基于数字化技术的装配式桥梁安全监测管理研究

王善巍，苏 和，潘永杰，彭家禹

（1.内蒙古自治区交通运输事业发展中心，内蒙古 呼和浩特 010050；2.内蒙古禹邦电子科技有限公司）

1 引言

随着在役桥梁结构老化日趋严重，且交通量持续增多，桥梁的安全监测和养护管理日益受到关注。《“十四五”公路养护管理发展纲要》（交公路发〔2022〕46号）指出，要“形成主动发现、智能分析、自动预警、响应及时的工作闭环，提升监管效能”，《交通运输部关于进一步提升公路桥梁安全耐久水平的意见》（交公路发〔2020〕127 号）提出“要加快推进隐患桥梁评估工作，健全桥梁运行安全的长效机制”。

受成本及技术的限制，现有桥梁养护管理主要以人工巡检为主，检查结果存在两个方面的问题，一是受检查人员经验、责任心等主观因素影响[1，2]，增加了检查结果的不确定性；二是检测方式主要以目视为主，导致对病害的发生时间、严重程度、产生原因等深层次问题了解不清。因此，针对桥梁的养护管理决策，明确桥梁加固维护的重点，探寻通过构建体系化的桥梁监测和养护系统实现对未知风险早发现、早处置的方法，继而将养护对策前置和轻量化[3]是亟待解决的问题。针对桥梁病害，明确病害产生的根本原因及演化过程，有助于为病害桥梁下一步的加固设计提供方向[4]，为养护对策提供精准方案。随着传感器技术、大数据分析、数字孪生、人工智能等技术的快速发展，桥梁的数字化监测及养护管理迎来新的发展契机。

装配式梁桥在我国北方地区数量众多、分布广泛。以装配式梁桥为例，本文依托内蒙古自治区G111线皇姑屯桥开展的数字化监测及桥梁养护工作实践，实现了数字化分析方法在桥梁养护管理方面的应用，利用装配式桥梁监测数据信息的实时更新和迭代分析，达到对桥梁安全状况的实时监测与数字化养护，具有较好的应用效果。本文所提的数字化监测技术能够有效推动桥梁养护管理水平的提升，实现隐患桥梁的快速安全评估，为桥梁的监测与状态评估研究提供了新的思路。

2 桥梁数字化系统框架及指标

2.1 桥梁数字化系统的总体框架

桥梁数字化是以信息化为基础，为桥梁提供安全预警，大幅度提高桥梁养护管理能力的有效工具。数字化监测方案的设计一方面要尽可能使得桥梁病害的表面数据转化为能够反映桥梁承载力的结构特征数据[5]，另一方面要把桥梁数字化养护实时数据为主的思路拓宽为实时、长期、连续性[6]数据验证的解决方案。因此，本文针对桥梁的数字化方案采用了如图1所示的系统框图。

图1 桥梁数字化系统框架图

由图1可知，系统框架的前端利用桥梁实时监测系统，可通过数据采集系统、数据自动传输与处理管理系统等对桥梁结构进行监测；用户端利用数据智能系统对前端采集的数据进行模拟化运算和养护需求匹配，为管理和业务协同提供决策依据。

2.2 装配式桥梁数字化系统指标

为了更好地获取桥梁状态并指导养护作业，本文所提装配式桥梁数字化系统需要实现的主要功能是：监测桥梁结构主要部位的受力特征数据或整体性能[7]，并对桥梁的承载能力进行科学评价；监测实时车辆荷载作用下的挠度、弹性状态、桥梁整体刚度状况、桥梁横向分布、残余变形和累计残余变形、变形回弹状况等，并通过数据采集系统、数据自动传输与处理分析直接为用户提供监测结果；与传统静载监测方法不同，无需在桥下设支承点，可全天候长时间不间断进行桥梁结构实时监测。装配式梁桥数字化系统的监测内容及指标如图2所示。

在图2中，桥梁刚度是桥梁强度和整体受力性能的反映[8]，如果刚度下降或一定时间下降较快，桥梁结构整体刚度小于设计刚度说明桥梁结构发生了问题[9-13]。桥梁结构变形（挠度）是桥梁结构性能的重要指标和桥梁承载能力评定的重要内容和依据[14]，该指标可指导对通行车辆的超限超载等治理。桥梁结构的弹性状态要求汽车荷载离开后其产生的变形能够恢复到原始状态，残余变位要小于20%，否则需进行加固处理。累计残余变位主要表征长期累积残余变形是否超过了设计允许变形的20%。荷载横向分布系数是主梁在横向分配到的汽车荷载比例，纳入该指标主要是考虑到装配式梁桥横向联系损坏比例较高导致“单板（梁）受力”现象。桥上荷载识别主要通过对某一时段监测得到的数据分析通行车辆的数量及荷载的吨位，特别是监测出现超过设计规范要求的荷载，以免对桥梁造成隐性损伤[15]。

