数字化转型 | 高速公路桥梁结构健康监测系统研究及应用

高速公路那点事儿

发布于 2025-10-10 10:54:18

5720

点击上方“高速公路那点事儿”，再点击右上角的“···”，选择设为星标，文章自动推送

桥梁建成并通车后，经过长期负荷使用,桥梁结构难免会因各种原因发生损伤，从而降低桥梁的安全度。为了保障桥梁结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，已建成的桥梁急需采用有效的技术手段监测和评定其安全状况，并且及时修复和控制结构损伤，桥梁结构损伤如果不能得到及时的维护和维修，不仅影响行车的安全，缩短桥梁的使用寿命，甚至会发生桥梁的突然破坏或倒塌等惨痛的事故。

随着科学技术的发展，综合多个学科领域的桥梁结构监测系统，可以极大延拓桥梁检测的内容，并可连续地、实时地、在线地对结构“健康”状态进行监测和评估，确保运营安全和提高桥梁的管理水平。

桥梁健康监测系统，主要根据桥梁结构特点以及潜在的风险因素，针对性的布设不同类型的传感器，构建桥梁健康监测传感网，综合采集桥梁结构健康状况数据，实现桥梁结构健康数据长期在线式采集，及时发现设施的结构安全隐患，为运营管理单位提供桥梁养护管理辅助决策。

系统构成

桥梁健康监测系统一般由传感器系统、数据传输与处理、结构分析与评估系统等组成。

1）传感器系统

传感器系统的选择应与监测项目相匹配，一般包括：

（1）结构静、动力反应监测传感器：用于监测桥梁在温度、不均匀沉降及荷载等作用下的应力、应变等反应，解决可靠性评估中的效应监测问题，同时也为自诊断系统提供模式样本及结构反演分析的原始数据。常用的传感器有:应变传感器、拉压力传感器等。

（2）几何监测传感器：用于监测桥梁各部位的静态位置和静态位移等，以确保结构在使用期内的正常使用性。所使用的传感器有:位移计、倾角仪等。

（3）环境监测传感器：主要目标在于监测桥梁所处的物理化学环境等，从而为随后的桥梁耐久性评估提供原始数据。所使用的传感器有:电阻式温度计、湿度计、酸性气体监测仪、酸碱度(PH值)传感器、钢筋锈蚀监测装置等。

2）数据传输与处理

主要包括外场数据采集计算机系统、通讯传输光缆等。外场数据采集计算机系统对被测物理量量测结果进行预处理(如量测结果的修正换算，主应变计算等)并形成数据文件，通过通讯光缆传输至管理指挥中心。

3）结构分析和评估系统

主要包括结构分析和评估软件系统等。

传感器布设原则与选型

布设原则

遵循“代表性、实用性、经济性、少而精”的桥梁监测测点选取原则，集合相关规范和整桥的实际情况，同时考虑便于施工的因素，选取合适桥梁段作为监测对象，主要监测项包括应力监测、振动监测、位移监测、变形监测、主梁挠度线性监测、温度监测等。

1）桥梁应力监测测点布设

应力是运营桥梁局部响应最主要的表现量，对运营期活载作用下桥梁受力最不利截面、桥梁病害发展较快的部位等进行应力监测，了解桥梁关键截面应力情况，选取应变计作为应力监测仪器。

2）位移监测测点布设

位移监测能观测梁体相对于支座是否产生横向或纵向爬移，梁体间伸缩缝的位移。位移监测以位移计作为监测仪器，包括布设纵向位移传感器和横向位移传感器、伸缩缝位移传感器。

3）梁体变形监测测点布设

综合考虑整座桥梁变形监测最佳布设点，一般在合适的防撞栏顶端布设北斗高精度监测终端，左右幅各布设一台，在离测点不远处较稳定的点定布设一台基站，一般建议在桥台路基处。

