2020年5月5日下午，代表著(zhù)二十世紀中國橋梁最高成就的虎門(mén)大橋牽動(dòng)著(zhù)社會(huì )各界人士的神經(jīng)，原因是虎門(mén)大橋的懸索橋面出現了肉眼可見(jiàn)的波浪型晃動(dòng)，產(chǎn)生的振幅對行車(chē)安全造成極大隱患?；㈤T(mén)大橋于1992年開(kāi)始施工建設，1997年正式通車(chē)。如此明顯的震動(dòng)在近23年間尚屬首次。

虎門(mén)大橋監控畫(huà)面

       可能有人不禁會(huì )問(wèn)：風(fēng)的力量可以撼動(dòng)如此大的構筑物么？對這個(gè)問(wèn)題，專(zhuān)家給出如下解釋?zhuān)阂驗榻趯蛄哼M(jìn)行升級改造，在橋梁中間安裝水馬（擋墻），從而改變橋梁斷面的流線(xiàn)型結構，在特定風(fēng)力條件下，產(chǎn)生了橋梁的渦振現象。講到這里，讓我們暫停一下，稍作解釋?zhuān)L(fēng)帶給橋梁的作用力是十分復雜的，它受風(fēng)的自然屬性、結構動(dòng)力特性以及風(fēng)與結構的相互作用關(guān)系等三方面因素影響，受地表起伏和各種建筑物帶來(lái)的影響，使得近地風(fēng)的風(fēng)速和風(fēng)向及其空間分布隨時(shí)間變化而產(chǎn)生隨機性，當這種帶有脈動(dòng)性質(zhì)的風(fēng)繞過(guò)非流線(xiàn)型截面（這里指加上水馬后新的橋梁斷面）橋梁結構時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生旋渦和流動(dòng)分離狀態(tài)，形成復雜的綜合作用力。這種作用力可引起橋梁的振動(dòng)，而橋梁結構的振動(dòng)又將引起空氣流場(chǎng)的變化，這種相互作用的機制使得原有問(wèn)題變得更加復雜。

       懸索橋，又名吊橋(suspension bridge)是指以通過(guò)索塔懸掛并錨固于兩岸(或橋兩端)的纜索(或鋼鏈)作為上部結構主要承重構件的橋梁。其纜索幾何形狀由力的平衡條件決定，一般接近拋物線(xiàn)。從纜索垂下許多吊桿，把橋面吊住，在橋面和吊桿之間常設置加勁梁，同纜索形成組合體系，以減小荷載所引起的撓度變形。懸索橋的進(jìn)化過(guò)程就是一部人類(lèi)與風(fēng)抗爭的歷史，橋梁的風(fēng)毀事故最早可以追溯到1818年，蘇格蘭的Dryburgh Abbey橋首先因風(fēng)的作用而遭到毀壞，之后，英國的Tay橋因未考慮風(fēng)的靜力作用垮掉，并造成75人死亡的慘劇，1940年，美國華盛頓新建成的Tacoma Narrows橋，在不到20m/s的風(fēng)速作用下發(fā)生了強烈的振動(dòng)并導致破壞，見(jiàn)下圖。

被風(fēng)摧毀的Tacoma Narrows橋

       可見(jiàn)，無(wú)論何種原因造成的橋梁或建筑物的損毀，都會(huì )對人類(lèi)的生命和財產(chǎn)造成難以估量的損失?？赡艽蠹乙獑?wèn)：我們是否能對未來(lái)可能發(fā)生的事故提前感知？或者即使發(fā)生事故，也能把事故傷害降到最低呢。我想這也是無(wú)數行業(yè)從業(yè)者為之努力與奮斗的目標。

       利用科技手段提升橋梁自感知能力是橋梁管理的必由之路，如今，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)應用的不斷發(fā)展，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數據、人工智能等高科技手段進(jìn)行橋梁在線(xiàn)安全監測的技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，通過(guò)對橋梁安裝感知設備，結合數據分析、結構分析，對橋梁等構筑物進(jìn)行結構狀態(tài)分析，這樣做使我們：

