橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)在橋梁日常養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用

侯恩厚　王能威　甘超　付文博　康通

摘要 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)具有可視化、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、精度高等優(yōu)點(diǎn)，為全面提升橋梁管養(yǎng)的數(shù)字化水平提供了新的解決方案。通過橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，可以對橋梁異常狀況進(jìn)行報(bào)警，動(dòng)態(tài)掌握橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀況。文章介紹了某橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)情況，并結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)，從橋面狀況監(jiān)控、重車通行量、結(jié)構(gòu)性能變化三個(gè)方面對養(yǎng)護(hù)管理中的應(yīng)用進(jìn)行了說明。

關(guān)鍵詞 橋梁結(jié)構(gòu)；養(yǎng)護(hù)管理；健康監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號 U443文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）24-0019-04

0 引言

橋梁作為重要的基礎(chǔ)設(shè)施，承載著人們出行和物流運(yùn)輸?shù)闹匾蝿?wù)[1]。然而，由于長期使用和自然環(huán)境的影響，橋梁結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)疲勞、腐蝕、裂縫等問題，嚴(yán)重威脅到其安全性和可靠性。因此，及時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測橋梁的健康狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修復(fù)存在的問題，成為確保橋梁安全的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)的橋梁養(yǎng)護(hù)方法主要依靠人工巡檢和周期性的結(jié)構(gòu)評估。然而，這些方法存在著工作量大、成本高、監(jiān)測周期長以及對人員安全的潛在風(fēng)險(xiǎn)等問題。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，為橋梁日常養(yǎng)護(hù)提供了全新的解決方案[2-3]。

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是利用傳感器、數(shù)據(jù)采集、通信和數(shù)據(jù)分析等技術(shù)手段，對橋梁結(jié)構(gòu)的各種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析，以實(shí)現(xiàn)對橋梁健康狀況的全面評估[4-5]。這些參數(shù)包括但不限于結(jié)構(gòu)振動(dòng)、應(yīng)變、溫度、濕度等。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析，橋梁管理者可以及時(shí)獲得橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)信息，準(zhǔn)確評估橋梁的結(jié)構(gòu)完整性和承載能力，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)制定相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)策略，以延長橋梁的使用壽命[6]。

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)在橋梁日常養(yǎng)護(hù)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。首先，它可以實(shí)現(xiàn)橋梁的實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)異常和缺陷，有助于避免橋梁事故的發(fā)生。其次，通過連續(xù)不斷地監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)的長期評估和趨勢分析，幫助管理者制定合理的養(yǎng)護(hù)計(jì)劃和維修策略。此外，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)還可以降低養(yǎng)護(hù)成本和人力投入，提高養(yǎng)護(hù)效率和工作安全。該文以某橋梁為背景，從重車抓拍、重車通行量估算、結(jié)構(gòu)性能變化三個(gè)方面詳細(xì)介紹了橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)在養(yǎng)護(hù)工作中的應(yīng)用。

1 工程概況

橋梁全長1 297 m，橋?qū)捊M合0.5 m（欄桿）+14.5 m（行車道）+1.5 m（中央分隔帶）+14.5 m（行車道）+0.5 m（欄桿）。大橋左、右幅上部結(jié)構(gòu)形式為43 m×30 m的裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)小箱梁，橫向各布設(shè)5片梁；下部結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土雙柱式橋墩、鋼筋混凝土框架式橋臺、樁基礎(chǔ)，橋梁實(shí)景圖見圖1。

2 健康監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)測點(diǎn)布置

健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺通過在結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位部署相應(yīng)傳感器監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，對橋梁的環(huán)境荷載、運(yùn)營荷載、結(jié)構(gòu)特征和響應(yīng)等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。同時(shí)，利用各種數(shù)據(jù)分析方法，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，從而有效地評估不同橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況，確定其可能的損傷部位，為各種結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)管理提供科學(xué)依據(jù)。

