桥梁管养中结构健康监测系统应用分析
时间：2023-04-20 10:35:05 来源：千叶帆 本文已影响人
潘顺兴、龚小俊
（1.贵州黔程弘景工程咨询有限责任公司，贵州贵阳 550018；
2.贵州宏信创达工程检测咨询有限公司，贵州 贵阳 550014）
桥梁管养中结构健康监测主要是应用先进设备，比如传感器设施，获取桥梁运行环节的数据，加强采集和使用，并处理相关的数据，为质量问题的分析提供基础。在数据采集时，获取桥梁荷载与环境作用信息，掌握各个结构性能的参数，以得出桥梁的运行状态，做出合理的评估与分析，形成预警信息。对桥梁管养中结构健康监测系统应用要点加以研究，经过健康监测后掌握相关的数据信息，才能更好地了解桥梁的运行状态，根据实际情况发出预警，及时采取检修和处理措施，确保桥梁通行安全性。
桥梁在长期投入运营后，难免会出现较多的病害问题，会对桥梁的正常使用产生不利的影响，而在进行桥梁的维修前，通过开展监测和分析，以准确获取桥梁的运行状态，为精准化维修处理提供便利条件。利用健康监测对桥梁的运行状态有足够的了解，及时采取处理措施，以全面提升桥梁的通行状态和水平，为交通通行效果的提升奠定基础。但是传统的监测方式比较落后，依赖于技术人员的现场观察，精度不足，容易发生偏差，甚至有些细微的问题没有及时的修复处理，导致严重的事故发生，危害人们的生命健康，阻碍社会的发展，所以必须探讨先进的桥梁健康监测技术。本文选取某大型桥梁项目为研究对象，该桥梁长度为420m，运营时间超过10年，主桥采用飞燕式中承式钢管混凝土系杆形式，由于桥梁所处地区为城乡接合部，每日交通通行量比较大，车辆、人员都比较多，尤其是重载车辆，所以必须加强健康监测，及时维修病害问题，确保桥梁处于安全、稳定的运行状态[1]。
1.1 传统桥梁检查手段的局限性
我国一直以来都非常重视桥梁健康检测的工作，就是对桥梁进行全面性的运行状态检查，以确保桥梁运行的安全性，避免发生严重的事故问题。但是因为传统的桥梁检测依赖于人的经验、技术，所以在检测过程中受到人的行为、能力、经验方面的影响，还受到工作态度的影响，很多情况下会导致检测的误差，影响桥梁的正常通行。而人为的检测是间断性的测量方式，无法实现实时性检测，如果在某个时间段内桥梁出现了紧急的情况，比如超载通行、偶然撞击、台风等都会产生严重的后果，人员无法及时地进入现场中检查，导致桥梁工程的安全性受到很大影响，威胁到交通通行安全性。
1.2 桥梁健康监测系统的优点
桥梁结构健康系统在建设中需要大量先进技术，才能实现全面性的桥梁检查，安装多种先进的传感器设施，利用物联网技术实现信息的联合和应用，对桥梁进行实时、全天候、动态化的监测，及时掌握桥梁运行的情况，尤其是发生损坏时，快速发现存在的问题，并及时采取处理措施。通过系统将获取的数据编制成为模型，实现动态化的评估和分析，获取桥梁的健康状态。与传统人工方式检查对比，桥梁健康监测系统的优势极为明显，如速度快、效率高、反应迅速。
总之，桥梁在运行中采取人为检查以及健康监测都是极为重要的方式，这两种方式都有优点和缺点，相互补充、相辅相成，特别是对于复杂性的桥梁项目来说，综合应用以获得桥梁的使用状态。基于此，对于此次桥梁监测来说，组织专业技术人员做好日常巡查和定期检查，并结合实际情况建设一套完整的桥梁健康监测系统，快速掌握受力条件，并采取科学合理的管养措施，提高桥梁的运行性能，促进提高交通水平[2]。
2.1 建设目标
在桥梁健康监测工作的实施中，建设系统首要的工作就是进行系统创建，进行该桥梁项目的荷载以及结构响应方面的获取，实现实时监控，为桥梁在极端气候、特殊交通状态以及运行条件下及时发出预警信息，为桥梁的维护、维修、管理提供决策性作用，使得管养人员获得桥梁的各项信息，并提高管养水平，工作更加具有针对性。在该桥梁项目建设桥梁健康监测系统，要达到以下目标：一是及时掌握桥梁各个结构在交通通行状态下的运行情况，动态化检测其安全性和实用性。二是对于突发情况来说，要及时做出识别和反应，并快速检查桥梁的通行状态，合理地做出评估、预警。三是对于外部荷载，尤其是车辆荷载进行监测，快速掌握损伤的情况，为桥梁的管养和维修提供准确的信息和数据。
2.2 系统的组成
为了能够达到上述的目标，该桥梁项目建设的健康监测系统包含下述几个子系统：
其一，结构位移与受力监测子系统。该桥梁项目在结构位移与受力检测的过程中，可以快速掌握位移变化的情况。由于该桥梁项目为中承式系杆拱桥，经过对结构特点展开分析，发现其荷载传输如下：车辆荷载作用在桥面板上，桥面荷载把力传输到纵、横框架结构体系，并通过吊杆传输到主拱肋的结构上，然后从支座传输到下部结构上。因此，结构位移以及受力监测，主要是针对拱肋、吊杆、主梁、桥面板等结构进行，监测的对象是应变、变形、索力等方面，目前广泛应用的是全站仪、静力水准仪、应变传感器等设施，以掌握数据信息。
