服務案例

1 路網級橋梁安全監測的概念與特點

橋梁作為國家路網中的關鍵性節點工程，有效的促進了地區間的經濟交流與合作，加速了區域城市化、國際化進程，促進了人力資源流動和區域產業升級，在地方區域社會與經濟發展中具有重要的戰略意義。

近年來，我國的公路橋梁建設突飛猛進，近60萬座橋梁拔地而起，全國公路橋梁已達65.8萬座，成為僅次于美國的橋梁大國。目前，我國的橋梁建設在建設數量、規模和技術難度上，都處于世界先進水平。然而，目前橋梁的運營安全問題卻日趨嚴峻。大量的路網級舊橋或者在使用過程中經常超載運營，或者在洪水、地震、颶風等自然災害下功能受損，從而給橋梁結構的運營帶來巨大的安全隱患。如果不能及時發現和維護這些具有安全隱患的橋梁，那么，這些橋梁就有可能在運營過程出現突然的破壞和倒塌，帶來嚴重的人民生命財產損失和社會政治影響。

目前國內外的健康監測與管理系統大多基于項目級（projectlevel）的層次。例如：美國八十年代中后期開始在多座橋梁上布設監測傳感器，監測環境荷載、結構振動和局部應力狀態，用以評定服役安全狀態。1987年，英國對總長522 m 的三跨變高度連續鋼箱梁橋Foyle 橋監測其運營階段在車輛與風載作用下主梁的振動、撓度和應變，實現了大橋的實時監測、分析和數據共享。我國內地自1997年起也在一些大型重要橋梁上建立了不同規模的結構監測系統，如上海徐浦大橋和盧浦大橋、江陰長江大橋、蘇通長江公路大橋等。雖然項目級層次的重大橋梁健康監測系統能夠通過對大橋結構狀況的監控與評估，對結構運營狀況異常時發出預警信號，避免重大事故的發生，對重大橋梁的安全運營具有重要的意義。但是，項目級的重大橋梁監測系統往往復雜龐大，監測項目眾多，既有整體監測變量，如位移、速度和加速度，也有局部監測變量，如應力、應變、累積耗能、裂紋等。同時，重大橋梁的監測系統初期投資和運營成本都非常高，現在一套大型橋梁健康監測系統報價都在幾百萬，甚至上千萬以上，多數管理單位難以承受。由于項目級的重大橋梁監測系統復雜龐大、監測項目眾多、數據巨大、成本高昂等局限，很難在路網級（NetworkLevel）公路橋梁的實時監測中獲得應用。

路網級的橋梁監測系統主要是針對特定地區或國家，特定線路，某橋齡范圍或者某種橋梁群體的監測，其主要目的是確定路網上各監測橋梁的安全運營狀態，并且根據監測的關鍵指標為路網上的橋梁維護提供科學合理的依據。從而確保路網運營狀態處于一個可以接受的安全水平。一般來講，路網級的橋梁監測系統具有點多面廣的特點。

未來橋科技基于“公路橋梁信息化管養關鍵技術”研究課題，通過對橋梁關鍵指標的提煉、對橋梁關鍵指標監測技術的研發、對關鍵指標評定技術的研究，并通過示范系統及應用研究，實現橋梁結構安全監測系統的面廣、簡便、經濟、實用，從而促進橋梁結構安全監測系統在局部路網乃至全國的推廣應用。主要特點如下： 

（1） 提供橋梁關鍵參數 

通過對關鍵參數的監測，提供關鍵參數的監測數據和分析結論，為傳統檢測節省資金。

（2） 開發集成式監測硬件軟件 

通過開發針對關鍵參數監測的硬件和軟件，為設備和軟件系統購置節省資金。 

（3） 建立路網級典型橋梁監測系統與數據中心 

在路網級橋梁中，形成區域網絡級橋梁監測系統，達到經濟與實用的統一。 

（4）節約工程投資

基于關鍵指標的路網橋梁監測系統性價比高，為傳統健康監測系統投資資金的三分之一到四分之一。在保證橋梁關鍵指標監測的基礎上，大幅度節約項目投資，在橋梁監測中具有廣闊的應用前景。