1、實(shí)時(shí)掌握橋梁等構筑物在不同工況下結構狀態(tài)的變化趨勢，結合實(shí)時(shí)獲得的監測數據進(jìn)行量化分析，為維修養護部門(mén)提供精確化結論；

2、在特殊氣候、特殊事件、橋梁運行狀況異常等情況時(shí)，動(dòng)態(tài)響應，及時(shí)發(fā)出預警并提供數據反饋，協(xié)同專(zhuān)家實(shí)時(shí)跟蹤，及時(shí)提供專(zhuān)業(yè)意見(jiàn)，為管理單位提供運維決策支持。

3、通過(guò)實(shí)時(shí)監測數據所獲得的結構動(dòng)靜力行為分析，不僅可以精確檢驗設計理論模型和計算假定，尤其重要的是，為橋梁維修加固方案的設計和論證提供重要參考數據，降低運維成本。

傳感器在結構健康監測中的應用

1、風(fēng)速風(fēng)向監測

風(fēng)速風(fēng)向傳感器是對橋梁所在位置的風(fēng)速、風(fēng)向等進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，為分析橋梁的工作環(huán)境，驗證風(fēng)振理論提供依據，并提供風(fēng)環(huán)境下橋梁的工作狀態(tài)，風(fēng)速風(fēng)向傳感器的測點(diǎn)布設一般根據抗風(fēng)報告，選取風(fēng)速較大，具有代表性的位置，通常為橋梁的跨中和塔頂。

2、環(huán)境溫濕度監測

環(huán)境溫濕度傳感器通過(guò)對橋址處環(huán)境溫濕度進(jìn)行監測，分析環(huán)境溫濕度對結構靜力響應和結構振動(dòng)特性的影響，同時(shí)也可以對結構狀態(tài)進(jìn)行損傷識別，并判斷損傷的發(fā)展程度。

3、位移監測

橋梁位移傳感器監測的內容主要包括橋梁空間位移、主塔傾斜、主梁縱向位移、主梁及拱肋下?lián)系?，該方法可以?shí)時(shí)掌握橋梁在各個(gè)方向上的變形形狀以及位移情況，與理論計算或者規范限值相比較，以此來(lái)驗證整個(gè)橋梁各個(gè)構件的剛度變化情況。

4、結構動(dòng)力特性監測

橋梁動(dòng)力特性的改變直接反映了橋梁剛度大小的改變，通過(guò)實(shí)時(shí)監測橋塔、主梁、拉索在風(fēng)、交通、地震等作用下的振動(dòng)響應，來(lái)評估結構整體的動(dòng)力特性，為橋梁在動(dòng)力特性下的損傷識別和損傷發(fā)展趨勢提供依據。結構動(dòng)力特性主要通過(guò)模態(tài)測試來(lái)實(shí)現，并結合結構有限元分析模型，理論計算與實(shí)際數據對比分析，驗證橋梁的結構動(dòng)力特性。

5、應力監測

結構應力是判斷結構安全最直接的指標，由于對結構應力水平進(jìn)行直接測量具有較大難度，因此應力監測是通過(guò)應變測量結果換算得到的，通過(guò)應變傳感器對橋梁的應變監測實(shí)時(shí)掌握橋梁關(guān)鍵部位在車(chē)輛荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載和地震等外荷載作用下的應力狀況，可作為直接判斷相應位置應力水平是夠處于安全狀態(tài)的依據。

6、索力監測

拉索作為下承式拱橋、中承式拱橋、斜拉橋、懸索橋的主要受力構件，一方面它是支撐和傳遞橋面荷載的主要途徑，另一方面索力的變化對結構的整體受力狀態(tài)有著(zhù)重要影響，因此拉索索力監測是結構健康監測的重點(diǎn)內容。

