橋梁結(jié)構(gòu)健康預警監(jiān)測系統(tǒng)建設，賦能橋梁實時自我感知

我國近20年的橋梁建設成就斐然，建設了以港珠澳大橋、蘇通長江公路大橋、西堠門大橋、杭州灣大橋、北盤江大橋以及盧浦大橋等一大批創(chuàng)造世界紀錄的大橋。我國已經(jīng)邁入了橋梁建設的強國，橋梁規(guī)模已經(jīng)位居世界第一。但是，橋梁安全形勢依然嚴峻 ：

1. 橋梁垮塌事故

橋梁垮塌事故在我國時有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計，全國已有447座橋梁發(fā)生垮塌，這些事故的原因各異。在已知事故成因的184座橋梁中，主要事故成因包括設計不合理、施工不規(guī)范、超載、車輛撞擊、地震等自然災害以及洪水等其他因素。

2. 橋梁失效年限

我國運營期間垮塌的橋梁中，平均服役年限超過50年的為15%，平均服役年限為29.36年。而世界范圍內(nèi)181起橋梁事故的平均橋齡為29年。這說明我國在役橋梁的老齡化問題日益嚴重，而老齡化是導致橋梁失效的主要原因之一。

3. 在役橋梁老齡化

我國在役橋梁老齡化主要體現(xiàn)在總量大、周期短、隱患多等方面。同時，隨著時間的推移，許多橋梁開始進入病害加速發(fā)展期。與美國相比，我國30年橋齡的橋梁占比增長速度更快，這表明我國在役橋梁的老齡化問題更加嚴重。

4. 傳統(tǒng)檢測方法的缺點和不足

傳統(tǒng)檢測方法存在諸多缺點和不足，主要體現(xiàn)在需要大量人力、物力和財力并有諸多檢查盲點；主觀性強，難于量化；缺少整體性；影響正常交通運行；周期長，實時性差等方面。因此，對于大型橋梁在運營期通過橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)能有效對關鍵參數(shù)進行監(jiān)測，對于橋梁結(jié)構(gòu)的安全運營提供科學的依據(jù)。對于橋梁檢測和橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測都是確保橋梁安全運營的重要手段。

WITBEE?萬賓?橋梁結(jié)構(gòu)健康預警監(jiān)測系統(tǒng)指利用現(xiàn)場的監(jiān)測設備獲取相關數(shù)據(jù)，通過對包括結(jié)構(gòu)響應在內(nèi)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性分析，達到監(jiān)測、檢測結(jié)構(gòu)損傷或退化的目的。

對橋梁總體和擔心出現(xiàn)的損傷部位，其類似于“神經(jīng)系統(tǒng)”。橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)功能類似于人的“神經(jīng)系統(tǒng)”：傳感器相當于“神經(jīng)系統(tǒng)”的末梢，用于感知結(jié)構(gòu)的響應；傳輸網(wǎng)絡相當于“神經(jīng)網(wǎng)絡”的神經(jīng)中樞，其功能是在傳感器和控制系統(tǒng)之間進行信息傳輸和控制；結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評估類似于“神經(jīng)網(wǎng)路”的大腦，其功能是對自動采集的數(shù)據(jù)進行處理和分析，并對結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進行評估。

對已發(fā)現(xiàn)的損傷部位，其類似于“心電圖背包”。健康監(jiān)測對于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)損傷的部位通過實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，能對損傷的發(fā)展變化以及損傷對結(jié)構(gòu)的影響進行評估，其功能類似于對病人進行“心電圖”監(jiān)測。

監(jiān)測系統(tǒng)在橋梁健康監(jiān)測中的作用是多方面的。首先，對于突發(fā)性損傷，它可以迅速地發(fā)現(xiàn)并報警，幫助管理者及時采取措施，防止損傷進一步擴大。其次，對于累積性損傷，監(jiān)測系統(tǒng)可以連續(xù)地監(jiān)測損傷的發(fā)展趨勢，幫助預測結(jié)構(gòu)的剩余壽命。此外，對于一些難以直接觀察的隱蔽部位，如橋墩內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，監(jiān)測系統(tǒng)也能通過傳感器和數(shù)據(jù)分析技術進行觀察和評估。最后，通過長期的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以對橋梁的設計進行驗證，為今后的設計提供寶貴的經(jīng)驗和指導。因此，監(jiān)測系統(tǒng)在橋梁健康監(jiān)測中起著至關重要的作用。

