2020年5月5日下午，代表着二十世纪中国桥梁最高成就的虎门大桥牵动着社会各界人士的神经，原因是虎门大桥的悬索桥面出现了肉眼可见的波浪型晃动，产生的振幅对行车安全造成极大隐患。虎门大桥于1992年开始施工建设，1997年正式通车。如此明显的震动在近23年间尚属首次。

虎门大桥监控画面

       可能有人不禁会问：风的力量可以撼动如此大的构筑物么？对这个问题，专家给出如下解释：因为近期对桥梁进行升级改造，在桥梁中间安装水马（挡墙），从而改变桥梁断面的流线型结构，在特定风力条件下，产生了桥梁的涡振现象。讲到这里，让我们暂停一下，稍作解释，风带给桥梁的作用力是十分复杂的，它受风的自然属性、结构动力特性以及风与结构的相互作用关系等三方面因素影响，受地表起伏和各种建筑物带来的影响，使得近地风的风速和风向及其空间分布随时间变化而产生随机性，当这种带有脉动性质的风绕过非流线型截面（这里指加上水马后新的桥梁断面）桥梁结构时，就会产生旋涡和流动分离状态，形成复杂的综合作用力。这种作用力可引起桥梁的振动，而桥梁结构的振动又将引起空气流场的变化，这种相互作用的机制使得原有问题变得更加复杂。

       悬索桥，又名吊桥(suspension bridge)是指以通过索塔悬挂并锚固于两岸(或桥两端)的缆索(或钢链)作为上部结构主要承重构件的桥梁。其缆索几何形状由力的平衡条件决定，一般接近抛物线。从缆索垂下许多吊杆，把桥面吊住，在桥面和吊杆之间常设置加劲梁，同缆索形成组合体系，以减小荷载所引起的挠度变形。悬索桥的进化过程就是一部人类与风抗争的历史，桥梁的风毁事故最早可以追溯到1818年，苏格兰的Dryburgh Abbey桥首先因风的作用而遭到毁坏，之后，英国的Tay桥因未考虑风的静力作用垮掉，并造成75人死亡的惨剧，1940年，美国华盛顿新建成的Tacoma Narrows桥，在不到20m/s的风速作用下发生了强烈的振动并导致破坏，见下图。

被风摧毁的Tacoma Narrows桥

       可见，无论何种原因造成的桥梁或建筑物的损毁，都会对人类的生命和财产造成难以估量的损失。可能大家要问：我们是否能对未来可能发生的事故提前感知？或者即使发生事故，也能把事故伤害降到最低呢。我想这也是无数行业从业者为之努力与奋斗的目标。

       利用科技手段提升桥梁自感知能力是桥梁管理的必由之路，如今，随着科学技术应用的不断发展，利用物联网、大数据、人工智能等高科技手段进行桥梁在线安全监测的技术已经逐渐成熟，通过对桥梁安装感知设备，结合数据分析、结构分析，对桥梁等构筑物进行结构状态分析，这样做使我们：

1、实时掌握桥梁等构筑物在不同工况下结构状态的变化趋势，结合实时获得的监测数据进行量化分析，为维修养护部门提供精确化结论；

2、在特殊气候、特殊事件、桥梁运行状况异常等情况时，动态响应，及时发出预警并提供数据反馈，协同专家实时跟踪，及时提供专业意见，为管理单位提供运维决策支持。

3、通过实时监测数据所获得的结构动静力行为分析，不仅可以精确检验设计理论模型和计算假定，尤其重要的是，为桥梁维修加固方案的设计和论证提供重要参考数据，降低运维成本。

传感器在结构健康监测中的应用

1、风速风向监测

风速风向传感器是对桥梁所在位置的风速、风向等进行实时监测，为分析桥梁的工作环境，验证风振理论提供依据，并提供风环境下桥梁的工作状态，风速风向传感器的测点布设一般根据抗风报告，选取风速较大，具有代表性的位置，通常为桥梁的跨中和塔顶。

2、环境温湿度监测

环境温湿度传感器通过对桥址处环境温湿度进行监测，分析环境温湿度对结构静力响应和结构振动特性的影响，同时也可以对结构状态进行损伤识别，并判断损伤的发展程度。

3、位移监测

桥梁位移传感器监测的内容主要包括桥梁空间位移、主塔倾斜、主梁纵向位移、主梁及拱肋下挠等，该方法可以实时掌握桥梁在各个方向上的变形形状以及位移情况，与理论计算或者规范限值相比较，以此来验证整个桥梁各个构件的刚度变化情况。

