橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展存在哪些問(wèn)題?橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)行業(yè)調(diào)研

• 黃文玉 2024年1月26日 來(lái)源：互聯(lián)網(wǎng) 581 32
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橋梁健康監(jiān)測(cè)為橋梁工程中的未知問(wèn)題和超大跨度橋梁的研究提供了新的契機(jī)。由運(yùn)營(yíng)中的橋梁結(jié)構(gòu)與其環(huán)境所獲得的信息不僅是理論研究和實(shí)驗(yàn)室調(diào)查的補(bǔ)充，還可以提供有關(guān)結(jié)構(gòu)行為和環(huán)境規(guī)律的最真實(shí)是信息。

橋梁健康監(jiān)測(cè)的基本內(nèi)涵即是通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀況的監(jiān)控與評(píng)估，為橋梁在特殊氣候、交通條件下或橋梁運(yùn)營(yíng)狀況異常嚴(yán)重時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，為橋梁的維護(hù)維修和管理決策提供依據(jù)與指導(dǎo)。然而，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)不僅是為了結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)控和評(píng)估，其信息反饋于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的更深遠(yuǎn)的意義在于，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等可能得到改進(jìn)。再有就是橋梁健康監(jiān)測(cè)帶來(lái)的不僅僅是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和對(duì)某特定橋梁設(shè)計(jì)的反思，還可能并應(yīng)該成為橋梁研究的“現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室”。

橋梁健康監(jiān)測(cè)為橋梁工程中的未知問(wèn)題和超大跨度橋梁的研究提供了新的契機(jī)。由運(yùn)營(yíng)中的橋梁結(jié)構(gòu)與其環(huán)境所獲得的信息不僅是理論研究和實(shí)驗(yàn)室調(diào)查的補(bǔ)充，還可以提供有關(guān)結(jié)構(gòu)行為和環(huán)境規(guī)律的最真實(shí)是信息。因此，橋梁健康監(jiān)測(cè)不只是傳統(tǒng)橋梁檢測(cè)加結(jié)構(gòu)評(píng)估新技術(shù)，而且被賦予了結(jié)構(gòu)監(jiān)控與評(píng)估、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和研究與發(fā)展三方面的意義。

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析

在國(guó)外20世紀(jì)80年代以來(lái)，在北美、歐洲和亞洲的一些國(guó)家和地區(qū)，相繼發(fā)生了一些橋梁結(jié)構(gòu)的突然性斷裂性事故，使人們意識(shí)到對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的健康診斷的重要性和迫切性。80年代后期，國(guó)外明確提出了橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的新思路和概念，并先后開(kāi)始在一些重要的大跨度橋梁上建立了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。例如丹麥的GreatBeltEast橋(大帶東橋)。

這是一座跨徑布置為535m+1624m+535m的水利。為評(píng)估該橋結(jié)構(gòu)整體性、耐久性和可靠性，COWI公司為該橋設(shè)計(jì)了一個(gè)多達(dá)1000個(gè)傳感器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包括主纜、吊桿和索夾的應(yīng)力;橋面箱梁的加速度、應(yīng)力、支撐處的位移;下部結(jié)構(gòu)的腐蝕監(jiān)測(cè)、橋梁的傾角、橋塔規(guī)范應(yīng)變;基礎(chǔ)的土質(zhì)監(jiān)測(cè);氣候監(jiān)測(cè)等。

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)綜合了現(xiàn)代傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、信號(hào)分析與處理技術(shù)、數(shù)據(jù)管理方法、知識(shí)挖掘、預(yù)測(cè)技術(shù)及橋梁結(jié)構(gòu)分析理論等多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)，極大地延拓了橋梁檢測(cè)領(lǐng)域，提高了預(yù)測(cè)評(píng)估的可靠性?；贕PRS網(wǎng)絡(luò)的橋隧結(jié)構(gòu)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是集現(xiàn)代化傳感技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，是一個(gè)分布式、網(wǎng)絡(luò)化和全開(kāi)放的監(jiān)控系統(tǒng)。由于傳統(tǒng)橋梁養(yǎng)護(hù)管理模式的檢測(cè)方法和手段的局限性，很難適合大規(guī)模橋隧結(jié)構(gòu)評(píng)定的發(fā)展要求。

