大跨度轨道悬索桥健康监测问题思考与对策

吴韬　漆勇

摘要：大跨度轨道悬索桥整体刚度相对较弱，在列车荷载作用下，结构变形大，动力响应明显，实施健康监测时，在动力特性监测、结构状态信息获取、与人工检测的融合和结构安全性评估等方面存在一定的挑战，基于此，提出适应性解决策略，并阐述大跨度轨道桥梁健康监测领域发展的前景：新型传感设备研发、海量信息有效处理、无线通讯技术发展和行业标准化建设。

关键词：悬索桥；健康监测；动力特性；评估

一、引言

随着城市轨道交通[1]建设步伐的加快，轨道桥梁的建设取得了瞩目的成绩：从1960年加拿大魁北克建成的世界上第一座轨道斜拉桥——North Romaine River Railroad Bridge，跨度为61m；到2011年中国建成的世界最长跨度单轨桥——重庆市轨道交通三号线一期工程嘉陵江特大桥；再到中国正在建设的世界最大跨度双塔双索面自锚式悬索桥——重庆轨道环线鹅公岩轨道专用桥。然而，作为大跨度轨道悬索桥，具有整体刚度相对较弱、列车荷载激励强烈、结构响应明显的特点，加之，在运营期内，受材料老化、疲劳荷载反复作用、复杂环境等因素影响，桥梁结构难免出现损伤或者存在一定安全隐患。

另一方面，通信网络、信号处理、人工智能等技术的不断发展，加速了桥梁健康监测系统的实用化进程。工程实践表明，健康监测系统能够及时发现结构的损伤与质量退化，实现结构定性、定位和定量分析，可以为桥梁的管理养护提供客观依据，具有良好的经济效益和社会效益。

因此，利用健康监测系统对大跨度轨道悬索桥进行实时、在线、动态监测，并作出安全性评估，愈显重要。

二、健康监测内容与系统架构

1.健康监测内容。桥梁健康监测是运营期间以结构安全状况评估为目标的长期实时监测，针对大跨度轨道悬索桥，监测内容如表1。

2.健康监测系统架构。健康监测系统应具有采集、传输、处理、管理、评估与预警等功能，为降低系统的复杂程度，且方便维护和升级，一般采用模块化设计。一套完整的健康监测系统，由六大子系统组成，如图1。

（1）传感器系统：由测试结构物理参数及其周围环境的传感设备组成，获取荷载、环境与结构响应信息。

（2）数据采集与传输系统：由数据采集单元和数据传输网络构成，用于信号采集、处理、缓存和传输。

（3）数据处理与控制系统：用于例行数据处理与分析、结构状态监控与预警、系统状态监控与预警及系统远程操控。

（4）评估系统：用于执行原始监测数据分析、结构状态评估及诊断与预测分析。

（5）数据管理系统：用于存取监测数据及分析结果。

（6）检查与维护系统：用于检查与维护传感器、数据采集单元、数据传输网络和显示设备等。

三、问题剖析

桥梁健康监测系统发展日新月异，成绩斐然，但应用于大跨度轨道悬索桥中，仍存在一定的挑战。

（1）列车荷载作用下大跨度轨道悬索桥结构动力特性监测。大跨度轨道悬索桥具有轻、柔、窄等特征，由于所受列车荷载作用结构面广、激振强烈、动力响应明显，加之，动力特性的演化将直接关乎结构的安全性，因此，动力特性的监测难度大，且格外重要。

（2）桥梁结构状态信息的全面、准确获取。大跨度轨道悬索桥施工阶段会进行施工期间监测[2]，运营阶段会进行健康监测，但有效实现两阶段的无缝连接仍是项目的技术瓶颈，加之，传感设备缺陷、信息处理不当、服役环境复杂等因素，导致结构状态信息难以全面、准确获取。

（3）人工检测与实时监测的有效融合。传统的管理系统主要依赖常规的人工检查和专项检测等手段得到的信息，但在实际应用中具有一定的局限性。同时，由于健康监测系统规模、传感器布设、信息传递等方面的限制，仅依靠健康监测系统采集的数据而对大跨轨道悬索桥进行评估是不完整的，加之，对结构在复杂环境和列车荷载作用下响应的认识和经验不足，难以给出准确有效的预警模式。

（4）基于健康监测信息的在役桥梁安全性评估理论与技术。实用桥梁安全性评估方法的开发与应用，仍处于基础性探索阶段，是桥梁健康监测领域发展的主要制约因素之一，由于评估理论和技术的不完善、轨道悬索桥结构体系的复杂性等因素，致使对桥梁难以施行客观、有效的评估。

