吕强

（合肥市正茂科技有限公司，合肥 230088）

1 引言

从近年来陆续暴露出的重大桥梁事故原因分析来看，绝大多数安全事故的起因都与桥梁健康监测及维修保养工作未落实有关，在此背景下，人们越来越关注桥梁健康监测工作，希望通过此手段改善桥梁工程整体质量，保障人们出行安全。随着近年来我国科学技术水平的进一步提高，各类现代化高新技术，如传感技术、网络通信技术信号采集技术得到更新与优化，成为桥梁健康监测的有益帮手。本文从公路桥梁健康监测及安全预警2 个方面展开论述，希望能为相关单位及企业提供借鉴。

2 公路桥梁健康监测研究

2.1 公路桥梁健康监测的意义

当代道路桥梁健康监测技术并不是对传统的检测技术的简单改进，而是在结合了现代化科学技术应用后，搭建全天候监测系统，不间断地获取桥梁结构的健康状态信息及环境载荷数据，通过对各类数据信息的统计分析，对桥梁健康状态进行评估，以此作为桥梁维修及养护人员的参考信息[1]。公路桥梁健康监测的意义在于：

1）检测桥梁结构运营状态。通过检测，可帮助路桥管理人员评估桥梁结构的安全性，从而及时准确地发现病害，并对潜在安全隐患进行预警；除此之外，还能助工作人员准确识别桥梁各构件的损伤情况，以便后续运营管理工作的正常开展。

2）保证施工阶段的安全与质量。对道路桥梁进行周期性检测，可以有效避免施工过程中一些风险，保证施工安全和施工质量。

3）及时发送事故预警。通过检测，可对历史检测数据的变化趋势进行分析，建立桥梁正常运营环境下的各项动力、静力响应及结构参数间的相关信息集，从而在大桥遭遇突发大荷载、极端天气变化或严重过载事故时触发预警系统，避免重大安全事故的发生。

2.2 桥梁健康监测系统研究现状

加强对桥梁健康状态监测的主要目的是希望通过相关技术手段的应用，达到对特殊气候、交通条件及异常运营状态下的桥梁健康评估，以便发出预警，从而使桥梁结构得到及时有效的维修与保养，确保桥梁结构始终处于安全运营状态。桥梁健康监测系统是一个功能丰富的多学科集成系统，是以桥梁结构检测为主，以信号处理、状态分析、损伤识别等多种手段为辅的桥梁机构科学评估体系。该系统的有效运用为实现对运营桥梁进行健康监测，规避各类潜在安全风险提供了有力支撑。

20 世纪90 年代末，同济大学针对徐浦大桥主梁挠度、混凝土应变、振动加速度、斜拉索索力、车辆荷载、环境温湿度等指标的综合监测，设计了符合大桥实际情况的集成监测系统，开创了中国在运营桥梁健康状态实时监测的先河[2]。

为了解重庆大佛寺大桥主梁应变情况，研究人员在该桥建设阶段，在其5 个关键截面安装了40 个光纤法珀传感器，并在主塔上安装了大量程高分辨力的激光挠度计，首次在国内实现了光电挠度监测系统和光纤法珀应变传感器的桥梁工程应用[3]；在进行湛江海湾大桥设计过程中，为方便后期的桥梁结构监测，设计了包活应变传感器、振动传感器、索力传感器、温湿度传感器等在内的103 个各类传感器，并配合使用GPS 系统，为桥梁重要子部位位移变化情况监测提供了可能，同时，还能够在强风、船撞或者地震等突发情况下监测桥梁结构整体响应。

对道路桥梁进行监控监测时，呈现出3 个主要特征：（1）针对桥梁的结构响应要素，包括桥梁应变，桥梁线性，以及桥梁振动速度等，全面进行监测，并结合自然环境，加深监测效果，辅以交通荷载监测，加强钢筋腐蚀监测等，进而提升全桥监测效果；（2）监测原始数据库的组成，需要将施工监测数据、桥梁荷载试验数据，以及桥梁施工前的有限元模型计算的数据结果等录入监测系统中，形成原始数据库，为后期桥梁施工安全监测和桥梁评估提供理论数据支持；（3）以健康监测系统为主，并辅以人工巡检方式实现桥梁安全预警评估。

2.3 桥梁健康监测系统数据库

建立桥梁健康监测系统数据库的主要目的是记录桥梁信息，以为桥梁运维人员提供理论依据。系统主要由桥梁基本数据库管理模块、桥梁损伤评价模块及桥梁维修管理计划优化模块3 个模块构成，系统模块彼此相互独立，又相辅相成，但在具体应用实践中，研究人员可根据需求以任意一个模块为切入点执行程序。

数据库系统主要由3 个子系统构成，他们分别是桥梁结构信息系统、维修加固记录系统和桥梁巡检检查记录系统。

1）桥梁结构信息系统：该系统主要存储的是桥梁基本信息数据，且这些数据功能是为后期桥梁日常管理提供理论依据。通过桥梁基本信息系统应用，可检索、浏览桥梁结构基本信息，以方便桥梁运维人员进行及时的、科学有效的桥梁检查与维修。

2）检查记录系统：该系统设置的主要目的是将各类检测数据信息进行统计、分析，并以图表形式呈现桥梁结构的应力、位移情况。

3）维修、加固记录系统：该系统的主要应用优势就是能够针对曾接受过维修加固处理的桥梁信息进行记录，并存储于档案之中。信息内容包括维修、加固时间、方法、原因等，以便在其他桥梁出现类似情况时有第一手参考资料。

