桥梁监测方案解读

摘要和关键词

【摘要】

结合工程实践，对桥梁监测系统进行了总体的介绍，可以初步了解桥梁监测系统的构成。分析了桥梁相应的危险有害因素并进行了相应的分类，同时，对检测过程中各种传感器的选择选择与使用也做了相应的介绍，本文同时对桥梁监测系统的数据采集，分析和相应的过程进行了介绍，阐述了每个部分的应用和各个系统之间的联系，是比较系统和完善的对桥梁监测系统做了相应的介绍，随着时代进步，安全监测会凸显出其重要性。

【关键词】

桥梁监测系统；监测设备；危险源；传感器；数据分析；

1、桥梁监测系统

1.1 桥梁检测的简介

桥梁安全监测是在传统的桥梁检测技术的基础上,运用现代化传感设备与光电通信及计算机技术, 实时监测桥梁运营阶段在各种环境条件下的结构响应和

行为, 获取反映结构状况和环境因素的信息, 由此分析结构健康状态, 评估结

构的可靠性, 为桥梁的管理与维护提供科学依据。在偶发事件( 如地震) 发生后, 可通过监测数据识别结构的损伤和关键部位的变化, 对桥梁结构的承载能力和

抗风、抗震能力做出客观的定量的评估。由于桥梁( 尤其是斜拉桥、悬索桥) 的力学和结构特点以及所处的特定环境, 在桥梁设计阶段完全掌握和预测结构的

力学特性和行为是非常困难的,桥梁的设计依赖于理论分析并通过风洞、振动台模拟试验预测桥梁的动力性能并验证其动力安全性。而结构理论分析常基于理想的有限元模型, 并且分析时常以很多假定为前提, 这种模拟试验和计算假定可

能与真实桥位不完全相符。因此, 可以通过桥梁健康监测所获得的实际结构的动静力行为, 可以验证桥梁的结构分析模型、计算假定和设计方法的合理性, 而且监测数据可用于深入研究桥梁结构及其环境中的未知和不确定性问题。而且桥梁健康监测信息反馈于结构设计的更深

1.2 桥梁监测系统的结构

桥梁监测系统就是通过对桥梁结构进行无损检测, 实时监控结构的整体行为, 对结构的损伤位置和程度进行诊断, 对桥梁的服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行智能评估, 为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号,为桥梁的维修、养护与管理决策提供依据和指导。桥梁监测系统的基本组成如图1所示。

图1 桥梁检测系统基本组成框图

1.3 桥梁监测系统的特点

桥梁监测系统作为现代桥梁系统中必不可少的一部分，有着极其重要的地位，对桥梁的安全和争产运行起到了极其重要的作用，基于对桥梁监测系统的研究，其具有以下一些共同特点:

(1) 通过测量结构各种响应的传感装置获取反映结构行为的各种记录.

(2) 除监测结构本身的状态和行为以外,还强调对结构环境条件(如风、车辆荷载等) 的监测和记录分析;同时,试图通过桥梁在正常车辆与风载下的动力响应来建立结构的“指纹”,并借此开发实时的结构整体性与安全性评估技术.

(3) 在通车运营后连续或间断地监测结构状态,力求获取的大桥结构信息连续而完整. 某些桥梁监测传感器在桥梁施工阶段即开始工作并用于监控施工质量.

(4) 监测系统具有快速大容量的信息采集、通讯与处理能力,并实现数据的网络共享.

1.4 桥梁监测系统的监测方面

桥梁监测的基本内涵即是通过对桥梁结构状态的监控与评估,为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号,为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导. 为此,监测系统对以下几个方面进行监控:

