步乐乐，王 曼

（宁波市轨道交通集团有限公司，浙江 宁波 315000）

0 引 言

随着交通事业的蓬勃发展，现代桥梁跨径越来越大，结构体系越来越复杂、越来越轻柔，桥梁结构的安全性、耐久性和适用性日益引起工程师的关注[1]。及时、准确地掌握大型桥梁的工作性能，开展实施桥梁运营期健康监测意义重大。本文以某大跨度曲线梁钢拱桥（下文简称大桥）工程为例，通过运营期健康监测系统的应用，实现对结构损伤位置和损伤程度的诊断，及对桥梁服役情况进行智能评估，确保大桥在特殊天气、交通条件下，或遭受撞击时发出预警信号，为桥梁养护管理的科学决策提供数据及技术支撑。

1 系统总体功能概述

1.1 总体概述

大桥主跨跨度300 m，由曲线钢主梁、两条倾斜钢箱拱肋、倾斜吊杆、肋间平台及系梁等构件组成。桥型总体布置如图1所示。

图1 桥型总体布置

根据大桥的结构及环境特点，本文设计了功能齐备、性能完善、经济合理的运营期监测系统。该系统主要包括数据采集与传输子系统、数据处理与分析子系统、结构安全评估子系统、检查及维护子系统、档案管理与用户支持子系统。大桥运营期健康监测系统组成架构如图2所示。

大桥运营期健康监测系统通过物联网、云计算、大数据等现代技术手段[2]获取桥梁结构的外部环境信息及自身的状态参数，进而对桥梁结构状态进行诊断与评估[3-4]，确保管养单位及时、准确地掌握桥梁健康状况。

图2 大桥运营期健康监测系统组成架构

1.2 设计原则

大桥运营期健康监测系统遵循以下设计原则：

（1）采用相对成熟的技术进行系统架构设计，确保系统可靠、稳定；

（2）采用模块化设计，确保各系统的替换性、经济性，并满足后续系统迭代升级、功能扩展等需求；

（3）设置适度冗余的传感器及其他感知设备，确保数据采集的准确性；

（4）将实时在线监测和定期监测相结合，减少数据采集量，降低后台数据处理难度；

（5）数据处理模块应满足功能强大、界面友好、设置合理等要求，以利于提高后期数据分析效率。

2 数据采集与传输子系统

大桥运营期健康监测系统能否对桥梁结构的安全状态做出准确客观的评估，取决于数据采集及传输子系统能否及时获取真实反映大桥结构状态的特征信息。该工程数据采集与传输子系统由现场数据采集站（感知层）、数据存储站（存储层）和信号传输网络（传输层）组成。其中，现场数据采集站由多个性能稳定的数据采集模块组成，以确保系统的可靠性、准确性和耐久性。

2.1 数据采集

系统通过风速仪，倾角仪和应力、应变传感器等高精度传感设备采集桥梁的状态数据，便于提前发现并锁定损伤位置。数据采集内容主要分为三大类如下：

（1）环境状况监测

监测内容包括风速、风向、结构温度场等，以便及时、准确地掌握大桥所处环境的状况。

（2）桥梁几何状态监测

监测内容包括拱肋变位及扭转、主梁挠度、支座、伸缩缝位移等。

（3）桥梁结构响应监测

监测内容包括拱肋及箱梁应力、吊杆及系杆索力等，以便掌握大桥的实际受力状态和工作状况。

2.2 数据传输

系统采用专用通信光缆[5]，借助点对点独立传输体系进行数据传输，以确保信号传输的可靠性[6]。数据采集与传输架构如图3所示。

图3 数据采集与传输架构

3 数据处理与分析子系统

3.1 数据处理

大桥运营期健康监测系统南伸缩缝西侧支座全天线性曲线推送的数据量极大，若对所有数据进行分析，将占用大量资源，并且海量数据中无效成分较多，将严重影响数据分析算法的执行效率。因此，在对数据进行信息提取前，应提前进行数据清洗、集成、转换、离散等工作，从而提高数据处理的效率和准确性。

数据处理操作采用基于MATLAB和LabVIEW等平台开发的专用软件，运用数学统计和信号分析方法进行时域、频域的参数识别处理[7-8]。

3.2 数据分析

采用如下方法进行数据分析：

（1）以大桥整体和局部有限元计算结果为基础，将MATLAB作为数据分析软件，对比分析结构状态；

（2）分析单个测点24 h数据的变化规律，北平台处测点风速时程曲线如图4所示，主梁全天线形曲线如图5所示，南伸缩缝西侧支座全天线形曲线如图6所示；

（3）同一类型传感器不同测点之间的相关性分析，如液位挠度测点上下游测点关系曲线，相邻液位测点关系曲线等；

图4 北平台处测点风速时程曲线

图5 主梁全天线形曲线

图6 南伸缩缝西侧支座全天线形曲线

（4）不同类型传感器之间的相关性分析，如磁致伸缩传感器与数字温度传感器数据对比分析等[9]。

4 结构安全评估子系统

结构安全评估子系统作为大桥运营期健康监测系统的结果输出层，其核心任务是对桥梁整体安全等级进行评定，同时实现对关键承重构件健康状态的分析与研判。

4.1 评估内容

评估内容按性质分为以下三类。

（1）安全性评估

主要针对大桥各重要构件，如主梁、拱肋、吊杆等的承载能力、应力、刚度、稳定性、结构性损伤等进行评估。

（2）耐久性评估

主要针对桥梁各重要构件的耐久性损伤进行评估，如上部钢构件的锈蚀、应力疲劳损伤、下部混凝土构件裂缝宽度、混凝土碳化深度及保护层损伤、氯离子含量等。

（3）适用性评估

主要针对桥梁的功能性损伤（如主梁线形等）进行评估。因此适用性评估也被称为功能性评估。

4.2 评估流程

结合大跨度曲线梁钢拱桥结构受力特点，该安全评估子系统采用综合评估法对桥梁安全等级进行评定。综合评估分为四个步骤，依次为层次划分、专家调查与权重分析、评估指标的采集和处理、多层次评判[10]。大桥综合评估基本流程如图7所示。

图7 大桥综合评估基本流程

5 结 语

综上所述，本文根据大桥工程特点设计了运营期健康监测系统，并对系统组成及模块功能进行了阐述说明。其主要技术及创新点总结如下：

（1）开发了基于B/S架构的在线监测软件系统，实现了轻量化应用；

（2）解决了传感器、解调仪、服务器和工作站之间的互连、互操作性问题，实现了海量数据的同步采集、存储及传输；

（3）通过对原始数据进行分解、变换，形成健康监测系统数据库，实现了数据资源的集中处理、存储和共享，为后续数据应用提供支持；

（4）通过长期数据相关性分析，对结构力学性能变化和系统传感器运行状况做出判断，为管理和养护工作提供技术指导。