桥梁健康监测的三大瓶颈如何突破？

我国近20年的桥梁建设成就斐然，建设了以港珠澳大桥、苏通长江公路大桥、西堠门大桥、杭州湾大桥、北盘江大桥以及卢浦大桥等一大批创造世界纪录的大桥。

 

图1 创造世界奇迹的桥梁 图源： 永正检测、中交路桥

全国已有统计数据桥梁垮塌案例的桥梁447座，桥梁垮塌事故的原因各异。中国184座有公开资料标明确定事故成因的桥梁垮塌事故，其主要事故成因见图2。

我国在役桥梁老龄化主要体现在以下几个方面：

传统检查方法存在诸多缺点和不足主要体现在以下几个方面：

基于传统检测方法的缺点和不足，对于大型桥梁在运营期通过桥梁结构的健康监测系统能有效对关键参数进行监测，对于桥梁结构的安全运营提供科学的依据。对于桥梁检测和桥梁结构的健康监测都是确保桥梁安全运营的重要手段，未来在大数据的基础上可以进行有机的融合，为最终实现智慧桥梁管理养护提供有力的支撑。

 

结构健康监测（SHM）指利用现场的传感设备获取相关数据，通过对包括结构响应在内的结构系统特性分析，达到监测、检测结构损伤或退化的目的。

桥梁结构的健康监测系统功能类似于人的“神经系统”：传感器相当于“神经系统”的末梢，用于感知结构的响应；传输网络相当于“神经网络”的神经中枢，其功能是在传感器和控制系统之间进行信息传输和控制；结构的状态评估类似于“神经网路”的大脑，其功能是对自动采集的数据进行处理和分析，并对结构的状态进行评估。

健康监测对于已经发现损伤的部位通过实时监测数据的分析，能对损伤的发展变化以及损伤对结构的影响进行评估，其功能类似于对病人进行“心电图”监测。

d. 对桥梁的设计进行验证，并能对今后的设计起指导作用。

图4 桥梁健康监测系统的组成图  图源： 永正检测、中交路桥

图5 香港某桥健康监测系统  图源： 永正检测、中交路桥

 

20世纪90年代，桥梁结构健康监测开始在中国得到应用。例如青马大桥、江阴长江公路大桥和虎门大桥等。

b. 期望膨胀期

2005年前后，大家对健康监测技术所能发挥作用的期望非常高，所建的桥梁健康监测系统的规模也普遍较大，通常单个系统规模都超过了3,000,000美金。

c. 泡沫化的低谷期

但是大家很快发现，桥梁健康监测技术还并不成熟，尚不能发挥预期的全部作用。所以，在2010年前后，桥梁结构健康监测技术就落到了泡沫化的谷底。

d. 稳步爬升的光明期

近年来，随着传感、采集、通讯、存储，特别是计算机分析与人工智能的快速发展，健康监测技术在中国又重新得到认可，并取得了较快发展。

e. 实质生产的高峰期

这是桥梁健康监测系统未来要经历的阶段，随着人工智能、大数据、5G技术的发展，未来桥梁健康监测系统的发展将出现高峰期，将进一步推动智慧桥梁管理的实现。

目前我国已发布和在编写的桥梁健康监测系统相关的国家、学会以及地方标准有10多项，将进一步推动和规范桥梁健康监测系统的发展。

图8 健康检测系统相关的标准、规范  图源： 永正检测、中交路桥

a. 健康检测系统的应用

b. 所发挥的作用：累积性损伤趋势推演

伸缩缝损伤发现与成因分析 ：车辆也带来了较大梁体加速度，这意味着较大的纵向冲击力。因此悬索桥和斜拉桥纵向运动形态有很大不同，较大的纵向累积行程和较大的纵向运动加速度是造成大桥伸缩缝损坏的主要原因。

c. 应用范围

d. 应用功能

健康监测技术近年来正与BIM、电子化人工巡检系统和养护管理系统逐步融合。

 

当前桥梁健康监测系统实施过程中存在的主要认识误区，导致系统出现经常坏、不管用的情况。

问题2：特大桥系统能否简单照搬到常规桥？

特大桥系统和常规桥梁系统特点不同，因此常规桥梁应考虑降费、增效，在顶层设计时考虑建立轻型桥梁监测系统。

 

 

图11 两种系统功能设计对比  图源： 永正检测、中交路桥

传感手段应考虑低成本、高精度、一专多能以及新型监测传感器技术手段。

对于数据采集传统方式为传感器+工控机，其存在主要问题是系统复杂、成本太高和工控机使用效率低等。对于常规桥梁数据采集研发方向是采用嵌入式系统，如振弦式应力传感器数据采集仪多路扩展器、多路热敏电阻信号调理器、新型数字温度传感器测温系统等。

数据传输传统的方式是有线传输，其存在问题是多点分散，难以适用常规桥梁。对于常规桥梁数据传输解决思路：桥位有线+短途无线+公网或专网传输的方式，见图12。

 

标准系统与简化系统测量参数不同，其对比见图13。

 

 

4. 建立合理可行的报警指标与阈值并与养护动作挂钩，见图15；

 

图16 监测与检测研究方向  图源： 永正检测、中交路桥