1、監測背景

1.1 監測背景

隨著人口的不斷增長，城市化步伐的加快，交通基礎設施建設成為了各國重點建設領域之一。公路橋梁作為基礎交通建設的重要組成部分，對于現代化交通系統的發展和運行起著重要作用。中國公路橋梁行業自改革開放以來發展迅速，從一開始的空白到如今成為世界上擁有型公路橋梁的國家之一。隨著國家進一步推進公路網建設以及農村公路建設，公路橋梁規模逐年擴大，新增大型公路橋梁不斷涌現。

目前，中國已經建成的道路橋梁數量超過100萬座，總長度超過100萬公里。其中，高速公路橋梁數量Z多，占比超過50%。此外，截至2019年底，中國的公路總里程已經超過了5.2萬公里，其中高速公路里程達到了1.4萬公里。涉及梁式橋、拱橋、剛架橋、懸索橋、斜拉橋各個結構類型。

龐大的公路橋梁網絡，使得今后公路橋梁行業維護管理將更加嚴格，包括路面修復、橋梁加固、防護設施、防災減災等，這不僅可以延長公路橋梁的使用壽命，保證道路安全，還可為解決“大修大建”造成的交通癱瘓問題發揮積極作用。

建立健全公路橋梁安全監測體系，加強地震風險評估和抗震設防，為公路橋梁的確保安全保駕護航。其中，橋梁健康監測系統在重要橋梁和路網橋梁得以廣泛應用，其在指導橋梁高效管養，橋梁病害的預防性治理方面起到了積極作用。

為滿足長大橋梁運營養護管理需求，保證橋面行車的安全順暢，及時報告橋梁異常狀態，促進橋梁結構健康監測技術實用化與大橋養護的時效性。中地恒達憑借多年橋梁監測經驗，將傳感器、物聯網、云計算等技術結合，綜合分析橋梁施工、運營的實際情況，有效提升橋梁健康監測的感知能力，對橋梁病害起到“防微杜漸”的作用，以產生更大的社會和經濟效益。

1.2 監測的必要性

橋梁建成后隨著運營時間的推移，橋梁各構件將面臨各種損傷及內力狀態的改變，相應橋梁的剛度和承載能力就會出現不同程度的衰減，這些損傷和內力狀態的改變如果能夠被預先警告獲知，并且及時進行適當的調整、維護、維修，就不會危及橋梁結構的運營安全，否則在長期疲勞下，多種因素耦合作用可能導致災難性事故。

橋梁設施在長期的使用過程中，由于環境侵蝕、材料老化和荷載的長期效應、疲勞效應與突變效應等災害因素的耦合作用，將不可避免地導致結構和系統的損傷累積和抗力衰減，從而抵抗自然災害，甚至正常環境作用的能力下降，極端情況下可能引發災難性的突發事故。對于大型橋梁結構而言，由于其大跨、動載、構造復雜等結構特點，使其力學行為復雜，在大橋的使用過程中，又受到車輛荷載、風載、沖擊振動等復合載荷作用，再加上環境氣候的氧化、腐蝕、材料老化等因素的影響，將使橋梁的結構健康狀態逐漸發生變化。

當橋梁在對局部質量嚴重退化的結構進行維修更新時，由于不能對結構各構件的損傷狀況做出準確的評估，常常不得不過于保守的對可能有問題的部件予以全部更換，造成不必要的材料浪費和經濟損失。

因此，如果不能對橋梁結構的健康狀態進行及時監測評估，則難以及時發現并消除橋梁結構的安全隱患。一旦橋梁局部失效或整體承載能力不足，勢必會影響橋梁結構正常使用，甚至造成災難性的重大事故，造成重大的人員和經濟損失。

為實時掌控橋梁的安全使用狀況，輔助大橋管理和養護，構建一個技術先進、措施合理、實用經濟、易于管理、開放兼容、符合橋梁運營環境和結構特性的橋梁結構在線健康監測系統是十分必要的。

1.3 監測的意義

隨著科學技術的發展，綜合現代測試與傳感技術、網絡通信技術、信號處理和分析技術、數學理論和結構分析理論等多個學科領域的橋梁結構健康監測系統，可極大地延拓橋梁的監測內容，并可連續地、實時地、在線地對結構“健康”狀態進行監測和評估，對橋梁的運營安全和提高橋梁的管理水平具有極大的指導意義。通過為橋梁建立一個先進實用的橋梁健康與安全狀況監測系統，主要功能如下：

