基于桥梁健康监测的大桥安全性分析

基于桥梁健康监测的大桥安全性分析

张鹏涛

华北水利水电大学土木与交通学院 450045

摘要：大桥的安全性能是保障交通运输安全和城市化建设的重要保障之一，而桥梁健康监测作为大桥安全管理的重要手段。本文从桥梁健康监测的基本原理出发，详细介绍了桥梁健康监测的技术手段及数据分析，为进一步推进桥梁健康监测和大桥安全管理现代化提供了参考和借鉴。未来，随着科技的不断进步和桥梁建设的不断发展，基于桥梁健康监测的大桥安全性分析将会越来越精细化和智能化，为保障人民生命财产安全和促进社会经济发展做出更大的贡献。

关键词：桥梁；健康监测；安全性分析

引言：随着城市化和交通运输的发展，大桥在现代化建设中扮演着重要角色。保障大桥的安全性能是大桥建设和运营的核心任务之一。桥梁健康监测作为大桥安全管理的重要手段，可以对大桥进行实时监测和数据分析，及时发现和预测大桥的安全隐患，提高大桥的安全性能和可靠性。

一、桥梁健康监测的意义

桥梁是现代交通运输系统中不可或缺的重要组成部分，而桥梁的安全性是保障交通运输系统正常运转的关键。桥梁长期受到环境因素、车辆荷载等多种因素的影响，可能会导致结构损伤和材料老化等问题，从而影响其安全性能。因此，桥梁健康监测作为一种重要的技术手段，可以对桥梁的实时状态进行监测和分析，及时发现和预测结构损伤和安全隐患，提高桥梁的安全性能。桥梁健康监测的意义主要体现在以下几个方面：（1）提高桥梁的安全性能。桥梁健康监测可以对桥梁进行实时的结构监测和材料监测，及时发现桥梁结构的损伤、疲劳、腐蚀等问题，对桥梁的安全性能进行预测和评估。通过对桥梁的安全性能进行评估，及时采取维修、加固等措施，保障桥梁的安全性能。（2）提高桥梁的可靠性。桥梁健康监测可以对桥梁进行实时的载荷监测和环境监测，及时掌握桥梁受力情况和受环境因素的影响情况，为桥梁的设计和维护提供数据支持。通过对桥梁的可靠性进行评估，及时采取优化设计、加固等措施，提高桥梁的可靠性和使用寿命。（3）降低桥梁维护成本。桥梁健康监测可以对桥梁进行实时监测和数据分析，及时掌握桥梁的健康状况，避免了因桥梁损伤或其他原因而进行大面积的维修或更换，降低了桥梁的维护成本。（4）推动桥梁安全管理现代化。桥梁健康监测是现代桥梁安全管理的重要手段之一，可以促进桥梁安全管理的现代化。通过对桥梁的健康监测和分析，可以建立桥梁健康档案，建立桥梁信息化管理系统，实现桥梁安全管理的数字化、智能化，提高管理效率和精度，推动桥梁安全管理现代化。（5）提高公路运输的安全性和效率。

桥梁的安全性和可靠性直接关系到公路运输的安全性和效率。桥梁健康监测可以提高桥梁的安全性和可靠性，避免桥梁损伤和事故的发生，保障公路运输的安全性和效率。

二、桥梁健康监测的技术手段

（一）结构健康监测

其主要目的是实时监测和评估桥梁结构的健康状况，对桥梁进行长期的健康状况评估和预测，并及时采取相应的维修和保养措施，从而确保桥梁的安全性和可靠性。其主要包括：（1）应变计监测：应变计是一种广泛应用于结构健康监测的传感器，它能够测量杆件或板件的应变值，从而推算出结构的变形情况。应变计可以分为电阻应变计、光纤应变计、压电应变计等多种类型，根据不同类型的应变计可以实现不同精度的应变测量。（2）位移传感器监测：位移传感器用于测量桥梁的位移变化，通常包括激光测距仪、光纤传感器、GPS等。通过位移传感器，可以实时地了解桥梁的变形情况，为桥梁的安全评估提供准确的数据支持。（3）加速度计监测：加速度计是一种测量结构振动的传感器，可以实时监测桥梁的振动情况，了解桥梁的自然频率和振型，以及外部载荷对桥梁的影响。（4）声发射传感器监测：声发射传感器用于测量结构的声波信号，通过分析声波信号可以判断结构的裂缝和腐蚀情况。声发射监测技术可以实现非破坏性检测，对于对结构材料的损伤情况进行准确的评估。

