桥梁健康监测系统在市政桥梁中的应用

引言

市政桥梁作为城市交通网络的关键节点，其安全稳定运营对保障城市正常运转和居民出行安全至关重要。随着服役时间的增长、交通荷载的日益繁重以及自然环境的持续影响，市政桥梁不可避免地会出现结构损伤和性能退化。传统的桥梁养护方式依赖定期检查和人工评估，存在时效性差、主观性强等局限，难以满足现代市政桥梁精细化管理的需求。

一、桥梁健康监测系统的构成与关键技术

1.1 系统总体架构

桥梁健康监测系统采用分层架构实现高效运作。感知层作为系统的神经末梢，由分布在桥梁各关键部位的传感器组成，负责捕捉结构应变、位移、振动等物理信号及温度、湿度等环境参数，通过传感器网络形成全方位的监测覆盖。传输层承担信息通道功能，根据桥梁规模和环境条件选择无线或有线传输方式。无线传输适用于结构复杂、布线困难的桥梁，通过专用通信协议实现数据的稳定发送。数据处理层是系统的中枢大脑，包含数据存储、预处理与分析平台。

1.2 核心硬件设备

监测系统的传感器是完成监测的感知部件，具体应选择合适的传感器类型。应变传感器应贴于结构表面感知结构受力变形的极微小应变；位移传感器通过感知桥梁结构的不同位置部位的相对位移或者绝对位移，感知结构整体的变形。加速度传感器用于感知桥梁结构由于车辆荷载或环境震动造成的桥梁结构的振型特征。环境传感器包括温湿度传感器用于实时监测结构所处环境的温湿度。采集仪要满足多通道数据同步采集的要求，以实现不同位置点的不同时间信号的可比性。

1.3 关键软件与算法

数据预处理算法是确保数据质量的基础。降噪处理算法去除环境影响噪声信号的干扰，保留结构响应的特征信息；异常值处理算法识别和更新错误数据，即结构振动过程中由传感器出现故障或突发干扰所导致；缺失值处理算法基于数据的时间关联或者空间关联，弥补传输过程中缺失的数据，保持数据序列的完整性。损伤识别与评定算法通过对处理后的数据进行判别分析，从而判断出结构的状态。以模态参数分析为基础的方法是从振动信号中提取结构固有频率、结构振型等特征参数，当固有频率、振型等模态参数发生异常变化时表明结构有损伤，而机器学习的方法是通过构建机器学习模型，从大量历史数据的归纳，实现自动识别损伤和损伤评定，有利于提高分析效率和分析准确度。

二、桥梁健康监测系统在市政桥梁中的应用场景

2.1 不同类型市政桥梁的监测需求

对于梁桥来说，主要监测支座、梁体以及桥面。支座是梁体与墩台的重要连接部分，监测支座位移、变形及老化状态，及时掌握支座松动或破坏情况；同时监测梁体跨中以及支座附近梁体处应变，防止过大的荷载引起梁体损坏。拱桥主要是监测拱圈与拱架，拱圈是拱桥的主要受力构件，监测其应力与变形，防止裂缝与局部压溃；监测吊杆或系杆的拉力，防止锈蚀或疲劳失效导致承载力不足；基础沉降监测主要是对桥台和拱座的沉降，防止沉降不均影响拱的结构。

斜拉桥与悬索桥的监测聚焦于缆索系统和塔柱。

2.2 全生命周期监测应用

运营期监测贯穿结构运营养护整个期间，为确保工程结构安全施工和及时纠偏保驾护航。包括施工期间对工程地基基础沉降、基坑变形等的施工监测以保障结构下部基础的正常施工稳定，上部结构施工监测以确保在构件吊装或浇筑结构受施工荷载引起的构件的应力变化和变形，预防施工荷载作用下构件出现损伤；同时包括运营期桥面铺装层温度的监测及其早期收缩行为的监测，避免结构在运营早期出现早期裂缝。养护监测以科学的评价维修加固的施工效果提供服务。包括在工程维修加固施工过程的结构施工监测，以确保结构在施工过程中维修加固效果良好；养护监测是以确保在较长时间内的耐久性监测，作为今后养护计划制定的参考。

