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項(xiàng)目背景

   某市業(yè)主計(jì)劃建立該區(qū)域的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，筆者根據(jù)該地區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及需求對(duì)系統(tǒng)建設(shè)給出了自己的個(gè)人建議。

    根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況橋梁結(jié)構(gòu)的主要類型包括：

（1）簡支梁板橋

（2）連續(xù)梁板橋

（3）系桿拱橋

（4）閉合框架橋

   項(xiàng)目建設(shè)的需求是將健康監(jiān)測系統(tǒng)同橋梁數(shù)字化管養(yǎng)有機(jī)的結(jié)合，并同未來智慧化城市橋梁相對(duì)接。其主要功能模塊包括：數(shù)字化橋梁信息管理模塊、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)監(jiān)測模塊、橋梁BIM模型、GIS地理信息系統(tǒng)模塊、橋梁健康評(píng)估模塊等部分組成。

     橋梁結(jié)構(gòu)受力形式除系桿拱橋外，其它橋梁結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)明確，監(jiān)測結(jié)構(gòu)主要參數(shù)相對(duì)較為簡單，主要為撓度和應(yīng)變，最關(guān)鍵的參數(shù)為撓度?？紤]到典型路線重載的特點(diǎn)，在重載路線應(yīng)增加動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)。此外考慮到典型橋梁病害主要包括耐久性病害、伸縮縫以及支座位移等，針對(duì)這些病害可以增設(shè)裂縫監(jiān)測、支座位移以及伸縮縫位移等監(jiān)測參數(shù)。

  監(jiān)測參數(shù)的選擇

    針對(duì)本項(xiàng)目的特點(diǎn)，在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮目前橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題才能架構(gòu)比較實(shí)用的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。

（1）橋梁健康監(jiān)測參數(shù)如何選擇？

   橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)的選擇對(duì)于系統(tǒng)至關(guān)重要，監(jiān)測參數(shù)分為靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)。根據(jù)監(jiān)測參數(shù)分析的需求首先要清楚某一監(jiān)測參數(shù)的類型，否則需要實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測的參數(shù)選擇靜態(tài)的設(shè)備則難以滿足要求。

（2）監(jiān)測數(shù)據(jù)如何分析？

   監(jiān)測參數(shù)的數(shù)據(jù)分析也是健康監(jiān)測系統(tǒng)的重要內(nèi)容，數(shù)據(jù)分析方法需要結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)分析的需要來確定。如對(duì)于風(fēng)速的監(jiān)測通常需要得出風(fēng)速的大小和風(fēng)向，有時(shí)需要分析風(fēng)玫瑰圖。而對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)可能需要分析橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性如振型、頻率、阻尼比等，通常采用模態(tài)分析的方法來實(shí)現(xiàn)。

（3）系統(tǒng)建設(shè)模式如何選擇？

  目前國內(nèi)常用的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的模式多采用建設(shè)移交的方法，由于移交后管理部門由于缺少專業(yè)人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，系統(tǒng)建成幾年后往往陷于癱瘓，這也是系統(tǒng)受人詬病的主要原因。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)后期的維護(hù)也至關(guān)重要，因此筆者建議系統(tǒng)可以采用建設(shè)移交+運(yùn)維費(fèi)的模式，系統(tǒng)建成后由承包方對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行長期維護(hù)，建設(shè)方支付運(yùn)維費(fèi)。采用這種方式最大的優(yōu)點(diǎn)是通過承包方的專業(yè)技術(shù)服務(wù)能保證系統(tǒng)的運(yùn)營，在系統(tǒng)局部出現(xiàn)問題可以及時(shí)進(jìn)行處理。

（4）橋梁健康如何評(píng)估？

   橋梁結(jié)構(gòu)的健康評(píng)估是系統(tǒng)建設(shè)的主要目標(biāo)，為橋梁結(jié)構(gòu)健康運(yùn)營保駕護(hù)航。而國內(nèi)健康監(jiān)測系統(tǒng)安裝在橋梁結(jié)構(gòu)健康評(píng)估方面還存在一定的功能不足。對(duì)于本項(xiàng)目而言，橋梁結(jié)構(gòu)形式比較簡單、受力明確，可以通過安裝高精度傳感器對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，將監(jiān)測數(shù)據(jù)同結(jié)構(gòu)評(píng)估有機(jī)結(jié)合。

   橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測參數(shù)類型主要包括三類：

橋梁結(jié)構(gòu)荷載監(jiān)測項(xiàng)目包：風(fēng)荷載監(jiān)測、汽車荷載監(jiān)測、溫度監(jiān)測、地震荷載監(jiān)測；

   橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測項(xiàng)目包括：振動(dòng)特性監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、橋梁撓度監(jiān)測、伸縮縫和支座位移監(jiān)測、拉索索力或吊桿內(nèi)力監(jiān)測；

    其他監(jiān)測項(xiàng)目包括：混凝土耐久性監(jiān)測、防撞擊監(jiān)測、視頻監(jiān)測、環(huán)境溫濕度監(jiān)測。

   根據(jù)以上監(jiān)測參數(shù)類型結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，建議監(jiān)測的參數(shù)如下：

系統(tǒng)監(jiān)測主要傳感器選擇

1、動(dòng)撓度的監(jiān)測

    動(dòng)撓度監(jiān)測是橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測的重要參數(shù)，目前常用有靜力水準(zhǔn)、GPS、橋梁撓度儀和毫米波雷達(dá)等，各自優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍見下圖：

   根據(jù)以上對(duì)比，對(duì)于中小跨徑橋梁建議采用毫米波雷達(dá)進(jìn)行監(jiān)測，其安裝見下圖：

2、動(dòng)應(yīng)變的監(jiān)測

     動(dòng)應(yīng)變監(jiān)測是橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測，從而對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行分析，目前常用有振弦式應(yīng)變計(jì)、光纖光柵應(yīng)變計(jì)等。

