基于寿命周期的斜拉桥结构健康监测技术应用研究

高 昕 黄连英 王余鹏

（福建林业职业技术学院, 福建 延平 353000）

1 引言

随着建桥技术的快速发展，基于寿命周期的斜拉桥结构健康监测技术日益受到重视。斜拉桥建设占用大量人力、物力资源，为延长斜拉桥周期使用寿命、保证使用人群的安全，基于寿命周期的斜拉桥结构健康监测技术使用成本较高，迫切需要投入先进的监测系统，为斜拉桥结构健康监测技术寻求更大的突破。

由于桥梁结构监测技术涉及计算机技术数据分析、监测技术的规范性、监测设备、信号分析技术等多方面的知识，对监测技术提出了更高的要求，因此，在监测斜拉桥梁周期寿命时，需要借助传感器等自动化技术，得出更准确、更及时的结论。

2 基于寿命周期的桥梁结构监测技术应用意义

近年来，桥梁施工技术和技术理论不断创新，桥梁跨度不断被突破，桥梁建设取得了很大成就，但桥梁结构形式日趋复杂。针对桥梁的特殊性和复杂性，设计出系统更敏捷、技术更可靠的综合周期寿命全范围及时监控系统，对可能发生的安全故障作出快速反馈，并提出解决措施。工程师通过数据源整理，评估前期危险预警，确保桥梁安全，提高桥梁使用寿命，从发现、预警、联动控制，直到消除安全隐患，对发展互联网全覆盖操作系统的协调性、敏捷性等具有重要意义。

3 基于寿命周期的桥梁结构监测现状

斜拉桥监测方法是以MIDAS便携式仪器测量的信息为主、人工目测检查为辅的线上线下一体化监测系统，对桥梁结构进行实时全方位监测和评估。但在实际监测中，人工监测系统还存在一些问题。

3.1 理论研究未有突破

我国斜拉桥的施工技术和数据分析日趋完善，但存在的问题比较多，尤其是桥梁损坏状况的研究还处于经验积累阶段，理论研究还没有突破，监测系统需要不断更新。

3.2 监测耗费大量财力、人力

目前，桥梁监测仍然采用人工配合传统仪器采集桥梁各部位和点，而且有时会出现监测公司交接过程数据丢失、错漏等情况，造成人力、物力、财力的浪费。

3.3 监测系统技术单一

斜拉桥监测技术多为针对性监测，人工监测对象为单个主要构件，监测周期过长。同时，解决方案时效性不够，与监测节奏不匹配，无法准确地提供整体诊断信息和全面监测数据，只能局部分析结构周期寿命监测和评估信息。

3.4 影响交通运行

为了保证过往人群的安全，桥梁多采用封闭式监测，普通监测需借助监测设备，斜拉桥梁的通行监测需要搭设观察平台，或使用观测车辆进行数据输出，可能导致道路拥堵。

3.5 监测时效性较低

如果斜拉桥梁工程的周期较长，检查寿命周期快则几周，慢可达数年。如遇重大自然灾害或严重事故，监测设备未能及时到达现场，就不能及时发布监测信息。斜拉桥梁人工监测程序及设备在实际使用中存在较大的局限性，给寿命周期监测带来一定的不便，因此，建立一个能在斜拉桥梁结构寿命周期内监控桥梁耐久性和安全性的监测系统已迫在眉睫。

4 桥梁结构监测系统

4.1 桥梁结构监测系统的组建

传感器是桥梁监测研究中的重要设备，但可靠性和精确性参差不齐，因此，应谨慎选择桥梁结构寿命周期的监测技术设备。建立桥梁健康寿命监测系统不仅要考虑设备类型、监测指标等因素，还要考虑不同的斜拉桥梁结构。斜拉桥梁监测数据传输问题可通过传感器收集数据的量级，选择不同类型的无线传输方式，灵活选用4G和5G的转换使用。在斜拉桥梁健康寿命的监测过程中，良好的用户界面能帮助监测员快速地进行分析、判断，使监测员更清晰、直观地了解桥梁的技术状况，因此，需要建立实用的寿命结构监测技术系统。

