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、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團企業(yè)。
項目背景
某市業(yè)主計劃建立該區(qū)域的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，筆者根據(jù)該地區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)特點以及需求對系統(tǒng)建設(shè)給出了自己的個人建議。
根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況橋梁結(jié)構(gòu)的主要類型包括：
（1）簡支梁板橋
（2）連續(xù)梁板橋
（3）系桿拱橋
（4）閉合框架橋
項目建設(shè)的需求是將健康監(jiān)測系統(tǒng)同橋梁數(shù)字化管養(yǎng)有機的結(jié)合，并同未來智慧化城市橋梁相對接。其主要功能模塊包括：數(shù)字化橋梁信息管理模塊、動態(tài)實時結(jié)構(gòu)監(jiān)測模塊、橋梁BIM模型、GIS地理信息系統(tǒng)模塊、橋梁健康評估模塊等部分組成。
橋梁結(jié)構(gòu)受力形式除系桿拱橋外，其它橋梁結(jié)構(gòu)的受力特點明確，監(jiān)測結(jié)構(gòu)主要參數(shù)相對較為簡單，主要為撓度和應(yīng)變，最關(guān)鍵的參數(shù)為撓度?？紤]到典型路線重載的特點，在重載路線應(yīng)增加動態(tài)稱重系統(tǒng)。此外考慮到典型橋梁病害主要包括耐久性病害、伸縮縫以及支座位移等，針對這些病害可以增設(shè)裂縫監(jiān)測、支座位移以及伸縮縫位移等監(jiān)測參數(shù)。
監(jiān)測參數(shù)的選擇
針對本項目的特點，在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計時應(yīng)考慮目前橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題才能架構(gòu)比較實用的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。
（1）橋梁健康監(jiān)測參數(shù)如何選擇？
橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)的選擇對于系統(tǒng)至關(guān)重要，監(jiān)測參數(shù)分為靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)。根據(jù)監(jiān)測參數(shù)分析的需求首先要清楚某一監(jiān)測參數(shù)的類型，否則需要實時動態(tài)監(jiān)測的參數(shù)選擇靜態(tài)的設(shè)備則難以滿足要求。
（2）監(jiān)測數(shù)據(jù)如何分析？
監(jiān)測參數(shù)的數(shù)據(jù)分析也是健康監(jiān)測系統(tǒng)的重要內(nèi)容，數(shù)據(jù)分析方法需要結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)分析的需要來確定。如對于風速的監(jiān)測通常需要得出風速的大小和風向，有時需要分析風玫瑰圖。而對于橋梁結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測的數(shù)據(jù)可能需要分析橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性如振型、頻率、阻尼比等，通常采用模態(tài)分析的方法來實現(xiàn)。
（3）系統(tǒng)建設(shè)模式如何選擇？
目前國內(nèi)常用的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的模式多采用建設(shè)移交的方法，由于移交后管理部門由于缺少專業(yè)人員對系統(tǒng)進行維護，系統(tǒng)建成幾年后往往陷于癱瘓，這也是系統(tǒng)受人詬病的主要原因。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)后期的維護也至關(guān)重要，因此筆者建議系統(tǒng)可以采用建設(shè)移交+運維費的模式，系統(tǒng)建成后由承包方對系統(tǒng)進行長期維護，建設(shè)方支付運維費。采用這種方式最大的優(yōu)點是通過承包方的專業(yè)技術(shù)服務(wù)能保證系統(tǒng)的運營，在系統(tǒng)局部出現(xiàn)問題可以及時進行處理。
（4）橋梁健康如何評估？
橋梁結(jié)構(gòu)的健康評估是系統(tǒng)建設(shè)的主要目標，為橋梁結(jié)構(gòu)健康運營保駕護航。而國內(nèi)健康監(jiān)測系統(tǒng)安裝在橋梁結(jié)構(gòu)健康評估方面還存在一定的功能不足。對于本項目而言，橋梁結(jié)構(gòu)形式比較簡單、受力明確，可以通過安裝高精度傳感器對關(guān)鍵參數(shù)進行監(jiān)測，并對數(shù)據(jù)進行深度挖掘，將監(jiān)測數(shù)據(jù)同結(jié)構(gòu)評估有機結(jié)合。
橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測參數(shù)類型主要包括三類：
橋梁結(jié)構(gòu)荷載監(jiān)測項目包：風荷載監(jiān)測、汽車荷載監(jiān)測、溫度監(jiān)測、地震荷載監(jiān)測；
橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測項目包括：振動特性監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、橋梁撓度監(jiān)測、伸縮縫和支座位移監(jiān)測、拉索索力或吊桿內(nèi)力監(jiān)測；
其他監(jiān)測項目包括：混凝土耐久性監(jiān)測、防撞擊監(jiān)測、視頻監(jiān)測、環(huán)境溫濕度監(jiān)測。
根據(jù)以上監(jiān)測參數(shù)類型結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)的特點，建議監(jiān)測的參數(shù)如下：
系統(tǒng)監(jiān)測主要傳感器選擇
