短期監(jiān)測，讓特大橋梁損傷評估更高效

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短期監(jiān)測系統(tǒng)通?；跓o線傳輸進行搭建，具有針對性強、布設密度高、安裝快捷等優(yōu)點，是現(xiàn)有人工巡檢和健康監(jiān)測系統(tǒng)的有力補充。

芮毅 攝

現(xiàn)有監(jiān)測手段存在缺陷

根據(jù)《2018年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》數(shù)據(jù)顯示，我國的特大型橋梁已達5053座。與一般的中小型橋梁相比，特大型橋梁結(jié)構(gòu)損傷表征更為隱蔽，形成原因更加復雜。這些結(jié)構(gòu)損傷一旦成為養(yǎng)護盲點，在無監(jiān)測、無管控的情況下，往往呈現(xiàn)出增速發(fā)展的趨勢，最終導致局部橋梁結(jié)構(gòu)遭到破壞，甚至影響橋梁的整體安全，造成重大的經(jīng)濟損失和社會負面影響。目前，主要依靠人工巡檢和健康監(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)測橋梁損傷。我國現(xiàn)行的人工巡檢體系如圖1所示。

圖1.我國現(xiàn)行的人工巡檢體系

人工巡檢對中小型鋼筋混凝土橋梁損傷監(jiān)測十分有效，但應用于大跨徑的復雜結(jié)構(gòu)橋梁卻存在明顯不足；橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)具有獲取時序性數(shù)據(jù)信息、實時值守的能力，能夠?qū)θ斯ぱ矙z無法獲得的關(guān)鍵信息進行量化監(jiān)測，彌補了人工巡檢的不足，但從健康監(jiān)測系統(tǒng)在我國橋梁上的實際應用來看，仍然存在分析難度大、針對性不足等問題。

基于此，迫切需要探索一種介于人工巡檢和健康監(jiān)測系統(tǒng)之間的損傷監(jiān)測方法，來彌補目前特大型橋梁損傷監(jiān)測體系的不足。短期監(jiān)測技術(shù)兼具人工巡檢方便快速和健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)連續(xù)的優(yōu)點，可作為兩者的有力補充。

短期監(jiān)測技術(shù)優(yōu)勢顯著

眾所周知，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的初始造價和維護成本較高，為了保證海量數(shù)據(jù)的采集和傳輸，目前的健康監(jiān)測系統(tǒng)主要采取有線傳輸?shù)姆桨?，系統(tǒng)相對復雜。相比于健康監(jiān)測系統(tǒng)，短期監(jiān)測項目具有系統(tǒng)規(guī)模較小、功能較單一、監(jiān)測對象指向性強的特點。而且短期監(jiān)測項目搭建多采用無線傳感器，監(jiān)測數(shù)據(jù)則通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)24小時不間斷傳輸。在監(jiān)測任務完成后，相應的傳感器還可以應用到其他項目中。綜合來看，短期監(jiān)測技術(shù)的核心優(yōu)勢有以下幾點：

圍繞病害，有針對性布設

對于混凝土關(guān)鍵裂縫、鋼板疲勞裂縫、梁端偏位、單板受力、支反力異常等病害，實行建設期全覆蓋式監(jiān)測顯然是一種資源浪費，短期監(jiān)測可以對關(guān)鍵病害信息進行針對性捕捉，高效且經(jīng)濟。

密集部署，獲取最優(yōu)數(shù)據(jù)

健康監(jiān)測系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)存在空間稀疏性與時間冗余性的矛盾，且系統(tǒng)造價過高、傳感器耐久性無法保障。在短期監(jiān)測中，通過快速密集部署大量有效傳感器獲取的密集型數(shù)據(jù)，更能反映出實際工程問題。

簡單快捷，評估特定構(gòu)件

可以通過短期監(jiān)測技術(shù)，獲取伸縮縫、支座、斜拉索等特定易損構(gòu)件的關(guān)鍵性能參數(shù)，并給予準確的性能評估。

分項監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)特定規(guī)律

根據(jù)橋梁已經(jīng)暴露出來的問題或關(guān)鍵風險點，進行作用與響應關(guān)系分析后，通過布設不同的短期監(jiān)測項目，快速驗證各參數(shù)之間的相關(guān)性。例如裂縫與溫度、撓度與汽車荷載等的關(guān)系。

應急監(jiān)測，提供處置依據(jù)

在施工過程中、船撞后、火災后等情況下，橋梁結(jié)構(gòu)安全性的應急短期監(jiān)測可為針對性處置提供依據(jù)。

根據(jù)實踐經(jīng)驗，筆者總結(jié)了常用的短期監(jiān)測項目，如表1所示。

鏈接：

人工巡檢的不足之處

◎ 人工巡檢主要依靠結(jié)構(gòu)的表觀狀況判斷，從方法原理上只能獲取到部分結(jié)構(gòu)信息；

◎ 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系復雜，仍存在人工巡檢盲區(qū)與知識認知盲區(qū)；

◎ 人工巡檢僅能獲取瞬時信息，而部分橋梁損傷信息需要時序性數(shù)據(jù)的支撐才可診斷評估；

◎ 災變突發(fā)情況下，人工巡檢手段無法做到實時值守，只能事后評估檢測。

健康監(jiān)測系統(tǒng)的不足之處

◎ 數(shù)據(jù)冗余，有效分析難度大。由于健康監(jiān)測系統(tǒng)永久性布置于橋梁結(jié)構(gòu)上，每天不間斷地采集，產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù)。然而，這些數(shù)據(jù)所承載的“有效信息”密度卻不夠大，給數(shù)據(jù)分析造成了很大的困難。特別是當大量噪聲數(shù)據(jù)、錯誤數(shù)據(jù)混雜其中時，分析處理變得非常棘手。