3 应用案例

3.1 桥梁概况

皇姑屯桥建于2005 年，设计荷载为汽车-20、挂-100。桥梁全长43.04m，桥梁宽度为0.5m 防撞墙+净11.5m+0.5m 防撞墙。桥梁上部结构采用3×13m 混凝土简支空心板梁。桥梁上部结构主要病害为第三跨部分铰缝渗水，部分板梁跨中位置有横向裂缝。

3.2 监测方案设计

分析皇姑屯桥的具体情况后，采用附着式桥梁在线监测装置监测桥梁主梁跨中截面的竖向变形，实际测点布置于3-5#梁跨中截面，其中3是指沿桥梁桩号前进方向第3跨，5是指沿桥梁桩号前进方向由左向右第5片主梁。测点布置如图3、图4所示。

图3 桥梁立面及平面测点布置示意图

图4 桥梁横断面测点布置示意图（cm）

3.3 监测结果分析

3.3.1 桥梁整体刚度

通过静载试验，结合监测设备获得的相关数据，经计算可得皇姑屯桥的上部结构刚度标定结果，并与按设计图纸计算得到的理论计算刚度进行比较，见表1。

表1 刚度标定及理论计算结果

由上表可知，案例对象桥梁上部结构的标定刚度明显小于理论计算刚度，表明该桥上部结构的刚度有显著折减；但3-5#板的单梁标定刚度较单梁理论刚度增大了18.3%，表明该桥的整体刚度受横向整体性影响显著。

3.3.2 桥梁结构弹性

由监测数据计算所得的皇姑屯桥回弹时间变化时程曲线如图5所示，可见该桥的日均回弹时间为0.80s～0.85s；日最大挠度对应回弹时间为0.98s～1.58s，与汽车在监测桥跨上的行驶时间吻合。日最大回弹时间为2.00s～3.78s，主要分布于1.45s～2.20s 范围内，出现回弹时间较长的主要原因为重车行驶速度较慢及多辆重车连续通过。数据表明，梁体受到载荷作用后产生的变形能够恢复，说明梁体处于弹性工作阶段。

图5 回弹时间变化时程曲线

3.3.3 桥梁横向分布系数

结合桥梁设计图纸，通过有限元分析对皇姑屯桥梁在试验加载工况下的相对横向分布系数进行理论计算，并与实测结果进行对比，相对横向分布系数对比如图6所示。

图6 相对横向分布系数对比图

由图6可知，该桥桥梁横向连接状况和横向整体性较差，特别是在2#板梁与3#板梁、5#板梁与6#板梁之间出现了实测值严重偏离理论值的情况，表明该桥梁的横向连接出现问题。

3.4 数字化分析后的养护建议

由案例桥梁的数字化分析可知，皇姑屯桥梁存在一定的隐患，制定养护方案时需要特别注意以下问题：①由于皇姑屯桥刚度下降较多，应及时采取加固措施提高桥梁刚度及抗弯能力；②对皇姑屯桥3-2#板梁与3-3#板梁、3-5#板梁与3-6#板梁之间的铰缝进行加固处理，提升上部结构整体性的同时增强整体刚度，以改善受力分布不均匀的情况；③为了延长3-9#板梁使用寿命，建议采取预防性加固措施，提升该板梁的抗弯能力；④通过对载荷数据的分析发现，皇姑屯桥梁上的超载车辆主要集中在每日20：00 至次日凌晨8：00 之间，建议将这一时段作为治超的重点时段。

4 结语

为了确保桥梁养护管理决策基础数据能够反映桥梁的真实技术状况，有必要推广实施数字化技术在装配式梁桥日常养护管理中的应用。通过数字化分析，可对桥梁安全隐患进行定性分析，指导养护资金的合理投入，有助于实现养护方案的精准度。此外，经过长期不间断的桥梁结构受力特征检测，能够积累桥梁结构在运营期的变化规律，从而为进一步完善桥梁设计理论和施工提供经验数据支撑。