项目背景

   某市业主计划建立该区域的桥梁健康监测系统，笔者根据该地区桥梁结构特点以及需求对系统建设给出了自己的个人建议。

    根据现场调研情况桥梁结构的主要类型包括：

（1）简支梁板桥

（2）连续梁板桥

（3）系杆拱桥

（4）闭合框架桥

   项目建设的需求是将健康监测系统同桥梁数字化管养有机的结合，并同未来智慧化城市桥梁相对接。其主要功能模块包括：数字化桥梁信息管理模块、动态实时结构监测模块、桥梁BIM模型、GIS地理信息系统模块、桥梁健康评估模块等部分组成。

     桥梁结构受力形式除系杆拱桥外，其它桥梁结构的受力特点明确，监测结构主要参数相对较为简单，主要为挠度和应变，最关键的参数为挠度。考虑到典型路线重载的特点，在重载路线应增加动态称重系统。此外考虑到典型桥梁病害主要包括耐久性病害、伸缩缝以及支座位移等，针对这些病害可以增设裂缝监测、支座位移以及伸缩缝位移等监测参数。

  监测参数的选择

    针对本项目的特点，在桥梁健康监测系统方案设计时应考虑目前桥梁健康监测系统存在的问题才能架构比较实用的桥梁健康监测系统。

（1）桥梁健康监测参数如何选择？

   桥梁结构健康监测系统参数的选择对于系统至关重要，监测参数分为静态参数和动态参数。根据监测参数分析的需求首先要清楚某一监测参数的类型，否则需要实时动态监测的参数选择静态的设备则难以满足要求。

（2）监测数据如何分析？

   监测参数的数据分析也是健康监测系统的重要内容，数据分析方法需要结合桥梁结构分析的需要来确定。如对于风速的监测通常需要得出风速的大小和风向，有时需要分析风玫瑰图。而对于桥梁结构振动监测的数据可能需要分析桥梁结构的动力特性如振型、频率、阻尼比等，通常采用模态分析的方法来实现。

（3）系统建设模式如何选择？

  目前国内常用的桥梁健康监测系统建设的模式多采用建设移交的方法，由于移交后管理部门由于缺少专业人员对系统进行维护，系统建成几年后往往陷于瘫痪，这也是系统受人诟病的主要原因。桥梁健康监测系统的建设后期的维护也至关重要，因此笔者建议系统可以采用建设移交+运维费的模式，系统建成后由承包方对系统进行长期维护，建设方支付运维费。采用这种方式最大的优点是通过承包方的专业技术服务能保证系统的运营，在系统局部出现问题可以及时进行处理。

（4）桥梁健康如何评估？

   桥梁结构的健康评估是系统建设的主要目标，为桥梁结构健康运营保驾护航。而国内健康监测系统安装在桥梁结构健康评估方面还存在一定的功能不足。对于本项目而言，桥梁结构形式比较简单、受力明确，可以通过安装高精度传感器对关键参数进行监测，并对数据进行深度挖掘，将监测数据同结构评估有机结合。

   桥梁结构健康监测参数类型主要包括三类：

桥梁结构荷载监测项目包：风荷载监测、汽车荷载监测、温度监测、地震荷载监测；

   桥梁结构响应监测项目包括：振动特性监测、应力应变监测、桥梁挠度监测、伸缩缝和支座位移监测、拉索索力或吊杆内力监测；

    其他监测项目包括：混凝土耐久性监测、防撞击监测、视频监测、环境温湿度监测。

   根据以上监测参数类型结合桥梁结构的特点，建议监测的参数如下：

系统监测主要传感器选择

1、动挠度的监测

    动挠度监测是桥梁结构监测的重要参数，目前常用有静力水准、GPS、桥梁挠度仪和毫米波雷达等，各自优缺点及适用范围见下图：

   根据以上对比，对于中小跨径桥梁建议采用毫米波雷达进行监测，其安装见下图：

2、动应变的监测

     动应变监测是桥梁结构应变进行监测，从而对结构应力进行分析，目前常用有振弦式应变计、光纤光栅应变计等。

    根据项目特点对于复杂结构采用光纤光栅应变计监测，常规结构可不监测此参数。振弦式应变计很难对结构动应变进行监测，其测试原理是巡采方式。

3、车辆荷载监测

    车辆荷载监测采用动态称重系统WIM来实现，对车辆总重、轴重、车速、车间距等进行统计分析。

4、支座位移监测

  支座监测为提高精度采用LVDT位移计进行监测，通过底座将设备固定在梁底或桥梁墩台上。

5、伸缩缝位移监测

伸缩缝位移监测采用拉绳式位移计进行监测。

6、裂缝监测

   裂缝监测为提高精度采用LVDT裂缝计进行监测，其安装方式同LVDT相同，通过底座将设备固定在梁体裂缝位置处。

7、桥梁限高监测

桥梁限高采用限高监测采用红外对射的监测设备，包括一个发射端和一个接收端对限高进行监测。同时配合视频监测设备，当车辆超过限高设定值时触发视频采集系统对车辆信息进行抓拍。

8、墩台基础沉降

  墩台基础沉降监测采用高精度静力水准进行监测，以固定的基准点作为参考点对各测点进行监测，精度可以达到0.2mm。

9、索力监测

索力监测采用振动传感器进行监测，配备动态集设备进行监测。

系统总体架构

1、桥梁健康监测系统组成

桥梁健康监测系统的组成通常包括：传感器子系统、数据采集与传输子系统、数据的管理与处理子系统、结构健康评估子系统，见下图。

2、项目总体系统架构

   根据本项目需求，本系统在架构时考虑以下特点：架构为独立的监测系统；各桥梁为分布式子系统；数据传输采用4G网络；预留接口与原监控平台对接；系统框架图仅动态监测模块；与桥梁系信息管理系统融合。系统总体框架见下图：

3、本项目健康监测系统的特点

（1）与桥梁数字化管理系统的融合

   将桥梁数字化管理信息系统同健康监测系统有机的结合，体现人工检测与监测数据的融合。

（2）监测参数的实时显示与挖掘

 监测数据能够在监测系统中进行实时显示，并能对监测数据进行统计分析、设定阈值用于结构异常状态的预警。对于不能直接用于结构分析的数据进行抽取、关联分析等提取可以用于结构评估的评估参数。监测参数与评估参数的关系：如桥梁动挠度为监测参数，对于梁板结构可以提取用于评估参数：铰缝工作性能（横向分布系数或两片粱间挠度相关系数）、挠度影响线、挠度值等可以作为评估参数对桥梁工作性能进行全面的评价。

                       监测数据的关联性分析

（3）监测参数与桥梁承载能能力评估结合

 本项目采用毫米波雷达对动挠度进行监测，这一关键参数监测一直是行业的难题。结合实际监测数据提取桥梁结构的挠度影响线对桥梁承载能力进行评估，这样可以形成一套完整的监测和承载能力评估的技术。

（4）将巡检、定检及监测系统的结合

 目前健康监测系统与桥梁日常巡检、定期检测、特殊检测均建立为独立的系统，给桥梁管理人员带来极大的不便。本系统建设将健康监测系统与巡检、定检以及特殊检测进行有机的数据融合。建立的包头市政桥梁健康管理系统，主要包括：系统展示模块、桥梁档案模块、桥梁日常巡检模块、桥梁定期检测模块、桥梁动态监测模块、桥梁特殊检测模块、数据统计分析模块、桥梁结构健康评估模块等。