無線智能監測系統在橋梁結構健康中的應用

潘順興

（貴州黔程弘景工程咨詢有限責任公司，貴州貴陽 550018）

0 引言

在實際的橋梁健康監測工作中，首先要明確橋梁結構的重要區域，并在該區域的中心位置設置傳感器，傳感器在正常工作狀態下，能實現對橋梁關鍵位置的自動化監測，工作人員可實時獲取橋梁結構所承載的壓力值及其他相關信息。同時，結合環境因子、橋梁結構靜動力及荷載等因素，即可對橋梁結構的安全性及運行狀態進行有效評價。如果橋梁結構處于危險狀態，傳感器能給予及時的警示，工作人員結合相關數據展開分析，可有效判斷橋梁結構的實際情況，進而為橋梁項目的后續維護、檢修及管理提供指導依據[1]。

傳統的橋梁結構狀態評價，主要從撓度及應力檢測等方面進行，監測數據較為單一且準確性不夠，無法達到充分掌握橋梁結構情況的目的。以某特大橋工程為例，對其工程情況及施工情況展開分析，并結合目前的監測情況，探討開展實時監測的必要性，并探討智能監測系統集成方案的可行性及有效性。

1 工程概況及技術狀況分析

1.1 工程概況

某特大橋，跨越該區域著名河流，跨徑值分別為50m、115m、210m，橋面寬度達38m，設有6 個車道，公路等級為I 級；橋梁主墩設置在河流兩側，航道寬150m，高8m，大橋通航等級為Ⅳ級。

1.2 結構技術概況

工程結構的技術情況大致如下：

1.2.1 主梁構造

采用預應力混凝土箱梁，混凝土等材料是基于設計標準合理選用的，高跨比和高寬比等也滿足技術操作要求，分別為1∶80 和1∶13.82。

1.2.2 塔構造

橋梁主塔為豎向雙柱結構，矩形端截面形式、斜拉索等基于設計做了精細布置，各個部分的高度設計均達到了既定施工標準。

1.2.3 斜拉索構造

纜索符合既定的保護要求，縱橫向的間距也做了精細設計。錨孔和斜拉結構處在既定的控制范圍內，為后續的技術處理提供了有利條件。

2 針對性監測內容分析

基于安全監測系統的功能定位，并結合橋梁工程的具體情況和技術狀況，工程所涉及的安全監測大致如下：

2.1 防船撞預警

該橋梁在水中并不設墩柱結構，無須考慮防撞設計，通航標準為IV 級，橋下通航凈寬和凈高分別為150m、8m，與既定的通航標準一致。

2.2 主梁撓度及基礎不均勻沉降

從理論層面來看，主梁的撓度和基礎沉降能夠將橋梁的運行情況直觀地呈現出來，出現較大變形的話必定會影響行車的安全性，且會出現結構受力不佳的情況。通過監測變形能夠探知橋梁的損傷狀況，能夠為評估橋梁是否穩定安全提供重要參考。

2.3 結構應力

結構體系會形成高應力區域，該橋梁在構造上存在應力集中的情況，這一點應重點關注；在長期交通荷載和環境動荷載的影響下，結構出現疲勞的可能性相對較大，因此應重點關注和做好針對性處理。

2.4 環境溫度

截面溫度梯度會直接影響大跨度橋梁結構的變形和應力狀態，因此應做好對環境溫度的調控。大型橋梁各個部分材料和結構形式存在很大的差異，環境溫度和日照變化等會影響橋梁的溫度分布。

2.5 結構動態特性

橋梁結構的性能會隨著時間的推移發生變化，其動態特征參數也會相應出現變化，這種變化可以影響橋梁結構的穩定性。通過對結構動態特征參數進行全面分析，可以制定橋梁健康監測的參考標準，以充分了解橋梁的高度和邊界條件。

2.6 索力

索力的主要作用是傳遞橋梁主結構的荷載，并在橋梁下部連接主塔結構，以維持結構的穩定性，所以在橋梁健康監測過程中需要重點關注索力的變化規律[2]。

3 智能監測系統集成方案分析

3.1 系統功能分析

橋梁健康智能監測系統，主要是利用智能傳感器子系統、數據采集子系統等進行數據監測，上述子系統是整個系統穩定運行的重要條件。數據庫系統在數據管理的過程中起著極為重要的作用，在儲存橋梁施工信息和監測信息方面有突出作用。橋梁健康監測系統各子系統之間的關系，如圖1 所示。

圖1 橋梁健康監測系統各子系統之間的關系與流程

3.2 集成方案分析

智能監測系統中包含多個子系統，想要實現不同子系統物理邏輯的穩定性，需要對集成系統進行全面分析。系統集成的具體作用如下：實現對不同子系統的控制和管理，在便捷化操作上有突出表現；開放式數據結構在保障信息資源共享上有顯著表現，基于構建的數據開放平臺，能為子系統的穩定運行提供基礎性的保障。

4 系統集成方案的軟件實現

4.1 中心數據庫方案

之所以要構建中心數據庫，是為了存儲橋梁結構和狀態的相關信息，所涉及的監測系統，應滿足以下要求：能夠有組織地進行動態存儲，能夠為多用戶提供訪問服務；能夠推動不同狀態和不同部位的數據共享和交叉訪問，且能滿足應用程序的獨立或聯合運行；能夠快速存儲動態數據，這也是系統穩定運行的基礎條件。中心數據庫承擔著不同功能模塊的數據傳輸和共享功能，因此應使其保持穩定的運行狀態[3]。