( 1) 桥梁结构在正常车辆荷载及风载作用下的结构响应和力学状态。

( 2) 桥梁结构在突发事件( 如地震、意外大风或其它严重事故等) 之后的损伤情况。

( 3) 桥梁结构构件的耐久性, 主要是提供构件疲劳状况的真实情况。

( 4) 桥梁重要非结构构件( 如支座) 和附属设施( 如斜拉桥振动控制装置) 的工作状态。

( 5) 大桥所处的环境条件, 如风速、温度、地面运动等。

2、桥梁危险源

2.1 桥梁中的危险因素

桥梁中存在诸多因素会导致桥梁发生事故，对这些因素的研究有助于我们对桥梁事故更好的预测和分析，可以更好地避免事故发生，减少人员伤亡和财产的损失，因此，桥梁监测系统所监测的因素主要有以下几方面。

( 1) 荷载。包括风、地震、温度、交通荷载等。

( 2) 几何监测。监测桥梁各部位的静态位置、动态位置、沉降、倾斜、线形变化、位移等。

( 3) 结构的静动力反应。监测桥梁的位移、转角、应变应力、索力、动力反应( 频率模态) 等。

( 4) 非结构部件及辅助设施。支座、振动控制设施等。

2.2 桥梁事故的事故树分析

针对可能发生的桥梁事故，分析导致的原因事件，然后根据这些原因事件建造事件树，确定成立的事故方案，并应用ANSYS软件等工具计算出桥梁结构在各种可能原因事件以及各种可能事故方案的作用下的空间应力状态；最后通过对这些可能事故方案的分析来确定事故的原因及机理。具体分析过程如图2所示。

图2 基于可靠性的事故分析模型

如果某工程事故在事故原因调查分析时通过专家意见、现场调查、文献搜集

以及回顾等确定有3 种可能事故原因事件(E

1,E

2

,E

3

)，则有6种可能事故方案，

如图3所示。

图3 所有可能引起事故的方案

在完成事件树建造之后，下一步就是对每个破坏事件进行品质分析(也即这些事件发生的条件概率)和确定每种事故方案的发生概率. 如果事故方案中的某一事件的条件概率小于事故发生的极限概率值，则认为该事故方案不成立，而只需要对那些成立的方案进行分析，如图4所示.

图4 研究的事故方案

通过上述理论，可以形成事件树分析法对事故分析步骤.

(1) 确定或寻找可能导致事故的事件. 破坏事件可通过专家意见、工程现场调查、文献搜集以及回顾等确定；

(2) 确定可能导致事故严重后果的初因破坏事件，所有的事故失效事件都有可能

是初因失效事件；并对初因事件进行分类，对于那些可能导致相同事件树的初因事件可划分为一类；

(3) 建造事件树，对事件进行分析，排除包含事件的条件概率小于极限失效概率值的事故方案，确定成立的事故方案；

(4) 对事故方案进行仿真计算，计算出各种事件作用时对结构的应力状态影响，并比较分析确定这些事件对事故的权重；

(5) 评价被调查的事故方案发生的可能性，找出事故原因.

3、桥梁传感器

3.1 桥梁监测系统中的传感器

桥梁检测系统中由于检测的因素过多，因此会使用到种类众多的传感器，具体传感器类型包括：

(1)应变/温度传感器——测量混凝土构件内部应变和温度的分布。

(2)斜拉锁索力计(锚索计和智能拉索）——测量斜拉索索力。

(3)静力水准仪——测量桥梁沿桥轴线方向各断面的相对高程变化、即挠度。

(4)倾角计——测量桥梁墩柱、索塔、箱梁等构件偏转角。

(5)加速度/速度计——测量桥梁运营过程中自振和强迫振动的动态特性。

(6)位移计——测量斜拉桥索塔与主梁之间相对纵向位移。

(7)桥梁线形及变位永久监测网——由基准站、测站和监测点构成，定期监测桥梁几何线形变化。

3.2 桥梁中针对不同因素所使用的传感器

桥梁中的不同因素由于性质差别大，则需要选择相应的传感器，下面是针对不同的因素所使用的相应传感器：

( 1) 荷载。包括风、地震、温度、交通荷载等。所使用的传感器有: 风速仪——记录风向、风速进程历史, 连接数据处理系统后可得风功率谱; 温度计——记录温度、温度差时程历史; 动态地秤——记录交通荷载流时程历史, 连接数据处理后可得交通荷载谱;强震仪——记录地震作用; 摄像机——记录车流情况和交通事故。