根據(jù)中研普華產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2023-2028年中國(guó)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)與投資咨詢(xún)報(bào)告》顯示：

在20世紀(jì)80年代中后期，歐美一些國(guó)家首先明確提出了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)新理念，并先后在一些重要的橋梁安裝健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。我國(guó)自20世紀(jì)90年代也在一些大型重要橋梁上建立了不同規(guī)模的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如香港的Lautau Fixed Crossing和青馬大橋，大陸的虎門(mén)大橋、徐浦大橋等。在橋梁上安裝使用實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是未來(lái)橋梁監(jiān)測(cè)發(fā)展方向和趨勢(shì)。

隨著改革開(kāi)放以來(lái)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)的交通網(wǎng)絡(luò)在不斷的豐富、完善，橋梁建設(shè)迎來(lái)了建設(shè)的黃金時(shí)代。橋梁不僅在公路交通運(yùn)輸中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，而且在高鐵架設(shè)過(guò)程中具有不可替代的地位。伴隨著橋梁的建造技術(shù)的迅猛發(fā)展，近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)出了許多大型，特大型的橋梁，如湖南矮寨大橋，杭州灣跨海大橋等，這些非凡的成就既展現(xiàn)了中國(guó)橋梁技術(shù)的騰飛，也大大提升了中國(guó)橋梁工程建設(shè)的國(guó)際地位。因?yàn)閲?guó)內(nèi)橋梁現(xiàn)代化建設(shè)起步時(shí)間較晚，因而大部分橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仍處在合理的范圍內(nèi)，尚未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)疲勞，然而隨著時(shí)間的遷移，橋梁結(jié)構(gòu)的健康問(wèn)題將會(huì)凸顯出來(lái)。

如何做到結(jié)構(gòu)隱患早發(fā)現(xiàn)，早排除，這不僅關(guān)系到人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，而且還能為業(yè)主挽回巨大的財(cái)產(chǎn)損失。由于下游需求的快速上升，橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)量迅速增長(zhǎng)。數(shù)據(jù)顯示，2020-2022年，我國(guó)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)量由2289套上升到2587套。我國(guó)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模為33.9億元。預(yù)計(jì)2023-2028年我國(guó)橋梁健康監(jiān)測(cè)產(chǎn)量將保持較快增速，到2028年橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)量達(dá)3910套。

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展存在問(wèn)題

隨著傳感器智能化和采集設(shè)備自動(dòng)化的發(fā)展，橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)往往過(guò)分強(qiáng)調(diào)其自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能，忽視了人工檢查的作用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)初期(1999.2005)，只有20%左右的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將人工檢查納入健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，而在近十年(2006.2015)己建成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，這一比例上升到50%左右，但其中只有不到1/3的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)制定了詳細(xì)人工檢查策略和項(xiàng)目，如表1所示。從現(xiàn)實(shí)情況來(lái)看，單純依靠自動(dòng)監(jiān)測(cè)是不夠的，一是由于投資限制，自動(dòng)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)有限，不能覆蓋所有橋梁構(gòu)件，甚至難以覆蓋與結(jié)構(gòu)安全性和耐久性相關(guān)的所有重要部位;二是由于監(jiān)測(cè)技術(shù)限制，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目不全，如混凝土裂縫、鋼構(gòu)件銹蝕、支座老化等耐久性監(jiān)測(cè)項(xiàng)目往往難以通過(guò)儀器自動(dòng)監(jiān)測(cè)。因此，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)或技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，單純依靠自動(dòng)監(jiān)測(cè)手段難以實(shí)現(xiàn)全面的橋梁健康監(jiān)測(cè)，得到的有限監(jiān)測(cè)信息不足以支撐后續(xù)的預(yù)警與評(píng)估，從而制約了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作用的發(fā)揮。