4.2 各子系統及其軟件方案

4.2.1 數據采集子系統及其軟件

健康監測系統能夠進行全面的實時監測，如果在數據采集過程中出現數據異常，可根據實際需求進行模塊調整，即在特定軟件的觸發下，按照調整要求進行相應的處理。當前，多平臺供數據采集的模式已經形成，且隨著多種編程語言的豐富，有了更多的選擇[4]。該項目中的子系統軟件開發主要基于LabWindows。

4.2.2 安全評定子系統

智能監測系統能夠全面、動態地評估橋梁的穩定性，保證相關監測工作能夠有序開展。在相關分析過程中，需要對監測數據進行綜合分析。應用MATLAB開發損傷識別軟件等，可以更為精準地監測橋梁損傷結構，且能將相關數據存儲至中心數據庫，這對推進系統優化非常重要。結構的模型修正可通過全局數據更新和局部數據更新進行，基于精細的分析，可以得到結構應力等相關結果。在整體和局部的修正條件下，可以提升實測的準確性。另外，一些其他功能也能基于相關軟件實現[5]。

4.3 軟件集成技術

應用軟件集成技術時，需要注意以下兩個方面：第一，需要明確系統間的接口，以及調用、觸發機制。第二，需要確保軟件與數據之間的有效對接，保證相關接口及通信功能的完善。結合實際情況來看，可通過設置閥值來控制子程序的運行。通常情況下，若采集器信號值與閥值存在較大偏差，可調用先前的數據進行損傷分析。如果識別到結構出現損傷，應調用有限元分析軟件對結構的承載力進行分析，以此推動對結構模型的修正分析。不同子系統與數據庫之間的通信，可通過調用數據工具箱進行。借助智能監測系統中的模態和損傷識別程序，可從數據庫中讀取原始數據，進而實施對橋梁狀況的實時評價。橋梁健康監測系統通訊流程如圖2 所示。

圖2 橋梁健康監測系統通訊流程示意圖

5 橋梁健康監測體系建設措施

5.1 橋梁健康監測體系設計思維

橋梁健康監測體系的設計應密切聯系實際情況，基于橋梁結構特征、周圍環境及造價要求等各個方面進行分析，以明確橋梁在經營過程中的設計和總體目標等相關要求，從而為相關處理提供基礎保障。此外，應注意監測對象和性能的相關要求。

第一，體系設計應與橋梁結構受力情況相結合，考慮傳感器的型號和具體設計方式，以確保所選傳感器能夠實時監測橋梁的內部情況[6]。同時，構建橋梁整體運行的視頻監控體系，實現精細的監測和控制，以實時了解橋梁上部的交通情況和運行狀態。

第二，明確橋梁結構安全評估的方式與預警體系，確保能夠識別和預警結構破損、功能老化及突發事故等，同時需確保系統運行的穩定性和安全性。

第三，將橋梁健康監測系統與人工監測方式充分結合，但需要在所構建的管理系統運行條件下進行，進而為橋梁管理和維護提供基礎保障。

第四，明確信息數據處理需求、把控體系數據分析需求等，以掌握橋梁結構功能的演化規律，從而為橋梁結構的持久性和穩固性提供強有力的數據支持。

第五，明確監測的環境和負荷條件，且應保證設計標準等條件下的各項指標正常，為系統后續的穩定運行提供有利條件。

5.2 橋梁健康監測相關內容

橋梁項目的內力和變形狀況比較復雜。受地震和風力等負荷的影響，橋梁的結構和安全性會出現一些不良情況，因此應做好系統性的監測工作。以下是所涉及的一些內容。

第一，車輛負荷。借助監測系統開展實時監測，能使相關工作人員及時掌握、分析車輛負荷的相關信息數據，這對保障橋梁結構的安全和穩定非常重要。第二，動態特征。動態特點征是評估橋梁結構健康狀況的重要指標，基于相應的識別技術進行監測，可為相關工作人員分析橋梁結構的狀態提供數據支持。第三，地震監測。與以往的監測技術相比，橋梁健康監測系統能夠精準地記錄偶然性危害。并且，其中的災后評估和振動響應功能，可為橋梁健康狀況評估工作提供強有力的支持。第四，環境負荷，主要涉及氣溫負荷和風力負荷。由于橋梁特別是那些大跨度的橋梁，結構受風力負荷的影響較大，因此應重點關注對風速矢量的分析。此外，應密切關注大跨度橋梁結構對氣溫負荷的反應，基于精細的實時監測，獲取橋梁溫度變化數據，可為橋梁日常運行情況和狀態評估工作提供一定的參考。第五，結構響應，主要涉及應力和索力等。相關工作人員應實時觀察結構變化情況和變形性質，通過剖析變形速度和規律，為預先預警等防控工作提供基礎保障[7]。需要注意的是，如果監測橋墩和主梁等核心部位的受力情況，應及時分析突發情況和局部易損部位，為健康監測提供相應支持。索力與吊桿等作為重要的承重構件，其監測在一定程度上體現著結構的基本狀態，對其內力變化情況進行相應的監測有助于及時探知結構破損和狀態變化情況，這對促進橋梁結構優化有重要價值。

6 結語

主要對智能監測系統的特點、工作機理及軟件實現流程等進行分析，并探究了斜拉橋健康監測所涉及的一些技術方法。由于橋梁監測系統設計所涉及的內容較多，如結構分析、力學分析及傳感器監測等，因此在數據管理上應做好精細、全面的分析，這樣才能為系統的穩定運行提供基礎保障。但當前傳感器優化布置、結構狀態識別及結構損傷識別方面，還需加強研究，相信隨著相關技術的不斷優化，當前存在的一些不足能得到有效彌補，橋梁的穩定性和安全性也得到更好的保障。