3 公路桥梁安全预警研究

3.1 公路桥梁安全预警监测内容与体系研究

从现阶段我国道路桥梁管护工作实际现状来看，管护任务比较繁重，而传统的人工巡检、管护方式显然已经无法满足大量管护作业的要求，为此，必须通过自动化技术手段，结合相关科学技术实现桥梁状态检测及预警，为管护人员提供技术指导。当前，国内现有桥梁健康监测体系不仅维护费用高，还存在维护难度大等劣势，无法应用于中小跨径桥梁。在此，本研究在传统检测技术基础上，研究出一种适用于一般公路桥梁安全预警监测体系[4]。在系统应用中，需结合不同桥梁结构的特点，科学设置监测内容，优化布点设计。概括而言，其主要监测内容包含以下几个方面：

1）桥梁结构动态响应。在桥梁结构动态响应监测方面，主要针对桥梁结构动态应力、动态位移及振动加速度等方面进行全方位监测。

2）桥梁结构长期准静态几何变位。针对桥梁结构长期准静态几何变位的监测，主要是对桥梁是否出现了墩台变形或基础沉降等现象进行观测。

3）桥梁环境参数。桥梁环境就是指桥梁所在地的外部气候环境，包括风向、温湿度等。

4）通行桥梁荷载参数。荷载一般指桥梁运营荷载，如行驶于桥梁之上的车辆荷载。

5）桥梁特定构件。特定构件就是指桥梁内部结构承受的吊杆力、支座反力及位移、裂缝等。

3.2 公路桥梁安全预警监测评估体系

现阶段，国内桥梁建筑管理单位对于桥梁安全预警监测评估体系的应用一般是基于桥梁监测数据信息资料，将桥梁既有信息及运营现状等信息与桥梁健康状态评估阈值进行比较，根据其存在的差值进行桥梁结构安全性进行判断。因此，此安全预警监测体系构建过程中，需做好构建评价指标、选择评价方法及设计评价指标阈值等工作。在体系应用实践中，一旦某桥梁结构监测数据超过既定阈值，安全预警系统便会自行启动，启动预警作用。

一般在评估桥梁运营安全性时，主要有两种选择，即根据监测数据的直接评估和监测数据随时间变化量评估法。前者是根据桥梁某一时间段内的实际监测结果进行桥梁健康状态直接评估，以准确掌握桥梁运营期间的承载能力水平、行车适用性及结构耐久性等；而后者则根据桥梁结构多次监测结果与初始值的对比分析，根据其出现的变化量与对应的均方差限值比较，判断桥梁结构承载力、耐久性是否满足桥梁安全运营指标。中小跨径桥梁综合评定流程如图1 所示。

图1 中小跨径桥梁综合评定流程

3.3 公路桥梁安全预警监测方法与理论

结合灵敏度较高的传感器，对桥梁结构的微幅振动响应信号进行记录。然后采用相关技术手段进行分析处理后，对桥梁结构的模态参数进行科学设置，同时，采用随机方法进行环境荷载激振动力监测。此环节中，可用方法较多，如正弦激振法、冲击激振和行车荷载激振等。通常情况下，在监测过程中一般以大型载重车辆通过时的刹车激振测试为主，只有此种测试方式能够帮助研究人员全面了解桥梁结构的各类动力时程响应。动力测试系统原理如图2 所示。

图2 动力测试系统原理

在进行桥梁结构安全预警监测系统与养护辅助决策系统性能评定过程中，一般会同步进行桥梁激振，然而，在具体实践中一般会因现场条件影响，需尽可能减少人工作业量。对于桥梁结构激振操作，通常是对自然使用状态下的桥梁环境荷载及桥上通行荷载情况监测，以便于后期桥梁管养“自动化”目标实现。

3.4 公路桥梁安全预警测点优化布置

在布置桥梁动力点时，要结合上述理论分析结果及桥梁具体情况进行科学布置，一般选择桥梁纵向测试截面布置法。主要方法如下：

1）简支梁：测点布置一般按照4 分跨间距进行，但这一制式并不绝对，对于一些跨度较大、精度要求较高的简支梁，也可选择6 分跨布置方式。

2）连续梁：2 跨连续梁参照简支梁2 跨同时布置；3 跨及以上连续梁，主跨、边跨均按8 分跨间距同时布置；如果某桥梁跨度较小，精度要求较低，主跨可按4 分或6 分跨进行布置。

3）拱桥：布置桥梁自振特性测点时，可以结合桥梁结构跨度大小情况按8 分跨间距进行布，测点数量一般是竖向、横向可各1 个，其他动态测点不少于3 个。

4 结语

桥梁健康状态检测及预警体系研究是现阶段大荷载量、通行量情况下的桥梁运维工作的必然发展记过，本研究在传统桥梁健康监测系统的基础上，结合当代高新科学技术，提出适合大多数公路桥梁的“安全预警监测内容与评判体系”。在建设桥梁安全预警监测系统中，要本着以自动化为主，人工为辅原则进行。为实现桥梁结构健康状态的精准监测，本文还专门针对系统应用中的公路桥梁安全预警测点布置进行了详细介绍，希望能为相关人员提供科学借鉴。