大跨径悬索桥健康监测与电子化人工巡检管养系统设计研究

大跨径悬索桥健康监测与电子化人工巡检管养系统设计研究

龚建臻

关键词：悬索桥、结构健康监测、巡检管养、数据融合

基于我国西部大开发战略推进的需求，我国在西部交通基础建设领域投入了大量资金与技术力量，促进了西部地区交通基础建设的快速发展。西部地区地质环境特殊，多山脉峡谷，因此，大批穿山隧道、跨峡谷大桥建成通车。然而，这类隧道、桥梁多位于人迹罕至的山区，建成之后的检测、养护及维修面临严峻的挑战。常规技术手段如人工巡检、定期检测内容的实施困难重重，所需人力、时间成本巨大，且时效性差和检测盲区较多的问题导致结构损伤难以及时发现。面对这一困境，自动化结构健康监测与电子化人工巡检管养系统为结构运营安全提供了有效手段：系统能够及时发现结构存在的病害情况，实现自动化结构状态评估，给出具有明确指向性的养护建议，指导管养人员实施预防性养护，降低结构的养护费用，对于提高结构运营维护水平具有重要意义[1]。

1工程概况

云南保山至缅甸密支那公路保山至腾冲段高速公路是云南省干线公路“9210”骨架网、“7719”一般干线网和高速公路网的公路发展总体规划中的一部分，也是昆明至缅甸、印度国际大通道及亚洲公路网的重要组成部分。龙江特大桥是保腾高速公路控制性工程，也是云南省首座特大跨径双塔单跨钢箱梁悬索桥，跨径布置为320+1196+320米，保山岸索塔高度为169.688米，腾冲岸索塔高度为129.703米。大桥全长2470.58米，采用双向四车道高速公路标准，桥面宽23.5m，设计行车速度80公里/小时，桥面离江面285米，抗震等级按Ⅸ度设防。该桥已于2016年底建成通车[2]。

龙江大桥位于峡谷地带，桥址气候、地理环境复杂。多阵性强风，空气流场较为紊乱，此类轻柔结构受风荷载影响较大；环境湿度（特别在雨季）较大，结构内外可能长期处于高湿度环境中，对钢结构的腐蚀威胁显著；桥梁地处地震多发区，运营期内发生较强地震作用概率较高，结构在偶然地震作用下可能出现影响正常使用和耐久性的局部破坏。另外，龙江大桥位于跨国高速公路运输干线，未来交通流量及车辆荷载负荷大，超重超载车辆对桥梁结构长期作用，导致结构局部损坏的风险显著。就结构本身而言，龙江大桥主梁采用正交异性桥面板流线型扁平钢箱梁，正交异性桥面板在超重超限车辆长期作用下疲劳破坏风险突出。从诸多因素考虑，桥梁的运营维护管理面临巨大的挑战。因此，龙江大桥结构健康监测系统设计与实施应该面向桥梁的管养维护需求，以达到桥梁按需养护和及时养护的目的，建立大型桥梁预防性养护体系。

2系统功能设计

为实现龙江特大桥在运营期内的科学信息化管养，提高管养效率并避免出现重大的结构安全事故，为龙江特大桥设计运营期健康监测系统，力求通过现代化的自动化监测与安全评估技术，为大桥运营期内的科学信息化管养提供强大的技术支撑，结合龙江特大桥本身结构特点，以及大桥预警、评估和管养决策方面的要求，设计整个系统由下列八大子系统构成：传感器子系统；数据采集与传输子系统；数据处理与控制子系统；结构健康数据管理子系统；结构健康评价与预警子系统；用户界面子系统；视频监控子系统；电子化人工巡检养护管理子系统。各子系统间数据交流如下图所示。

图1系统构成图

8个子系统各负其职，共同完成桥梁结构健康监测系统的设计功能：

传感器子系统处于监测系统的最前端，用于获取监测信号，向健康状态评估与预警子系统提供数量和精度都满足要求的监测数据；

数据采集与传输子系统的对各传感器信号进行采集和传输，供数据处理及数据评估使用；数据处理与控制子系统由计算机系统完成信号数据的预处理、后处理、归档、显示和存储等数据管理；并通过网络设置和控制外场桥梁现场的各个数据采集站、调理器设备和传感测试设备工作；

结构健康监测数据管理姿态是监控中心系统的“数据信息心脏”，它是桥梁信息化、数据化管理的核心，并为结构健康评价和状态预警提供数据支持；

通过结构健康评价与预警子系统实现根据监测数据进行结构状态与损伤识别，并综合识别的结果以及巡检结果对桥梁结构的安全使用状况进行预警评估；

通过用户界面子系统实现将各种数据实时按需求向用户展示，并且接受用户对系统的控制与输入；

视频监控子系统通过在桥区布置信息、图像采集设备，经监控中心管理系统分析处理后，使桥梁监控管理人员在大桥监控中心可监视桥梁全路段交通运行状况，继而进行信息发布，引导、指挥、处理和协调现场交通，提高交通管理水平；