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成包括感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層和應用層4個層級，其分別對應傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲與處理子系統(tǒng)、損傷識別與狀態(tài)評估子系統(tǒng)4個子系統(tǒng)。

2013年，交通運輸部發(fā)布了《關于進一步加強公路橋梁養(yǎng)護管理的若干意見》提出，特大、特殊結(jié)構(gòu)和特別重要橋梁的養(yǎng)管單位，要利用現(xiàn)代信息技術，建立符合自身特點的養(yǎng)護管理系統(tǒng)和健康監(jiān)測系統(tǒng)。

2016年發(fā)布的《十三五公路養(yǎng)護管理發(fā)展綱要》中指出，高速公路運行實時監(jiān)測覆蓋率東、中部達到100%，西部地區(qū)重點路段達到100%。加強長大橋隧健康監(jiān)測和動態(tài)運行監(jiān)管，完善橋梁隧道運行監(jiān)管制度。

2018年發(fā)布的《公路長大橋隧養(yǎng)護管理和安全運行若干規(guī)定》提出，長大橋隧經(jīng)營管理單位應逐步建立長大橋隧結(jié)構(gòu)監(jiān)測體系，設置專人或委托專業(yè)機構(gòu)對橋隧的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和各類外部荷載作用下的響應情況進行監(jiān)測，及時掌握長大橋隧的結(jié)構(gòu)運行狀況。

橋梁結(jié)構(gòu)健康健康預警系統(tǒng)的建立對于橋梁的安全運行具有重要意義。以下是它的主要重要性：

1保障橋梁安全：橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測能在突發(fā)性損傷或累積損傷發(fā)生時，及時發(fā)送告警信息以便采取處理措施。對于橋梁管理者來說，通過對橋梁結(jié)構(gòu)的實時監(jiān)測和分析，可以提前發(fā)現(xiàn)并解決潛在問題，防止進一步的結(jié)構(gòu)破壞和引發(fā)其他事故。

2提高橋梁使用壽命：通過對橋梁結(jié)構(gòu)健康狀況的監(jiān)測和預警，可以及時發(fā)現(xiàn)并修復潛在的損傷，從而延長橋梁的使用壽命。

3降低維護成本：通過對大橋的健康狀況進行實時監(jiān)測，可以提前發(fā)現(xiàn)問題并采取相應的維護和修復措施，避免因結(jié)構(gòu)損壞導致的大規(guī)模維修和重建，從而降低維護成本。

4提供決策依據(jù)：橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測可以為橋梁的日常維護、修復和加固提供數(shù)據(jù)支持，為工程決策提供依據(jù)，有助于改進和優(yōu)化橋梁設計規(guī)范。

5研究與發(fā)展：橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)可以為橋梁研究提供大規(guī)模的原始數(shù)據(jù)，有助于推動橋梁結(jié)構(gòu)設計和施工技術的發(fā)展和創(chuàng)新。

6提高交通運輸?shù)目煽啃裕和ㄟ^實時監(jiān)測橋梁的健康狀態(tài)，可以提前發(fā)現(xiàn)可能影響橋梁安全的問題，從而提高交通運輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

針對公路橋梁長期安全運行監(jiān)測體系，我們須不斷完善和強化，包括對監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件的維護、監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析挖掘以及專項專題研究等各項任務。將監(jiān)測工作與長大橋梁的日常養(yǎng)護管理工作相結(jié)合，確保監(jiān)測系統(tǒng)長期穩(wěn)定、可靠、高效運行，充分發(fā)揮監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的價值。通過持續(xù)提高公路橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的韌性與服役性能，切實保障長大橋梁的安全運行。