4.2 监测系统与设备的选型原则

任何一种斜拉桥监测结构都有受环境和荷载影响而产生变形和损伤的关键部位，这些部位正是我们在斜拉桥梁健康寿命监测过程中必须控制和注意的一个重要环节。

4.2.1 确保监测系统的准确性、灵敏性和阶段性原则

斜拉桥梁健康寿命监测系统是一种长期使用的设备，不是一次性耗材，每次监测数据自动保存，为后续工作提供经验数据。如果斜拉桥梁发生故障的原因与以前一样，那么，监测系统就会立即作出反应，因此，监测系统需要感知桥梁结构的环境状况和受力情况的变化，及时处理突发事故信息。对于斜拉桥梁的保养，保养单位要重视对机械设备损伤的修复、日常维护和维修等，数据处理人员要根据监测数据及时进行综合分析。感知数据时，注重数据的准确性和阶段性等，重点对桥梁结构状况进行判断和反馈。

4.2.2 根据桥梁结构和现状判别监测系统的原则

缆索、主梁、桥墩、桥面、桥塔等是桥梁的主要结构，它们又是受荷载和环境影响而导致桥梁受损的重要因素。就建筑材料而言，复杂组合、特大型斜拉桥梁基本上是以混凝土和钢筋为主要材料。根据桥梁的外观、建筑材料、规模大小、构造结构的难易程度等因素，判断并识别出斜拉桥梁是否需要建立健康监测系统。

4.3 系统软件开发策略

利用系统开发策略建立监测系统，并参照基于寿命周期斜拉桥结构健康监测技术提供的有效数据，对不同的桥梁结构和地理位置采用不同的斜拉桥梁监测方式。评价斜拉桥梁健康寿命周期状态主要依据MIDAS系统收集的不同类型数据，采用不同的评价模型结构和方法进行分析。

4.3.1 利用数据管理系统、模型识别的策略

在建立斜拉桥梁健康寿命监测系统时，数据管理系统平台应注重分析手段是否准确、价值评估模型是否符合斜拉桥自身结构、监测关键点有无遗漏，通过建立系统对斜拉桥梁损伤程度的识别模型有针对性地选择结果，将每个参照模型都纳入监测系统。开发系统软件时，应尽可能使用兼容性强、开放性好的程序性语言进行编辑，以节约成本，真正做到一次开发，终身受益，获取最大利益。

4.3.2 利用监测数据识别关键点、部位的策略

在寿命周期斜拉桥监测系统开发过程中，建立数据收集、分析、安全检查、投入使用等全方位一体化系统，其主要目的是识别每座斜拉桥梁的关键点位置，采用对应方式将监测的数据输入数据库，系统整理数据，提供相应的数据处理方法。系统处理数据时，监测系统需识别关键点，监测数据要顺利进入数据库，监测系统准确分析数据，并对分析结果评估模型，使健康监测系统达到智能化管理输出模式。

5 应用实例

5.1 基于寿命周期桥梁监测系统MIDAS数据集成

采用MIDAS监测不同结果的斜拉桥时，由于收集的数据类型不同，数据采集的频率和收集方式也不同。例如，当收集加速度对桥梁的影响数据时，MIDAS传感器、应变传感器、湿度传感器等收集30min、10min、60min、10min内的峰值，见表1（受时间限制，只列出了温度和风力，以及荷载作用前10组数据）。

表1 原始采集数据

由表1可知：MIDAS传感器种类、传输距离不同，数据结果不同，传感器存在误差。在监测桥梁寿命周期时，可以利用多种传感器进行数据对比分析。

按照MIDAS数据收集处理原则，将最高频率数据项合并而成的数据见表2。

表2 集成后的数据

由表2可知：采集时间不同，温度未发生变化，说明采集时间对监测数据没有影响。但监测不同关键点的荷载不同，风力波动不大。

5.2 相关性研究分析

以监测的关键点数据为输入变量，以寿命周期监测的索力值为输出变量，加重了监测算法的运行负担，时效性较差，运算时间越长，说明数据监测越复杂，设备预测结果也不准确，达不到预期效果。将输入变量与输出变量进行比较，并对斜拉桥梁索力值进行前期仿真预判，预测前进行影响因素精简，可以快速、有效地提高预判的准确度，减少运算时间，提高监测效益，节约监测成本，获得最大利益。各因素相关性见表3。

表3 斜拉桥相关性分析结果

由表3可知：湿度与风速的相关性较小，而荷载与温度的相关性较大，因此，在预测索力值时，仅选取温度、荷载、风速三个因素进行数据分析。

6 结语

针对桥梁的特殊性和复杂性，设计全寿命周期综合监控系统，对可能发生的安全故障快速做出反应，并提供准确的解决措施。利用数据源整理评估前期危险预警，确保桥梁安全，延长桥梁的使用寿命，发现、预警、联动控制、消除安全隐患，对发展互联网全覆盖操作系统具有重要意义。