景亚彪

(新疆大学建筑工程学院 新疆乌鲁木齐 830017)

桥梁结构是交通网络的重要组成部分，在国家战略方针、社会经济发展方面以及各地区文化交流中占据十分重要的地位。桥梁在长期的服役过程中，受到交通负荷、环境侵蚀、材料老化等因素的影响而导致桥梁结构损伤，由于桥梁结构损伤而引发的交通事故不胜枚举，这不仅使人们的生命财产无法得到保障，还衍生出恶劣的社会影响。

人工检测是检测桥梁安全性的传统手段，具有主观性强、工作效率低、成本费高等众多缺点，不能满足数量巨大的桥梁结构安全检测的发展需要。我国在桥梁结构健康监测方面的研究相较于国外发达国家起步晚、发展难度大的劣势。桥梁健康监测系统经过30多年的研究和发展，满足了国内大部大跨度桥梁结构健康监测的需求[1]。中小跨径桥梁虽然在桥梁中占据着最大比例，但是其建造费和养护费低，中小跨径桥梁结构健康监测系统的研究与应用相对较少。陈宇哲[2]将应力（应变）作为基本的检测指标，实现了对空心板梁桥和T 梁桥的安全预警目标。毛琳等研究者[3]设置应变和倾角的安全阈值，实现了对小箱梁和空心板梁桥安全状态的评估目标。程勋煜等研究者[4]开发了桥梁养护管理系统，提高了中小跨径桥梁监测数据的管理水平。杨志峰等研究者[5]利用挠度作为监测指标，进行了中小跨径健康监测系统的研究。

中小跨径桥梁在保证交通网络正常运行方面发挥着重要作用。鉴于大跨度桥梁的健康监测系统不完全适用于建造费用相对低廉的中小跨径桥梁，并且中小跨径桥梁的健康监测系统的研究与设计不够完善，因此有必要针对中小跨径桥梁自身的结构特点量身设计一款结构健康监测系统。利用先进的桥梁结构荷载效应监测技术和健康监测数据的处理方法对中小跨径桥梁重要部位进行数据采集、数据处理和数据分析，进而评估中小跨径桥梁在服役期间的工作性能，确保中小跨径桥梁在运行期间的安全性。对中小跨径桥梁在服役期间出现的损伤及时进行定位，通过定性和定量分析中小跨径桥梁的损伤状况和损伤程度，为中小跨径桥梁的维修加固和交通事故的防治提供可靠的科学支撑。

1 中小跨径桥梁的健康状况

交通事业建设的迫切需求促使我国在桥梁设计和建造方面的技术得到极大的提高。目前，我国已成为世界上桥梁数量第一的国家，与此同时，我国桥梁数量以较高的增长率继续增加，中小跨径桥梁始终占据最大比例。中小跨径桥梁在长期的服役过程中受到外界因素（自然环境、交通负荷等）和桥梁结构自身因素（结构老化、结构腐蚀等）的综合影响，既增加了中小跨径桥梁的健康状况出现问题的可能性，又降低了桥面车辆行驶的安全性，还缩短了中小跨径桥梁的使用年限。中小跨径桥梁在长期的服役过程中的健康状况不容乐观。由于桥梁设计、施工质量和养护条件等因素的限制，中小跨径桥梁出现了一系列的病害，例如铰缝破坏、铺装层开裂、支座变形与开裂、混凝土开裂和单板受力，这些中小跨径桥的典型病害降低了车辆在桥面行驶的安全性，使中小跨径的病害研究成为一种热点。闵兆兴研究者[6]分析了高速公路中小跨径桥梁典型病害特征。华东东研究者[7]对中小跨径混凝土桥梁病害原因进行了分析。高庆飞等研究者[8]对中小跨径空心板梁桥的铰缝破坏机理进行研究。邱文等研究者[9]对中小跨径桥梁的支座病害进行分析，并给出修复方法。王冰[10]根据中小跨径桥梁的常见病害进行智能安全风险等级评价及养护措施研究。马明雷[11]结合大量的中小跨径桥梁数据，对桥梁运营早期阶段的典型病害进行了分析。

截至2020年末，我国特大桥、大桥和中小跨径桥梁的总数为91.28万座，其中中小跨径桥梁占比最大。中小跨径桥梁在长期的服役期内出现问题的概率较大。鉴于中小跨径桥梁破坏形式多样，为了保证车辆行驶的安全性，有必要进行结构健康监测系统的研发与设计。

2 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，运行流程如图1所示。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。

图1 健康监测系统工作流程

2.1 设计原则

中小跨径桥梁结构健康监测系统是一个功能强大的复杂系统。中小跨桥梁结构受力形式复杂多样，不同类型桥梁所对应的结构健康监测系统存在较大的差异。为了中小跨径桥梁养护管理和运营的需要，设计结构健康监测系统的过程中应依据以下原则。

（1）中小跨径桥梁结构健康监测系统应遵循经济性和可靠性原则。（2）结合中小跨径桥梁具体的结构形式和受力特点，从易损性的角度设置荷载效应监测点。（3）动力响应和静力效应相结合，争取用最少的传感器和数据量完成中小跨径桥梁的健康评估。（4）监测中小跨径桥梁的指标要以位移和应力为主，以力、模态分析为辅。（5）中小跨径桥梁结构健康监测系统应具有可扩展性，以应对将来结构健康监测的需求变化。

2.2 传感器子系统

传感器子系统由各类监测传感器及其附属设施组成，是桥梁健康监测的基础和数据来源。中小跨径桥梁健康监测的内容包括环境监测、变形监测、裂缝监测、应变监测、温度监测、振动监测、索力监测和活载监测。监测内容应根据桥梁结构的结构形式和受力特点决定。中小跨径桥梁的监测指标、监测仪器及监测目的内容具体见表1。

表1 监测内容及目的

2.3 数据采集与传输子系统

数据采集与传输子系统包含数据采集、信号调理和数据通信3个模块。数据采集模块负责桥梁健康监测数据的采集、储存、预处理和采样控制；信号调理模块负责对信号的过滤和放大；数据通信模块负责传输数据和接受控制信号。数据采集系统负责采集桥梁信息，是中小跨径桥梁结构健康监测系统不可或缺的部分，总体设计要求如下。

（1）数据采集系统能在恶劣的自然环境下进行数据连续采样，并能自动远程传输和共享健康监测数据。

（2）数据采集系统应具有缓存健康监测数据的功能，并能对原始数据进行基本的统计分析。

（3）出现断电情况时，数据采集系统应能自动启动、同步和运行。

2.4 数据处理与控制子系统

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。

3 结语

我国正从桥梁建造大国逐渐转变为桥梁管养大国。中小跨径桥梁数量多，建造费少和养护费低，其健康状况经常被忽视，因此在长期的服役过程中结构安全性容易出现问题。目前，针对区域内的桥梁进行集群健康监测系统的研究与开发成为桥梁结构健康监测系统研究的重要方向，该研究可以降低结构健康监测系统的安装成本。为中小跨径桥梁量身打造一套价格低廉的结构健康监测系统，对我国交通正常运行和社会经济的快速发展具有重要的意义。