四、适应性解决策略

（1）结构动力特性分析与动力响应全面监测。轨道列车的快速运行，会诱发桥梁结构产生空间振动，结构动力特性是进行结构动力响应分析的前提，因此，针对大跨度轨道悬索桥动力响应监测，可按如下步骤进行：

1）采用空间杆系有限元模型进行计算分析，了解结构的频率分布和振型特点。

2）进行车-桥系统耦合振动分析，确定监测参数与测点布置。对于位移幅值较大的结构，监测参数主要是位移和应变，位移测点应布置在振动荷载作用下结构位移变化最显著且易于稳固安装监测传感器、方便测量的位置，应变传感器则宜先进行标定。

3）监测信息采集与评估。依据所采集的动力响应监测信息，通过与理论计算的对比分析，参照对应的规范或标准，实现动力响应监测评估。

（2）橋梁全寿命监测机制与稳定可靠系统。

1）全寿命监测机制。在轨道悬索桥施工阶段，通过选用高性能、长寿命预埋传感器，最大限度在结构运营过程的一定时期内继续获取结构的相关响应信息。同时，在长期健康监测表贴传感器部署时，考虑和预埋传感器的对应关系，通过表贴与预埋传感器的监测信息相关性，实现预埋与表贴贯穿桥梁全寿命周期的监测机制。

2）稳定可靠系统。

①合理选择传感设备。根据轨道桥梁特点、列车荷载要求与监测环境，综合考虑灵敏度、频率响应特性、线性范围、稳定性、精度等因素，按照“效益—费用比”最大化原则，选择稳定可靠的传感设备。

②增设组态控制箱。组态控制箱主要功能为数据采集和监视控制，“组态”是指用户通过类似“搭积木”的简单方式来完成自己所需要的软件功能，“控制”是指通过计算机信号对自动化设备或过程进行监视、控制和管理。

③异常信息分析处理与信息重构。采用时域、频域、时频域分析方法进行过滤或去噪处理，实现粗差、偶然误差的过滤，利用趋势曲线法或神经网络法进行失真信息重构，以插补、替代、加权调整的方式进行缺失信息修复。

（3）人工检测与实时监测相结合模式。通过日常巡查、定期检查和专项检查，将人工检测信息纳入实时健康监测数据库，并将分析结果作为结构整体安全性评估的考虑因素，实现人工检测与实时监测的有效融合，保证评估的客观性。

（4）多种安全评估理论与技术相互补充、验证。现阶段，对桥梁结构进行安全性评估的方法主要包括统计分析、模糊理论、专家系统、层次分析、极限分析、可靠度分析[3]等，实施大跨度轨道悬索桥评估时，应综合使用多种安全评估理论与技术，形成相互补充、相互验证的模式，按安全一级评估和安全二级评估[4]的方式进行。

五、结语

（1）桥梁服役期长达几十年、甚至上百年，而传统的传感设备寿命相对较短，因此，利用新理论、新效应研究开发可靠、稳定、耐久的桥梁监测传感设备显得尤为紧迫。

（2）伴随监测系统运行时间的增加，监测信息呈现数据量大、数据格式复杂等趋势，在实施必要的过滤或去噪分析、重构与修复时，应以传感设备所采集数据的形式进行数据换算与标准化、异常识别与处理等有效处理过程，构建數据分析模型[5]，按结构损伤识别和安全评估所需的输入格式提供给服务器进行后续处理。

（3）无线通讯技术的发展，不但可以有效减少信息传输线缆的数量，还可以避免因线缆老化对信号采集质量的影响，对健康监测具有重要贡献，应用前景广阔。

（4）大跨度轨道桥梁建设速度快、规模大，但针对健康监测项目，仍缺乏相应的规范或标准，因此，建立轨道桥梁健康监测系统标准化体系，实现行业规范化，势在必行。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家标准.《城市轨道交通工程基本术语标准》（GB/T 50833-2012）[S] . 北京：中国建筑工业出版社，2012.

[2]中华人民共和国国家标准.《建筑与桥梁结构监测技术规范》（GB 50982-2014）[S] . 北京：中国建筑工业出版社，2014.

[3]中国工程建设协会标准.《结构健康监测系统设计标准》（CECS 333：2012）[S] . 北京：中国建筑工业出版社，2012.

[4]中华人民共和国交通运输行业标准.《公路桥梁结构安全监测系统技术规程》（JT/T 1037-2016）[S] . 北京：人民交通出版社，2016.

[5]李志锐.桥梁健康监测系统在线结构分析及状态评估方法分析[J].工程技术：文摘版，2016（8）.