2.3 特殊环境与工况下的监测应用

针对特殊气候状况的监测可以帮助把握桥梁的运行安全保障。如强降雨过程中，监测的桥面水、基础渗水，分析暴雨洪水影响下的桥梁基础冲刷，高温或低温阶段，监测结构随温度改变的伸缩变化，防止因约束过大而引起结构的温度应力开裂裂缝。特殊交通活动状态下，根据监测重点修改监测频率与内容。当大规模活动使得桥梁出现高强度车流量增加时，针对桥梁的荷载与结构应变进行监测，计算桥梁的短期超载效应，当具有特殊类型的车辆通行时，实时跟踪其经过路径的桥梁结构响应，验证该类车辆是否能顺利通过；当交通管制状态下可利用监测的数据计算桥梁的短期低荷载后桥体结构休息的效果，进行分析结构性能的恢复情况。

三、市政桥梁健康监测系统的发展与优化建议

3.1 技术发展趋势

智能化是监测系统的未来发展趋势，传感器向微型、自供电式发展，借助能量采集技术实现持续自供电式工作，降低人力维护的工作量；数据处理引入人工智能算法实现对损伤判别和状态评估的智能化，提升工作效率和准确性；系统运行方式向自适应运行发展，能够通过改变参数和参数组合实现根据桥梁状态自动调整监测频率和监测内容。轻量化、一体化化设计技术降低系统应用门槛，硬件设备材料更加先进、结构更加紧凑，减少对桥梁的外观及力学性能的影响；软件平台向模块化式发展，可由使用者根据实际需要进行选择功能模块，降低系统建造的造价费用；监测系统向与桥梁管理系统的集成方向发展，能够实现对监测数据的共享及协同工作，提升管理效率。

3.2 应用优化建议

桥梁健康监测系统应突出个性化和适应化。针对部分早期桥梁，其监测目的是早期诊断结构损伤及其损伤程度，预测服役寿命；对于早期桥梁，主要是关注结构状态监测，积累数据，在新建桥梁的施工过程中和投运初期积累一个基础的数据库；针对不同结构类型，合理选择测点及监测指标等，避免不必要的测点和传感器，确保监测系统有效运行。最后需要对监测数据进行有效的管理、解释和应用，这是达到桥梁健康监测系统价值最大化的关键所在。要制订规范的数据格式、数据存储规范，以方便不同系统和不同结构之间的数据互连比对分析等。可提供友好的桥梁健康诊断与监测软件界面，满足不同人员的操作需求，面向管理者提供易懂易明的决策信息，面向运维人员提供可操作性数据及分析工具等。

3.3 政策与标准建议

完善技术标准。建立不同类形市政桥结构监测系统设计指南，规定桥梁监测参数、检测点位及设备选型要求；建立桥梁监测数据质量评价指标体系，规定桥梁监测数据采集、处理、分析各个环节的操作要求。合理制定数据共享和安全政策。构建桥梁行业数据共享平台，推动不同地域、不同工程之间桥梁监测数据共享，实现数据合作及经验共享；制定桥梁检测数据安全和隐私保护的相关准则，将涉及敏感监测数据的信息、适用主体和许可范围进行界定，以防止数据的泄露及滥用现象发生。

结语

桥梁健康监测系统通过科学的架构设计和技术集成，为市政桥梁的安全管理提供了全方位的技术支持。从系统构成来看，感知、传输、处理和应用各层协同工作，实现对桥梁状态的精准把握；在应用场景上，针对不同桥梁类型、全生命周期阶段及特殊工况的监测需求，展现出强大的适应性和实用性。

参考文献

[1] 王建 . 基于物联网与大数据融合技术的市政桥梁结构健康监测系统构建及应用 [J]. 价值工程 ,2025,44(15):154-156.

[2] 王成 , 王砚柱 . 智能化监测系统在市政桥梁大体积混凝土温度及应力监测中的应用研究 [J]. 新城建科技 ,2025,34(01):129-131.