4、结构动力特性监测

桥梁动力特性的改变直接反映了桥梁刚度大小的改变，通过实时监测桥塔、主梁、拉索在风、交通、地震等作用下的振动响应，来评估结构整体的动力特性，为桥梁在动力特性下的损伤识别和损伤发展趋势提供依据。结构动力特性主要通过模态测试来实现，并结合结构有限元分析模型，理论计算与实际数据对比分析，验证桥梁的结构动力特性。

5、应力监测

结构应力是判断结构安全最直接的指标，由于对结构应力水平进行直接测量具有较大难度，因此应力监测是通过应变测量结果换算得到的，通过应变传感器对桥梁的应变监测实时掌握桥梁关键部位在车辆荷载、风荷载、温度荷载和地震等外荷载作用下的应力状况，可作为直接判断相应位置应力水平是够处于安全状态的依据。

6、索力监测

拉索作为下承式拱桥、中承式拱桥、斜拉桥、悬索桥的主要受力构件，一方面它是支撑和传递桥面荷载的主要途径，另一方面索力的变化对结构的整体受力状态有着重要影响，因此拉索索力监测是结构健康监测的重点内容。

桥梁结构监测的应用案例

       伊通河大桥是长春市南四环路跨伊通河的重要交通干道，主桥为三跨飞燕式钢管混凝土异型拱桥，2017年安装了桥梁结构监测系统，长春市智慧城市科技有限公司是该桥结构监测系统建设和运维的主体单位。

伊通河大桥BIM图示

       2020年1月，曾有市民针对伊通河大桥振动问题表达了对桥梁结构安全的担忧，为此公司高度重视，公司领导和技术骨干第一时间奔赴现场，结合现场勘探情况和结构在线监测数据进行综合技术分析，得出桥梁结构安全的结论。伊通河大桥主桥部分为三跨飞燕式钢管混凝土系杆拱桥，由于车辆行驶，主拱圈会产生向下变形并恢复变形的来回震动，受吊杆拉力作用，会将此效果传给钢箱梁；另由于钢箱梁由吊杆悬吊着，本身钢结构材料刚度小，在车辆行走冲击作用时会产生自身的上下震动。这两种震动效果都会体现在伸缩缝位置，因此在伸缩缝位置附近震动感比较强，这是此种桥型结构体系的受力特点，属于正常现象，并不影响结构的安全性。同时，从监测数据看，该桥在竖向方向上的位移变化范围正常，远低于设计值，并且通过长期监测数据的观察，这种变化趋势是很稳定的，因此对桥梁结构安全没有影响。

       在回复热心市民电话中，公司技术负责人详细解答了市民困惑，获得市民了解并满意的同时，得到了管理单位的高度认可，也进一步佐证了桥梁结构监测系统建设对桥梁安全管理的重要作用。

 伊通河大桥震动BIM模拟图

       长春市智慧城市科技有限公司多年来深耕于基础设施领域信息化建设管理，通过充分融合物联网、大数据、人工智能、BIM等高新技术，在桥梁结构监测领域不断深入探索，研发出具有自主知识产权的“物联网+大数据”的市政桥群管理系统平台。该平台不仅提供基于物联网、大数据分析等方面技术的桥梁结构监测技术服务，也能够实现基于BIM的桥梁全生命周期信息归集，并提供预警、结构安全状态评估、巡检等相应功能。2020年4月，由长春市智慧城市科技有限公司主编的《吉林省市政桥梁结构监测技术标准》正式发布，该标准的发布提高了吉林省市政桥梁全生命周期科学化、精细化管理水平，也进一步保障了桥梁的运营安全。

基于“物联网+大数据”的市政桥群管理平台

基于“物联网+BIM”的桥梁结构监测系统

基础设施建设是国家经济发展的基石，路桥安全管理更是基础设施管理的核心内容，桥梁结构监测正是基于路桥安全管理应运而生。虎门大桥事件突显了桥梁结构监测的重要作用，也给全国桥梁工作者及关注桥梁结构安全的社会各界人士敲响了警钟。业精于勤荒于嬉，行成于思毁于随。我们只有不懈追求真理，才能离真相更近。