4）主梁挠度线性变化监测测点布设

主梁挠度监测可直观的掌握桥梁的挠度线性，综合其它如温湿度监测、应力监测等监测项可分析出对桥梁挠度影响的因素。主梁挠度线性监测选取静力水准仪作为监测仪器。

5）桥梁温度监测测点布设

温度监测选取温度计作为监测仪器，主要监测桥梁环境温度情况。

设备选型

桥梁结构健康监测系统常见采用光纤光栅类型传感器和GNSS类型传感器共同构建的传感网络，传感器类型和监测位置如下：

数据传输与处理

桥梁健康监测传感器主要采用光纤型元件，根据光纤传感器可波分复用技术特点，多个传感器可串联在同一芯光缆中，考虑到高速公路沿线敷设有完善的光缆设施，因此，桥梁现场各类型传感器可通过监控专用光缆串联成传感网，监测数据通过光缆直接传输至指挥中心，实现对桥梁整体健康监测单元的网络化控制。

结构分析和评估系统

通过结构分析和评估软件系统对接收的数据进行分析和评估，达到评估桥梁结构安全状态和对结构出现超安全警戒状态及时提出预警的目标。

系统的关键在于软件系统和桥梁结构模型的构建，主要实现以下功能：监测数据的统计分析，多种结构损伤识别方法，结构有限元模型修正方法，多种结构安全评定方法，多级结构预警水平和预警系统。

应变和应力分析：剔除徐变的应变和应力分析，应变和应力的分布范围统计分析，应变和应力的趋势变化分析和极值分析，应变和应力与温湿度之间的关系分析，应变和应力与车辆荷载之间的相关性分析，应变和应力与风荷载之间的相关性分析。对拉应力超过抗拉强度、压应力达到混凝土设计强度的50％、80％、钢筋拉压应力达到屈服应力60％的状况进行预警。

变形分析：桥梁的静力变形趋势和极值分析，桥梁静力变形与温度之间的关系，根据桥梁静力变形趋势和极值(超过规范设计值60％)进行预警。

模态分析：根据加速度传感器和应变传感器的测试结果，采用多种方法，进行模态分析，获得桥梁的频率、振型和阻尼比。进一步分析频率、振型和阻尼比与温湿度、车辆荷载以及风荷载之间的相关性，并采用主成分分析方法剔除温湿度和风及车辆荷载对桥梁模态参数的影响，获得真实的模态参数。

损伤识别：在模态分析的基础上，采用多种损伤识别方法进行桥梁的损伤识别，并将多种方法识别的结果进行融合分析综合判断。对小损伤，进行提示性预警；对严重损伤，进行红外预警。

模型修正：在模态分析的基础上，对桥的有限元模型进行修正；结合损伤识别的结果，以及耐久性分析理论，对有限元模型的局部单元进行深入分析；采用修正的有限元模型，将监测的车辆、风、温湿度等荷载和环境施加在有限元模型上，进行结构反应分析，与测试结果进行比较，并对未安装传感器但结构反应较大的部位进行提示性预警；同时根据耐久性理论，计算结构的时变承载力，调整预警阈值。

安全评定：斜拉索强度和疲劳损伤安全评定分析，桥梁整体极限承载力分析，桥梁可靠度分析。

通过设置在桥梁中的数据采集系统自动采集桥梁的各个状态参数，并对采集到的信息进行数据分析处理，分析桥梁的健康状况，监控系统周期性地将分析结果与规定的安全标准做对比，当监测结果超过某一程度时，系统自动报警。对处于中、差级健康状况的路网基础设施自动进行判断，对可能出现的基础设施病害高发状况进行预警，为路网大中修、改扩建等项目决策提供依据。

根据预警模型估算的基础设施病害程度，将预警级别分为黄色、红色2级，以声光方式提醒监测人员。

“黄色预警”，提醒监测人员注意该设施病害程度的变化；定期进行跟踪监测；

“红色预警”，监测人员应及时将有关情况通知上级管理人员，上级管理人员应与养护部门沟通，对高速公路基础设施进行养护施工。