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及管養(yǎng)需求，對左幅1-4跨及右幅40-43跨進(jìn)行對稱監(jiān)測，監(jiān)測項(xiàng)目包括結(jié)構(gòu)撓度、結(jié)構(gòu)應(yīng)變、結(jié)構(gòu)振動(dòng)、梁端位移、裂縫等。監(jiān)測測點(diǎn)具體布置如表1及圖2所示。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理與管理模塊、數(shù)據(jù)分析與安全預(yù)警及評估模塊、結(jié)構(gòu)健康數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、檢查與維護(hù)系統(tǒng)等六部分組成。橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)各模塊主要功能如表2所示。數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)應(yīng)采用基于傳感器、通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)等硬件設(shè)備構(gòu)成的計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)。健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺具有強(qiáng)大的綜合運(yùn)維管理能力，為用戶提供符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的橋梁全方位解決方案。通過良好的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測、智慧運(yùn)維、安全保障、高效管理四大管理目標(biāo)。監(jiān)測平臺頁面如圖3所示。

3 健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用案例

該橋梁項(xiàng)目建設(shè)的橋梁健康監(jiān)測運(yùn)營時(shí)間已應(yīng)用2年，現(xiàn)場各種傳感器基本功能完善，各項(xiàng)工作運(yùn)行穩(wěn)定，監(jiān)測數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，對于管養(yǎng)人員掌握橋梁的運(yùn)行狀態(tài)有極為重要的作用，也為科學(xué)性管養(yǎng)工作的開展奠定了基礎(chǔ)。該文選擇2023年1—3月監(jiān)測數(shù)據(jù)展開分析，對監(jiān)測系統(tǒng)在管養(yǎng)中發(fā)揮的重車抓拍、重車通行量估算、結(jié)構(gòu)性能變化分析等作用進(jìn)行說明。

3.1 橋面狀況監(jiān)控

該健康監(jiān)測系統(tǒng)具有超重抓拍及超預(yù)警值抓拍功能，通過將監(jiān)測數(shù)據(jù)與抓拍相機(jī)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，在橋梁運(yùn)營過程中對動(dòng)撓度、動(dòng)應(yīng)變實(shí)測值超預(yù)警值的情況進(jìn)行抓拍，并將相應(yīng)車輛照片在系統(tǒng)中進(jìn)行推送，對橋梁運(yùn)營過程中遇到的突發(fā)事件進(jìn)行及時(shí)報(bào)警，使管養(yǎng)人員及時(shí)掌握重車經(jīng)過時(shí)的橋面狀況。典型重車經(jīng)過時(shí)抓拍圖像及撓度響應(yīng)分別如圖4、圖5所示。

3.2 重車通行量估算

對應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換，分解得到車輛作用下的準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)。根據(jù)一輛典型六軸車經(jīng)過時(shí)引起的應(yīng)變變化，如圖6所示，其最大變化幅值約60 με，以此為依據(jù)統(tǒng)計(jì)六軸重車數(shù)量，如表3所示。通過對重車交通量的估算，掌握交通流量變化情況，為路面大中修養(yǎng)護(hù)及橋梁性能評估提供支撐。

可見1—3月內(nèi)左右兩幅橋重車數(shù)量接近，但重車交通量有增長趨勢，應(yīng)對重車通行情況持續(xù)關(guān)注。

3.3 結(jié)構(gòu)性能變化分析

橋梁的模態(tài)參數(shù)識別主要是獲取橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼和振型，模態(tài)參數(shù)反映了橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量、剛度和阻尼的分布規(guī)律，反映橋梁結(jié)構(gòu)當(dāng)前狀態(tài)的固有特性，為結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)改變分析和損傷識別提供依據(jù)。因此，該文通過基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，識別橋梁基頻，如圖7所示。三個(gè)月內(nèi)橋梁頻率變化如表4所示，可見，三個(gè)月內(nèi)結(jié)構(gòu)基頻變化幅度較小，結(jié)構(gòu)性能無明顯退化。

4 結(jié)語

橋梁健康監(jiān)測在日常養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)為3個(gè)方面，即橋面狀況監(jiān)控、重車通行量、結(jié)構(gòu)性能變化。

（1）通過將監(jiān)測數(shù)據(jù)與抓拍相機(jī)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，對橋梁運(yùn)營過程中遇到的突發(fā)事件進(jìn)行及時(shí)報(bào)警。

（2）基于監(jiān)測數(shù)據(jù)對重車通行狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，為橋梁維修加固及交通管制提供依據(jù)。

（3）橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)通過定期數(shù)據(jù)處理和分析，可以對橋梁的安全狀況進(jìn)行識別。

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