七都大橋北汊橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡逸凡

（溫州市城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司，浙江溫州325000）

1 引言

隨著我國(guó)已建成和在建大型橋梁的不斷增多，橋梁事故也頻繁發(fā)生[1]。橋梁在役期間承受環(huán)境荷載、車輛荷載的反復(fù)作用，其中某些超過橋梁承載能力的荷載必然會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成損傷。結(jié)構(gòu)損傷達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)引起結(jié)構(gòu)狀態(tài)的改變（如金屬疲勞導(dǎo)致斷裂），有些結(jié)構(gòu)損傷在未引起結(jié)構(gòu)狀態(tài)改變之前就造成了結(jié)構(gòu)破壞（如鋼結(jié)構(gòu)局部失穩(wěn)）。為了避免橋梁結(jié)構(gòu)損傷不斷累積最終發(fā)生事故，對(duì)運(yùn)營(yíng)期的橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)是十分必要的[2]。

橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)期監(jiān)測(cè)應(yīng)包括結(jié)構(gòu)力學(xué)狀態(tài)（靜力響應(yīng)和動(dòng)力響應(yīng)）改變及局部構(gòu)件劣化（損傷）2 方面。長(zhǎng)期荷載作用下的基礎(chǔ)沉降、結(jié)構(gòu)蠕變及損傷等因素會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)力學(xué)狀態(tài)發(fā)生改變；而金屬結(jié)構(gòu)銹蝕、混凝土結(jié)構(gòu)碳化、車輛超載嚴(yán)重等因素會(huì)導(dǎo)致局部構(gòu)件劣化[3]。

本文以七都大橋北汊橋?yàn)槔?，設(shè)計(jì)一套安全可靠的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為本橋運(yùn)營(yíng)期的安全監(jiān)測(cè)及管理養(yǎng)護(hù)提供有力支撐。

2 工程概況

溫州市七都大橋北汊橋連接永嘉縣與七都島，起點(diǎn)順接目前已經(jīng)通車的七都大橋南汊橋，并在七都島上設(shè)置七都互通。大橋向北跨越甌江后，到達(dá)永嘉縣新建村南側(cè)，設(shè)置新建樞紐連接104 國(guó)道。

七都大橋北汊橋跨徑布置為58m+102m+360m+102m+58m=680m，結(jié)構(gòu)形式為五跨連續(xù)半漂浮體系，空間密索型布置雙塔中央索面疊合梁斜拉橋，空間密索型布置。主梁為疊合梁，邊中跨比0.44[4]。

3 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體技術(shù)路線

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是為橋梁安全運(yùn)營(yíng)和養(yǎng)護(hù)管理提供信息化服務(wù)而建立，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和構(gòu)建是一項(xiàng)綜合系統(tǒng)工程，包含了先進(jìn)的傳感技術(shù)、傳輸技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、海量數(shù)據(jù)分析與處理技術(shù)、結(jié)構(gòu)力學(xué)分析計(jì)算及結(jié)構(gòu)評(píng)估理論等方面[5]。

七都大橋北汊橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)依托自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)和BIM 智能管養(yǎng)技術(shù)，其設(shè)計(jì)思路（見圖1）如下：感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來識(shí)別結(jié)構(gòu)力學(xué)狀態(tài)的改變；

圖1 系統(tǒng)建立總體思路

3）將人工巡檢信息電子化，把自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和定期檢測(cè)、人工巡檢結(jié)合起來，從多角度保證橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)期的安全；

4）通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，為各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)設(shè)置適當(dāng)?shù)拈撝?，并通過可靠的采集傳輸方式獲取結(jié)構(gòu)的真實(shí)響應(yīng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從而保證整個(gè)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和安全評(píng)估系統(tǒng)正常工作；

5）深度融合健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、BIM 模型和管養(yǎng)系統(tǒng)，面向運(yùn)營(yíng)期橋梁管養(yǎng)維護(hù)提供數(shù)據(jù)集成和可視化服務(wù)。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

