措施提供重要的参考依据。静力状态识别预警通过结构静力响应指标对比的方法予以实现。静力响应指标对比首先需进行结构静力响应与环境参数的相关性分析。在桥梁竣工至通车运营期间或运营初期的一至两年内，于无车恒载状态下，建立结构响应与环境变量之间的相关函数模型。该函数模型可被用于深入分析未知状态的数据，在消除了环境因素对结构的影响下，从而获取结构的准恒载状态。通过精确比较当前结构状态与成桥恒载基准状态的静力响应指标，实现对结构异常状态的有效预警。这种方法不仅提高了预警的准确性，还为桥梁的安全运营提供了有力保障。动力状态识别预警是借助动力性能指标对比来实现。为得出频率、阻尼比等结构模态参数，需通过监测系统加速度传感器对所获得的时程数据进行模态计算分析，再根据成桥时所获得的动力性能指标与传感器所获得参数进行比较，从而判定结构动力特性是否异常。（2）趋势预警 趋势预警主要是考虑结构的累积性损伤随时间的发展，并对之进行分析及预测。预测的方法采用回归分析及时间序列分析。预测的内容包括频率、静力指标等，例如结构内力和线形。每次所获得结构准恒载状态数据后，也需进行趋势分析，获得准恒载状态随时间的变化趋势，从而掌握结构整体状态的变化趋势或规律。趋势预警是个长期过程，需要样本的不断积累，因此每次的动静力状态识别预警的分析结果均需进行存档。4 总结 桥梁健康监测系统以现代化技术为手段，通过数据集成处理系统对桥梁进行监测与预警，为桥梁的健康监测与安全运维提供强有力的支持，从而保障桥梁的运营安全和延长使用寿命，为桥梁的维护、维修和管理提供科学依据和指导。参考文献 1刘星雨.桥梁健康监测工作中静力水准技术的应用实践分析J.价值工程,2023,42(15):159-161.2邢春超.桥梁健康监测系统发展应用趋势研究J.交通科技与管理,2023,4(17):171-173.3邓卫平.公路桥梁项目健康监测及安全预警J.交通科技与管理,2023,4(12):147-149.172