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       2020年5月5日下午，代表著二十世紀(jì)中國橋梁最高成就的虎門大橋牽動著社會各界人士的神經(jīng)，原因是虎門大橋的懸索橋面出現(xiàn)了肉眼可見的波浪型晃動，產(chǎn)生的振幅對行車安全造成極大隱患。虎門大橋于1992年開始施工建設(shè)，1997年正式通車。如此明顯的震動在近23年間尚屬首次。

虎門大橋監(jiān)控畫面

       可能有人不禁會問：風(fēng)的力量可以撼動如此大的構(gòu)筑物么？對這個問題，專家給出如下解釋：因為近期對橋梁進(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型結(jié)構(gòu)，在特定風(fēng)力條件下，產(chǎn)生了橋梁的渦振現(xiàn)象。講到這里，讓我們暫停一下，稍作解釋，風(fēng)帶給橋梁的作用力是十分復(fù)雜的，它受風(fēng)的自然屬性、結(jié)構(gòu)動力特性以及風(fēng)與結(jié)構(gòu)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間變化而產(chǎn)生隨機(jī)性，當(dāng)這種帶有脈動性質(zhì)的風(fēng)繞過非流線型截面（這里指加上水馬后新的橋梁斷面）橋梁結(jié)構(gòu)時，就會產(chǎn)生旋渦和流動分離狀態(tài)，形成復(fù)雜的綜合作用力。這種作用力可引起橋梁的振動，而橋梁結(jié)構(gòu)的振動又將引起空氣流場的變化，這種相互作用的機(jī)制使得原有問題變得更加復(fù)雜。

       懸索橋，又名吊橋(suspension bridge)是指以通過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(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)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。從纜索垂下許多吊桿，把橋面吊住，在橋面和吊桿之間常設(shè)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)化過程就是一部人類與風(fēng)抗?fàn)幍臍v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(qiáng)烈的振動并導(dǎo)致破壞，見下圖。

被風(fēng)摧毀的Tacoma Narrows橋

       可見，無論何種原因造成的橋梁或建筑物的損毀，都會對人類的生命和財產(chǎn)造成難以估量的損失。可能大家要問：我們是否能對未來可能發(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。我想這也是無數(shù)行業(yè)從業(yè)者為之努力與奮斗的目標(biāo)。

       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，隨著科學(xué)技術(shù)應(yīng)用的不斷發(fā)展，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等高科技手段進(jìn)行橋梁在線安全監(jiān)測的技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，通過對橋梁安裝感知設(shè)備，結(jié)合數(shù)據(jù)分析、結(jié)構(gòu)分析，對橋梁等構(gòu)筑物進(jìn)行結(jié)構(gòu)狀態(tài)分析，這樣做使我們：

1、實時掌握橋梁等構(gòu)筑物在不同工況下結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化趨勢，結(jié)合實時獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分析，為維修養(yǎng)護(hù)部門提供精確化結(jié)論；

2、在特殊氣候、特殊事件、橋梁運(yùn)行狀況異常等情況時，動態(tài)響應(yīng)，及時發(fā)出預(yù)警并提供數(shù)據(jù)反饋，協(xié)同專家實時跟蹤，及時提供專業(yè)意見，為管理單位提供運(yùn)維決策支持。

3、通過實時監(jiān)測數(shù)據(jù)所獲得的結(jié)構(gòu)動靜力行為分析，不僅可以精確檢驗設(shè)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(shè)計和論證提供重要參考數(shù)據(jù)，降低運(yùn)維成本。

傳感器在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用

1、風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)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)行實時監(jiān)測，為分析橋梁的工作環(huán)境，驗證風(fēng)振理論提供依據(jù)，并提供風(fēng)環(huán)境下橋梁的工作狀態(tài)，風(fēng)速風(fēng)向傳感器的測點布設(shè)一般根據(jù)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(jiān)測

環(huán)境溫濕度傳感器通過對橋址處環(huán)境溫濕度進(jìn)行監(jiān)測，分析環(huán)境溫濕度對結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)和結(jié)構(gòu)振動特性的影響，同時也可以對結(jié)構(gòu)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(jiān)測

橋梁位移傳感器監(jiān)測的內(nèi)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?，該方法可以實時掌握橋梁在各個方向上的變形形狀以及位移情況，與理論計算或者規(guī)范限值相比較，以此來驗證整個橋梁各個構(gòu)件的剛度變化情況。

