結構健康監測系統_結構健康監測系統的組成
一、橋梁結構安全健康監測系統運用背景
橋梁作為公共交通的重要載體，對區域交通的通暢運行、社會經濟發展起到至關重要的作用。隨著社會經濟的飛躍式發展，橋梁交通流量快速提升，橋梁安全危害影響加劇。橋梁因為惡劣使用環境、荷載作用、年限過長等因素導致橋梁損傷，產生病害，威脅橋梁安全，引起橋梁事故。近幾年來，橋梁安全事故屢有發生，社會影響巨大，人民生命安全危害后果嚴重。按交通運輸部《關于進一步提升公路橋梁安全耐久水平的意見》交公路發〔2020〕127號規定：“2025年底前實現跨江跨海跨峽谷等特殊橋梁結構健康監測系統全面覆蓋。到2035年，公路橋梁建設養護管理水平進入世界前列?！睘榱藢崿F各階段橋梁生命線狀態的可知性、可測性，及時了解、掌握橋梁的健康動態與安全狀態，驗證設計理論并指導后續同類型橋梁的設計，對其建立一個科學的運營期健康與安全監測系統顯得尤為重要。
通過橋梁結構安全健康監測系統的建設及運行，可準確、全面掌握橋梁運營期的環境參數及結構響應參數，并通過數據的分析對橋梁的使用狀態和力學行為進行預警和初步評估，為橋梁的安全運營提供有力的保障。橋梁結構健康監測系統能夠建立一套完備、系統化、自動化、智能化的橋梁整體結構健康監測、分析、預警、評估系統，專門針對橋梁生命線和安全評估建立完備的安全風險防控體系。隨著橋梁結構健康檢測系統的創新性發展，科技化、信息化、智能化、標準化技術監測、研判技術水平逐步提高，橋梁平均服役壽命將大幅提升，實現并不斷完善橋梁健康綜治管理體系和能力的現代化。
二、橋梁結構安全健康監測系統組成
橋梁結構安全健康監測系統主要由橋梁結構安全健康數據監測系統、數據采集與傳輸系統、綜合預警與結構評估系統、橋梁健康綜合管理平臺四部分組成。
1.橋梁類型及監測部位
(1)斜拉橋
斜拉橋安全健康檢查主要有：稱重監測、伸縮縫位移監測、應力監測、沉降監測、外源環境監測、震動監測、索力監測、空間變位監測等。
(2)懸索橋
懸索橋(也稱吊橋)安全健康檢查主要有：全橋GNSS定位、吊索索力監測、伸縮縫位移監測、應力監測、震動監測、主纜緊固力監測、外源車輛通載量監測、外源環境監測、外源異常預警等。
(3)梁橋
梁橋安全健康檢查主要有：全橋GNSS定位、伸縮縫位移監測、應力監測、振動監測、橋墩傾斜監測、外源車輛通載量監測、外源環境監測。
(4)拱橋
拱橋安全健康檢查主要有：全橋GNSS定位、伸縮縫位移監測、應力監測、震動監測、拱圈收斂監測、外源車輛通載量監測、橋墩傾斜監測。
2.橋梁結構安全健康數據監測
橋梁結構安全健康數據監測子系統分為：結構監測、環境監測、荷載監測及視頻監測四大部分功能數據監測。
（1）結構監測
結構可分為撓度監測、裂縫監測、振動監測、索力監測、位移監測及應變監測等類型。
1)撓度監測
橋梁主體的撓度與橋梁的承載能力及抵御動載荷的能力密切相關，橋梁收到承載車輛、行人及索拉的共同作用，受力復雜，因此對梁體撓度進行監測極為重要，主要采用靜力水準儀進行測量。
2)裂縫監測
裂縫監測采用裂縫針進行測量，其主要用于不同的結構體的裂縫變化測量。
3)振動監測
橋梁動力特性參數(頻率、振型和阻尼)和振動水平(強度和幅值)是橋梁整體安全的標志，橋梁材料的強度的退化會引起結構振動特性的改變，例如橋梁結構剛度的降低會引起橋梁自振頻率的降低，橋梁局部振型的改變可能預示著結構局部損壞。因此對橋梁動力特性及振動水平的監測能夠起到整體上對橋梁結構健康狀態監測的目的。
4)索力監測
對于斜拉橋和懸索橋的張拉、索老化、疲勞以及受力變化會直接影響到結構的受力與安全。索力是一個影響斜拉橋和懸索橋的一個核心因素。
