橋梁健康監(jiān)測系統文獻綜述

2024年3月7日發(fā)(作者：此起彼落)

橋梁健康監(jiān)測系統文獻綜述發(fā)布時間：2021-06-08T14:29:30.807Z 來源：《基層建設》2021年第4期 作者： 劉翌偉[導讀] 摘要：橋梁健康監(jiān)測系統是目前在整個橋梁領域是一個十分熱門的話題，這個領域處于發(fā)展階段，相比于以前的人工檢測為主的監(jiān)測方法，橋梁健康監(jiān)測有著巨大的優(yōu)勢，但是其也有很大的發(fā)展空間，本文從橋梁健康監(jiān)測系統中的傳感器子系統、數據采集子系統、數據處理和結構分析子系統三個方面進行闡述，分析其現狀與發(fā)展前景。 重慶交通大學 土木工程學院 400041 摘要：橋梁健康監(jiān)測系統是目前在整個橋梁領域是一個十分熱門的話題，這個領域處于發(fā)展階段，相比于以前的人工檢測為主的監(jiān)測方法，橋梁健康監(jiān)測有著巨大的優(yōu)勢，但是其也有很大的發(fā)展空間，本文從橋梁健康監(jiān)測系統中的傳感器子系統、數據采集子系統、數據處理和結構分析子系統三個方面進行闡述，分析其現狀與發(fā)展前景。 關鍵詞：橋梁健康監(jiān)測系統；傳感器子系統；數據采集子系統；數據處理和結構分析子系統；現狀與展望 1.引 言 隨著社會的發(fā)展和科技的進步，社會對交通方面的要求越來越高，而橋梁在交通領域又占據著不可動搖的地位。目前中國在役公路橋梁80萬座，鐵路橋梁20萬座，中國以橋梁總數100萬座的數量位居世界榜首，中國也正在以橋梁大國走向橋梁強國。但是中國目前的危橋也有超過10萬座之多，因此橋梁結構的耐久性，安全性也越來越受到人們的關注。隨著網絡技術、通訊技術與傳感器技術的發(fā)展，橋梁健康監(jiān)測系統的研發(fā)與應用也被橋梁領域的專業(yè)人士提上日程。相比于傳統的人工巡檢，人工檢查的內容存在局限性，難以掌握全橋的整體受力狀態(tài)，難以獲取橋梁所受的外部荷載和損傷過程[1]，檢測結果也容易受到檢測人員的主觀判斷和體力因素所影響，對于某些特殊部位檢查難度大甚至無法檢查等[2]，而且費時費力，并且效率也不高。但是橋梁健康監(jiān)測系統通過傳感技術和現代網絡通訊為基礎，可以達到實時監(jiān)測，不僅可以監(jiān)測到橋梁的各種響應，還可以監(jiān)測到車輛、風、船舶、地震、溫度等荷載[3]，為以后橋梁的研究與設計提供豐富的數據。 橋梁健康監(jiān)測系統主要包括三個子系統，他們分別是傳感器子系統、數據采集子系統、數據處理和結構分析子系統，這三個子系統相互聯系，相互作用，聯系緊密，缺一不可。下面我們分別來闡述這四個子系統。 2.傳感器子系統 2.1 傳感器類型 傳感器類型可以總體上分為兩種大類：按作用監(jiān)測的傳感器和按響應監(jiān)測的傳感器[4]。