1、動撓度的監(jiān)測
動撓度監(jiān)測是橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測的重要參數(shù)，目前常用有靜力水準、GPS、橋梁撓度儀和毫米波雷達等，各自優(yōu)缺點及適用范圍見下圖：
根據(jù)以上對比，對于中小跨徑橋梁建議采用毫米波雷達進行監(jiān)測，其安裝見下圖：
2、動應(yīng)變的監(jiān)測
動應(yīng)變監(jiān)測是橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變進行監(jiān)測，從而對結(jié)構(gòu)應(yīng)力進行分析，目前常用有振弦式應(yīng)變計、光纖光柵應(yīng)變計等。
根據(jù)項目特點對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)采用光纖光柵應(yīng)變計監(jiān)測，常規(guī)結(jié)構(gòu)可不監(jiān)測此參數(shù)。振弦式應(yīng)變計很難對結(jié)構(gòu)動應(yīng)變進行監(jiān)測，其測試原理是巡采方式。
3、車輛荷載監(jiān)測
車輛荷載監(jiān)測采用動態(tài)稱重系統(tǒng)WIM來實現(xiàn)，對車輛總重、軸重、車速、車間距等進行統(tǒng)計分析。
4、支座位移監(jiān)測
支座監(jiān)測為提高精度采用LVDT位移計進行監(jiān)測，通過底座將設(shè)備固定在梁底或橋梁墩臺上。
5、伸縮縫位移監(jiān)測
伸縮縫位移監(jiān)測采用拉繩式位移計進行監(jiān)測。
6、裂縫監(jiān)測
裂縫監(jiān)測為提高精度采用LVDT裂縫計進行監(jiān)測，其安裝方式同LVDT相同，通過底座將設(shè)備固定在梁體裂縫位置處。
7、橋梁限高監(jiān)測
橋梁限高采用限高監(jiān)測采用紅外對射的監(jiān)測設(shè)備，包括一個發(fā)射端和一個接收端對限高進行監(jiān)測。同時配合視頻監(jiān)測設(shè)備，當車輛超過限高設(shè)定值時觸發(fā)視頻采集系統(tǒng)對車輛信息進行抓拍。
8、墩臺基礎(chǔ)沉降
墩臺基礎(chǔ)沉降監(jiān)測采用高精度靜力水準進行監(jiān)測，以固定的基準點作為參考點對各測點進行監(jiān)測，精度可以達到0.2mm。
9、索力監(jiān)測
索力監(jiān)測采用振動傳感器進行監(jiān)測，配備動態(tài)集設(shè)備進行監(jiān)測。
系統(tǒng)總體架構(gòu)
1、橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)組成
橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成通常包括：傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)的管理與處理子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)健康評估子系統(tǒng)，見下圖。
2、項目總體系統(tǒng)架構(gòu)
根據(jù)本項目需求，本系統(tǒng)在架構(gòu)時考慮以下特點：架構(gòu)為獨立的監(jiān)測系統(tǒng)；各橋梁為分布式子系統(tǒng)；數(shù)據(jù)傳輸采用4G網(wǎng)絡(luò)；預(yù)留接口與原監(jiān)控平臺對接；系統(tǒng)框架圖僅動態(tài)監(jiān)測模塊；與橋梁系信息管理系統(tǒng)融合。系統(tǒng)總體框架見下圖：
3、本項目健康監(jiān)測系統(tǒng)的特點
（1）與橋梁數(shù)字化管理系統(tǒng)的融合
將橋梁數(shù)字化管理信息系統(tǒng)同健康監(jiān)測系統(tǒng)有機的結(jié)合，體現(xiàn)人工檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合。
（2）監(jiān)測參數(shù)的實時顯示與挖掘
監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠在監(jiān)測系統(tǒng)中進行實時顯示，并能對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析、設(shè)定閾值用于結(jié)構(gòu)異常狀態(tài)的預(yù)警。對于不能直接用于結(jié)構(gòu)分析的數(shù)據(jù)進行抽取、關(guān)聯(lián)分析等提取可以用于結(jié)構(gòu)評估的評估參數(shù)。監(jiān)測參數(shù)與評估參數(shù)的關(guān)系：如橋梁動撓度為監(jiān)測參數(shù)，對于梁板結(jié)構(gòu)可以提取用于評估參數(shù)：鉸縫工作性能（橫向分布系數(shù)或兩片粱間撓度相關(guān)系數(shù)）、撓度影響線、撓度值等可以作為評估參數(shù)對橋梁工作性能進行全面的評價。
監(jiān)測數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性分析
（3）監(jiān)測參數(shù)與橋梁承載能能力評估結(jié)合
本項目采用毫米波雷達對動撓度進行監(jiān)測，這一關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測一直是行業(yè)的難題。結(jié)合實際監(jiān)測數(shù)據(jù)提取橋梁結(jié)構(gòu)的撓度影響線對橋梁承載能力進行評估，這樣可以形成一套完整的監(jiān)測和承載能力評估的技術(shù)。
（4）將巡檢、定檢及監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)合
目前健康監(jiān)測系統(tǒng)與橋梁日常巡檢、定期檢測、特殊檢測均建立為獨立的系統(tǒng)，給橋梁管理人員帶來極大的不便。本系統(tǒng)建設(shè)將健康監(jiān)測系統(tǒng)與巡檢、定檢以及特殊檢測進行有機的數(shù)據(jù)融合。建立的包頭市政橋梁健康管理系統(tǒng)，主要包括：系統(tǒng)展示模塊、橋梁檔案模塊、橋梁日常巡檢模塊、橋梁定期檢測模塊、橋梁動態(tài)監(jiān)測模塊、橋梁特殊檢測模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析模塊、橋梁結(jié)構(gòu)健康評估模塊等。