4.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

七都大橋北汊橋健康監(jiān)測(cè)的內(nèi)容分為環(huán)境參數(shù)與荷載監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)響應(yīng)（包括靜力響應(yīng)與動(dòng)力響應(yīng)）兩大類，具體內(nèi)容如下：

1）環(huán)境參數(shù)及荷載監(jiān)測(cè)，包括：路面溫度、環(huán)境溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向、地震動(dòng)或船撞、結(jié)構(gòu)溫度、車輛荷載等；

2）結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)監(jiān)測(cè)，包括主梁及主塔結(jié)應(yīng)變、斜拉索索力、主塔及主梁空間變位、支座位移、主梁線形等；

3）結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)監(jiān)測(cè)，包括主梁各特征點(diǎn)的橫向及豎向加速度，主塔底部三向加速度。

本橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共布置156 個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖2 所示。

圖2 七都大橋北汊橋健康監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)圖

1）通過對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，并結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)局部和整體受力分析的成果，評(píng)估大橋主要構(gòu)件是否存在潛在病害，為橋梁養(yǎng)護(hù)提供可靠的評(píng)估結(jié)果，并指導(dǎo)橋梁養(yǎng)護(hù)工作；

2）以“靜力為主、動(dòng)力為輔”的識(shí)別原則，通過自動(dòng)化傳

4.2 系統(tǒng)架構(gòu)及功能組成

七都大橋北汊橋工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由5 個(gè)子系統(tǒng)組成，包括自動(dòng)化監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、電子化人工巡檢子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)安全預(yù)警綜合評(píng)估子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理子系統(tǒng)和用戶界面子系統(tǒng)。

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)由傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊和數(shù)據(jù)處理與控制模塊組成，將橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)響應(yīng)及環(huán)境因素進(jìn)行識(shí)別采集，轉(zhuǎn)換成可存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

電子化人工巡檢子系統(tǒng)包含了中心服務(wù)系統(tǒng)和智能巡檢終端。中心服務(wù)系統(tǒng)是集巡檢養(yǎng)護(hù)管理信息數(shù)據(jù)庫、管理平臺(tái)軟件以及相關(guān)配套的管理工具等內(nèi)容為一體的綜合軟、硬件系統(tǒng)。其功能為提供橋梁技術(shù)檔案和巡檢管養(yǎng)信息錄入接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理及各種涉及數(shù)據(jù)的應(yīng)用（查詢、調(diào)用、分析、評(píng)價(jià)、自動(dòng)報(bào)告報(bào)表等），同時(shí)為巡檢提供協(xié)助（自動(dòng)制定巡檢路線、自動(dòng)提供養(yǎng)護(hù)建議措施等）。智能巡檢終端由便攜式移動(dòng)終端設(shè)備及巡檢終端軟件構(gòu)成。巡檢人員在巡檢時(shí)攜帶智能巡檢終端，通過巡檢終端軟件錄入巡檢信息，同步到中心服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)病害和事件的準(zhǔn)確定位和全面描述，為橋梁管養(yǎng)提供準(zhǔn)確依據(jù)。

結(jié)構(gòu)安全預(yù)警綜合評(píng)估子系統(tǒng)是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心功能，也是技術(shù)難度最大的部分。不僅要對(duì)傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有效識(shí)別與分析，也需對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)特性準(zhǔn)確掌握。通過多種技術(shù)的深入研究，建立了一套具有依據(jù)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及人工巡檢、檢測(cè)等信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)預(yù)警以及安全性評(píng)估、承載力評(píng)估、疲勞評(píng)估和其他專項(xiàng)評(píng)估（如臺(tái)風(fēng)、地震、船撞等）等功能的系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理子系統(tǒng)構(gòu)建海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，包括數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)自診斷2 個(gè)子模塊。數(shù)據(jù)管理模塊將海量數(shù)據(jù)按照一定的組織形式存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行集成管理。如果系統(tǒng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，則啟動(dòng)系統(tǒng)自診斷模塊進(jìn)行故障診斷與排除。

