桥梁健康监测技术问题和基于关键指标的监测系统研究

桥梁健康监测技术问题和基于关键指标
的监测系统研究
摘要：近年来，我国经济的高速发展带动着基础设施建设的不断完善，对交
通运输的需求日益增长，各地区的桥梁数量也随之增长。

健康监测技术通过在结
构关键位置布设传感器，对环境作用、结构响应、异常事件进行实时监测和长期
趋势分析，以准确感知整体及局部状态，尽早发现结构病害或安全隐患，为结构
评估及寿命预测提供科学依据，是保证桥梁安全运营，提升桥梁养护管理水平的
高效技术手段，也是推进桥梁运维智能化升级的有效途径。

本文主要对桥梁健康
监测技术问题和基于关键指标的监测系统进行研究，详情如下。

关键词：桥梁健康监测技术；关键指标；监测系统
引言
结构健康监测涉及材料科学、仪器仪表与测试技术、信号处理、计算机科学
与技术、通信技术、结构分析等领域，具有明显的学科交叉和融合特征。

我国幅
员辽阔，服役环境复杂多样，桥梁因用途或运营单位的不同分为铁路桥梁、公路
桥梁、市政桥梁等，存在各自不同的监测需求和对应的健康监测系统标准，但监
测系统本质为感知、传输和应用，其共性特征不因桥梁结构或者用途不同而存在
显著差异。

因此，有必要了解监测技术标准现状，分析标准间的共性及差异性，
以便更好地开展桥梁结构健康监测系统的设计、实施、交付、运营等标准化工作。

1桥梁健康监测内容
（1）荷载和环境的监测。

荷载监测包括桥面通行荷载、地震、风、温度等，所使用的传感器有动态地秤、强震仪、风速仪、温度计、湿度计、腐蚀传感器等。

（2）几何状态监测。

监测桥梁各部位在使用过程中的位置和位移，强调静态，
突出结构相对长期状态，如T型刚构桥挂梁位置，桥台、墩柱、桥塔、锚旋的沉
降和倾斜等。

所使用的传感器有激光挠度仪、倾角仪、位移计、GPS、激光测距
器等。

（3）结构的动、静力反应。

监测桥梁在桥面通行荷载、风荷载、地震荷载作用下的反应，以及在环境温度、基础不均匀沉降等作用下的反应，常用的传感器有应变计、位移计、联通管、倾角仪、索力计、振动传感器等。

（4）监测数据处理。

根据大量的、全面的各指标监测数据，利用桥梁损伤评估理论建立相关指标阀值或综合评估模型，实时评估桥梁结构健康状态。

2桥梁健康监测技术问题和基于关键指标的监测系统
2.1监测传感器选型及布置
车辆荷载应采用动态称重设备监测，传感器宜布设于有稳定支撑的混凝土铺装层内，应覆盖所有车道。