（1）通過對相關的內容的監測，建立監測系統，實時掌握橋梁施工、運營狀況，有效保證橋梁的安全。

（2）了解橋梁的結構變形、應力等情況，當超過預警值時可及時預警，實現橋梁服務水準的實時安全報警，并通知相關單位及時采取相應措施。

（3）通過監測數據，對災害進行有效評估，給決策者提供相關依據，使運維方案等更加合理，提高橋梁的使用壽命。

（4）合理配置橋梁養護維修資源，為降低橋梁運營維護成本提供科學技術依據，保證橋梁檢查維修策略制訂具有針對性、及時性和高效性。

（5）為科學研究提供數據支撐。通過對橋梁的監測，獲取結構應變的原始數據，為相關的科學研究提供相關數據和分析服務。

（6）驗證橋梁的設計建造理論與方法，以及施工工藝，從而完善相關設計施工技術規程，提高橋梁設計及加固方法的設計水平和安全可靠度，保障橋梁的使用安全，具有重要的社會意義、經濟價值和廣泛的應用前景。

1.4 監測的依據

監測系統設計主要參考以下相關規范和標準和相關的技術文件：

（1）《公路橋梁結構監測技術規程》(JT/T 1037-2022）；

（2）《建筑與橋梁結構監測技術規范》（GB50982-2014）；

（3）《結構健康監測系統設計標準》（CECS333-2012）；

（4）《公路橋涵養護規范》（JTG 5120-2021）；

（5）《公路橋涵施工技術規范》（JTG/T 3650-2020）；

（6）《公路橋梁技術狀況評定標準》(JTG/T H21-2011)；

（7）《建筑變形測量規范》（JGJ8-2016）；

（8）《橋梁工程檢測手冊》，人民交通出版社，2010；

（9）《橋涵工程試驗檢測技術》，人民交通出版社2004；

（10）《綜合布線系統工程設計規范》（GB 50311-2016）；

（11）《公路工程質量檢測評定標準》（JTG F80/1-2017）；

（12）《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018)

（13）《公路工程技術標準》(JTG B01-2014)；

（14）《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21-2011）；

（15）《工程測量規范》(GB 50026-2007)；

（16）《工程振動測量儀器和測試技術》，中國計量出版社，2001；

（17）《建筑物防雷設計規范》(GB 50057-2010)；

（18）《綜合布線系統工程驗收規范》（GB/T 50312-2016）；

（19）《計算機軟件可靠性和可維護性管理》（GB/T14393－2008）；

（20）《計算機場地安全要求》（GB/T9361-2011）；

（21）《電氣裝置安裝工程低壓電器施工及驗收規范》（GB 50254-2014）

以及其他相關的施工設計圖等。

2、監測內容

2.1 監測內容

根據《公路橋梁結構監測技術規程》(JT/T 1037-2022)并結合橋梁結構特點，對于各類結構橋梁使用期間的橋梁健康監測項目，如下表所示。

2.2 監測方法

2.3 測點布設

監測測點布設應能夠把握環境、作用、結構響應和結構變化的特征,兼顧代表性、經濟性、可更換性,并考慮設備布設條件所受約束性。

結構響應和結構變化監測的測點宜布置在受力較大,變形較大、易損、影響主要部件安全耐久和結構整體安全的位置、已有病害和損傷的位置。對性能退化,損傷劣化嚴重的橋梁構件,應針對性增加監測測點數量。

監測測點布設應明確傳感器的類型、數量,安裝位置和方向,宜可更換。對不可更換的監測測點,宜做幾余布設。對關鍵部件或關鍵構件監測內容,可布設校核測點。

懸索橋測點布設示意圖

斜拉橋測點布設示意圖

梁橋測點布設示意圖

拱橋測點布設示意圖

3、系統設計

    系統的設計應滿足一定的原則，盡量做到可靠、經濟、合理。監測系統是提供獲取橋梁結構信息的工具，使決策者可以針對特定目標做出正確的決策，設計原則如下：

（1）保證系統的有效性。針對橋梁的結構特點，根據結構狀態識別和安全性評估要求確定監測系統的監測項目與傳感器測點布設。

（2）保證系統的可靠性：由于橋梁結構安全監測系統為野外實時運行，需保證系統的可靠性，否則先進的儀器，在系統損壞的前提下也發揮不出應有的作用及效果。

（3）保證系統的先進性：設備的選擇、監測系統功能與現在技術成熟監測及測試技術發展水平、結構安全監測的相關理論發展相適應，具有先進和超前預警性。

（4）可操作和易于維護性：系統應易于管理、易于操作，對操作維護人員的技術水平及能力不應要求過高，方便更新換代。

（5）系統應該具有很好的開放性、兼容性。在滿足功能要求的前提下，應充分考慮現代技術的快速發展，以便系統升級。同時能夠實現與交通工程、管理養護等系統對接，實現信息共享。

（6）系統具有遠程固件升級功能：根據系統自檢以及系統需求可通過遠程固件進行完善，且系統具備各種類型的通訊協議和接口，可為后期設備升級服務。

（7）以Z優成本控制：監測系統的一個原則就是利用Z優布控方式做到既節省項目成本、后期維護投入的人力及物力，又能Z大限度發揮出監測的效果。

總之，系統堅持貫徹“技術可行、實施可能、經濟合理”的基本原則，使得監測系統做到可用、實用、好用的程度，充分發揮作用，為橋梁養護管理及安全運營提供數據上和技術上的支持。