根據不同的目的選取合適的傳感器十分關鍵，并且必須保證傳感器的可靠性。 按作用監(jiān)測的傳感器分為：風速風向監(jiān)測傳感器、環(huán)境溫濕度監(jiān)測傳感器、結構溫度監(jiān)測傳感器、交通荷載監(jiān)測傳感器、偶然荷載監(jiān)測傳感器。其中風速風向監(jiān)測傳感器一般有超聲波風速儀和螺旋槳風速儀，環(huán)境溫濕度監(jiān)測傳感器一般有溫濕度計，結構溫度監(jiān)測傳感器一般為振弦式溫度傳感器、光纖光柵溫度計、熱電偶溫度傳感器，交通荷載監(jiān)測傳感器一般為車速車軸儀和數字攝像機，偶然荷載監(jiān)測傳感器一般為三向加速度傳感器。 按響應監(jiān)測的傳感器分為：位移監(jiān)測傳感器、結構動力監(jiān)測傳感器、應力監(jiān)測傳感器、斜拉索索力監(jiān)測傳感器。目前位移監(jiān)測常采用GPS進行監(jiān)測，GPS監(jiān)測的優(yōu)點在于監(jiān)測方便，不受地理位置和天氣的影響，但是往往會存在定位不精確的情況。結構動力特性監(jiān)測常常采用壓電式、壓阻式、電容式、力平衡式等加速度傳感器。應力監(jiān)測是通過應變監(jiān)測的數據換算而來的，常采用的傳感器有電阻式應變計、振弦式應變計和光纖光柵應變計三種。常用的斜拉索索力監(jiān)測傳感器有加速度傳感器、壓力傳感器、磁彈儀、光纖光柵傳感器。 2.2 傳感器系統發(fā)展展望 隨著傳感器的發(fā)展，我們已經可以監(jiān)測到各種我們想要的數據，但是傳感器目前還存在很多問題，比如說由于傳感器所處環(huán)境比較惡劣，容易受到環(huán)境的影響而遭到損壞，從而導致監(jiān)測數據的精確性。并且一些傳統的傳感器會出現儀器精度不夠高，儀器工作效率地下等情況[5]。但是隨著光纖技術的發(fā)展，通過分析光的傳輸特性，如光強、相位等，可獲得光纖周圍的力、位移、溫度、磁場、密度等參數的變化，將光纖材料植入橋梁結構中，達到對橋梁進行實時監(jiān)控的目的[6]，不僅延長傳感器的壽命還可以大大提高測量精度，繼續(xù)在光纖領域的研究與發(fā)展將會使得傳感器子系統在橋梁健康監(jiān)測系統中發(fā)揮越來越大的作用。 3. 數據采集子系統 數據采集系統主要由光纖交換機、光纖等硬件設備組成[7]，目前數據采集系統的發(fā)展已經比較成熟[8] 。在動態(tài)信號采集過程中，通?？梢杂谢贗SA、PCI總線和基于PXI總線兩種數據采集系統可供選擇，在靜態(tài)信號采集中靜態(tài)傳感器的信號的傳輸一般選擇RS-485總線網絡就可以達到要求，在其他條件允許的情況下可選用Lon Works或其他類型的現場總線和設備來采集和傳輸靜態(tài)傳感器信號[9]。