國(guó)內(nèi)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)普遍重視硬件系統(tǒng)的建設(shè)，許多大跨度橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配備了數(shù)量眾多、性能良好的傳感器、采集儀、通信設(shè)備和工作站等，這些設(shè)備無(wú)疑使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件性能更加突出。然而，在需求尚不明確的情況下，一些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件建設(shè)存在盲目性和隨意性，相當(dāng)一部分硬件設(shè)備并未真正發(fā)揮作用，造成浪費(fèi)。另外，面對(duì)橋梁惡劣的工作環(huán)境，愈發(fā)龐大的硬件設(shè)備規(guī)模也增加了系統(tǒng)集成和維護(hù)管理的難度，降低了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和耐久性。與硬件系統(tǒng)相比，我國(guó)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在分析系統(tǒng)(包括算法和軟件兩個(gè)層面)的開(kāi)發(fā)上顯得相對(duì)薄弱，沒(méi)有體現(xiàn)出與硬件系統(tǒng)相匹配的分析能力。

對(duì)于算法層面，受制于理論的不完善和實(shí)際結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，目前系統(tǒng)在海量數(shù)據(jù)處理與有效信息提取、實(shí)時(shí)預(yù)警、損傷識(shí)別、健康狀態(tài)綜合評(píng)估、決策與支持等方面的功能都存在缺失或不完善的情況。例如，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在分析中強(qiáng)調(diào)損傷識(shí)別的比例超過(guò)70%，而強(qiáng)調(diào)承載能力和疲勞壽命評(píng)估的比例僅25%左右。現(xiàn)實(shí)情況是，由于測(cè)點(diǎn)有限、環(huán)境噪聲和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性等原因，目前在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大跨度橋梁中較難實(shí)現(xiàn)全面的損傷識(shí)別，單純依靠損傷識(shí)別結(jié)果也不足以評(píng)估其健康狀態(tài)，且無(wú)法與關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)掛鉤。

因此，分析系統(tǒng)的薄弱導(dǎo)致橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)法真正把握橋梁的健康狀況，有限的分析結(jié)果也不夠“接地氣”，難以為橋梁維護(hù)、維修與管理決策提供足夠的依據(jù)和指導(dǎo)。其次，對(duì)于軟件層面，在交互界面的設(shè)計(jì)上往往不夠重視，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)信息顯示不直觀、圖形界面不友好，軟件可擴(kuò)展性差，難以讓工程人員接受。

目前己建的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本屬于單體式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，即監(jiān)測(cè)系統(tǒng)僅針對(duì)某一特定大橋進(jìn)行設(shè)計(jì)，兩者具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，其硬件系統(tǒng)不具備監(jiān)測(cè)多座橋梁的能力，而集群式監(jiān)測(cè)的工程實(shí)例相對(duì)較少。單體式監(jiān)測(cè)是橋梁健康監(jiān)測(cè)的基本形式，存在以下兩點(diǎn)不足：一是單體式監(jiān)測(cè)需建立一一對(duì)應(yīng)的“監(jiān)測(cè)中心”，重復(fù)投資的結(jié)果是造成資源浪費(fèi);二是單體式監(jiān)測(cè)覆蓋面有限且系統(tǒng)之間相互獨(dú)立，缺乏整合和溝通，容易形成“信息孤島”，無(wú)法為同一區(qū)域內(nèi)橋梁整體安全及綜合評(píng)估提供有效的技術(shù)支持。

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  在國(guó)外，20世紀(jì)80年代以來(lái)，在北美、歐洲和亞洲的一些國(guó)家和地區(qū)，相繼發(fā)生了一些橋梁結(jié)構(gòu)的突然性斷裂性事故，使人們意識(shí)到對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的健康診斷的重要性和迫切性。80年代后期，國(guó)外明確提出了...

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