◎ 監(jiān)測點位針對性不強。絕大多數(shù)橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)都是在建設期安裝的。但建設期內(nèi)，很難對橋梁未來可能發(fā)生的損傷進行準確判斷，造成橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)布設千篇一律，沒有針對性。

◎ 系統(tǒng)維護工作量大。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)安裝后，如果不能及時維護，電子元器件的損壞率會很高，有可能導致系統(tǒng)頻繁癱瘓。

◎ 測點布設的密度不夠。受投資額度限制，健康監(jiān)測系統(tǒng)不可能大規(guī)模布設。只能根據(jù)建設成本，選取重點或典型的部位進行布設，但橋梁損傷往往具有隨機性，使得系統(tǒng)的效力受限。

芮毅 攝

技術(shù)應用高效實現(xiàn)要點

在對特大型橋梁結(jié)構(gòu)進行短期監(jiān)測時，必須做到以下幾點，否則短期監(jiān)測將失去意義。

確保安裝、拆卸便捷

在實施短期監(jiān)測前，可以事先將儀器的傳感器、采集儀、通訊接頭模塊化，加工簡易的工裝將眾多離散的功能部署集成，以提高工作效率，節(jié)省人力物力。需要注意的是，部署花費的時間需要控制在監(jiān)測時長的1.5%左右（實踐證明可實現(xiàn)），否則短期監(jiān)測將不具備競爭力。

實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸

無論是從現(xiàn)場的可實施性，還是今后傳感技術(shù)的發(fā)展方向來看，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化與無線傳感都是不可或缺的。短期監(jiān)測的單個無線傳感器節(jié)點需要包含傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊。數(shù)據(jù)傳輸模塊采用無線傳輸系統(tǒng)，可以通過無線方式靈活組建網(wǎng)絡，將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)匯集到中繼節(jié)點或網(wǎng)關(guān)，再通過運營商網(wǎng)絡（2G/3G/4G/5G）將數(shù)據(jù)上傳至在線監(jiān)測云平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸。

設計短期監(jiān)測方案

現(xiàn)階段健康監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)逐步完備，其全壽命周期數(shù)據(jù)具有重要工程意義。而短期監(jiān)測則要根據(jù)工程的特點，結(jié)合運營過程中發(fā)現(xiàn)的具體問題，對關(guān)鍵病害形成原因進行重點分析，與健康監(jiān)測系統(tǒng)信息有效互補，發(fā)現(xiàn)和解決實際的工程問題，這也是短期監(jiān)測的意義所在。

芮毅 攝工作人員正在進行鋼箱梁檢查

表1.常用短期監(jiān)測項目匯總表

舒運平 攝

短期監(jiān)測系統(tǒng)通常基于無線傳輸方式進行搭建，具有針對性強、布設密度高、安裝快捷等優(yōu)點，是現(xiàn)有人工巡檢和健康監(jiān)測系統(tǒng)的有力補充。筆者認為，未來短期監(jiān)測系統(tǒng)有幾個主要發(fā)展方向：進一步拓展研究短期空間高密度數(shù)據(jù)更深層次的分析評估方法；關(guān)注同一短期時段內(nèi)，橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部子系統(tǒng)之間的相關(guān)性、子系統(tǒng)與整體之間的相關(guān)性，橋梁系統(tǒng)與外界環(huán)境的相互作用等整體關(guān)聯(lián)性關(guān)系；做好特大型橋梁綜合評估的頂層設計，將電子化人工巡檢、健康監(jiān)測系統(tǒng)和短期監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行綜合分析和應用；將短期監(jiān)測技術(shù)、人工巡檢和健康監(jiān)測系統(tǒng)一起納入新建時期橋梁的養(yǎng)護設計中。

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混凝土關(guān)鍵裂縫短期監(jiān)測實踐

本項目依托某大橋工程，采用“振弦式應變計+智能采集器傳輸”的無線傳感方法，對混凝土關(guān)鍵裂縫進行短期監(jiān)測以獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

通過分析各測點溫度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在短期監(jiān)測期間，監(jiān)測部位的整體大氣環(huán)境溫度從17攝氏度上升到21攝氏度。利用小波變換的方式，對采集的數(shù)據(jù)進行去噪分析后發(fā)現(xiàn)，裂縫寬度方向上的應變有明顯的周期性，約24小時為一個周期。隨后，將采集到的環(huán)境溫度與裂縫寬度方向上的應變水平進行相關(guān)性分析后得出：

1.所監(jiān)測的混凝土關(guān)鍵裂縫寬度變化與環(huán)境溫度相關(guān)性較強；

2.混凝土關(guān)鍵裂縫寬度與環(huán)境溫度的周期性變化趨勢一致，并未監(jiān)測到裂縫寬度有擴展的趨勢；

3.建議對此混凝土關(guān)鍵裂縫寬度加強觀測監(jiān)測工作。

綜上所述，通過對混凝土結(jié)構(gòu)關(guān)鍵裂縫的短期監(jiān)測數(shù)據(jù)進行深入分析后，揭示了其非結(jié)構(gòu)裂縫的本質(zhì)，消除了橋梁管養(yǎng)者的擔憂，更避免了對裂縫進行盲目封閉修補導致的無效投入。