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橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)

來源：泰然健康網(wǎng) 時間：2024年12月07日 14:38

作為交通系統(tǒng)的組成部分，橋梁在人類文明的發(fā)展和演化中起到了重要作用。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展以及運輸需求的不斷增長，大型橋梁（如跨海大橋、大跨度橋梁等）越來越多的出現(xiàn)在人們的視野中，這些橋梁造價動輒幾億甚至幾十億元，在交通、軍事和社會生活等方面有著重要的戰(zhàn)略意義。然而，橋梁在建造和使用過程中，由于受到環(huán)境、有害物質(zhì)的侵蝕，車輛、風、地震、疲勞、人為因素等作用，以及材料自身性能的不斷退化，導致結(jié)構(gòu)各部分在遠沒有達到設(shè)計年限前就產(chǎn)生不同程度的損傷和劣化。這些損傷如果不能及時得到檢測和維修輕則影響行車安全和縮短橋梁使用壽命，重則導致橋梁突然破壞和倒塌。據(jù)統(tǒng)計，如今在美國近60萬座橋梁中性能不足和有功能缺陷的占28.6%。美國每年橋梁投資90%用于更新維修舊橋，只有10%用于新建橋梁。

我國現(xiàn)有公路橋5000余座，總長130萬公里，1/3以上的橋梁都存在結(jié)構(gòu)性缺陷、不同程度的損傷和功能性失效的隱患。近年來，我國陸續(xù)出現(xiàn)了多次重大橋梁事故。這些發(fā)生的事故與很多因素有關(guān)，但是缺乏有效的監(jiān)測措施和必要的維修、養(yǎng)護措施是重要的原因之一。這些觸目驚心的事故使得人們對現(xiàn)代橋梁的質(zhì)量和壽命也逐漸關(guān)注起來。對橋梁結(jié)構(gòu)進行質(zhì)量檢測和健康監(jiān)測，已成為國內(nèi)外學術(shù)界、工程界研究的熱點。

傳統(tǒng)的橋梁檢測在很大程度上依賴于管理者和技術(shù)人員的經(jīng)驗，缺乏科學系統(tǒng)的方法，往往對橋梁特別是大型橋梁的狀況缺乏全面的把握和了解，信息得不到及時反饋。如果對橋梁的病害估計不足，就很可能失去養(yǎng)護的最佳時機，加快橋梁損壞的進程，縮短橋梁的服務(wù)壽命。如果對橋梁的病害估計過高，便會造成不必要的資金浪費，使得橋梁的承載能力不能充分發(fā)揮。

橋梁健康監(jiān)測的基本內(nèi)涵即是通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀況的監(jiān)控與評估，為橋梁在特殊氣候、交通條件下或橋梁運營狀況異常嚴重時發(fā)出預警信號，為橋梁的維護維修和管理決策提供依據(jù)與指導。然而，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測不僅是為了結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)控和評估，其信息反饋于結(jié)構(gòu)設(shè)計的更深遠的意義在于，結(jié)構(gòu)設(shè)計方法與相應的規(guī)范標準等可能得到改進。再有就是橋梁健康監(jiān)測帶來的不僅僅是監(jiān)測系統(tǒng)和對某特定橋梁設(shè)計的反思，還可能并應該成為橋梁研究的“現(xiàn)場實驗室”。橋梁健康監(jiān)測為橋梁工程中的未知問題和超大跨度橋梁的研究提供了新的契機。由運營中的橋梁結(jié)構(gòu)與其環(huán)境所獲得的信息不僅是理論研究和實驗室調(diào)查的補充，還可以提供有關(guān)結(jié)構(gòu)行為和環(huán)境規(guī)律的最真實的信息。因此，橋梁健康監(jiān)測不只是傳統(tǒng)橋梁檢測加結(jié)構(gòu)評估新技術(shù)，而且被賦予了結(jié)構(gòu)監(jiān)控與評估、設(shè)計驗證和研究與發(fā)展三方面的意義。

近年來，通信網(wǎng)絡(luò)、信號處理、人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展加速了橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的實用化進程。業(yè)界紛紛著手研究和開發(fā)各種靈活、高效、廉價、并且不影響橋梁結(jié)構(gòu)正常使用的長期實施監(jiān)測方法或技術(shù)。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的部署和應用不單單具有重要的現(xiàn)實意義，還具有重要的研究價值，在推動和發(fā)展智能化、數(shù)字化和信息化橋梁工程中起到了積極的作用。

20世紀90年代，亞洲一些國家如日本、韓國等開始研究并在一些大型橋梁上安裝健康監(jiān)測系統(tǒng)。目前的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和一些特點主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)通過布設(shè)在橋梁上的傳感器能夠測量并記錄橋梁的行為。

(2)重視對橋址處環(huán)境的監(jiān)測(溫度、風、交通荷載等)。

(3)各系統(tǒng)都毫無例外的進行了橋梁動力加速度、速度的監(jiān)測。

(4)由于科學技術(shù)的發(fā)展，特別是通訊技術(shù)和現(xiàn)代測量技術(shù)的發(fā)展，使得橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)能夠獲取橋梁相對準確的信息，并且可以實現(xiàn)系統(tǒng)的大容量、網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)自動采集、自動入庫。