4、結(jié)構(gòu)動力特性監(jiān)測

橋梁動力特性的改變直接反映了橋梁剛度大小的改變，通過實時監(jiān)測橋塔、主梁、拉索在風(fēng)、交通、地震等作用下的振動響應(yīng)，來評估結(jié)構(gòu)整體的動力特性，為橋梁在動力特性下的損傷識別和損傷發(fā)展趨勢提供依據(jù)。結(jié)構(gòu)動力特性主要通過模態(tài)測試來實現(xiàn)，并結(jié)合結(jié)構(gòu)有限元分析模型，理論計算與實際數(shù)據(jù)對比分析，驗證橋梁的結(jié)構(gòu)動力特性。

5、應(yīng)力監(jiān)測

結(jié)構(gòu)應(yīng)力是判斷結(jié)構(gòu)安全最直接的指標(biāo)，由于對結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平進(jìn)行直接測量具有較大難度，因此應(yīng)力監(jiān)測是通過應(yīng)變測量結(jié)果換算得到的，通過應(yīng)變傳感器對橋梁的應(yīng)變監(jiān)測實時掌握橋梁關(guān)鍵部位在車輛荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載和地震等外荷載作用下的應(yīng)力狀況，可作為直接判斷相應(yīng)位置應(yīng)力水平是夠處于安全狀態(tài)的依據(jù)。

6、索力監(jiān)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(gòu)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(jié)構(gòu)的整體受力狀態(tài)有著重要影響，因此拉索索力監(jiān)測是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重點內(nèi)容。

橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測的應(yīng)用案例

       伊通河大橋是長春市南四環(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(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，長春市智慧城市科技有限公司是該橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)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問題表達(dá)了對橋梁結(jié)構(gòu)安全的擔(dān)憂，為此公司高度重視，公司領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)骨干第一時間奔赴現(xiàn)場，結(jié)合現(xiàn)場勘探情況和結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合技術(shù)分析，得出橋梁結(jié)構(gòu)安全的結(jié)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，由于車輛行駛，主拱圈會產(chǎn)生向下變形并恢復(fù)變形的來回震動，受吊桿拉力作用，會將此效果傳給鋼箱梁；另由于鋼箱梁由吊桿懸吊著，本身鋼結(jié)構(gòu)材料剛度小，在車輛行走沖擊作用時會產(chǎn)生自身的上下震動。這兩種震動效果都會體現(xiàn)在伸縮縫位置，因此在伸縮縫位置附近震動感比較強(qiáng)，這是此種橋型結(jié)構(gòu)體系的受力特點，屬于正?，F(xiàn)象，并不影響結(jié)構(gòu)的安全性。同時，從監(jiān)測數(shù)據(jù)看，該橋在豎向方向上的位移變化范圍正常，遠(yuǎn)低于設(shè)計值，并且通過長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的觀察，這種變化趨勢是很穩(wěn)定的，因此對橋梁結(jié)構(gòu)安全沒有影響。

       在回復(fù)熱心市民電話中，公司技術(shù)負(fù)責(zé)人詳細(xì)解答了市民困惑，獲得市民了解并滿意的同時，得到了管理單位的高度認(rèn)可，也進(jìn)一步佐證了橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)對橋梁安全管理的重要作用。

 伊通河大橋震動BIM模擬圖

       長春市智慧城市科技有限公司多年來深耕于基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域信息化建設(shè)管理，通過充分融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、BIM等高新技術(shù)，在橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域不斷深入探索，研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)”的市政橋群管理系統(tǒng)平臺。該平臺不僅提供基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等方面技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)服務(wù)，也能夠?qū)崿F(xiàn)基于BIM的橋梁全生命周期信息歸集，并提供預(yù)警、結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評估、巡檢等相應(yīng)功能。2020年4月，由長春市智慧城市科技有限公司主編的《吉林省市政橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》正式發(fā)布，該標(biāo)準(zhǔn)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(xì)化管理水平，也進(jìn)一步保障了橋梁的運(yùn)營安全。

基于“物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)”的市政橋群管理平臺

基于“物聯(lián)網(wǎng)+BIM”的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)

基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石，路橋安全管理更是基礎(chǔ)設(shè)施管理的核心內(nèi)容，橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測正是基于路橋安全管理應(yīng)運(yùn)而生?；㈤T大橋事件突顯了橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測的重要作用，也給全國橋梁工作者及關(guān)注橋梁結(jié)構(gòu)安全的社會各界人士敲響了警鐘。業(yè)精于勤荒于嬉，行成于思?xì)в陔S。我們只有不懈追求真理，才能離真相更近。