物聯(lián)網(wǎng)技術在橋梁結(jié)構智能監(jiān)測上的應用
更新時間：2021-04-10 17:51
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一、背景
橋梁是一個國家基礎設施的重要組成部分，在國家建設和人民生活中發(fā)揮著重要作用，橋梁結(jié)構的安全性與耐久性受到人們的高度重視，在現(xiàn)代橋梁工程領域中有關大型橋梁的健康監(jiān)測、安全評估以及壽命預測等問題已經(jīng)成為當前橋梁工程界和民用公益工程領域的一個新的熱點技術。
由于橋梁工程結(jié)構的特殊性，其一旦建成投入使用后，除了材料自身性能會不斷退化、老化外，還會受到車輛、風、地震、疲勞、超載、人為等因素作用，從而導致結(jié)構或構件有不同程度的自然損傷和突然損傷。我國公路橋梁安全隱患問題較為突出，僅2011年出現(xiàn)的大橋垮塌事故就有9起之多。一系列令人觸目驚心的橋梁坍塌事故，提醒我們必須高度重視橋梁的健康檢測與安全評估，及危橋的損傷檢測和監(jiān)控，爭取消除隱患。所以對橋梁健康狀況進行監(jiān)測和評價，掌握其健康狀況是有非常重要的意義。橋梁結(jié)構的監(jiān)測也就成為橋梁結(jié)構安全養(yǎng)護和保障正常使用的主要技術手段。
利用物聯(lián)網(wǎng)技術已成為當前世界各國遠程、實時、無線檢測設計及決策人員的共識，物聯(lián)網(wǎng)技術在遠程橋梁結(jié)構健康監(jiān)測中，成為一個不可缺少的環(huán)節(jié)。
二、國內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)技術研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
早在第二次世界大戰(zhàn)以前，人們就考慮到橋梁的檢測和修復問題，但是沒有形成好的標準和系統(tǒng)的規(guī)程。由于不斷發(fā)生橋梁的失效和倒塌的事故，20世紀50年代開始，國外一些國家建立了橋梁檢測的一些標準，并產(chǎn)生了第一代的橋梁安全檢測技術。
進入21世紀，隨著橋梁建設規(guī)模和跨度逐漸增大，世界范圍內(nèi)橋梁結(jié)構的檢測、監(jiān)測、損傷、老化、病害及事故等問題十分突出。
國外從事橋梁無線檢測技術日的研究情況如下：
（一）20世紀末美國聯(lián)邦公路局為解決鋼橋的“疲勞破壞”問題，研究開發(fā)了便攜式電池供電的無繩應變測量系統(tǒng)。該應變測量系統(tǒng)可以迅速地測量出一座鋼橋上每個有疲勞傾向的部位和破損(危險)的部位。
（二）美國開發(fā)用于土木工程的無線監(jiān)控模塊系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用傳感器直接無線發(fā)射，測量出土木工程上每個有疲勞傾向的部位和破損(危險)的部位，但數(shù)據(jù)在發(fā)射中相互碰撞，丟失率較高。
（三）意大利運輸部門開發(fā)了用于輔助大跨度橋梁在超載或異常條件下報警的一套控制系統(tǒng)，但該系統(tǒng)的存在采樣時間短，信號傳輸延時過長，數(shù)據(jù)丟失率高等問題。
綜上所述，國外已擁有了橋梁無線檢測技術的雛形。
國內(nèi)將無線通信技術和計算機技術結(jié)合并應用于實際工程中的研究處于發(fā)展階段，技術不成熟，應用在橋梁檢測技術中的研究較少，但20世紀90年代后已有相關事例?，F(xiàn)簡介如下:
（一）1997年出現(xiàn)了用于開采天然氣礦井的氣礦無線數(shù)據(jù)采集傳輸微機監(jiān)控系統(tǒng)。
（二）2003年出現(xiàn)了用于衛(wèi)星通信油田的自動化系統(tǒng)。
此外，國內(nèi)的一些科研單位和大學，如清華大學、航天部、中科院、長沙金馬高科有限公司、北京京南航天數(shù)據(jù)技術有限公司、哈爾濱工業(yè)大學和南開大學等己經(jīng)初步開展了在無線傳感器網(wǎng)絡方面的研究工作。目前，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的技術發(fā)展，將物聯(lián)網(wǎng)技術應用到橋梁結(jié)構健康監(jiān)測中，符合國情，將對浙江省橋梁安全檢測水平的提高起到積極作用。
三、應用的總體方案