圖1-1 路網橋梁安全監測架構圖

圖1-2 未來橋智檢云平臺GIS界面

圖1-3 未來橋智檢云平臺橋梁集成界面

圖1-4 監測參數時程變化與預警

2 連續剛構橋特點概述

對于一般的三跨預應力混凝土連續剛構橋，其結構特點有以下幾方面：

1、主墩無支座，順橋向抗彎剛度大，受力性能好，墩梁固接能有效減小跨中正彎矩。

2、橫橋向抗扭剛度大。

3、由于墩的柔性，順橋向抗推剛度小，能有效減小溫度、收縮徐變等次內力，對結構的抗震也更有利。

4、大跨度連續剛構，由于徐變和預應力損失等因素，普遍存在主梁長期線形下撓、腹板斜裂縫、頂底板的縱向及橫向裂縫等病害。

圖2-1 連續剛構普遍病害

連續剛構有很大的優點，但是普遍存在長期下撓等病害，因此，充分利用其優點，并加強對常見病害的監測，以確保大橋的安全運營，本系統即基于此目的構建。

 3  連續剛構橋安全監測系統構建總體思路

3.1 系統構建目標

?  通過環境監測，對大橋所處環境的風速風向、大氣溫濕度進行監測，實時掌握大橋工作環境狀況，并為分析環境因素對橋梁結構運營狀態的影響提供基礎資料。

?  通過橋梁靜力響應監測，對其運營狀態下的主梁下撓、結構變形、應力等狀態參量進行監測，掌握大橋實際力學行為和使用狀況。

?  建立科學有效的自動化結構狀態預警及安全評估機制和軟件系統，根據監測數據及時對異常結構響應實施預警報警，并對結構安全和正常使用狀況進行評估。

?  為運營期大橋的有序管理提供一個平臺，建立橋梁全壽命期數字化、信息化檔案，為大橋狀態評估、設計復核以及相關科學研究提供基礎資料。

?  為制定主動、合理、預防性的大橋養護措施提供指導，提高大橋運營期管養水平。

?  系統建成后能夠長期、連續、穩定運行，實現實時、同步、連續的數據采集。

?  系統具有強大的數據處理、顯示、存檔和遠程共享能力。

3.2系統構成及功能要求

結合連續剛構橋結構特點，以及大橋評估和管養方面的要求，系統安全監測系統由下列五大子系統構成：

1)       傳感器子系統(大橋現場)

2)       自動化數據采集與傳輸子系統(大橋現場)

3)       數據處理與控制子系統(監控中心，共享)

4)       結構狀態與安全評估子系統(監控中心，共享)

5)       用戶界面子系統(監控中心，共享)

各子系統實現功能要求如下：

3.2.1傳感器子系統

按照大橋運營期結構安全和正常使用狀態評估的需求，制定相應的監測策略（包括監測項目、監測規模以及監測精度等），并以此為依據，在大橋結構各關鍵部位布設不同類型的傳感器，將所監測項目對應物理量轉化為光電信號，使其能夠被自動化監測系統識別和采集。

3.2.2數據采集與傳輸子系統

數據采集與監測子系統按照一定的采集和傳輸策略，自動化獲取環境和結構狀態數據的系統。系統需滿足如下具體功能要求：

? 能夠獲取滿足結狀態預警與安全評估分析所需要的數據；

? 能夠實現數據長期、實時、同步采集；

? 傳感器與采集系統長期穩定性好；

? 能夠實現故障自診斷，自動定位故障，并實施報警；

? 能夠對采集的原始數據進行初級校驗和選擇存儲；

? 能夠按照既定程序自動完成，或在用戶干預下進行數據采集。

傳感器信號線接入到監測云箱，監測云箱安裝有物聯卡，通過信號塔傳收數據，最終把數據傳入到PC端數據庫中，也可通過APP軟件共享實時數據。

圖3-1  未來橋智檢系統傳輸系統架構

圖3-2 未來橋智檢移動端APP監測界面

 3.2.3數據處理與控制子系統

數據處理與控制子系統將自動化監測以及人工定期檢測數據進行預處理以、二次處理并按照合理的結構進行存儲，以向其它子系統提供有效的信息源，其具體功能要求如下：

? 建立與各種監測數據的數據類型、數據規模相匹配，并與其采集、預處理、后處理功能要求相適應的分布式數據存儲結構以及相應數據交換模式，構建系統數據庫；

? 能夠實現監測數據的預處理、分類存儲以及自動備份；

? 具有相應的軟硬件安全機制，保證數據的安全，防止數據丟失或被人為惡意破壞、盜取用。

3.2.4結構狀態與安全評估子系統

通過綜合預警與結構安全評估子系統，實現根據監測數據進行結構狀態與損傷識別，并綜合原始監測信號、識別的結果以及巡檢結果，對橋梁結構進行分級預警和安裝狀態評估。具體體現為如下功能：

? 能夠通過設置明確的閾值，對實時監測結構狀態參數信號進行判斷和分級預警，并對報警情況進行記錄；

? 能夠對自動化監測數據和人工巡檢結果進行統計、對比分析，趨勢分析和相關性分析；

? 能夠綜合各種監測數據、巡檢信息和分析結果，對結構安全和使用狀態進行總體評價。

3.2.5用戶界面子系統

用戶界面子系統是健康監測系統與用戶交互的窗口。該子系統主要功能要求如下：

? 提供方便的人工巡檢信息錄入接口；

? 提供邏輯結構清晰的，集圖形、表格、文字等多種形式于一體的數據信息展示方式，展示效果簡明且直觀；

? 具備遠程信息發布與共享，遠程授權操控能力；

? 具有自動化報告、報表生成功能；

? 展示和操作界面風格友好，布局合理，操作方便。

4 監測項目及測點布置

根據連續剛構橋的結構特點，并依據大橋自身的運營環境、整體及局部受力特點，綜合考慮到監測部位、構件的全面性、代表性、重要性等方面，建議連續剛構橋監測項目主要分荷載源以及結構響應兩大類，具體內容如下：

荷載源包括：

溫濕度（包括空氣溫濕度、結構溫度場）。

結構響應包括：

混凝土結構關鍵部位的應力，結構空間變位（包括主梁的撓度、伸縮縫及支座水平變位）等。

由于自動化監測測點數量有限，無法完全覆蓋大橋結構，因此采用自動化監測與人工定期監測并舉的監測模式。在布設自動化傳感器的同時，對部分監測實時性要求不高的項目布設永久性定期監測測點，以人工定期監測的方式進行測點加密，進而充實自動化監測數據，完整反映結構狀態。

各種監測項目及測點布置位要求如表4-1所示及圖4-1所示：

表4-1監測項目及測點布設建議表

圖4-1 傳感器總體布置圖