橋墩受損警示裝置

周江盟+胡開(kāi)域+林湘祺

橋梁是連接江河兩岸最主要的交通樞紐，由于過(guò)往船只較多，船舶撞橋事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重威脅著橋梁的安全。

目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)對(duì)橋墩受到撞擊損傷進(jìn)行實(shí)時(shí)撞擊波智能警示的手段，為避免發(fā)生次生災(zāi)難，仍采用事后組織專業(yè)技術(shù)研判，耗時(shí)長(zhǎng)、效率低。如何才能讓船舶通過(guò)橋梁時(shí)更安全？

物理課本中曾提到，聲波是物體受到敲擊發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的。何不利用聲學(xué)原理和智能視頻技術(shù)制作一套橋墩受損警示裝置？

一、研究思路

總體方案如圖1。本裝置運(yùn)用撞擊聲波分析技術(shù)，設(shè)計(jì)構(gòu)建了一套基于數(shù)字化音頻處理、視頻抓拍撞擊現(xiàn)場(chǎng)、監(jiān)測(cè)橋墩受到船只或大型漂浮物撞擊時(shí)的智能化研判警示裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋墩狀態(tài)，準(zhǔn)確判斷受撞橋墩的損傷程度，以便人們采取必要措施，避免次生災(zāi)難發(fā)生，維護(hù)橋墩的安全。

同時(shí)，對(duì)在惡劣環(huán)境下的橋墩基樁進(jìn)行視頻監(jiān)控，監(jiān)測(cè)其水下結(jié)構(gòu)被激流沖刷形成的各種損傷，以便全面評(píng)估橋墩的狀況。

二、設(shè)計(jì)制作

我們?cè)O(shè)計(jì)制作了撞擊波實(shí)驗(yàn)裝置，如圖2。

該裝置由橋墩、橋墩中預(yù)埋的聲波傳感器、聲波電信號(hào)傳輸線、可調(diào)力度撞擊桿、數(shù)據(jù)分析電腦、底座以及信號(hào)傳輸箱、進(jìn)行水下探測(cè)的導(dǎo)軌及附件等組成。裝置制作完成后，我們進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)。

1.不同強(qiáng)度撞擊力的撞擊波譜分析

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^(guò)對(duì)撞擊波的頻譜分析建立對(duì)撞擊破壞程度的判斷。

在橋墩撞擊波實(shí)驗(yàn)裝置中，由彈力帶按弱、中、強(qiáng)三種刻（長(zhǎng)）度彈射撞擊桿，直接撞擊橋墩，然后由傳感器采集撞擊波數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)诫娔X進(jìn)行處理。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：隨著撞擊力度的加大，強(qiáng)度較大的撞擊波的頻譜增寬，撞擊波的衰減時(shí)間也越來(lái)越長(zhǎng)。

2.不同材質(zhì)的物體撞擊橋墩時(shí)的撞擊波譜分析

用金屬物體和木頭撞擊橋墩，即通過(guò)在木制撞擊桿的撞擊頭上加一個(gè)鐵帽和不加鐵帽進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)產(chǎn)生的撞擊波進(jìn)行頻譜分析。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：金屬物體撞擊橋墩的撞擊波信號(hào)的頻譜主要分布在3KHz至4KHz之間，人耳所聽(tīng)到的聲音較尖銳。木頭撞擊橋墩的撞擊波信號(hào)的頻譜主要分布于1KHz至2KHz之間，人耳所聽(tīng)到的聲音較沉悶。所以，當(dāng)不同材質(zhì)的物體撞擊橋墩時(shí)，發(fā)出的撞擊波信號(hào)是有區(qū)別的。

以上實(shí)驗(yàn)表明，橋墩受損警示裝置對(duì)保障橋梁交通安全具有深遠(yuǎn)的意義和極大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。（指導(dǎo)老師：羅鵬飛馬學(xué)品 賀科學(xué)）endprint