5)位移監測
橋塔作為橋梁的重要承重結構，主梁恒荷載、活荷載均通過對稱在左右兩側拉索傳遞到橋塔，其受力主要是豎直向下的力，并把豎向力傳遞給橋墩。通過對橋塔頂點三維空間位置變化進行監測，了解橋塔的位移情況和結構的穩定性。
6)應變監測
主要通過應變監測實現，主要檢查橋梁結構關鍵界面的受力情況，以了解結構的長期或瞬間的受力情況?？梢粤私庾鳛橹饕辛嫾氖芰顟B，以及診斷橋梁的病害。
（2）環境監測
1)溫度監測
橋梁所處的氣候環境，對橋梁結構工作狀況有很大的影響，在橋梁變形、應力變化等工作狀態的比較和定量都會分析用到溫度參數。
2)濕度監測
橋梁工作環境中的空氣濕度是影響混凝土結構碳化和鋼筋腐蝕的重要因素，是對橋梁進行耐久性評價不可缺少的數據資料。
3)風力監測
風力是橋梁結構主要動力荷載之一，在風力的作用下，橋梁的主要構梁將產生振動，引起疲勞損傷累積，導致橋梁抗力衰減。通過檢測風速、風向、統計最大風速值，可以得出結構的風與結構響應關系，了解橋梁受風力影響的情況。
4)雨量監測
雨量對橋梁的影響主要表現為降雨對橋梁結構的風致靜力的影響和水流對橋墩的沖擊，通過實施監測，實施掌握橋梁在雨水天氣的實時狀態。
（3）荷載監測
荷載監測分以下三類：車流量監測系統、稱重監測系統，主要檢查其數據為斷面交通流、車型、車軸重、軸數、車輛總重、車速等。
車輛稱重監測采用不停車稱重的方法，稱重測點一般選擇在路基或有穩定支撐的混凝土結構鋪裝層內，覆蓋所有行車道。
通過對車流量及重量的監測，掌握各個時段橋梁所需承載的總量，對于荷載過重的橋梁可以提供控制車輛數量和重量的數據參數。
（4）視頻監測
以視頻方式呈現，對橋梁整體狀態實時監控，具備緊急情況時的應急響應能力。
3.數據采集與傳輸
數據采集與傳輸子系統完成傳感器數據的采集、信號調理以及數據傳輸。各種不同類型的傳感器采用不同的信號調理模塊，數據采集模塊完成對調理后的傳感器信號的處理與轉換，最終形成統一的數字信號;數據傳輸模塊將經過采集模塊獲得的傳感器監測參數的數字信號調制成可供遠程傳輸的信號，并完成信號的遠程傳輸及解調任務。數據采集與傳輸子系統同時也作為傳感器發送采集指令的載體與通道。
數據采集與傳輸子系統設計主要應考慮：傳感器輸出信號類型、信號電纜的類型和長度、采樣頻率和測量精度。
(1)模塊預期功能因大橋結構健康監測涉及的傳感器種類多，輸出信號類型多，因此必須根據不同的傳感器種類、精度以及采樣頻率的要求，采用不同的傳輸方案，并將采集系統集成一個大系統，該系統應具有以下特點和功能。
◆系統集成化程度高，便于統一管理控制;
◆具有良好的兼容性、可擴展性和開放性，容易進行傳感器升級;
◆自動對各傳感器信號進行實時采集、同步傳輸、自動存儲并便于查詢;
◆具有識別傳感器與子系統故障并自動報警的功能;
◆各監測項目在現場具有數據緩存和預處理功能;
◆具有單點故障不影響控制網絡其他部分的功能;
◆數據采集軟件應界面友好、便于操作，具有數據捕獲、篩選和檔案處理功能;
(2)數據采集策略由于大橋實測數據特別是動態采集數據量龐大，若不采取合理的采集與存儲策略，則會導致整個數據系統非常臃腫，因此，應采取合理的采集策略，本系統根據不同的數據要求采用以下方法進行采集：
A.定時制，預先設定采樣的時刻和采樣時間;
B.觸發制，設置閾值或其它觸發條件，結構測點滿足觸發條件時采樣，采樣時長可預定或根據事先確定的條件來終止采樣;
C.統計制，采用雨流計數法進行譜統計和記錄，并采用統計的方法同時記錄每統計時段的最大值、最小值、均值方差和趨勢等;