由于現代Internet的高速發(fā)展，將網絡通訊技術與橋梁健康監(jiān)測系統相結合，從而發(fā)展成為具有遠程硬件管理、遠程數據管理等功能的新一代網絡化智能橋梁健康監(jiān)測系統，這種新一代的系統更加的具有時效性，工作人員可以利用網絡達到實時監(jiān)控的目的，可以提高工作效率，節(jié)約人力資源。 4. 數據處理和結構分析子系統 4.1數據處理 目前在信息處理方面，進行數據分析處理的方法有神經網絡、高階譜分析等方法，進行健康評估的方法有有限元分析、神經網絡、層次分析、遺傳算法、構件分析等方法[10，11]。對于數據處理，小波變換是對于收集得到的信號進行時間與空間在頻域上的局部分析[12]，將監(jiān)測得到的以為數據進行小波變換，可以更加本質的得到數據的結構和其復雜程度。 為了對數據的的走勢進行預測，可以利用回歸預測分析，比如采用指數、對數、乘冪、直線以及多項式回歸擬合算法[13]，四種回歸算法見表1所示： 表1 四種回歸算法

4.2結構分析與評估 對于采取和分析的數據，對橋梁結構進行評估分析，進行評估分析前需要建立一個精確的結構有限元模型，不同于其他結構有限元模型，該模型是經過修正的有限元模型，模型修正方法分為矩陣型修正法[14，15]和參數型修正法[16，17]，修正后的結構有限元模型求出的特征值與實測值更加吻合。在建立橋梁評估指標體系的建立時，一般采用層次分析法，即把實測得到的數據通過變權的方式，更具個指標的權重進行分層分析，將某些影響狀態(tài)相似的因素放在一層，建立起多個層次的評價體系，如東海大橋就是采用這種評價體系進行橋梁評估的[18]。

一般在完成在線評估后可通過安全預警系統進行預測和報警[19]，通過有限元的計算，設置參數的預警值[20]，當評估結果超過預警值時管養(yǎng)部門就會進行維護與維修，但是如果當橋梁出現較大安全隱患時，就還需要專家進行離線評估，在綜合考慮在線評估結果給出全面細致的結論與維護方案。 5. 總結 可以看出傳感器子系統、數據采集子系統、數據處理和結構分析子系統這三個子系統是密不可分的，每一個子系統都承擔著十分重要的角色。橋梁健康監(jiān)測系統將橋梁直接或者間接承受的影響作用進行采集，然后進行分析預測，最后得出評估結果，不僅保證了橋梁在運營過程中正常使用安全性，也為今后橋梁的設計與發(fā)展奠定了大量的數據基礎。隨著科技的進步，橋梁健康監(jiān)測系統肯定會越來越朝著智能化、精確化、經濟化發(fā)展。 6. 提出問題及解決方案 如前所述，傳感器多為電子設備，在一線環(huán)境中容易受到各種惡劣天氣和認為因素的破壞，會造成不必要的損失，雖然隨著光纖技術的出現，將光纖材料植入了橋梁結構中，不僅延長傳感器的壽命還可以大大提高測量精度。但是還是會存在浪費材料等問題。 此外還可以通過傳感器的布設方面入手： （1）優(yōu)化傳感器的布設，避免冗雜的布設傳感器，爭取做到使橋梁美觀，并且可以盡量多的測量到關鍵數據。比如結合層次分析法，通過權重的大小來決定某一部件的傳感器布設數量，在權重少的地方少布設傳感器，在權重大的地方可以稍微將傳感器布設密集一些，這樣在保證減少傳感器布設的同時還可以保證結構分析的精度。 （2）可以根據橋梁的不同使用階段來布設傳感器，比如在施工階段，可根據不同施工階段的施工內力不同和施工要求不同在關鍵點布設傳感器即可。在橋梁成橋時，這是整個橋梁通常是沒有什么病害的，這時就只需要在橋梁關鍵位置布設傳感器，如如支點出、四分之一跨處、二分之一跨處，對于有索類橋梁，在拉索和主梁連接處布設傳感器。此時傳感器測量的數據一般是為橋梁積累重要原始數據。隨著橋梁使用壽命的增加，橋梁結構出現老化，這時就可以根據現場的實際情況來增加傳感器的布設，達到隨時監(jiān)測橋梁的安全問題的目的。通過這種分階段布設傳感器的方案，可以減少前期傳感器不必要的浪費，使得傳感器在整個橋梁壽命中都可以發(fā)揮重要積極的作用。 總之，可以從傳感器的材料和傳感器的布設數量和位置兩個方面來解決傳感器的優(yōu)化問題，在保證了傳感器子系統的高效率工作的前提條件下，才可以保證后續(xù)工作的正常進行，橋梁健康監(jiān)測系統才可以在整個橋梁領域發(fā)揮越來越大的作用。 參考文獻： [1] 于興泉，韓濤，梁柱.橋梁健康監(jiān)測系統的功能及在橋梁運營中的應用實例[J].公路，2014，59（11）：106-110.

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