其二，环境与交通监测子系统。由于该桥梁项目位于我国的长江流域，夏季环境温度很高，并且降雨量大，空气湿度高，所以对于钢结构的耐久性会产生很大的影响，造成严重的侵蚀作用。还因为此次桥梁项目所在地区比较空旷、地势平坦，特别是秋季台风影响比较严重，受到较大风力作用，加强监测控制，以掌握相关的数据信息。此外，该桥梁项目的交通通行量比较大，还有很多的重载车辆，必须全天候进行车辆信息的监测，掌握交通量数据信息，并做好超载车辆的牌照以及车辆状态的影像记录。因此，对桥梁进行环境与交通监测的目标是掌握荷载、交通量、环境等方面的信息，目前主要应用的设备是温度传感器、称重仪、摄像机等，以掌握设备的运行状态[3]。
其三，数据传输子系统。该系统的作用是进行数据传输和使用，包含远距离传输，以快速获取相关的数据信息。因为该监测系统中通过设备快速获取大量的光信号与数字信息，再利用光纤设备通过应用双环冗余网络交换机与多芯铠装电缆形成的环路系统，提高系统监测能力和水平，达到系统通信的稳定性与可靠性。将现场监测后获取的数据信息传输到数据中心，利用无线网络方式传输，达到远程控制的效果。
其四，健康状况评估与安全预警子系统。该系统的作用是将监测中心获取的各项数据信息进行存储、分析、处理以及评估和预警，这是整个监测系统的核心部位。根据系统中的定位功能，将各个子系统实现数据的分析、状态评估以及安全预警。数据处理分析的过程中，可以在前处理与后处理方面应用。前处理的系统是将各项获取的数据展开离线分析，并且快速评估桥梁工程结构的运行状态，并且及时做出安全性的评估，对于损坏严重的情况发出预警信息，还可以对桥梁运行状态实现纵向对比，了解不同阶段的工作情况，并配合人工巡视检查的方式，及时掌握桥梁的应力、变形、索力等方面的情况，做出详细分析和研究，评价桥梁受力条件，为后续的管养工作提供基础。而对于预警的模块来说，主要是通过紧急情况下的报警处理，分析该参数、阈值、分级、通知方式等做出处理，根据预先设定的应急处理措施进行分析，提高管养工作的总体质量[4]。
该桥梁项目建设的桥梁健康监测运营时间达到8年，发现整个桥梁的工作状态较好，且现场各种传感器基本功能完善，各项工作依然可以稳定地运行，监测数据比较稳定，工作也比较连续，对于管养人员掌握桥梁的运行状态有着极为重要的作用，也为科学性管养工作的开展奠定了基础[5]。本文选择2022年1月监测数据展开分析，掌握桥梁的交通通行量与荷载参数，并利用传感器获取的数据进行分析，掌握超重荷载对桥梁通行情况的影响。
3.1 桥面交通情况
通过对环境与交通监测子系统获取的数据信息，分析出该桥梁在1月的通行车辆有34.17 万辆，最大日通行量为1.48 万辆，在中途未出现交通拥堵以及短暂停留的情况，通行比较顺畅，具体数据可见图1。
图1 1月每日通行车辆统计图
3.2 桥梁超载情况
该桥梁项目中设计荷载为城-A 级，限载40t。经过对1月数据统计发现，超出规定荷载的车辆有560辆，最大为74.14t，单日最高76 辆，具体可见图2。
图2 1月超载车辆统计图
3.3 超载对桥梁结构的影响性分析
根据监测系统获取的主拱肋顶底面应变、变形以及11#吊杆索力展开监测分析，可以绘制出变形曲线，见图3、图4、图5。
图3 主拱肋拱顶下缘应变曲线图
图4 主拱肋拱顶位移曲线图
图5 11#吊杆索力曲线图
经过对几个图的分析可以确定，各个监测项目的曲线变动规律是比较相似的，并且1月每日最大车辆重载的变化规律是非常相似的，峰值出现在1月1日，所以就可以判定出该桥梁项目在运行时的最大应变、变形、索力最大监测参数值和车辆的超载情况存在着直接的关系。因为监测得到的数据并未达到预警参数值，所以超载车辆通行之后，桥梁各个受力条件就达到正常的状态，说明在1月的超载状况并未对桥梁产生过大的影响，桥梁还是处于安全运行的状态。但是，如果长期处在超载运行的状态，必然会产生严重的伤害和影响，所以对于该桥梁进行超载管理是重点工作。未来要长期进行监控管理，路政、交警等部门应积极联合，将相关监测数据信息及时发送给相关管理部门，惩罚相关的车辆驾驶人和权利人，达到治超治限的效果，保障桥梁运行的安全性。
第一，桥梁健康监测系统的主要优势就是进行实时、全天候监测，达到动态化监测的效果，并且数据精度比较高。经过对桥梁的响应、环境、荷载等方面情况的监测，动态化掌握桥梁的工作情况，并合理地发出预警信息，及时防范和消除各种桥梁的安全隐患，对提高桥梁通行质量和安全性产生积极的作用。
第二，充分利用桥梁健康监测系统掌握桥梁的工作状态，虽然有着明显的优势，但是也有一定的问题，比如健康监测无法全面了解桥梁各个结构部件的运行情况，所以不能覆盖全部桥梁的结构，还要组织专业技术人员进行日常的巡视和检查，使得两种手段综合应用，发挥出应有的作用，以更好地提高桥梁运营的安全性水平。
第三，BIM 技术作为工程领域的新技术，全面应用到我国的桥梁领域内，有些项目规定必须使用BIM技术进行，并将该技术与桥梁健康监测系统联合使用，快速掌握桥梁的运行状态，给桥梁的管养服务提供标准和基础，这也是未来重要的应用方向之一。
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