江苏样本：构筑强大的桥梁“神经系统”

文 江苏高速公路工程养护技术有限公司 陈策

结构健康监测技术是传统人工检测方法的重要补充，利用该技术构筑起桥梁的“神经系统”，有助于发现结构病害和隐患，保障桥梁安全与健康。

近年来，江苏省在桥梁结构健康监测技术方面的研究和应用取得重要突破和进展，不但率先探索出颇具代表性的区域性长大桥梁健康监测数据中心管理模式；还率先规模性地在常规中小桥梁上推进健康监测技术的研究和应用，建立了较为完善的标准化体系，形成了一系列典型性工程应用成果和案例，为工程界和学术界提供了极具价值的参考样本。

根据发达国家交通基础建设和管理经验来看，桥梁大规模建设之后，必然迎来大规模管养时代，常规检测已无法满足桥梁结构安全报警与评估的需要，尤其对于大跨度桥梁，需要通过结构健康监测系统来获得其在运行状态下的结构响应和自身特性，从而实现重大事件的报警预警和结构状态的趋势分析。

据不完全统计，我国已有500余座桥梁建立了不同规模的健康监测系统，其中江苏省有近百座，占全国总数的20%。江苏省对大跨度桥梁已经全部建立了较为完善的健康监测系统，且每年进行系统维护和数据分析，保障其正常稳定运行，从而有效获得结构状态变化信息。

长大桥梁健康监测技术的研究与应用

江苏较早地开展了桥梁健康监测技术的研究与应用。应用方面，最早可追溯到1999年建设的江阴大桥健康监测系统。此后，该领域技术的研究和应用不断加快，至2004年，江苏已拥有大量健康监测技术自主知识产权，并实现了江阴长江公路大桥健康监测系统的自主升级改造，实现了润扬长江公路大桥健康监测系统的自主设计和施工。自此，江苏平均每年都会开展2～3项省级科研项目，对健康监测系统中的关键技术进行攻关研究。如2011年，江苏省开展了重大专项科研课题“桥梁结构健康监测与状态评价成套技术”，对桥梁用传感器应用关键技术、长大桥梁健康监测系统数据处理与分析技术、大型悬索桥及斜拉桥健康监测系统预警及评估指标体系、基于结构健康监测的大跨预应力混凝土箱梁桥安全评估技术、中小桥梁结构安全状态评价技术、系杆拱桥结构安全性评估及吊杆疲劳寿命预测技术、运营期多源环境场耦合作用下桥梁结构实用分析技术、中小桥梁快速检测技术等进行了专项攻关研究，并获得了重要科研成果，大幅推进了健康监测技术在江苏省的推广应用，并初步建立了桥梁健康监测技术的标准化体系。

为打造健康监测技术团队，培养专业技术人才，构建科学化、专业化、标准化的桥梁健康监测养护管理模式，促进长大桥梁健康监测技术又好又快发展，2010年，江苏交通控股有限公司（以下简称“江苏交控”）联合苏交科集团股份有限公司率先成立了全国首个区域性长大桥梁健康监测数据中心——“江苏省长大桥梁健康监测数据中心”（以下简称“数据中心”）。2020年，江苏交控明确由江苏高速公路工程养护技术公司作为数据中心的归口管理单位，进一步发挥技术与数据的集成效应。

目前，江苏已有近百座桥梁建立了不同规模的健康监测系统。

数据中心的四项重要工作如下：

图2 江苏省长大桥梁健康监测数据中心

图3 接入江苏省长大桥梁健康监测数据中心的长大桥梁

专业服务

为江苏省长大桥梁提供全方位的健康监测技术服务，成为桥梁的专职“保健医生”；保障系统正常稳定运行，并优化系统功能；存储和管理全省长大桥梁健康监测数据，并对其进行跟踪分析，剖析结构状态变化趋势，为养护维修提供科学依据。

技术提升

集中优势力量，开展健康监测技术领域的瓶颈问题攻关研究，为江苏省乃至全国建立较为完善的桥梁健康监测技术标准体系。

人才培养

培养健康监测技术专业人才，包括传感技术、采集技术、通讯技术、软件开发技术、信号处理技术、算法分析技术、数据挖掘技术、运维管理技术等专业人才。

开放共享

开放数据中心，供各企业人士进行参观交流；开放监测数据，供研究人员开展研究；与各长大桥梁管理单位共享监测技术和研究成果，推进健康监测技术的快速发展和推广应用。

常规中小跨径桥梁监测技术研究与应用

我国中小跨径桥梁量大、面广，部分桥梁建设年代久远，且受地震、洪水等自然灾害影响，一些老旧中小桥梁结构状态堪忧，常规检测无法及时获得其结构状态变化情况和极端工况下的结构响应，因此，有必要建立健康监测系统。重点是，长大桥梁的健康监测系统无法直接复制到中小桥梁，详见表1。

表1 常规中小跨径桥梁健康监测系统特点与对策措施

江苏通过“桥梁结构健康监测与状态评价成套技术”和“面向感知公路的国省干线桥梁简易型状态监测系统研究”等科研项目，打破了常规中小桥梁健康监测系统的多项瓶颈问题，使桥梁健康监测技术被成功推广应用到大量中小桥梁上。

“十三五”期间，江苏还在全国范围内率先启动了干线公路上75座特殊桥梁（复杂特大桥梁、特殊结构桥梁、特别重要桥梁）的健康监测系统建设计划，并建立了“江苏省普通干线公路桥梁结构安全监测数据中心”，使健康监测技术在江苏实现了更大范围的推广应用。

