基于物聯網橋梁群全壽命安全監測評估系統應用研究

■陳偉元

(福建省交通建設工程試驗檢測有限公司，福州 350007)

1 引言

隨著經濟、社會和科學技術的不斷發展，大型橋梁工程的建設規模越來越大， 其對國民經濟和社會發展的影響不斷加深， 以至于保障大型橋梁工程安全成為國家安全發展戰略的一個重要組成部分。 為了保證大跨度橋梁在運行過程中的安全，避免災害、降低損失，需要我們對橋梁結構進行安全監測系統的構建， 并采取合理的監測手段。國外一些科研人員在1997 年第一次提出了橋梁在線監測的概念， 可以解釋為對橋梁結構在服役期間進行長時間、自動的和實時監測，然后可以用監測系統獲得的橋梁數據進行結構的損傷判斷和安全性評估[1-4]。

橋梁安全監測系統的主要技術措施包括數據采集自動化、信息傳輸無線化、系統功能集成化。系統功能集成，趨向于將數據處理、安全評價和安全預警、控制與管理等多個功能集成為一體， 為了實現各功能之間相互協調工作，就需要有一個合適的操作平臺實現系統功能集成，數據采集與預處理實現對多種信息源不同物理信號的量化、記錄、傳輸和管理，結構安全評價與智能健康診斷子系統則實現自動損傷識別， 安全預警子系統在結構超越安全警戒指標時提供安全警示[5-12]。

物聯網可以理解為在互聯網基礎上， 將用戶端延伸和拓展到任何物與物之間、人與物之間。 換句話說，就是通過在物體上安裝傳感元件，將物體信息接入網絡，實現信息化和遠程管理控制。 物聯網監測系統從整體上可以分為感知層、網絡層和應用層三個層次。就橋梁物聯網監測系統而言，感知層主要由結構振動監測傳感器、環境荷載監測傳感器和交通荷載傳感器組成。 網絡層的傳輸方式主要有無線和有線兩種方式。 而應用層主要包括Web服務器、數據庫服務器和數據處理中心服務器等[13-15]。

以福建省九嶺溪大橋健康監測系統為工程背景，通過設計將健康監測系統架構在物聯網技術上， 為準確把握橋梁運營期間的工作狀態提供直觀、 準確和便捷的科學依據。

2 工程概況

九嶺溪大橋由主橋和引橋兩部分組成。 主橋為雙塔地錨式懸索橋(總體布置圖如圖1)，采用單跨混凝土桁架式加勁梁，主跨186m，橋寬6.60m，凈寬5.90m，主纜跨中垂度18.6m，垂跨比1/10。橋面以上塔高21m，橋面線形為二次拋物線。 主纜之間距離為6.26m，為24 根Φ42mm(6×19+1ws)鋼絲繩；吊索之間相距4m，共92 根，為Φ42mm(7×19+1ws)鋼絲繩。

主梁均為應變測試截面，對于1/4L 截面，選取1/4L截面兩側下弦桿、斜腹桿及上弦桿作為測試構件，混凝土測點共計16 個，鋼筋應變測點2 個；對于1/2L 截面，選取1/2L 截面兩側下弦桿、斜腹桿、上弦桿及1/2L 截面橫桁架下弦桿及部分斜腹桿、豎桿作為測試構件，混凝土應變測點共計16 個，鋼筋應變測點2 個，全橋共計36 個測點，如圖2 所示。

在主纜錨固區域以及索鞍處布置溫濕度傳感器，散索區布置加速度傳感器。考慮相鄰吊索索力變化的關系，對吊索進行間隔布點。 主纜和吊索傳感器布置示意圖如圖3 所示。

圖1 壽寧九嶺溪懸索橋橋型布置圖(單位：cm)

圖2 主梁應變傳感器布置圖

圖3 主纜和吊索傳感器布置示意圖

索塔加速度傳感器的布置如圖4 所示。

在九嶺溪懸索橋旁樓頂布置GPS 基準站，以及橋塔頂、跨中位置布置監測站，如圖5 所示。

3 基于物聯網橋梁群全壽命安全監測評估系統設計

橋梁實時監測子系統應用現代傳感技術、 通訊和互聯網技術，實時監測橋梁在各種環境、荷載等因素作用下的結構反映。 通過專有的數據融合分析平臺進行分析評價， 有效地預先診斷橋梁病害， 為養護管理提供科學依據。該系統可分為4 部分:(1)傳感器子系統;(2)數據采集及傳輸子系統;(3)數據分析處理及控制子系統；(4)結構預警狀態與評估子系統。 如圖6 所示。

為了實現基于物聯網的橋梁群全壽命安全監測評估系統的數據采集與傳輸， 應用物聯網技術的傳感器對采集的海量數據按照預先設計的程序進行初篩選， 壓縮數據后，通過無線傳輸至采集端與遠程信息處理中心，存儲與處理橋梁的實時信息，以圖文的形式遠程實時監控，橋梁群物聯網監測系統組成如圖7 所示。

圖4 主塔加速度傳感器布置圖

圖5 監測站布置圖

圖6 橋梁實時監測系統構成

九嶺溪懸索橋監測系統的設計如圖8 所示。 主要分為7 大模塊：系統概述、數據分析、報表及報告、特殊事件、閥值預警、系統管理和自診斷系統。

4 監測結果分析

通過壽寧九嶺溪大橋全壽命安全監測系統信號采集、傳輸與處理，圖9 給出了主跨跨中的下游側于2018年6 月10 日監測到的日周期撓度變化。 可以看出，它們的撓度變化規律基本相近，符合正常的撓度變化情況。并且，兩者同一時刻的撓度差都比較小，在安全范圍內，可以說明大橋正處于健康運營狀態。

在環境激勵下，圖10 給出加勁梁跨中豎向振動加速度時程曲線， 圖11 給出S19 號吊索橫向振動加速度時程曲線。 并采用時頻域分析方法，分別計算響應信號的自功率譜密度曲線， 得到的功率譜如圖12 和圖13所示。

實測的加勁梁的豎向振動頻率與計算結果如表1 所示，S19 號吊索的實測振動基頻為1.27Hz， 實測索力為825.4kN，與計算索力832.5kN 較為吻合。 按照九嶺溪懸索橋監測數據分析表明結構的變形與受力均處于正常使用的安全范圍之內，無特殊異常，大橋結構性能相比建成時無明顯損傷，處于正常的工作狀態。

圖7 物聯網監測系統組成

圖8 壽寧九嶺溪大橋全壽命安全監測系統

圖9 主梁上下游側跨中撓度圖

圖10 加勁梁跨中加速度時程曲線

圖11 吊索加速度時程曲線

圖12 加勁梁加速度傳感器功率譜圖

圖13 吊索加速度傳感器功率譜圖

表1 加勁梁豎向自振特性比較結果(單位：Hz)

5 結論

將物聯網技術與橋梁監測預警技術相結合， 構建了基于物聯網橋梁群全壽命安全監測評估系統， 實現對橋梁狀況的實時監測，及時預警以及合理評估。結合實際工程案例，給出了橋梁監控指標以及傳感器的布置，通過系統采集傳輸與處理不同傳感器的實時監測數據， 監控過程中獲得了結構構件原始力學和幾何狀態數據， 再通過數據的分析處理， 對不同指標進行不同級別安全預警以及損傷識別，進而對橋梁結構狀態進行評估，表明該系統具有能夠對橋梁運行情況進行監測， 為橋梁今后運營階段制定科學養護措施和及時掌握工作狀態提供決策的重要依據。