橋梁結構監測的應用案例

       伊通河大橋是長(cháng)春市南四環(huán)路跨伊通河的重要交通干道，主橋為三跨飛燕式鋼管混凝土異型拱橋，2017年安裝了橋梁結構監測系統，長(cháng)春市智慧城市科技有限公司是該橋結構監測系統建設和運維的主體單位。

伊通河大橋BIM圖示

       2020年1月，曾有市民針對伊通河大橋振動(dòng)問(wèn)題表達了對橋梁結構安全的擔憂(yōu)，為此公司高度重視，公司領(lǐng)導和技術(shù)骨干第一時(shí)間奔赴現場(chǎng)，結合現場(chǎng)勘探情況和結構在線(xiàn)監測數據進(jìn)行綜合技術(shù)分析，得出橋梁結構安全的結論。伊通河大橋主橋部分為三跨飛燕式鋼管混凝土系桿拱橋，由于車(chē)輛行駛，主拱圈會(huì )產(chǎn)生向下變形并恢復變形的來(lái)回震動(dòng)，受吊桿拉力作用，會(huì )將此效果傳給鋼箱梁；另由于鋼箱梁由吊桿懸吊著(zhù)，本身鋼結構材料剛度小，在車(chē)輛行走沖擊作用時(shí)會(huì )產(chǎn)生自身的上下震動(dòng)。這兩種震動(dòng)效果都會(huì )體現在伸縮縫位置，因此在伸縮縫位置附近震動(dòng)感比較強，這是此種橋型結構體系的受力特點(diǎn)，屬于正?，F象，并不影響結構的安全性。同時(shí)，從監測數據看，該橋在豎向方向上的位移變化范圍正常，遠低于設計值，并且通過(guò)長(cháng)期監測數據的觀(guān)察，這種變化趨勢是很穩定的，因此對橋梁結構安全沒(méi)有影響。

       在回復熱心市民電話(huà)中，公司技術(shù)負責人詳細解答了市民困惑，獲得市民了解并滿(mǎn)意的同時(shí)，得到了管理單位的高度認可，也進(jìn)一步佐證了橋梁結構監測系統建設對橋梁安全管理的重要作用。

 伊通河大橋震動(dòng)BIM模擬圖

       長(cháng)春市智慧城市科技有限公司多年來(lái)深耕于基礎設施領(lǐng)域信息化建設管理，通過(guò)充分融合物聯(lián)網(wǎng)、大數據、人工智能、BIM等高新技術(shù)，在橋梁結構監測領(lǐng)域不斷深入探索，研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權的“物聯(lián)網(wǎng)+大數據”的市政橋群管理系統平臺。該平臺不僅提供基于物聯(lián)網(wǎng)、大數據分析等方面技術(shù)的橋梁結構監測技術(shù)服務(wù)，也能夠實(shí)現基于BIM的橋梁全生命周期信息歸集，并提供預警、結構安全狀態(tài)評估、巡檢等相應功能。2020年4月，由長(cháng)春市智慧城市科技有限公司主編的《吉林省市政橋梁結構監測技術(shù)標準》正式發(fā)布，該標準的發(fā)布提高了吉林省市政橋梁全生命周期科學(xué)化、精細化管理水平，也進(jìn)一步保障了橋梁的運營(yíng)安全。

基于“物聯(lián)網(wǎng)+大數據”的市政橋群管理平臺

基于“物聯(lián)網(wǎng)+BIM”的橋梁結構監測系統

基礎設施建設是國家經(jīng)濟發(fā)展的基石，路橋安全管理更是基礎設施管理的核心內容，橋梁結構監測正是基于路橋安全管理應運而生?；㈤T(mén)大橋事件突顯了橋梁結構監測的重要作用，也給全國橋梁工作者及關(guān)注橋梁結構安全的社會(huì )各界人士敲響了警鐘。業(yè)精于勤荒于嬉，行成于思毀于隨。我們只有不懈追求真理，才能離真相更近。