D.以上方法并行。
采集方案很大程度上依賴于系統要求和數據庫的容量。靜態數據反映的是橋梁結構緩慢的變化過程，并且采集的次數較少，所以，對于靜態數據，可以完全提交或采用統計方式存儲;相對而言，動態監測的數據量遠大于靜態數據，故重點考慮動態數據的采集與存儲。理論與試驗都證明，結構的高階動力特性與結構損傷的關系更明顯，更有利于結構損傷的監測和判斷。但是，如果缺少外部有效激勵，僅采用環境激勵動力特性的檢測方法是不可能準確地檢測到結構的高階頻率和振型的。另外，結構損傷除了在特大事故和惡劣氣象時可能會突然發生，一般結構損傷是一個緩慢累積的過程。因此可以考慮在正常情況時，可采用一天內選擇高峰期或夜間某些時段(以滿足動力特性分析和振動響應為前提)的方案;在特大事故或惡劣氣象時，可采用連續采集方式的隨機采集。采集完成后進行實時動力分析和時間序列分析，如果結構安全則拋棄此段采集的原始數據，僅保留分析結果和統計參數，這樣對數據庫的壓力就會更小。
(3)數據采集流程數據采集系統包括風速數據采集、溫濕度數據采集、結構幾何狀態。數據采集、結構響應數據采集等內容。
4.綜合預警和結構評估
橋梁的健康狀況主要根據橋梁的設計信息、施工階段信息、人工檢查結果以及自動化監控系統的監測結果加以評估。結構安全綜合評估子系統主要包括構件評級系統、疲勞損傷評估以及整體狀況評估等內容。結構安全綜合評估系統通過相應的評價軟件完成數據分析與解釋、結構健康狀況評價、結果數據管理、生成結構健康狀況報告等功能。
(1)安全綜合評估主要功能和處理信息
主要功能：
◆能夠對巡檢、監測以及識別的結果進行趨勢對比、分析與預測;
◆對結構應力、變形等監測參數建立有明確的預警指標，能夠對其監測結果進行分級預警;
◆根據內力基準狀態識別的結果并在此基礎上進行活載及其它荷載的加載以獲得結構的組合內力，進而對其進行安全程度進行判斷;
◆根據疲勞熱點監測的結果預測疲勞壽命、疲勞損傷;
◆根據定期測量和巡檢的結果對結構損傷進行定級評估;
◆綜合各種內力狀態及損傷的情況對結構進行綜合評估。綜合評估系統主要處理的信息包括：
◆人工巡檢獲得的損傷信息;
◆自動化監測子系統獲得的變形、索力以及應力等信息;
◆識別子系統獲得的內力、剛度等信息。
(2)安全綜合評估總體設計
①結構狀況評估系統總體框架
結構狀況評估系統是橋梁運營期監測系統的核心，評估系統應密切結合大橋的管養要求，做到“預測性維護、評估式維護”，對橋梁的運營期狀況以及可能的發展趨勢有清晰的了解，對橋梁構件的不正常表現做出及時診斷，并提出對策建議。結構狀態評估系統分為在線評估和離線評估兩個部分：
◆在線評估主要對實時采集的監測數據進行基本的統計分析、趨勢分析，并與其閾值對比，給出結構的初步安全狀態評估。
◆離線評估主要對各種監測數據(包括人工巡檢獲得的信息)進行綜合的高級分析，以給出結構全面的評估結論。離線評估系統分為正常狀態評估子系統和突發事件狀態評估子系統。正常使用狀態評估頻度每半年一次。橋梁建成后5年內，評估的重點是結構安全性和使用性;5年后，耐久性也列入重點評估內容。
②評估報告
結構狀況評估根據系統采集的數據、其它監測系統及常規檢查養護系統的信息，通過在線評估、離線評估，完成結構狀況月度報告(一年以后改為季度報告)、年度報告、突發事件評估報告、預警報告等，以便對大橋的安全性、耐久性、使用性給出定性或定量的評判。
在線評估主要以月度報告(季度報告)的形式體現，包括各傳感器數據的統計分析結果、有關結構安全的狀況，給出橋梁結構安全狀態的初步結論。