江苏桥梁健康监测技术典型成果

江苏省通过对大量科研项目开展技术攻关，并经过大量桥梁健康监测项目的实践验证，获得了一系列科研和应用成果，主要如下：

科研奖项

基于多座大桥长期实测数据，江苏首次建立了华东沿海地区强/台风实测风谱模型，如图4所示，形成了桥梁健康监测成套关键技术、桥梁群协同监测技术等多项重要技术，获得了包括国家科技进步二等奖1项、国家技术发明二等奖1项、江苏省科技进步一等奖2项、中国公路学会科学技术奖特等奖1项在内的50余项科研成果奖项。这些科研成果使得健康监测技术更具实用性，能够切实指导桥梁养护管理工作的开展和推进，有效保障桥梁结构安全。

图4 华东沿海地区强/台风谱模型

技术标准化

江苏省率先建立了较为完善的健康监测技术标准化体系，包括桥梁健康监测系统的设计、实施、检评和维护四大部分标准体系，发布了江苏省地方标准《桥梁结构健康监测系统设计规范》（DB32 T 3562-2019）和《光纤传感式桥隧结构健康监测系统设计、施工及维护规范》（DB32 T 2880-2016），编制了《公路桥梁健康监测系统数据库架构设计规范》、中国公路学会团体标准《公路桥梁结构健康监测系统施工质量检验与评定指南》等。

监测系统建设与维护

虽然健康监测技术已经获得了重大突破和较为广泛的应用，但仍存在较多问题，需要工程界和学界共同努力，依托技术的快速发展，进一步加以突破和解决。

为更好地提供健康监测系统的维护服务和数据分析服务，保障健康监测系统长期稳定运行和深入数据挖掘，江苏率先成立了“江苏省长大桥梁健康监测数据中心”和“江苏省普通干线公路桥梁结构安全监测数据中心”，这一数据中心模式的探索和应用，不仅促进了健康监测系统的维护工作长期有效开展，有效保障了系统稳定运行，而且优化了系统的管理和应用工作机制，使得系统能够更加充分地发挥作用，同时也加快了江苏省健康监测技术的发展和应用。这一模式还在天津、安徽等地得到推广和应用。

数据分析典型成果

特大桥梁的健康监测数据分析，每月编制数据分析月度报告，每年编制数据分析年度报告，从不同维度、不同深度分析监测数据，获得桥梁结构的状态信息；常规中小跨径桥梁健康监测数据分析，每季度编制数据分析季度报告，将监测数据与常规检测相结合，从而获得桥梁结构状态信息。

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江苏桥梁健康监测数据分析典型案例

突发事件及时报警：江阴大桥主梁遭受船舶撞击

对健康监测系统记录的3次船撞数据进行分析与研究，构建了三指标船撞报警体系，分别利用梁端水平转角的幅值超限、能量衰减特性和功率谱密度三个指标联合判断，可实现船撞发生后1分钟内报警。

图1 江阴大桥船撞事件报警方法研究

累计损伤趋势分析：悬索桥伸缩缝病害成因分析与处置

江阴长江公路大桥伸缩缝设计寿命40年，但使用5年后就出现严重病害，通过对健康监测系统的梁端位移数据进行分析发现，伸缩缝钢梁之间的滑块累计位移远大于厂家给定的设计值，导致滑块快速磨损。了解病害成因后，厂家重新设计了滑块，使其更加耐磨，同时，江阴大桥还在梁端增添了纵向阻尼器。润扬大桥在设计时设立中央扣，大幅减小了伸缩缝累计位移，伸缩缝滑块的改进和桥梁受力结构的微调，大幅增加了伸缩缝的使用寿命。

关键指标连续监测：路面温度连续监测

路面温度是桥梁养护作业中的重要参数，夏季高温时，需要根据路面温度情况，及时洒水降温，防止高温车辙；冬季低温时，需要根据路面温度情况，及时预撒除冰盐，防止路面结冰，影响行车安全。以往，路面温度只能由养护人员上桥实测，关键时间段每半小时测量一次，不仅影响交通，还存在交通风险，且无法及时获得桥面温度。极端温度下，环境恶劣，测量工作难以开展。通过健康监测系统，养护人员可在办公室内实现路面温度的在线实时监测，根据温度实时变化情况，及时采取养护措施。

验证和指导设计：崇启大桥主梁振动阻尼器效果验证

崇启长江公路大桥健康监测系统对其主梁的阻尼器振动和位移进行了监测，通过阻尼器安装前后相近风场条件下，对主梁及其阻尼器的振动和位移数据进行分析可知，安装阻尼器后，主梁振动和位移明显减小，且随着风速的增加，主梁振动幅值未出现明显增大的现象，但阻尼器的振动和位移却出现了明显增大现象，说明阻尼器对于主梁的振动起到了较好的抑制作用。

图2 崇启大桥阻尼器效果验证

总体而言，虽然健康监测技术已经获得了重大突破和较为广泛的应用，但仍然存在较多问题需要解决，如传感器设备的寿命和稳定性有待进一步提高；海量监测数据的清洗和信息挖掘能力有待进一步提升；健康监测技术的标准化体系有待进一步完善等，这些问题还需要工程界和学界共同努力，依托云平台、大数据、物联网、人工智能、移动通讯技术的快速发展，进一步加以突破和解决。