健康監(jiān)測系統(tǒng)分成三個等級，即長期在線自動健康監(jiān)測系統(tǒng)、定期離線健康監(jiān)測系統(tǒng)和定期養(yǎng)護健康檢測系統(tǒng)。長期在線自動健康監(jiān)測系統(tǒng)是最高等級的健康監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)適合于在特大跨徑復雜橋梁結(jié)構(gòu)和具有重大戰(zhàn)略意義的關(guān)鍵橋梁上使用。該等級的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)具有如下的特點：傳感器長期布設(shè)在橋梁上，并通過相應技術(shù)連接在一起，構(gòu)成傳感器子系統(tǒng)。各傳感器的數(shù)據(jù)采集通過健康監(jiān)測系統(tǒng)中心控制系統(tǒng)動態(tài)實時的下達采集指令，觸發(fā)傳感器的開關(guān)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)直接自動進入健康監(jiān)測中央數(shù)據(jù)庫。橋梁管理部門和客戶可以通過網(wǎng)絡(luò)遠程訪問中央數(shù)據(jù)庫并進行健康診斷。

目前此類系統(tǒng)，傳感器數(shù)據(jù)采集及中央數(shù)據(jù)庫等各子系統(tǒng)的連接還是通過數(shù)據(jù)線的連接。隨著無線傳感器技術(shù)的研制，無線健康監(jiān)測系統(tǒng)有望實現(xiàn)。定期離線健康監(jiān)測系統(tǒng)是長期在線自動監(jiān)測系統(tǒng)的一種簡化，最大的區(qū)別是定期離線健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和管理是離線的、人工的。與長期在線自動健康監(jiān)測系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)省掉了數(shù)據(jù)的自動采集設(shè)備和軟件，無需大量的數(shù)據(jù)線并避免了數(shù)據(jù)的長距離傳輸帶來的數(shù)據(jù)精度的損失。該系統(tǒng)投資額度相對小，適合于一般重要的橋梁。而且，該系統(tǒng)在以后如果需要的話，可以直接升級為長期在線自動健康監(jiān)測系統(tǒng)。

定期養(yǎng)護健康檢測系統(tǒng)適合于一般橋梁和對整個路線沿線的所有橋梁的健康監(jiān)測，該系統(tǒng)的功能和性質(zhì)接近于一般橋梁的養(yǎng)護管理，可以這樣描述：橋梁管理部門購置相應的橋梁檢測設(shè)備，包括傳感器及其相應的數(shù)據(jù)采集和處理軟件、橋梁健康診斷軟件。這些設(shè)備都存放于實驗室，不長期固定在橋梁上。橋梁管理部門定期的利用這些設(shè)備對所轄橋梁進行健康檢測。該系統(tǒng)最大的優(yōu)點是可以監(jiān)測多個橋梁的健康狀況，同時設(shè)備容易維護、更換和更新。

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計是實施橋梁健康監(jiān)測的第一步。目前關(guān)于橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的標準、原則還沒有統(tǒng)一的說法。本文結(jié)合國內(nèi)外已經(jīng)安裝的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的特點，探討橋梁健康設(shè)計的一些原則。

從已經(jīng)安裝的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中可以看出，這些橋梁健康監(jiān)測的測點布置的數(shù)量、監(jiān)測項目有很大差異。這種差異一方面來自于橋梁結(jié)構(gòu)形式和所處地理環(huán)境的差異，另一方面來自于各健康監(jiān)測設(shè)計的目的和投資額度的不同。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計要遵循“因橋而異、因橋制宜、經(jīng)濟實用、穩(wěn)定可靠”的16字原則。

因橋而異、因橋制宜。不同地區(qū)、不同橋梁結(jié)構(gòu)形式的健康監(jiān)測的內(nèi)容是不一樣的。不同地區(qū)的氣候、地質(zhì)環(huán)境會有很大差別，橋梁健康監(jiān)測的一部分內(nèi)容就包括對橋址處環(huán)境的監(jiān)測，比如風、地震、溫度等。

經(jīng)濟實用、穩(wěn)定可靠。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的實施費用是昂貴的，因此，投資額是制約橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)規(guī)模和設(shè)備的重要因素。健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計應作效益．成本分析，設(shè)計出經(jīng)濟實用、穩(wěn)定可靠的健康監(jiān)測系統(tǒng)。

基于以上分析，建議在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計時遵循以下步驟：

(1)針對具體橋梁，確定監(jiān)測系統(tǒng)的目的和功能。

(2)分析橋梁的結(jié)構(gòu)特點、環(huán)境狀況、運營情況，確定橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測項目。

(3)建立橋梁有限元模型進行結(jié)構(gòu)靜動力分析，確定應力相對不利的位置及動力分析結(jié)果，結(jié)合工程經(jīng)驗、結(jié)構(gòu)特點及測點優(yōu)化理論綜合確定測點布置方案。

(4)結(jié)合投資額度，廣泛調(diào)研現(xiàn)代測試技術(shù)的發(fā)展，確定各監(jiān)測項目傳感器的選型 [1]。

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