简要分析桥梁结构健康监测系统

摘要: 随着近20年来桥梁抗风、抗震领域的成果以及新材料、新技术的不断开发，极大地推动了大跨度桥梁的发展。人们也对其安全性、耐久性与正常使用功能的日渐关注，因而桥梁结构的健康监测亦显得尤为重要。它可以在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时，发出预警信号，为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导。文章根据笔者工作经验，从桥梁结构健康监测系统的组成，及国内外技术的状况及个人的见识。

关键词:桥梁，健康监测，系统

1 引言

传统的桥梁结构是一种被动结构，一经设计、制造完成后，其性能及使用状态将在很大程度上存在着不可预知性和不可控制性，这就给桥梁结构的使用和维护带来不便。桥梁结构健康监测就是通过对桥梁结构进行无损检测，实时监控结构的整体和局部行为，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。

2 桥梁结构健康监测系统基本组成框架

一个较为完整的桥梁结构健康监测系统一般包括以下四个子系统: 传感器系统、数据采集与传输系统、数据处理与控制系统和桥梁健康评估系统。

2.1 传感器系统

一般桥梁结构健康监测系统选用的传感器包括两大类: 一类是监测桥梁荷载(系统输入)的传感器，一类是监测桥梁结构反应(系统输出)的传感器。

监测桥梁荷载的传感器包括以下几种: 温度计、风速仪、空气温湿度计和汽车动态称重系统等;监测桥梁结构响应的传感器包括以下几种: 应变计、加速度计、GPS、倾角仪、位移计、锚索计等。

根据不同的桥梁结构形式和工程预算的约束，不同的工程可以选择不同的传感器种类和数量。传感器系统设计主要是传感器种类和数量的选择，重点是传感器布点优化设计。

2.2 数据采集与传输系统

(1)数据采集设备一般包括5种:①、通用采集仪器，主要采集电类传感器信号，一般可针对具体的项目进行特殊设计。②、光纤光栅解调仪，光纤传感器是近些年来兴起的传感器种类，对于桥梁监测系统光纤应变计和温度计得到了日益广泛的应用，采集光纤传感器信号使用光纤光栅解调仪。③、振弦采集仪，对于振弦原理设计的传感器必须用振弦采集设备，如锚索计等。④、GPS 接收机，GPS 数据采集由专门的系统设备完成，GPS 天线通过同轴电缆连接至相应的GPS 接收机。⑤动态称重主机，WIM 系统的数据通过高速称重主机接收压电传感器和地感线圈的信号来进行采集。

(2)数据传输包括3个层次: ①、从传感器到采集设备的局部传输网络;②、从采集设备到桥头交换机二级传输网络;③、从桥头交换机到监控中心的骨干传输网络。数据采集与传输系统主要是与传感器匹配的采集仪器的选择、通道数和采集频率的确定，以及数据传输方案的设计。

2.3 数据处理与控制系统

在结构健康监测系统中，对系统监测数据的处理根据处理方式、处理内容以及处理顺序的不同分为数据预处理和数据后处理。系统的数据处理功能由数据库服务器与工控机共同来完成。

数据采集系统中的原始监测数据的预处理是在各子系统采集仪上完成，包括通用数据采集仪、光纤解调仪、GPS 接收机、WIM 称重主机。预处理后的数据经桥头交换机通过光纤传回监控中心，监控中心的工控机接收预处理后的数据并实时显示。

经预处理后的数据实时的传输至监控中心，在各工控机中通过数据处理软件进行数据后处理，由于数据后处理涉及更为复杂的处理方式，因此有时可能需要进行人机交互的数据处理方式。

2.4 桥梁结构健康评估系统

桥梁结构健康监测系统直接目的是为了桥梁结构评估。桥梁结构评估包括2个层次: 一个层次是基于对监测数据的分析判定桥梁上是否发生了病害，并确定病害大致位置，辅以人工检查确定病害程度和性质。第二个层次是在上述病害下桥梁是否安全，是否需要维修加固。第一个层次是桥梁损伤识别的研究范畴;第二个层次一般有基于可靠度理论的分项系数评估方法和基于精细有限元分析的力学方法。桥梁健康评估系统是桥梁健康监测系统的核心。桥梁健康评估系统主要功能是根据采集的数据和分析结果对桥梁承载能力进行评估，为桥梁维护提供决策依据。

3 桥梁结构健康监测系统国内外应用状况

20 世纪60 年代以来，由于发达国家桥梁严重退化，安全事故不断发生和事故后果的严重性，工程技术人员对桥梁结构监测展开了积极的探索。一方面是桥梁管理系统的研究，美国、英国、日本、加拿大和德国等一些发达国家最先开发了基于计算机的桥梁管理系统，美国从20 世纪60 年代起就开始使用桥梁管理系统，建成了大量的数据库，以便对桥梁进行科学管理。另一方面是监测系统的研究，到90 年代国内外许多大型桥梁安装了健康监测系统，如日本的明石海峡大桥、丹麦的Great Belt 和中国的江阴桥等。

中国香港的青马大桥、汀九桥和汲水门桥三座桥梁同时安装了风与结构健康监测系统WASHMS(Wind And Structural HealthMonitoring System)，为便于集中管理，相关部门建立了一个整体监控中心，三座桥梁共用一套整体的数据处理与控制系统和结构健康评价系统，三座桥梁的数据采集与传输作业的控制在监控中心统一进行，其各自的采集数据也在监控中心进行统一的数据处理和结构分析。昂船洲桥梁结构健康监测系统(SCB-WASHMS)也设计了专用的数据传输线路，将实时监测数据传送到青马控制区上述三个监测系统的监控中心。

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