3.2 系統組成

系統由感知層、傳輸層和運用層組成，具體為傳感器系統、數據采集子系統、數據傳輸子系統、數據庫子系統、數據處理與控制系統、安全評價和預警子系統，通過各個層相互協調，實現系統的各種功能。現就對系統組成及功能進行介紹。

3.3 傳感器子系統

自動化監測傳感器子系統作為感知層，是整個監測系統的基礎部分，能在惡劣條件下，對監測結構物的各監測項能提供真實、實時和可靠的安全監測數據。傳感器子系統即把結構等的變化，轉換成其他信號的方式，例如聲、光、電、磁等，對結構的變化進行定量，轉換成人們比較熟悉的數值等，從而了解結構的受力及其他參數等。

3.4 數據采集子系統

數據采集子系統就是采集傳感器子系統測量的環境條件和結構自身的聲、光、電、磁等信號，并將信號處理成數字信號。數據采集子系統應當具有一定的診斷功能，對于異常的信息數據、傳感器失效和損壞部位等能進行快速的分辨，并且保證系統能夠在惡劣的氣候條件（如雨、雪、臺風、地震、暴雨等）下正常運行，連續的采集傳輸橋梁安全監測各監測項的信息數據。數據采集子系統還具有一定的數據初步處理功能。

3.5 數據傳輸子系統

數據傳輸子系統常用的通信方式有GPRS/4G/5G、光纖和無線網橋。視頻數據的傳輸常用的方式有光纖等。組網方式的選擇原則如下：

（1）現場和監控中心可通視，且距離不超過10km，可考慮采用無線網橋的方式進行數據傳輸；

（2）現場無手機信號或數據流量過大（含視頻監控）時，需采用光纖進行傳輸。

3.6 數據庫子系統

數據庫子系統是一種數據處理系統，為實際可運行的存儲、維護和應用系統提供數據的軟件系統，是存儲介質、處理對象和管理系統的集合體。其軟件主要包括操作系統、各種宿主語言、實用程序以及數據庫管理系統。數據庫子系統由數據庫管理系統統一管理，數據的插入、修改和檢索均要通過數據庫管理系統進行。數據管理員負責創建、監控和維護整個數據庫，使數據能被任何有權使用的人有效使用。

3.7 數據處理與控制子系統

數據處理與控制子系統是數據傳輸子系統的下一個環節，對于數據采集和傳輸子系統采集傳輸過來的大量原始數據資料，需要通過數據處理與控制子系統，進行深一步的處理和分析。通過軟件、硬件系統的處理，進行數據校對檢驗、總體數據初步分析、響應后續子系統功能模塊的指令等等。數據處理和控制子系統實現了數據查詢、存儲、可視化等結構化處理，控制著橋梁處安裝的數據采集設備，通過數據庫操作實現了數據的提取和處理，是對原始數據進行處理和分析的關鍵系統部分。

數據處理與控制主要包括對數據進行過濾、二次處理等，并用原始數據或曲線等進行展示，然后多終端，進行原始數據或者以曲線的形式等進行展示，打印相關表、數據等。

3.8 安全評價與預警子系統

安全評價與預警子系統的主要功能就是對采集數據進行統計分析，并對各種環境條件下，在一定的溫度和荷載作用下，結構關鍵部件和控制截面的參數值，確定應力等的值域范圍。在各種情況下，監測關鍵參數的變化，并通過數據判斷出變化趨勢，在遇到突發狀況的時候，能夠提前判斷結構各種狀況，在應力和應變等達到限值的時候發出預警信息，結合預警機制，及時對不穩定結構或可能出現失穩的結構采取一定的治理措施進行，防止災害的發生或擴大，減少損失。

4、設備選型

5、平臺數據

1）云平臺數據查看

查看實時數據、曲線、24小時數據、變形軌跡圖、報警數據、初值數據、設備信息、項目配置等。

2）表面位移監測

V（xy）水平位移-時間變化曲線 ▲

X位移-時間變化曲線 ▲

Y位移-時間變化曲線 ▲

Z位移-時間變化曲線 ▲

GNSS變形軌跡圖 ▲

3）應變監測

應變-時間變化曲線 ▲

4）氣象監測

風速-時間變化曲線 ▲

氣溫-時間變化曲線 ▲

氣壓-時間變化曲線 ▲

降雨量-時間變化曲線 ▲

寫在Z后

中地恒達通過綜合多種自動化監測方法，采集監測數據進行分析、反饋、預警，可對運營期橋梁進行實時監測。

用戶可隨時隨地登錄中地恒達云平臺觀測數據，根據需要設置報警值，在數據變化達到預警值時通過短信、微信消息等方式及時通知，為運維人員提供可靠數據，為橋梁正常運行提供依據。