( 2) 几何监测。监测桥梁各部位的静态位置、动态位置、沉降、倾斜、线形变化、位移等。所使用的传感器有: 位移计、倾角仪、GPS、电子测距器( EDM) 、数字像机等。

( 3) 结构的静动力反应。监测桥梁的位移、转角、应变应力、索力、动力反应( 频率模态) 等。所使用的传感器有: 应变仪——记录桥梁静动力应变应力, 连接数字处理后可得构件疲劳应力循环谱; 测力计( 力环、磁弹性仪、剪力销) ——记录主缆、锚杆、吊杆的张拉历史; 加速度计——记录结构各部位的反应加速度、连接数据处理后可得结构的模态参数。

( 4) 非结构部件及辅助设施。支座、振动控制设施等。

3.3 桥梁中针对不同因素监测方式和频率

桥梁中涉及到的因素有静态的有动态的，有有形的有无形的，因此针对不同的因素要采取不同的方法和频率。依据桥梁中不同因素所属的种类不同，将相应因素进行了相应的分类，同时给出了相应的监测手段。下表1中具体列出了不同

因素的监测方式和频率。

表1 不同因素的分析表

4、桥梁监测系统的具体实施方案

在桥梁监测系统中不同的功能目标所要求的监测项目不尽相同. 绝大多数桥梁监测系统的监测项目都是从结构监控与评估出发的,个别也兼顾结构设计验证甚至部分监测项目以桥梁问题的研究为目的.如果监测系统考虑具有结构设计验证的功能,那就要获得较多结构系统识别所需要的信息,因此,对于大型桥梁,需要较多的传感器布置于桥塔、加劲梁以及缆索/ 拉索各部位,以获得较为详细的结构动力行为并验证结构设计时的动力分析模型和响应预测,另外,在支座、挡块以及某些联结部位需安设传感器获取反映其传力、约束状况等的信息.

4.1 桥梁监测方案中组成部分

（1）硬件部分

监测系统的硬件主要用于桥梁参数的采集和数据处理，在监控分中心设置数据服务器进行系统数据分析处理，并设置工作站计算机进行实时监控，在桥梁现场设置网络传输设备和数据采集处理设备进行远程数据的传输和采集，在桥梁的不同位置设置原始数据采集设备进行桥梁实时状态的监测。原始数据采集设备如下：

(1)风力风向监测设备

成桥后风荷载是桥梁结构的主要动力荷载之一。在风荷载作用下，桥梁的主要构件索、梁和塔都将产生振动，引起疲劳损伤累积，导致桥梁抗力衰减。通过监测风速、风向，统计最大风速值、风荷载脉动特性及风功率谱密度等，可以得出结构的风与结构响应关系，从而对结构进行风致振动的分析。

(2)环境温度监测设备

通过环境温度的监测，可以分析环境温度对结构静力响应的影响，以使基于静力测试的识别方法能更准确地反映结构基准状态；可以分析环境温度对振动特性的影响，以使基于振动测试的损伤检测方法能更准确；可以预测可能出现的极限环境温度荷载。同时，空气湿度对结构的耐久性影响也较大。环境监测中温度和湿度的监测对于分析结构状态和结构损伤发展状态是重要的参数指标，另外温湿度监测可以为系统采集站设备的工作环境控制提供参考数据。

(3)结构温度监测设备

构件温度的分布状况将直接影响到结构的变形和内力状态，构件温度场中的温差效应的实际分布也是设计单位关心的一个重要结构参数；对结构温度分布情况的监测可以用于分析结构温度场对结构静力响应的影响，以使基于静力测试的识别方法能更准确地反映结构基准状态；可以帮助分析结构温度场对振动特性的影响，以使基于振动测试的损伤检测方法能更准确。因此温度荷载的监测可以帮助考察可能出现的极限温度场荷载，为结构分析提供帮助。另外温度场监测可为部分监测设备做温度补偿。

