全面自动监测天桥 解除桥梁结构的潜在危机

全面自动监测天桥 解除桥梁结构的潜在危机

香港理工大学（理大）的主校园位于红磡地段，后期建成的Z座大楼则位于漆咸道旁，两个校区之间由多车道的西九龙走廊分隔，因此行人天桥就成为了师生往返两个校园的主要通道。

桥梁设计原理及安全性涉及多个领域

优秀的桥梁设计主要强调两大指标：安全性和功能性。安全性是指桥梁是否能承受内外压力，从而避免出现断桥或坍塌的危机；功能性则指是否能够充分发挥桥梁功能，例如当行人在桥面走过的时候是否因剧烈震动而感到头晕。

在考虑用料和结构细节的同时，优秀的桥梁设计还要考虑其他外部因素，比如风速是否会导致震荡、车辆及行人数量是否会超过桥梁的承受能力、沿海地区的空气环境是否会侵蚀桥梁结构等。

因此，工程设计师通常会将桥梁的承载能力增大，以应对极端情况，降低事故发生的概率。

桥梁的安全性不限于构思及施工阶段，建成后对各项指标的监测也至关重要，以便在发生极端情况时能立即采取应对措施。因此，来自理工大学土木及环境工程学系的夏勇教授及其团队，研发了一套跨学科实时监测传感器系统，全年无休地自动监测理大行人天桥桥面上数据的变化。

自动化实时收集数据 跨学科数据全面监察

通过在天桥不同位置安装不同类型的传感器，这套系统能针对各项指标进行实时数据收集和分析。「由于影响天桥结构的外在因素太多，需要使用不同类型的传感器才能全面获取所需数据。」夏教授解释道。

该系统共配备了11种不同类型的传感器，大致可分为以下几类：

加速度计：当行人和桥底下的车辆经过时，会导致桥梁震动，从而可能影响行人的舒适度，甚至危及桥梁自身结构。在在桥梁东西方向的两根钢梁上共安装了8个加速度计，如此一来，便可测量天桥不同方向上的加速度。

应变计：桥梁受到某些外力（包括桥梁本身的重量、行人、温度、风及地震）的影响，都会导致桥梁产生一定的内力。如果其结构内力超过了允许值，也会对桥梁的安全性构成威胁。通过在桥梁的关键受力部位安装应变计，可以监测到内力的变化。

太阳辐射仪：热力会影响天桥构件的结构变化。然而，由于热量分布不均，难以为每个构件都安装温度计。因此夏教授在X座上安装了一太阳辐射仪，用于检测天桥附近的日照强度，以此推算出各构件的温度。

风速计：香港经常受台风侵袭，风力及风速过大都会导致桥梁震荡，影响行人舒适度和结构安全性。通过在X座上安装的风速计，能监测到天桥的风力数据。

气象站：安装在天桥的末端，用于监测气温、湿度、大气压和降雨量等气象数据。

光纤传感器：天桥上共安装了2套光纤传感器，其中包括20个互相连接的光纤光栅传感器，用于测量混凝土桥面板的应变。另外，还有一组特殊的光纤传感器，即布里渊散射时域分析传感器，只需在桥面上安装这根特殊光纤即可测量桥面温度分布。这两组传感器平行铺设于桥面板顶部，形成一个环形结构，并通过主干光缆将数据传送到Z座的光栅解调仪及布里渊散射分析仪进行分析。

全球卫星定位（GNSS）接收器：在天桥的桥面两侧及玻璃棚面上安装了共4个GNSS监测点，这些监测点利用北斗及全球定位系统（GPS），能全天候、实时、自动及精准地监测天桥的三维移动数据，以确保其功能性。

位移计：在荷载作用下，桥梁会发生变形。通过在天桥伸缩缝处安装的一根位移计，就能测量天桥在长度方向的位移。

因为各种传感器所侦测的范畴不同，其安装位置也会影响数据收集的准确性。「每个学科都需要借助自身经验及理论，才能让每个传感器发挥出最大作用。」夏教授续说，「所以，这的确是一个跨学科的合作领域。」

相关数据将会通过大数据和人工智能进行分析，并在出现极端情况时实时通知校园相关部门。另外，这些实时数据也可在天桥旁边的屏幕以及系统网站上获取，因此，行人通过桥面时也可以实时查看数据变化。

目前，类似的系统已应用于港珠澳大桥，并且该团队参与了大桥监测系统的运营，在传感器的优化、数据收集和分析、以及结构计算等方面，提供专业意见。「如此一来，不管是起步阶段还是到后期的营运阶段，我们都能监测大桥整个生命周期的数据，更全面地掌握其功能性及安全性。」夏教授说。