離線評估主要以半年或年度報告的形式體現，全面評估結構的狀態指標。離線評估還包括重要臨時事件報告及突發事件評估報告。
5.億維股份橋梁健康綜合管理平臺
過去的人工巡檢存在檢查內容不一、記錄格式較為混亂、難以歸檔及查閱、監測質量過分依賴檢查人員水平和經驗等問題。億維股份橋梁健康綜合管理平臺擬采用基于電子化的人工檢查的養護管理系統來綜合管理定期巡檢過程中所記錄到的橋梁表面損傷及表面異常情況。建立橋梁健康綜合管理平臺的目的就是為了輔助有關部門對所轄橋梁進行科學有效的管理，取得最大的經濟效益和社會效益。橋梁管理系統的主要功能可以概括為橋梁數據采集、橋梁狀態評估、橋梁狀態預測、維修方案選擇。相應的，系統的模塊主要分為數據采集模塊、評估模塊、預測模塊、決策模塊。主要包括：橋梁構件使用年限、狀態退化規律、維修的單位費用、維修的工程量和施工進度、維修對狀態的影響、通貨膨脹等對維修費用的影響、交通量的增長等。
橋梁健康綜合管理平臺登錄界面
該模塊提供數據的采集和實時展示的功能，通過接收數據采集和傳輸子系統上送的數據，實時解算并進行初步分析，對處理結果進行展示，實時數據展示以監測項為分類標準，包括如：風荷載、溫濕度監測、主梁振動、索力、主梁應力、地震動等，在某一類監測項中，通過圖形化展示傳感器位置分布，同時在頁面下方顯示傳感器實時數據列表、時程曲線、相關性分析等，通過友好的界面清晰直觀的展示監測數據，反應橋梁結構和周圍環境的實時狀態。
(1)監測數據分析
該模塊提供對監測數據的分析功能，可通過選取時間段來對待分析的監測物理量進行展示，也可進行相關的統計分析及相關性分析等。通過統計分析能夠得到數據的分布水平及與不同監測物理量間的差異，如QQ圖、頻數直方圖、箱型圖等;通過相關性分析能夠對不同時間段或不同位置的傳感器監測數據進行分析，以判斷數據間的關系，或分析監測數據的質量高低。
(2)預警信息管理
該模塊提供監測點數據的超限預警功能，當某個監測點實時數據值大于設定的預警閾值時，系統彈出相應的預警信息提示用戶，預警信息包括傳感器編號、超限等級、超限時間、恢復時間等，同時該預警信息自動寫入數據庫中預警信息表中，提供用戶對歷史預警信息的查詢功能。系統根據預先設置的分級預警策略對超限數據進行分析，得出預警分析結果并將預警信息以郵件的方式發送給終端用戶，提醒用戶注意。
(3)歷史數據查詢
該模塊提供各個監測項任意一個傳感器歷史數據的查詢功能，包括最大值、最小值、平均值的統計分析，可以按照年、月、日和自定義時間段查詢某傳感器的歷史數據，通過數據曲線和數據列表形式直觀展示歷史數據查詢結果。
(4)監測報告報表
該模塊提供基于監測數據的統計分析報告功能，可根據用戶事先編輯好的模板格式自動組裝、導出、打印相應的報告報表，報表導出格式支持Word、Excel、PDF等常用文檔格式。
(5)橋梁構件管理
該模塊用于對橋梁所屬結構構件及其相關屬性進行編輯、管理。通過在系統中定義橋梁構件庫，方便管理人員進行橋梁構件的選擇和快速添加，同時實現構件的標準化和模塊化管理。
三、結論
隨著橋梁信息化、智能化的不斷發展，橋梁結構安全健康監測系統對橋梁安全運營、延長橋梁使用壽命起到至關重要的作用。通過早期橋梁病害的發現及預警，能夠大幅節約橋梁的維修費用、養護費用，有效避免頻繁性維修和關閉交通所引起的重大損失，特別針對重大橋梁安全性事故起到關鍵性預測預知作用。億維股份具備多年橋梁結構安全健康監測技術、產品研發、項目建設經驗，具有健全的管理機構和豐富經驗的橋梁專業化技術團隊和實施團隊，堅持以一流化、專業化、規范化的產研、技術服務理念為系統性解決橋梁運行期間的病害預防問題提供有力的支持與助力。