(4)地震监测设备

地震荷载的监测是指在地震事件或船舶撞击下监测大桥桥址处的地震动加速度时程及其频谱，为结构整体和局部的动静力响应及灾后评估提供依据，为大桥管理部门处理突发事件提供资料。

(5)动态交通荷载监测

交通荷载的监测一方面可以对运营期大桥的交通量进行统计，对过桥的车辆轴重、速度、车长进行动态实时监测，当车辆超载时可给出预警。另一方面，车辆

交通荷载的监测可以为结构响应大小提供对比的参照，提供桥梁是否处于无车辆活荷载的近似恒载的判断依据，作为桥梁恒载状态对比分析的前提条件。

(6)结构应变监测设备

对构件应力的监测可以分析求解出测点的应力状况。结构的应力是重要的结构局部信息，一旦应力超限，便可能导致材料开裂或破坏，进而导致构件和桥梁的破坏。应变指标是运营期间安全性预警的重要信息，也是结构状态分析的参考信息，尤其对一些关键的结构部位(如主梁跨中、主梁支座顶部、桥塔根部等)，必须对其进行监测。

(7)主梁挠度监测设备

桥梁主梁挠度直接反应了主梁当前的整体受力状态，桥梁挠度也是监测系统预警和安全评定的主要指标。

(8)索塔倾斜监测设备

桥塔是斜拉桥的主要承重构件，桥塔一旦出现较大倾斜，整个斜拉桥会有倾覆的危险。另外桥塔沿桥纵向倾斜也是索力不均匀分布的表现。

(9)主梁及索塔空间变位监测设备

主梁和索塔的空间变位是反映大桥安全状态及进行内力状态评估分析的重要参数，是结构安全预警的重要指标。

(10)整体位移监测设备

斜拉桥主梁在温度作用下会发生纵向变形，这种纵向变形将通过伸缩缝处主梁端部位移来反映。伸缩缝处主梁端部位移与温度之间具有一定的对应关系，通过监测可以掌握主梁纵向变形情况，如果主梁的纵向变形异常(变形未被释放)，则会导致主梁出现较大的温度应力，这对主梁安全将产生危险。

(11)斜拉索索力监测设备

斜拉索是斜拉桥最重要的受力构件，斜拉索索力的变化直接反映桥梁结构受力状态的变化，关系到整座大桥的安全，通过索力的监测能够为运营期间的安全性提供直接的预警信息和状态评估信息。

(12)动力特性监测设备

桥梁动力特性参数的变化(频率、振型、模态阻尼系数)是桥梁构件性能改变的标志。桥梁的振动水平(振动幅值)反映桥梁的安全运营状态。桥梁自振频率的降低、桥梁局部振型的改变可能预示着结构的刚度降低和局部破坏，是进行结构损伤评估的重要依据。

(13)腐蚀监测设备

桥墩支撑着整个桥梁，一旦出现问题，后果极其严重。桥墩所处位置环境恶劣，各种腐蚀因素会导致桥墩混凝土耐久性降低，通过对桥墩处混凝土耐久性CL一腐蚀进程监测，能及时掌握桥墩混凝土的腐蚀程度，在腐蚀速度过快或腐蚀程度过大时可及时进行补救。在桥梁现场设置的工作站进行数据转换后，将光信号和模拟信号转换成数字信号，通过光缆传输到监控分中心，在现场的工作站设置一套同步时钟系统，以保证各个设备采集数据的同时性。

（2）软件部分

监测系统要实现全桥整体状态的监测，离不开最后软件系统的数据分析与处理，其中，又可以把软件系统分为三大块，分别是：

(1)数据采集与传输系统

数据采集与传输系统是整个监测系统实现的首要条件，通过这个子系统，实现了对传感器信号的采集、处理、存储、传输与显示功能，现场设备与数据服务器紧

密联系，可以随时对所需要的数据进行调用。

(2)数据处理与分析系统

这个子系统是桥梁监测系统的核心，它完成桥梁巡检、养护管理及预警功能，实现巡检动态数据的录入、存储、导出、上传功能。达到桥梁监测系统要求的数据接收与处理服务器上的数据传输、数据下载、数据处理及数据存储等功能，并通过WEB统一门户形式，提供给用户使用。

