公路桥梁工程养护监测系统建设
时间：2023-01-19 14:35:20 来源：天一资源网 本文已影响 人 
朱亮
（沧州市交通运输局，河北 沧州 061000）
随着公路桥梁朝着结构轻型化、功能复杂化方向发展，加上车流量的持续增加，公路桥梁结构的使用性能受到了挑战。因此，对公路桥梁建立长期的质量和安全监测，实时掌握公路桥梁运营时的荷载情况及结构受力状态，确保运营安全具有重要的意义。为提高运营中公路桥梁养护的管理水平，应用公路桥梁质量监测系统，通过现场布设的监测传感器采集数据，能及时获取公路桥梁所处环境、外部荷载、内部结构及交通状况等信息，掌握公路桥梁的使用情况，在公路桥梁结构出现异常状况的初级阶段发出预警，辅助养护人员实现主动预防式管养，降低公路桥梁重大病害发生的概率；
通过监测传感器可采集车辆通行数据，形成公路桥梁空间和时间维度的信息数据档案库，在安全监测的基础上，实现公路桥梁数字化、信息化养护管理。
某公路工程全长50.127km，沿线有多座桥梁，其中某混凝土斜拉桥全长1208m，桥跨为（195+438+195）m。桥梁结构本身受力复杂，主梁、桥塔、斜拉索均为重要的结构受力部件，可对桥梁结构状态进行监测，基于数据预测和评估模型评估桥梁的安全性。
该桥梁工程位于温带半湿润半干旱大陆性季风气候区，四季分明，桥址处较为湿润。大桥在建成后，由于受腐蚀、老化等因素的影响，桥梁的使用性能逐渐降低，不仅影响通行车辆和人员的安全，也会缩短桥梁的使用寿命。因此有必要建立桥梁结构监测系统，用于实时监测桥梁在营运期间的承载能力、工作状态和耐久性能。
桥梁投入运营后其养护管理水平直接影响使用性能，利用数字化、信息化手段实现桥梁的精准养护和科学管理，是数字时代桥梁运营管理的必然趋势。通过合理布设桥梁状态监测传感器来采集相关数据，建立桥梁的健康监测系统，可提高公路桥梁养护管理水平。
3.1 监测内容
基于该公路桥梁工程所处的环境、结构特点及其运营管理需求，开展桥梁状态监测以及状况分析和评估工作。在对若干同类型桥梁典型病害分析及总结的基础上，遵循功能要求和成本分析两大准则，确定桥梁结构的主要监测内容如下：（1）荷载源监测项：风速和风向的风荷载监测；
空气温湿度和结构温湿度监测；
交通荷载监测；
（2）结构静动力响应：受力构件和控制点的结构静力特性监测；
主梁固有动力特性监测。
3.2 测点布置
结合该公路桥梁的结构特点，考虑到公路桥梁监测系统的可扩展性和监测数据的实效性，基于科学、合理、经济的传感器布设原则，确定传感器布置方案。该公路桥梁结构的监测项目如表1所示。
表1 桥梁结构监测项目
4.1 养护监测系统总体设计
4.1.1 系统架构设计
根据系统的业务功能，在逻辑上将系统的层次划分清楚，形成系统逻辑架构。逻辑架构分为6层，分别为基础设施层、数据资源层、软件平台层、技术支撑层、业务应用层、终端展示层。层次划分遵守系统建设标准规范体系和系统工程安全保障体系准则。
4.1.2 系统数据流
公路桥梁工程养护监测系统实时监测数据设计有清晰的数据流向和逻辑。每种数据均采用线性的数据流结构。监测用的温度传感器、加速度计、应变计等各类传感器的数据均汇聚到数据采集与传输服务器，再进入后续的处理、控制等模块，电子化人工巡检的数据通过巡检终端直接输出到数据库服务器。
4.1.3 系统功能
公路桥梁工程养护监测系统将公路桥梁运营安全监测和结构安全评估等功能集中于同一平台进行管理，服务于运营期内该公路桥梁结构的养护管理等决策的制定，以保证运营期内桥梁有较好的服务水平。系统功能如下。
（1）安全监测
开展运营环境监测及桥梁响应监测，并依据监测数据进行桥梁安全预警，辅助桥梁管养单位进行科学决策，保证桥梁结构与行车安全。安全监测系统是通过监测传感器获取桥梁荷载以及结构的响应、局部损伤等数据，对其结构状态进行监测，及时掌控公路桥梁受力及行车荷载情况，为桥梁结构安全运营提供数据支持。
（2）安全评估
公路桥梁工程投入运营后，结合该公路桥梁工程安全监测与质量检查结果，定期开展桥梁承载力、结构病害、缺陷隐患等关键指标及桥梁总体技术状况的综合评估工作。桥梁综合评估主要分为：安全一级评估、安全二级评估和专项评估。基于安全评估结果，可辅助管养人员进行公路桥梁精益化养护。
4.2 养护监测子系统功能设计
基于对现有公路桥梁结构养护监测系统平台功能的调研，结合该公路桥梁工程的特点及运营需求，设计了传感器、数据采集与传输、数据处理与控制、中心数据库以及结构安全预警五大子系统功能。
