橋梁結(jié)構(gòu)健康預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)，賦能橋梁實(shí)時(shí)自我感知

我國(guó)近20年的橋梁建設(shè)成就斐然，建設(shè)了以港珠澳大橋、蘇通長(zhǎng)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(jì)錄的大橋。我國(guó)已經(jīng)邁入了橋梁建設(shè)的強(qiáng)國(guó)，橋梁規(guī)模已經(jīng)位居世界第一。但是，橋梁安全形勢(shì)依然嚴(yán)峻 ：

1. 橋梁垮塌事故

橋梁垮塌事故在我國(guó)時(shí)有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)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(shè)計(jì)不合理、施工不規(guī)范、超載、車輛撞擊、地震等自然災(zāi)害以及洪水等其他因素。

2. 橋梁失效年限

我國(guó)運(yùn)營(yíng)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(guó)在役橋梁的老齡化問題日益嚴(yán)重，而老齡化是導(dǎo)致橋梁失效的主要原因之一。

3. 在役橋梁老齡化

我國(guó)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(shí)，隨著時(shí)間的推移，許多橋梁開始進(jìn)入病害加速發(fā)展期。與美國(guó)相比，我國(guó)30年橋齡的橋梁占比增長(zhǎng)速度更快，這表明我國(guó)在役橋梁的老齡化問題更加嚴(yán)重。

4. 傳統(tǒng)檢測(cè)方法的缺點(diǎn)和不足

傳統(tǒng)檢測(cè)方法存在諸多缺點(diǎn)和不足，主要體現(xiàn)在需要大量人力、物力和財(cái)力并有諸多檢查盲點(diǎn)；主觀性強(qiáng)，難于量化；缺少整體性；影響正常交通運(yùn)行；周期長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性差等方面。因此，對(duì)于大型橋梁在運(yùn)營(yíng)期通過橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能有效對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)提供科學(xué)的依據(jù)。對(duì)于橋梁檢測(cè)和橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)都是確保橋梁安全運(yùn)營(yíng)的重要手段。

WITBEE?萬賓?橋梁結(jié)構(gòu)健康預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)指利用現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，通過對(duì)包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性分析，達(dá)到監(jiān)測(cè)、檢測(cè)結(jié)構(gòu)損傷或退化的目的。

對(duì)橋梁總體和擔(dān)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(cè)系統(tǒng)功能類似于人的“神經(jīng)系統(tǒng)”：傳感器相當(dāng)于“神經(jīng)系統(tǒng)”的末梢，用于感知結(jié)構(gòu)的響應(yīng)；傳輸網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”的神經(jīng)中樞，其功能是在傳感器和控制系統(tǒng)之間進(jìn)行信息傳輸和控制；結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評(píng)估類似于“神經(jīng)網(wǎng)路”的大腦，其功能是對(duì)自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。

對(duì)已發(fā)現(xiàn)的損傷部位，其類似于“心電圖背包”。健康監(jiān)測(cè)對(duì)于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)損傷的部位通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，能對(duì)損傷的發(fā)展變化以及損傷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行評(píng)估，其功能類似于對(duì)病人進(jìn)行“心電圖”監(jiān)測(cè)。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在橋梁健康監(jiān)測(cè)中的作用是多方面的。首先，對(duì)于突發(fā)性損傷，它可以迅速地發(fā)現(xiàn)并報(bào)警，幫助管理者及時(shí)采取措施，防止損傷進(jìn)一步擴(kuò)大。其次，對(duì)于累積性損傷，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以連續(xù)地監(jiān)測(cè)損傷的發(fā)展趨勢(shì)，幫助預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的剩余壽命。此外，對(duì)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(cè)系統(tǒng)也能通過傳感器和數(shù)據(jù)分析技術(shù)進(jìn)行觀察和評(píng)估。最后，通過長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以對(duì)橋梁的設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，為今后的設(shè)計(jì)提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)和指導(dǎo)。因此，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在橋梁健康監(jiān)測(cè)中起著至關(guān)重要的作用。

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成包括感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層4個(gè)層級(jí)，其分別對(duì)應(yīng)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(chǔ)與處理子系統(tǒng)、損傷識(shí)別與狀態(tài)評(píng)估子系統(tǒng)4個(gè)子系統(tǒng)。

2013年，交通運(yùn)輸部發(fā)布了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)公路橋梁養(yǎng)護(hù)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(shù)，建立符合自身特點(diǎn)的養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)和健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2016年發(fā)布的《十三五公路養(yǎng)護(hù)管理發(fā)展綱要》中指出，高速公路運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)覆蓋率東、中部達(dá)到100%，西部地區(qū)重點(diǎn)路段達(dá)到100%。加強(qiáng)長(zhǎng)大橋隧健康監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)運(yùn)行監(jiān)管，完善橋梁隧道運(yùn)行監(jiān)管制度。

2018年發(fā)布的《公路長(zhǎng)大橋隧養(yǎng)護(hù)管理和安全運(yùn)行若干規(guī)定》提出，長(zhǎng)大橋隧經(jīng)營(yíng)管理單位應(yīng)逐步建立長(zhǎng)大橋隧結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)體系，設(shè)置專人或委托專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)橋隧的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和各類外部荷載作用下的響應(yīng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握長(zhǎng)大橋隧的結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀況。

橋梁結(jié)構(gòu)健康健康預(yù)警系統(tǒng)的建立對(duì)于橋梁的安全運(yùn)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(cè)能在突發(fā)性損傷或累積損傷發(fā)生時(shí)，及時(shí)發(fā)送告警信息以便采取處理措施。對(duì)于橋梁管理者來說，通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，可以提前發(fā)現(xiàn)并解決潛在問題，防止進(jìn)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(duì)橋梁結(jié)構(gòu)健康狀況的監(jiān)測(cè)和預(yù)警，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并修復(fù)潛在的損傷，從而延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。

3降低維護(hù)成本：通過對(duì)大橋的健康狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以提前發(fā)現(xiàn)問題并采取相應(yīng)的維護(hù)和修復(fù)措施，避免因結(jié)構(gòu)損壞導(dǎo)致的大規(guī)模維修和重建，從而降低維護(hù)成本。

4提供決策依據(jù)：橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)可以為橋梁的日常維護(hù)、修復(fù)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(jìn)和優(yōu)化橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范。

5研究與發(fā)展：橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)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(dòng)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新。

6提高交通運(yùn)輸?shù)目煽啃裕和ㄟ^實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

針對(duì)公路橋梁長(zhǎng)期安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)體系，我們須不斷完善和強(qiáng)化，包括對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟硬件的維護(hù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析挖掘以及專項(xiàng)專題研究等各項(xiàng)任務(wù)。將監(jiān)測(cè)工作與長(zhǎng)大橋梁的日常養(yǎng)護(hù)管理工作相結(jié)合，確保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定、可靠、高效運(yùn)行，充分發(fā)揮監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的價(jià)值。通過持續(xù)提高公路橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的韌性與服役性能，切實(shí)保障長(zhǎng)大橋梁的安全運(yùn)行。