(3)数据库管理系统

根据系统运行数据的规模和系统功能要求，数据库管理系统利用数据库软件，作为结构监测系统数据存储及共享的平台。这个子系统是整个系统的基础。软件部分三个子系统实际上是密不可分的，系统进行数据分析，不仅仅是自动采集的，也包括人工巡检后录人数据库的数据。其中桥墩变位、斜拉索索力、斜拉索探伤、钢结构焊缝探伤、腐蚀、混凝土强度、混凝土碳化深度、混凝土裂缝测量、桥面线形、桥面状况、混凝土表观状况、钢结构状况、斜拉索状况、阻尼器状况、伸缩缝状况、支座状况、桥梁的抗震设施、人行通道、护栏状况、其他设施状况等都需要人工巡检后录入。

4.2 桥梁监测系统中的布置

4.2.1 桥梁中传感器/作动器网络的优化设计准则

无论是以静力作用下的结构参数识别还是动力作用下桥梁的模态识别为主要目的的监测情况，下面一些优化设计准则是常用

（1）识别(传递)误差最小准则

该方法的要点是连续对传感网络进行调整，直至识别(传递)目标的误差达到最小值为至。基本思想是逐步消防那些对目标参量的独立性贡献最小的自由度，以使目标的空问分辩率达到最佳程度；

该准则即适于静力作用下的结构参数识别也适于动力作用下桥梁的模态识别。

（2）模型缩减准则

在模型缩减中常常将系统自由度区分为主要自由度和次要自由度，缩减以后的模型应保留主要自由度而去掉次要自由度。将传感器配置于这些主要自由度上测得的结构效应或响应，应能较好的反映结构的动、静力特性。

（3）插值拟合准则

有时传感器优化配置的目的是为了利用有限测点的效应(对动力而言为响应)来获得未测量点的响应。这时可采用插值拟合的方法获得目标点(未测量点)的响应，为了得到最佳效果，可采用插值拟合的误差最小原则来配置传感器。

（4）模态应变能准则

其基本思想是具有较大模态应变能的自由度上的响应也比较大，将传感器配置于这些自由度所对应的位置上将有利于参数识别。这一方法需要借助有限元分析法。

针对以上原则设计出最好的实验方案，由于不同桥梁的设计方案不尽相同，在此不一一赘述。

4.3 桥梁监测系统总体运行

桥梁监测系统由外场设备进行数据的采集，由软件进行数据的归纳分析，对桥梁的整体状态进行评估，并根据桥梁的初始状态暨通车前交工后的状态和正常

运营时的状态进行对比，设定桥梁危险信号的预警值，当系统分析桥梁不安全时，会自动发出警报，实现尽早发现、尽早处理的管理方式，可以提前规避重大事故的发生。

5、桥梁监测系统分析数据的方法

5.1 分析数据的相应方法

（1）有限元法

有限元“化整为零”的思想十分简单明了. 它把一个复杂的结构分解成相对简单的“单元”,各单元之间通过结点相互连接. 单元内的物理量由单元结点上的物理量按一定的假设内插得到,这样就把一个复杂结构从无限多个自由度简化为有限个单元组成的结构. 只要分析每个单元的力学特性,然后按照有限元法的规则把这些单元“拼装”成整体,就能够得到整体结构的力学特性.

进行有限元分析,可以基于计算机语言编程,如: Fortran和Matlab等. 同时,亦有众多的有限元商用软件流行,其中平面分析的有限元软件有:国内有桥梁博士、桥梁通和GQJX,国外有Midas等; 空间分析的通用有限元软件大多为国外的,有:Midas,ANSYS, NASTRAN, AD INA和ABAQUS等,它们包含众多单元类型,能求解各类问题.

5.2 数据处理流程

（1）数据预处理

这一过程在数据采集单元内完成,主要进行简单的统计运算,如:设定时段内的最大值、最小值、均值、方差和标准差等,计算结果作为初级预警的输入.

