2020年5月5日下午，代表著二十世紀(jì)中國(guó)橋梁最高成就的虎門大橋牽動(dòng)著社會(huì)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(jiàn)的波浪型晃動(dòng)，產(chǎn)生的振幅對(duì)行車安全造成極大隱患。虎門大橋于1992年開(kāi)始施工建設(shè)，1997年正式通車。如此明顯的震動(dòng)在近23年間尚屬首次。

虎門大橋監(jiān)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(gòu)筑物么？對(duì)這個(gè)問(wèn)題，專家給出如下解釋：因?yàn)榻趯?duì)橋梁進(jìn)行升級(jí)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(dòng)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(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(jī)性，當(dāng)這種帶有脈動(dòng)性質(zhì)的風(fēng)繞過(guò)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(shí)，就會(huì)產(chǎn)生旋渦和流動(dòng)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(dòng)，而橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)又將引起空氣流場(chǎng)的變化，這種相互作用的機(jī)制使得原有問(wèn)題變得更加復(fù)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(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(guò)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(guó)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(guó)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(dòng)并導(dǎo)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(duì)人類的生命和財(cái)產(chǎn)造成難以估量的損失?？赡艽蠹乙獑?wèn)：我們是否能對(duì)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(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(cè)的技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，通過(guò)對(duì)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(duì)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(shí)時(shí)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(shì)，結(jié)合實(shí)時(shí)獲得的監(jiān)測(cè)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(shí)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)，及時(shí)發(fā)出預(yù)警并提供數(shù)據(jù)反饋，協(xié)同專家實(shí)時(shí)跟蹤，及時(shí)提供專業(yè)意見(jiàn)，為管理單位提供運(yùn)維決策支持。

3、通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所獲得的結(jié)構(gòu)動(dòng)靜力行為分析，不僅可以精確檢驗(yàn)設(shè)計(jì)理論模型和計(jì)算假定，尤其重要的是，為橋梁維修加固方案的設(shè)計(jì)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(cè)中的應(yīng)用

1、風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)

風(fēng)速風(fēng)向傳感器是對(duì)橋梁所在位置的風(fēng)速、風(fēng)向等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為分析橋梁的工作環(huán)境，驗(yàn)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(cè)點(diǎn)布設(shè)一般根據(jù)抗風(fēng)報(bào)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(cè)

環(huán)境溫濕度傳感器通過(guò)對(duì)橋址處環(huán)境溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析環(huán)境溫濕度對(duì)結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)和結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的影響，同時(shí)也可以對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行損傷識(shí)別，并判斷損傷的發(fā)展程度。

3、位移監(jiān)測(cè)

橋梁位移傳感器監(jiān)測(cè)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?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(jì)算或者規(guī)范限值相比較，以此來(lái)驗(yàn)證整個(gè)橋梁各個(gè)構(gòu)件的剛度變化情況。

4、結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)

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(jiān)測(cè)橋塔、主梁、拉索在風(fēng)、交通、地震等作用下的振動(dòng)響應(yīng)，來(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)整體的動(dòng)力特性，為橋梁在動(dòng)力特性下的損傷識(shí)別和損傷發(fā)展趨勢(shì)提供依據(jù)。結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性主要通過(guò)模態(tài)測(cè)試來(lái)實(shí)現(xiàn)，并結(jié)合結(jié)構(gòu)有限元分析模型，理論計(jì)算與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比分析，驗(yàn)證橋梁的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性。

5、應(yīng)力監(jiān)測(cè)

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(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平進(jìn)行直接測(cè)量具有較大難度，因此應(yīng)力監(jiān)測(cè)是通過(guò)應(yīng)變測(cè)量結(jié)果換算得到的，通過(guò)應(yīng)變傳感器對(duì)橋梁的應(yīng)變監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)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(cè)

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(duì)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(cè)是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)內(nèi)容。

橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用案例

       伊通河大橋是長(zhǎng)春市南四環(huán)路跨伊通河的重要交通干道，主橋?yàn)槿顼w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(cè)系統(tǒng)，長(zhǎng)春市智慧城市科技有限公司是該橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)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(duì)伊通河大橋振動(dòng)問(wèn)題表達(dá)了對(duì)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(shí)間奔赴現(xiàn)場(chǎng)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘探情況和結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測(cè)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(huì)產(chǎn)生向下變形并恢復(fù)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，本身鋼結(jié)構(gòu)材料剛度小，在車輛行走沖擊作用時(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(xiàn)在伸縮縫位置，因此在伸縮縫位置附近震動(dòng)感比較強(qiáng)，這是此種橋型結(jié)構(gòu)體系的受力特點(diǎn)，屬于正?，F(xiàn)象，并不影響結(jié)構(gòu)的安全性。同時(shí)，從監(jiān)測(cè)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(jì)值，并且通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的觀察，這種變化趨勢(shì)是很穩(wěn)定的，因此對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全沒(méi)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(shí)，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(cè)系統(tǒng)建設(shè)對(duì)橋梁安全管理的重要作用。

 伊通河大橋震動(dòng)BIM模擬圖

       長(zhǎng)春市智慧城市科技有限公司多年來(lái)深耕于基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域信息化建設(shè)管理，通過(guò)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(cè)領(lǐng)域不斷深入探索，研發(fā)出具有自主知識(shí)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(tái)。該平臺(tái)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(cè)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(píng)估、巡檢等相應(yīng)功能。2020年4月，由長(zhǎng)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(cè)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(yíng)安全。

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

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

基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是國(guó)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(cè)正是基于路橋安全管理應(yīng)運(yùn)而生。虎門大橋事件突顯了橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的重要作用，也給全國(guó)橋梁工作者及關(guān)注橋梁結(jié)構(gòu)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?xì)в陔S。我們只有不懈追求真理，才能離真相更近。