用戶界面子系統(tǒng)基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、BIM、物聯(lián)網(wǎng)、GIS 等技術(shù)融合集成動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)展示平臺(tái)。系統(tǒng)融合了無人機(jī)傾斜攝影的橋梁場(chǎng)地實(shí)景、施工期的BIM 模型、參數(shù)和資料等信息，關(guān)聯(lián)施工期監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、運(yùn)營(yíng)期健康監(jiān)測(cè)和巡檢管養(yǎng)數(shù)據(jù)，提供一個(gè)直觀的、可交互的BIM 系統(tǒng)，為提升施工期規(guī)范化管理和運(yùn)營(yíng)期管養(yǎng)決策水平提供有力支撐。

4.3 結(jié)構(gòu)安全預(yù)警設(shè)計(jì)

建立健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目的在于監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)過程中的狀態(tài)，通過荷載輸入和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果判斷結(jié)構(gòu)是否處于正常使用極限狀態(tài)內(nèi)，為及時(shí)提供結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息，指導(dǎo)維修養(yǎng)護(hù)措施實(shí)施，盡量減少結(jié)構(gòu)達(dá)到服役極限狀態(tài)的可能，保障結(jié)構(gòu)健康正常運(yùn)行。因此，建立預(yù)警報(bào)警體系，判斷結(jié)構(gòu)狀態(tài)，對(duì)可能威脅到橋梁安全運(yùn)營(yíng)的事件進(jìn)行預(yù)警，提醒橋梁管理和養(yǎng)護(hù)人員及時(shí)關(guān)注結(jié)構(gòu)安全情況并進(jìn)行妥善處理，并根據(jù)需要啟動(dòng)評(píng)估機(jī)制以確定結(jié)構(gòu)是否處于安全狀態(tài)。

預(yù)警報(bào)警體系從物理概念上分為4 類，分別是可變荷載預(yù)警、結(jié)構(gòu)響應(yīng)預(yù)警、基準(zhǔn)狀態(tài)變化預(yù)警和趨勢(shì)變化預(yù)警。采用自動(dòng)化報(bào)警結(jié)合人工判斷報(bào)警的方式進(jìn)行預(yù)警報(bào)警[6]。

七都大橋北汊橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將預(yù)警分為3 級(jí)：黃色預(yù)警（低風(fēng)險(xiǎn)）、橙色預(yù)警（中風(fēng)險(xiǎn)）以及紅色預(yù)警（高風(fēng)險(xiǎn)）。當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)值超出計(jì)算閾值時(shí)，觸發(fā)黃色預(yù)警，結(jié)構(gòu)已明顯表現(xiàn)出趨向危險(xiǎn)狀態(tài)的趨勢(shì)；當(dāng)傳感器出現(xiàn)異常、外部荷載（如車流量）發(fā)生明顯變化或者橋梁已經(jīng)出現(xiàn)輕微損傷時(shí)，觸發(fā)橙色預(yù)警，結(jié)構(gòu)已經(jīng)接近危險(xiǎn)狀態(tài)；結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定程度損傷，結(jié)構(gòu)已達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，觸發(fā)紅色預(yù)警，需要維修才能滿足使用要求，應(yīng)該立即限制交通且對(duì)橋梁進(jìn)行全面的安全檢查。

5 結(jié)語

七都大橋北汊橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以環(huán)境因素、車輛荷載、結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，通過海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析技術(shù)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安裝狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估及預(yù)警。運(yùn)用BIM 技術(shù)，將健康監(jiān)測(cè)、運(yùn)營(yíng)管養(yǎng)、巡檢維護(hù)等數(shù)據(jù)資料有機(jī)整合，提供一個(gè)直觀的、可交互的BIM 系統(tǒng)，為提升運(yùn)營(yíng)期管養(yǎng)決策水平提供有力支撐。本橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可為類似系統(tǒng)的建立提供參考與借鑒。