（2）数据的二次处理在数据处理与分析服务器上进行,主要计算方法, 如: 傅立叶变换、HHT 变换和小波变换等及其他方法,流程如图1所示. 其中动力数据处理的具体方法及其比较见表2.

图2 数据二次处理计算方法及流程框图

（3）数据后处理

主要进行监测数据的高级分析,如:实时模态分析、桥梁特征量与环境因素之间的相关性分析和非线性回归分析等. 由于这些方法常需占用一定的计算时间,这一过程往往离线进行,分析数据来自动态数据库和已备份的原始数据库.

5.3 数据预处理与传输系统

数据预处理工作由数据采集单元完成，以对信号进行调理、滤波、A/D转换，以及进行简单的统计处理，并将信号通过系统主干光纤网络传输给数据

处理与控制服务器。现场数据采集单元同时管理本地NAS存储，当上位机或主干网故障时，现场采集单元通过降档控制继续执行数据采集工作，并保证经预处理的采集数据在本地NAS保存30d。

5.4 数据处理与分析系统

数据处理与分析系统运行在监控分中心的桥梁监测工作站上，通过网中网连接并控制各被测桥梁的现场控制单元，并经由现场控制单元与现场安装的传感器和采集设备通讯。运行数据处理与分析软件的桥梁监测工作站应装备足够的缓冲内存、网卡、适当的备份设备、光纤网络接口和执行数据处理分析的操作模块；数据处理与分析系统管理一个桥梁信息数据库和一个动态数据库，桥梁信息数据库用于存储采集到的原始数据、处理结果、评估报告、桥梁运营档案等相关信息。动态数据库用于保存桥梁结构当前的原始数据和预处理结果。动态数据库信息保存30 ；桥梁信息数据库中的信息通过定期存档、备份作永久保存，以保持数据连续性。

5.5 系统集成

系统硬件由传感器、现场采集设备、通信链路、供电电路、接地防雷设备、远程监控工作站等组成。根据总体功能要求及现场环境条件，数据采集系统采用分布式布置监控中心设一远程监控工作站进行人机联系：控制数据采集单元工作、监视运行情况、进测行结构安全评估的等工作。网络交换机在数据采集单元与远程监控工作站之间完成现场数据与控制数据的交换各桥桥址处均设立结构线形和变位永久观测网，由基准站、观测站和监测点组成。

6、结束语

桥梁监测系统为运营期桥梁科学有序的养护运营管理提供了一个平台，建立了桥梁监控系统全寿命期大桥的数字化、信息化“档案”，对大桥整体与局部性能、工作状态做出评估，对构件异常现象及时作出判断并找出原因，及早发现安全隐患，通过制定合理、主动、预防性的养护措施，有效地掌控了运营期桥梁的结构使用状态及其发展演化趋势，有效地降低了桥梁全寿命期的运营养护成本，最大限度延长了桥梁的使用年限，这是科技的进步与发展。

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读书的好处

1、行万里路，读万卷书。

2、书山有路勤为径，学海无涯苦作舟。

3、读书破万卷，下笔如有神。

4、我所学到的任何有价值的知识都是由自学中得来的。——达尔文

5、少壮不努力，老大徒悲伤。

6、黑发不知勤学早，白首方悔读书迟。——颜真卿

7、宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。

8、读书要三到：心到、眼到、口到

9、玉不琢、不成器，人不学、不知义。

10、一日无书，百事荒废。——陈寿

11、书是人类进步的阶梯。

12、一日不读口生，一日不写手生。

13、我扑在书上，就像饥饿的人扑在面包上。——高尔基

14、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游

15、读一本好书，就如同和一个高尚的人在交谈——歌德

16、读一切好书，就是和许多高尚的人谈话。——笛卡儿

17、学习永远不晚。——高尔基

18、少而好学，如日出之阳；壮而好学，如日中之光；志而好学，如炳烛之光。——刘向

19、学而不思则惘，思而不学则殆。——孔子

20、读书给人以快乐、给人以光彩、给人以才干。——培根