风参数应采用风速仪监测，宜在桥面两侧和塔顶（拱顶）布设风速仪。

地震地面运动应采用强震动记录仪或三向加速度传感器监测。

温度应采用温度传感器监测，测点选择应根据截面温度梯度和结构体系整体升、降温。

结构整体振动主要测量加速度，加速度传感器应布设在结构主要振型、振幅最大和较大的部位，并应避开节点位置。

结构整体变形主要监测结构的挠度、横向变形和倾角，测点应根据最不利荷载组合作用下的主梁、塔墩、主缆、主拱等构件挠度包络极值点选择变形最大和较大的位置。

应变测点应布置在受力较大或影响结构整体安全的结构构件、断面和部位，受力复杂构件或区域，并宜布设多向应变测点。

索力宜采用加速度传感器按照频率法进行监测，测点应选择索力较大、应力幅值变化较大的拉索、吊杆。

2.2监测与养护平台的设计
2.2.1应用层
应用层可被拆分成应用系统和服务支撑两部分。

若以业务需求为依据，可将应用系统层分成五部分，一是信息管理子层，二是定损检修子层，三是应急保通子层，四是桥梁监控子层，五是管理子层。

而服务支撑层强调以底层所采集数据为核心，基于云计算、数据分析和中间件等平台打造相应的资源库，确保所打造资源库可对数据进行实时更新，使业务需求得到最大限度的满足。

2.2.2感知层
感知层负责采集数据，同时将采集所得数据上传到网络层。

考虑到桥梁监测
所涉及传感器类型较多，为保证各类传感器所采集数据均可得到充分利用，设计
人员指出应对感知层适配协议、同步处理信息等能力进行提高，在此基础上，以
应用层所发布配置指令为依据，有序开展配置节点、通信以及访问控制等工作，
使所接入传感器的优势得到充分发挥。

2.3测点布设
根据桥梁结构相关监测规范的规定，拱桥结构健康监测内容包括车辆荷载、
船舶撞击等16项内容，若将全部监测指标均列为桥梁的监测项目，则投资规模
和日常需处理的数据量将相应增大，大量监控数据也将影响技术人员对桥梁关键
技术指标的快速识别，因此需优化监测项目，精准确定监测指标的数量。

（1）
变形监测系统。

系统采用基于摄影测量法的高精度实时在线位移监测手段，由布
设于已知相对静止位置的基准点和多个被监测位置的监测点组成，基准点和监测
点分别布设基准靶和测量靶，利用摄像机拍摄基准靶与测量靶之间的相互位置变
化来计算被测目标的X（水平）、Z（沉降）位移情况。

当被测目标发生位置变化时，通过软件特定算法实现位移距离与像素的转换，从而得到实际的位移量，是
一种高精度、非接触式的测量方法，目前已被广泛应用于桥梁主梁的动挠度监测、桥面线形监测、桥墩位移监测、铰缝错位（主梁梁间相对变位）监测、支座三向
位移监测等，可进行长期在线实时监测。

（2）环境监测系统。

通过以往定期检
测及检查数据可知，宝成桥的线形及其他变形相关数据受环境温度影响较大，准
确了解其环境温度、湿度等外界环境的变化规律和趋势显得至关重要，全桥设置
1个温度环境监测点。

2.4中小跨径桥梁健康监测系统设计
中小跨径桥梁健康监测系统是一个具有多个高新技术的系统集合，主要包括
结构效应分析技术、传感器技术、通信技术和计算机技术。

桥梁健康监测系统的
工作原理就是收集和分析车辆荷载引起的结构响应指标，通过指标的变化诊断结
构的健康状况。

桥梁结构健康监测系统能够全天候不间断地监测桥梁荷载与环境
作用、结构局部损伤和整体响应、识别桥梁结构损伤和性能退化，把握和预警结
构安全和寿命状况，科学地支撑中小跨径桥梁的管养维护与维修加固。

中小跨径
桥梁健康监测子系统一般由传感器子系统、数据采集与传输子系统、数据处理与控制子系统和离线评估系统组成。

其中，数据处理与控制子系统的功能是对海量的健康监测数据进行可视化处理和分析评估，实现原始数据到桥梁健康状况信息的转化。

中小跨径桥梁结构健康监测系统的数据处理由3个部分组成，分别是数据预处理、数据二次处理和数据后处理。

数据预处理通过计算数据的统计量（最值、期望和标准差）对桥梁结构状况进行初级预警。

数据二次处理主要进行健康监测数据的时域和频域分析。

数据后处理是对健康监测数据进行高级处理，完成桥梁健康状况报表。

结语
桥梁施工便捷，同时结构简单稳定、后期维护保养成本较低，得到了较广泛的使用。

伴随着国内交通运输事业的进一步发展，预应力混凝土桥梁的相关研究和技术人才储备情况会得到持续优化，这将对于此类桥梁的健康监测和长期稳定运行奠定良好的基础。

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