    根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)采用光纖光柵應(yīng)變計(jì)監(jiān)測，常規(guī)結(jié)構(gòu)可不監(jiān)測此參數(shù)。振弦式應(yīng)變計(jì)很難對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測，其測試原理是巡采方式。

3、車輛荷載監(jiān)測

    車輛荷載監(jiān)測采用動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)WIM來實(shí)現(xiàn)，對(duì)車輛總重、軸重、車速、車間距等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

4、支座位移監(jiān)測

  支座監(jiān)測為提高精度采用LVDT位移計(jì)進(jìn)行監(jiān)測，通過底座將設(shè)備固定在梁底或橋梁墩臺(tái)上。

5、伸縮縫位移監(jiān)測

伸縮縫位移監(jiān)測采用拉繩式位移計(jì)進(jìn)行監(jiān)測。

6、裂縫監(jiān)測

   裂縫監(jiān)測為提高精度采用LVDT裂縫計(jì)進(jìn)行監(jiān)測，其安裝方式同LVDT相同，通過底座將設(shè)備固定在梁體裂縫位置處。

7、橋梁限高監(jiān)測

橋梁限高采用限高監(jiān)測采用紅外對(duì)射的監(jiān)測設(shè)備，包括一個(gè)發(fā)射端和一個(gè)接收端對(duì)限高進(jìn)行監(jiān)測。同時(shí)配合視頻監(jiān)測設(shè)備，當(dāng)車輛超過限高設(shè)定值時(shí)觸發(fā)視頻采集系統(tǒng)對(duì)車輛信息進(jìn)行抓拍。

8、墩臺(tái)基礎(chǔ)沉降

  墩臺(tái)基礎(chǔ)沉降監(jiān)測采用高精度靜力水準(zhǔn)進(jìn)行監(jiān)測，以固定的基準(zhǔn)點(diǎn)作為參考點(diǎn)對(duì)各測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，精度可以達(dá)到0.2mm。

9、索力監(jiān)測

索力監(jiān)測采用振動(dòng)傳感器進(jìn)行監(jiān)測，配備動(dòng)態(tài)集設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測。

系統(tǒng)總體架構(gòu)

1、橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)組成

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成通常包括：傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)的管理與處理子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)健康評(píng)估子系統(tǒng)，見下圖。

2、項(xiàng)目總體系統(tǒng)架構(gòu)

   根據(jù)本項(xiàng)目需求，本系統(tǒng)在架構(gòu)時(shí)考慮以下特點(diǎn)：架構(gòu)為獨(dú)立的監(jiān)測系統(tǒng)；各橋梁為分布式子系統(tǒng)；數(shù)據(jù)傳輸采用4G網(wǎng)絡(luò)；預(yù)留接口與原監(jiān)控平臺(tái)對(duì)接；系統(tǒng)框架圖僅動(dòng)態(tài)監(jiān)測模塊；與橋梁系信息管理系統(tǒng)融合。系統(tǒng)總體框架見下圖：

3、本項(xiàng)目健康監(jiān)測系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）與橋梁數(shù)字化管理系統(tǒng)的融合

   將橋梁數(shù)字化管理信息系統(tǒng)同健康監(jiān)測系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合，體現(xiàn)人工檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合。

（2）監(jiān)測參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示與挖掘

 監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠在監(jiān)測系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并能對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、設(shè)定閾值用于結(jié)構(gòu)異常狀態(tài)的預(yù)警。對(duì)于不能直接用于結(jié)構(gòu)分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取、關(guān)聯(lián)分析等提取可以用于結(jié)構(gòu)評(píng)估的評(píng)估參數(shù)。監(jiān)測參數(shù)與評(píng)估參數(shù)的關(guān)系：如橋梁動(dòng)撓度為監(jiān)測參數(shù)，對(duì)于梁板結(jié)構(gòu)可以提取用于評(píng)估參數(shù)：鉸縫工作性能（橫向分布系數(shù)或兩片粱間撓度相關(guān)系數(shù)）、撓度影響線、撓度值等可以作為評(píng)估參數(shù)對(duì)橋梁工作性能進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)。

                       監(jiān)測數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性分析

（3）監(jiān)測參數(shù)與橋梁承載能能力評(píng)估結(jié)合

 本項(xiàng)目采用毫米波雷達(dá)對(duì)動(dòng)撓度進(jìn)行監(jiān)測，這一關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測一直是行業(yè)的難題。結(jié)合實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)提取橋梁結(jié)構(gòu)的撓度影響線對(duì)橋梁承載能力進(jìn)行評(píng)估，這樣可以形成一套完整的監(jiān)測和承載能力評(píng)估的技術(shù)。

（4）將巡檢、定檢及監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)合

 目前健康監(jiān)測系統(tǒng)與橋梁日常巡檢、定期檢測、特殊檢測均建立為獨(dú)立的系統(tǒng)，給橋梁管理人員帶來極大的不便。本系統(tǒng)建設(shè)將健康監(jiān)測系統(tǒng)與巡檢、定檢以及特殊檢測進(jìn)行有機(jī)的數(shù)據(jù)融合。建立的包頭市政橋梁健康管理系統(tǒng)，主要包括：系統(tǒng)展示模塊、橋梁檔案模塊、橋梁日常巡檢模塊、橋梁定期檢測模塊、橋梁動(dòng)態(tài)監(jiān)測模塊、橋梁特殊檢測模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析模塊、橋梁結(jié)構(gòu)健康評(píng)估模塊等。