本應用基于物聯(lián)網(wǎng)技術的遠程橋梁結(jié)構健康監(jiān)測系統(tǒng)，感知層由若干個傳感器節(jié)點、匯集節(jié)點和網(wǎng)關構成。感知層利用Z-STACK協(xié)議棧構建傳感器網(wǎng)絡協(xié)議，各傳感器節(jié)點采集應力、撓度、沉降等橋梁參數(shù)并發(fā)送數(shù)據(jù)至匯集節(jié)點，匯集節(jié)點一方面創(chuàng)建、維護網(wǎng)絡運行，另一方面把各節(jié)點傳送的數(shù)據(jù)利用5/3整數(shù)小波進行時空數(shù)據(jù)壓縮，以減少傳送負荷，然后把壓縮后的數(shù)據(jù)送入網(wǎng)關，網(wǎng)關通過GPRS模塊將感知網(wǎng)絡接入Internet，將數(shù)據(jù)通過Internet 傳輸至遠程計算機，實現(xiàn)遠程無線監(jiān)控，本項目應用層采用LabVIEW進行開發(fā)，對這些數(shù)據(jù)進行存儲、處理與分析，實現(xiàn)橋梁結(jié)構的實時動態(tài)評估，最大程度避免橋梁安全事故。具體內(nèi)容包含以下幾個方面：
?。ㄒ唬┙Y(jié)構健康監(jiān)測的無線物聯(lián)網(wǎng)絡感知層的構建：該感知層由若干傳感器節(jié)點、匯集節(jié)點和網(wǎng)關構成。協(xié)調(diào)器創(chuàng)建并且維護感知層網(wǎng)絡，接受網(wǎng)絡采集到的數(shù)據(jù)信息，各傳感節(jié)點采集應變、撓度、沉降等相關物理量，通過2.4GHz頻率無線方式發(fā)送至匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點將這些信息量發(fā)送至ARM網(wǎng)關，ARM網(wǎng)關通過GPRS模塊——SIM300接入Internet，為合理構建傳輸層做準備；
?。ǘ隙葴y量的實現(xiàn)：撓度是衡量橋梁結(jié)構安全的重要參數(shù)，由于相關傳感器價格不菲，如何利用較少的傳感器準確測量出撓度值，這是本應用一個重要的研究方面，本應用將從測量梁的傾角變量著手，來解決這一測量難題；
?。ㄈ┚W(wǎng)絡節(jié)點節(jié)電技術與自供電技術研究，在電力供應不便的監(jiān)測點，如何最大限度延長節(jié)點使用時間是決定監(jiān)測系統(tǒng)復雜環(huán)境下長期工作的關鍵，本應用將在硬件和軟件上同時采取節(jié)能降耗措施來進一步；
?。ㄋ模┥衔槐O(jiān)控中心數(shù)據(jù)管理和分析：通過Internet把所需數(shù)據(jù)存于數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)檢測到的各種信息，結(jié)合理論分析模型、專家經(jīng)驗、橋梁特點及相應的規(guī)范文件，對異常情況及時報警，為決策人員提供信息支持，提高橋梁管理水平。
四、應用實例
本次應用對20m空心板橋、25mＴ梁橋、30m小箱梁橋等三種不同橋型的橋梁進行了監(jiān)測，以衢州市衢江區(qū)下張公路大橋為例，橋結(jié)構如圖5-1,5-2所示。
圖5-1 下張大橋橋下結(jié)構
圖5-2 橋橫截面
從上圖可以知道該梁板為簡支平板結(jié)構，將跨的1Ｌ/4,1Ｌ/2,3Ｌ/4處作為傳感器布置位置。
計算過程
采用橋梁博士V3.1.0計算，載荷情況如下：
?。?）結(jié)構自重：混凝土主梁結(jié)構自重按26KN/m3計。
?。?）預應力：張拉控制應力1395 Mpa，松弛率3%，管道摩擦系數(shù)0.25，孔道偏差系數(shù)0.0015，錨具變形及鋼束回縮值0.006。
（3）二期恒載：二期恒載包括橋面鋪裝和其他交通附屬設施。
（4）溫度荷載：溫度荷載包括整體升溫、整體降溫、主梁正溫度梯度、主梁負溫度梯度。
（5）汽車活載：汽車活載采用公路Ⅰ級，按《公路橋涵設計通用規(guī)范》JTG D60－2004執(zhí)行。
?。?）砼收縮及徐變：按10年考慮。
計算內(nèi)容（按A類預應力混凝土構件計算）：
?。?）短期驗算組合：結(jié)構拉應力不超過0.7ftk=0.7*2.65=1.855Mpa
（2）長期驗算組合：結(jié)構不出現(xiàn)拉應力
?。?）標準值的應力驗算組合：
混凝土壓應力σc≤0.5fck=0.5*32.4=16.2Mpa
（4）主梁撓度驗算。
計算結(jié)果如下：（1）短期組合
圖5-3 短期組合主梁上下緣最大/最小應力圖
由圖5-3可看出短期組合未出現(xiàn)拉應力，滿足規(guī)范要求；
?。?）長期組合
圖5-4長期組合主梁上下緣最大/最小應力圖
由圖5-4看出，長期組合未出現(xiàn)拉應力，滿足規(guī)范要求；
?。?）標準值組合
圖5-5標準值組合主梁上下緣最大應力圖
由圖5-5看出標準值組合最大壓應力出現(xiàn)在下緣，為11.8MPa，小于規(guī)范容許值，滿足規(guī)范要求；
?。?）主梁活載撓度
圖5-6 主梁活載位移圖
由上圖看出，主梁跨中活載撓度為8mm。
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