4.2.1 传感器子系统
传感器子系统用于获取监测信号，处于监测系统的最前端。监测内容包括：车辆荷载信息、风荷载、桥面铺装温度、索塔锚固区温湿度、主梁动力、主梁挠度、支座位移、主梁关键截面应变以及斜拉索索力。共布设测点280个，各类传感器数量如表2所示。
表2 传感器数量汇总
4.2.2 数据采集与传输子系统
数据采集与传输子系统主要负责现场监测传感器的数字信号处理及网络传输。基于该公路桥梁监测涉及内容及传感器的测点布设方案，将数据采集方式归为动态信号数据采集、数字/模拟信号数据采集、振弦信号采集、视频监测信号采集四类。
4.2.3 数据处理与控制子系统
数据处理及控制子系统用于完成实时监测数据的接收、处理、分析、整合与存储，在数据采集服务器与其他服务器之间起到桥梁作用，实现对现场设备的管理与控制，分担其他服务器的数据处理压力。数据处理及控制模块的主要功能为：（1）与现场数据采集服务器进行通信，对所有传感器信号数据进行收集、整理；
（2）通过调用数据处理算法仓库，对所采集的数据进行提取、滤波、挖掘、耦合、转换等预处理；
（3）针对不同监测项开发相应的算法，进行实时处理分析，使输出的数据均为结构参数；
（4）进行数据加工、归档和存储，将现场监测数据与提取的特征数据写入数据库；
（5）数据检索和传输：将经过处理的数据发送到结构安全预警评估系统；
（6）对经过处理的实时数据进行预警判断，并将预警结果传输至信息展示界面；
（7）离线处理功能：定制离线处理计划，手动调用进行数据文件处理。
4.2.4 中心数据库子系统
中心数据库子系统用于公路桥梁设计数据、现场监测数据、地理信息数据、历史数据等系统相关数据的安全存储，实现海量数据查询、视图快速生成、归档、存储等相关功能，同时，为保证稳定运行要求系统能长期不间断地稳定工作。
4.2.5 结构安全预警子系统
结构安全预警子系统是监测系统的核心内容之一，对公路桥梁运营安全的相关指标进行预警预报，服务于桥梁应急管理，辅助决策的制定。通过对该公路桥梁关键构件参数变化的监测，提供公路桥梁结构在线预警信息，辅助管养人员及时且有针对性地根据公路桥梁运营环境及结构构件安全状况进行维修养护，以保障结构安全运行。主要功能包括：（1）对监测数据进行统计分析；
（2）建立外界环境、结构位移、结构变形等关键参数的预警指标，能对预警信息进行分级分类，并能根据长期积累的监测数据修正预警指标阈值；
（3）能定期进行结构静力特性、动力特性和变形分析，定期提交数据分析报告；
（4）对突发事件进行专项评估分析，并提交专项数据分析报告。
5.1 基于BIM的Web网站
门户网站采用基于B/S模式的3D Web技术，用户通过浏览器可查询访问该公路桥梁基础信息、安全预警信息、传感器实时监测的数据和历史记录等。
5.2 公路桥梁养护监测数据展示及分析
该系统平台提供了强大的数据展示能力，包括：查看公路桥梁监测传感器实时数据和历史数据；
基于预警预报模型进行异常现象报警；
桥梁监测报告生成及查看；
基于BIM建模的桥梁三维模型实时显示及各类数据的分级分类统计。
5.3 公路桥梁养护监测安全预警
可根据监测数据进行在线预警，基于该公路桥梁实时外界环境，如大风、大雾等，收到的结构位移、结构变形等监测参数的预警指标数据，结合监测传感器实时传输的数据，能对监测结果进行在线实时预警，其中Ⅰ级预警信息显示为黄色，Ⅱ级预警信息显示为红色。
5.4 自动生成监测报告
利用所有的监测数据，系统定期生成结构监测报告。该报告是公路桥梁数字化、信息化档案的一部分，也能追踪结构内力状态演变过程，可作为推测其预期发展趋势的基本依据，能为同类型桥梁的进一步研究提供数据支持。
5.5 监测信息可视化展示
结合公路桥梁BIM模型，对公路桥梁状态进行三维可视化展示，通过交互式操作实现运营公路桥梁的全景展示，能为公路桥梁运营阶段的养护管理和统筹决策提供直观、可靠、科学的依据。
本文所述的公路桥梁工程所处地理环境因素复杂，公路桥梁自身结构特殊，风险较高，因此建立日常养护监测系统非常必要。基于该公路桥梁工程的桥址环境、结构特点及运营管理需求，有针对性地选择全桥受力较薄弱的部分，合理选择监测点，设计监测方案，建立公路桥梁结构日常养护监测系统，通过对采集的监测数据进行分析预测，准确评估公路桥梁状况，对其安全性能作出预警，可辅助养护人员实现主动预防式管养。
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