（二）载荷监测

是指对桥梁受力情况进行实时监测和数据分析，从而了解桥梁在不同载荷作用下的响应情况和变形趋势。载荷监测可以帮助桥梁管理人员了解桥梁的荷载情况，及时发现超载等异常情况，有针对性地制定维护保养计划，提高桥梁的安全性和可靠性。常用的载荷监测设备包括称重传感器、应变计、位移传感器等。称重传感器可以用于对车辆荷载进行实时监测，应变计可以测量桥梁受力情况，位移传感器可以测量桥梁的位移情况，从而了解桥梁的变形情况和载荷作用下的响应情况。载荷监测数据的分析方法包括模型匹配法、统计分析法和机器学习等。模型匹配法是将实际载荷数据与桥梁模型计算得到的载荷数据进行比对，从而得出桥梁的实际荷载情况。统计分析法是将实际载荷数据进行统计分析，得出载荷频率、幅值等参数，从而判断桥梁的荷载状态。机器学习则是通过对大量实际载荷数据进行学习和训练，建立预测模型，从而实现对桥梁荷载状态的预测和监测。

（三）环境监测

首先，气象监测是桥梁环境监测的重要组成部分。气象因素对桥梁结构的影响非常大，例如气温变化会导致桥梁结构的膨胀和收缩，从而影响桥梁的稳定性。此外，降雨量、雪量等降水情况也会影响桥梁结构的承载能力和耐久性。其次，温度和湿度的变化对桥梁的结构产生着很大的影响，尤其是在潮湿的环境中，桥梁易受腐蚀和损坏。因此，对桥梁周围的温度和湿度进行实时监测可以及时发现对桥梁结构有危害的环境因素。另外，强风和风暴天气对桥梁的结构稳定性造成很大的影响，因此，对桥梁周围的风速进行实时监测可以帮助工程师及时评估桥梁的安全性，并采取相应的安全措施。最后，地震是造成桥梁倒塌的主要原因之一，因此，对地震监测的重视程度越来越高。通过安装地震监测设备，可以实时监测到地震发生时的振动情况，为桥梁的安全评估提供重要数据。

三、桥梁健康监测数据的分析

桥梁健康监测数据是保障大桥安全性的重要依据，如何对监测数据进行分析和处理，提取出数据的特征和规律，成了桥梁健康监测领域的一个重要研究方向。在实际的桥梁健康监测中，往往需要综合使用多种分析方法，对监测数据进行综合分析和判断。目前，常用的桥梁健康监测数据分析方法包括。（1）传统的统计分析方法：是对桥梁健康监测数据的基本统计特征进行分析，包括数据的均值、方差、标准差等，可以对数据进行初步的分析和处理，了解数据的基本特征和规律。统计分析方法适用于单一数据源的分析，比较简单，但无法考虑多个数据源之间的复杂关系。（2）频域分析方法：是将时域信号转化为频域信号进行分析，通过计算桥梁结构振动信号的功率谱密度函数，可以提取出信号的主要频率成分和幅值，进而分析桥梁结构的振动特性。频域分析方法适用于分析周期性振动信号，但对于非周期性振动信号的分析效果不佳。（3）时域分析方法：是对桥梁健康监测数据在时间域内的变化进行分析，通过对数据的趋势和波动性进行分析，可以判断桥梁结构的健康状态。时域分析方法适用于对非周期性振动信号的分析，但对于周期性振动信号的分析效果相对较差。（4）小波分析方法：是将信号分解为不同频率的小波系数，从而分析信号的局部特征和局部变化情况，可以检测桥梁结构中的微小变化和异常情况。

结语：桥梁健康监测是保障大桥安全运营的重要手段，可以实现对桥梁的实时监测和管理，预防桥梁的事故和故障发生。随着科技的不断发展，桥梁健康监测技术也将不断完善和提高，为保障大桥的安全性提供更加可靠和高效的技术支持。

参考文献：

[1]马乃轩，徐传昶，朱晨辉，付文博.基于桥梁健康监测的青银线济南黄河大桥安全性分析[J].公路，2021,66(07):121-129.

[2]张翼飞，刘洪涛，耿栋.桥梁健康监测技术问题和基于关键指标的监测系统研究[J].工程技术研究，2022,7(18):188-190.

[3]陈平超，丰权章.桥梁健康监测及养护平台设计[J].交通世界，2022(20):4-6.