橋梁施工及運營階段智能健康監測與控制技術

【摘 要】橋梁在施工和運營過程中難免會遇到各種問題，而智能健康監測有控制技術能夠及時有效的解決該過程中存在的問題。本文對智能健康技術系統中的傳感器及其優化布置技術、數據自動采集與傳輸技術、結構仿真技術及橋梁診斷評估技術進行了論述，并且指出了橋梁智能健康技術系統存在的一些問題。

【關鍵詞】橋梁；施工；運營；智能健康；監測控制技術

1 智能健康監測與控制技術系統概念

橋梁智能健康監測與控制技術是一項系統性技術，涉及到檢測、計算機、通訊、網絡及人工智能領域等，在橋梁智能監測和控制中包括測試技術、數據自動采集與傳輸技術、結構仿真分析技術及橋梁診斷評估技術。其過程為橋梁的施工及運營過程中采集關鍵部位的實時數據，遠程傳輸到分析計算機系統中進行分析，再輸出相應的監測結果，并給出合理的下一步施工技術方案或橋梁結構安全狀態和預警，以指導施工及運營。

2 智能健康監測與控制技術系統在橋梁施工與運營中的作用

2.1 技術系統在橋梁施工階段的主要作用

橋梁在施工階段控制不當可能會引起橋梁線形變形、內力狀態不符合設計要求、施工精度不足等問題，應用橋梁智能健康監測技術系統，監測實際每一步施工工序，獲取現場關鍵點的參數值，對橋梁結構進行實時的理論分析和驗算，根據分析的結果輸出相應的施工控制指令，并能夠分析施工過程中各類誤差積累情況，提高施工的精度，最終實現控制施工質量的目的。

2.2 技術系統在橋梁運營階段的主要作用

橋梁在完工之后，其運營的質量效果如何，是政府部門及人們極為關注的問題。橋梁在經歷溫度變化、風雨侵蝕、車輛碾壓等作用后能否保持在原有的設計要求范圍內，是否存在隱蔽性損傷等都是技術系統要辨別的。技術系統通過實時檢測，及時發現問題所在，并輸出相應的控制指令，施工人員根據輸出結果針對問題部位進行補救調整。

3 智能健康監測與控制的主要技術內容

3.1 傳感器及其優化布置技術

傳感器是技術系統開始的源頭，所以要求其具有良好的性能，如良好的可靠性、高度的敏感性及短時反應，以達到快速、準確、如實的反映出橋梁測試部位的信息。同時，要求傳感器不易受周圍環境影響，耐久性好及低噪音等。根據監測目的不同，傳感器可以分為五種。1）環境監測，主要監測的是橋梁環境包括溫度、濕度、有害氣體等，此類數據的監測收集是為了評估橋梁的耐久性能；2）幾何監測，橋梁不論在施工還是運營階段都需要及時的記錄下幾何變化，包括平面數據和豎向數據，尤其在施工階段有效的監測數據和結果輸出，能夠從根本上避免橋梁發生大的建筑問題；3）載荷監測，其監測對象包括風載、地震載荷及交通載荷等，主要是應用在橋梁運營階段；4）結構靜、動力反應監測，結構靜力監測主要針對溫度、不均勻沉降引起的橋梁反應，為運營的可靠性評估提供數據。結構動力監測主要針對的是風載、交通載荷等動態性載荷作用下的位移、速度及加速反應譜等 ；5）結構材質監測，結構材質監測是采用現代無損監測技術對橋梁構成材料監測，包括混凝土和鋼筋強度變化和損傷情況等。采用的技術手段有超聲波發、電位差法、射線法等。目前由于監測技術難以嵌入到橋梁結構中，所以該監測技術主要通過人工方式進行。

3.2 數據自動采集與傳輸技術

數據采集是指將傳感器采集的數據進行信號放大，轉換成模擬量或以數字記錄。而傳輸技術則是指將采集轉換的數據通過遠程傳送的方式傳送到監控中心，以達到實時監控和遠程監測的目標。數據的采集需要兩種技術作為支撐，即數據采集的硬件技術和軟件技術，數據采集的硬件技術包括信號調理、模數轉化、貯存器等。其中貯存器主要起到數據緩沖作用，有時還可長期貯存數據。數據采集軟件技術能夠實現采集系統與計算機之間的數據通信，為用戶提供系統操作界面等作用。

數據的傳輸技術要對實時監測數據進行壓縮，并通過一定的方式傳輸到處理中心。同時傳輸技術還要能夠實現“機-機”和“人-機”相互傳輸數據的功能。目前無線通訊技術及無線網絡技術的發展為數據的傳輸提供了更為方便、高效的實時監控方式，但是真正實現廣泛應用還需要進一步的研究。

3.3 結構仿真技術

現代計算機技術的發展，為我們模擬實際的橋梁結構提供了很好的平臺。通過結構仿真技術，可以根據不同條件和要求，建立各種合理的結構力學分析模型或者構建不同形式構件組成的橋梁，來模擬分析預測橋梁結構力學中的關鍵點，以確定所需的材料強度特性。在橋梁施工階段，通過仿真模擬可以突出施工中的重點和難點，以便采取有效措施避免問題發生。而在橋梁運營階段，以采集到的數據為基礎建立相關的全橋或關鍵結構部件的內部應力變化模型，而實現結構內力的重點監測的目的。結構仿真技術也可以實現全橋梁空間結構的模擬、加載時橋梁真實表現模擬等。

4 橋梁診斷評估技術

橋梁的診斷評估主要內容有承載能力、運營狀態和耐久能力三方面的內容。在承載能力方面，其目的在于尋找確定出橋梁結構的實際安全儲備，以免在使用中發生災難性事故，是評估的主要內容。在運營狀態方面，它與橋梁結構變形、裂縫及振動等相關，是指結構在正常的工作和定期護養的情況下的運營狀態的評估。在耐久能力方面，主要的內容是評估橋梁的損傷情況和成因，及相應的材料的物理特性的變化。橋梁損傷可粗略分成結構性和非結構性損傷，就混凝土結構來說，結構性損傷主要是值混凝土的開裂、剝落及鋼筋的腐蝕等，而非結構性損傷常會對橋梁的運營狀態和耐久能力產生影響。橋梁的診斷評估工作是一個分析辨別數據，利用有效數據對橋梁進行評判的過程。目前，結構仿真技術的數據檢測，多采用動力檢測方法，如系統識別法、動力指紋法及神經網絡法等。

5 存在的問題

在橋梁的施工過程并不是所有的方法都能實現，主要原因在于一些監測技術的實現需要有全面的布置，如傳感器的布置，很難實現在施工過程中全面布置。同時一些關鍵技術仍有待深入的研究，包括1）系統硬件的穩定性、可靠性及抗干擾能力，橋梁搭建的地方常出在較為惡劣的環境條件下，如何有效的保證系統硬件的長期有效是值得廣大相關工作者研究的，目前雖然光纖傳感技術有不錯的表現，但是真正實現普及應用還需一段時間。2）傳感器的優化配置及數據處理，只有傳感器有效配置才能實現真實反映橋梁結構變化，而數據的及時有效處理才可實現準確高效的實施施工控制或預測補救。3）規范與標準，目前針對與橋梁智能監測技術的規范和相關標準缺乏。4）有待發展成熟有效的健康診斷和安全評估方法。

6 結語

橋梁在施工和運營階段的智能監測和控制技術綜合了各方的技術優勢，而實現施工和運營實時智能健康監測的目的。該技術系統的實現能很好的解決橋梁在施工和運營階段的所遇到的問題，但是仍舊面臨著很多的問題，需要研究者們進一步深入研究。

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