电子化人工巡检养护子系统是专门建立的针对大桥结构表观损伤进行检查和评估的管理子系统，能够提供巡检养护管理的标准化工作流程，提供专业的无纸化巡检养护管理工作平台。

3传感器子系统设计

一般来说，桥梁结构健康监测系统设计的核心是要适应桥梁运维管养应用的需求，能够准确监测评判桥梁结构状态，部分代替繁重的人工检查工作[3]。基于此要求，在设计龙江桥健康监测系统监测参数时，需对桥梁特征进行分析，以制定针对性的监测方案，具体监测项目与测点布置图如表1、图2所示。

表1结构环境、特征分析与测点布置

传感器子系统设计在选择监测项目时，考虑了重要环境变量及荷载输入、结构整体响应输出、结构局部响应输出等类型参数，力求能够实现桥梁输入输出参数的全面的覆盖。

图2系统测点布置图

4数据处理与控制子系统设计

常规的数据处理包括数据预处理、数据分析等内容。桥梁健康监测的海量原始数据会存在一些问题：数据可信度评估、数据缺失、数据噪声、数据冗余重复等。未经预处理的数据用来进行结构健康状态评估其结构也是不可信的。数据预处理是实现有数据挖掘、数据分析的前提。数据预处理能够提供干净、准确、精简的数据，能够提高数据挖掘的质量和效率，以获取最佳的数据分析结果[4]。数据预处理包括数据可信度诊断、数据缺失恢复、数据噪声与异常值剔除等，数据预处理在数据采集子站完成。数据分析分为常规数据统计分析与特殊分析，统计分析包括最大值、最小值、平均值、均方根值、累计值等统计值；特殊分析包括荷载谱分析、风参数分析、模态分析、疲劳分析等，数据分析在结构健康评估服务器上完成。

5结构健康评价与预警子系统设计

龙江大桥采用了基于层次分析的变权综合方法来建立评估系统[5]，模型如下图所示。

图3基于层次分析的桥梁健康状态综合评估模型

根据评估模型，依次求出各指标权重；同时通过对底层指标的监测数据进行打分，标准化处理后得到底层的综合评估值。

按上式对各层进行综合评分，得到各层的评估值，最后得到桥梁结构整体综合评估值V。

预警系统布设在桥梁结构健康监测中心内，通过局域网与健康监测系统集成。预警系统中的智能预警引擎通过定制的预警策略、分级策略进行预警信息分析，并通过数据库触发器将预警信息写入预警数据库，扫描定时器对预警数据库进行扫描，并将预警信息通过GSM发送至指定用户手机，并给用户发送详细的Email预警信息，同时在监测用户界面进行实时弹窗预警。

6用户界面子系统设计

用户界面子系统是用户与健康监测系统的交互平台，主要功能是向用户提供操作及管理界面、监测数据、各类统计分析结果、评估报告等。本系统用户界面包括了基于在线监测评估软件、三维桥梁仿真数据查询软件两部分。在线监测评估软件为主体，依托于监控中心Web服务器和数据服务器。

7电子化人工巡检养护子系统设计

桥梁的巡检养护管理是桥梁正常运营的保障之一，同时也是自动化监测系统的重要补充，尤其对于龙江特大桥这种超大跨度悬索桥，结构单元种类和数量多，基于纸质记录和简单监测手段的传统巡检养护模式效率较低，局限性明显，难以充分满足特大型桥梁的养护管理需要。因此系统设计建立电子化人工巡检养护管理子系统，为日后大桥长期运营过程中的巡检管养工作提供电子化管理平台和管养决策、计划指导。

8结构健康监测与电子化人工巡检信息融合

基于健康监测数据的结构状态评估方法尚不完善，导致仅采用实时监测数据进行的结构状态评估结果难以完全令人接受，使得结构预警信息的有效性有待商榷。因此，将健康监测数据与人工巡检信息进行融合是消除现有监测和检测方法不足的有效手段：通过电子化人工巡检及时发现结构局部的损伤；通过健康监测数据分析评估结构的整体工作状态，二者的结合能避免损伤发展到明显影响结构内力状态（监测系统能识别）时才被发现，结构局部与整体运行状态的评估更为合理，能够为桥梁养护和管理提供科学依据，保障桥梁的安全运营。

图4结构健康监测与电子化人工巡检信息融合

9结语

大跨桥梁健康监测数据与巡检养护管理信息融合是我国桥梁管理的趋势，二者在桥梁养护管理中术语相辅相成、互为补充，为桥梁预防性养护理念的应用提供了重要思路。龙江特大桥在进行健康监测系统设计时考虑了监测数据与电子化巡检管养的结合，能有效提高结构健康监测的应用价值和效率，全面提升大桥结构巡检养护客观性、针对性和经济性，最大程度保障桥梁安全运营，大大延长龙江特大桥使用寿命。

参考文献：

[1]刘红玲,苗剑魁.大型土木结构健康监测系统[J].建筑结构,2013,43(S2):337-340.

[2]姚增峰.龙江桥钢箱加劲梁安装过程焊接时机及顺序的研究[D].重庆交通大学,2016.

[3]闫志刚,岳青,施洲.沪通长江大桥健康监测系统设计[J].桥梁建设,2017,47(04):7-12.

[4]李惠,鲍跃全,李顺龙,张东昱.结构健康监测数据科学与工程[J].工程力学,2015,32(08):1-7.

[5]李大强.运营期独塔自锚式悬索桥监测与状态评估研究[D].东南大学,2015.