物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)智能監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用
更新時(shí)間：2021-04-10 17:51
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一、背景
橋梁是一個(gè)國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，在國(guó)家建設(shè)和人民生活中發(fā)揮著重要作用，橋梁結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性受到人們的高度重視，在現(xiàn)代橋梁工程領(lǐng)域中有關(guān)大型橋梁的健康監(jiān)測(cè)、安全評(píng)估以及壽命預(yù)測(cè)等問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)前橋梁工程界和民用公益工程領(lǐng)域的一個(gè)新的熱點(diǎn)技術(shù)。
由于橋梁工程結(jié)構(gòu)的特殊性，其一旦建成投入使用后，除了材料自身性能會(huì)不斷退化、老化外，還會(huì)受到車(chē)輛、風(fēng)、地震、疲勞、超載、人為等因素作用，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或構(gòu)件有不同程度的自然損傷和突然損傷。我國(guó)公路橋梁安全隱患問(wèn)題較為突出，僅2011年出現(xiàn)的大橋垮塌事故就有9起之多。一系列令人觸目驚心的橋梁坍塌事故，提醒我們必須高度重視橋梁的健康檢測(cè)與安全評(píng)估，及危橋的損傷檢測(cè)和監(jiān)控，爭(zhēng)取消除隱患。所以對(duì)橋梁健康狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)，掌握其健康狀況是有非常重要的意義。橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)也就成為橋梁結(jié)構(gòu)安全養(yǎng)護(hù)和保障正常使用的主要技術(shù)手段。
利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已成為當(dāng)前世界各國(guó)遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)、無(wú)線檢測(cè)設(shè)計(jì)及決策人員的共識(shí)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在遠(yuǎn)程橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，成為一個(gè)不可缺少的環(huán)節(jié)。
二、國(guó)內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
早在第二次世界大戰(zhàn)以前，人們就考慮到橋梁的檢測(cè)和修復(fù)問(wèn)題，但是沒(méi)有形成好的標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)的規(guī)程。由于不斷發(fā)生橋梁的失效和倒塌的事故，20世紀(jì)50年代開(kāi)始，國(guó)外一些國(guó)家建立了橋梁檢測(cè)的一些標(biāo)準(zhǔn)，并產(chǎn)生了第一代的橋梁安全檢測(cè)技術(shù)。
進(jìn)入21世紀(jì)，隨著橋梁建設(shè)規(guī)模和跨度逐漸增大，世界范圍內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、損傷、老化、病害及事故等問(wèn)題十分突出。
國(guó)外從事橋梁無(wú)線檢測(cè)技術(shù)日的研究情況如下：
（一）20世紀(jì)末美國(guó)聯(lián)邦公路局為解決鋼橋的“疲勞破壞”問(wèn)題，研究開(kāi)發(fā)了便攜式電池供電的無(wú)繩應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)。該應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)可以迅速地測(cè)量出一座鋼橋上每個(gè)有疲勞傾向的部位和破損(危險(xiǎn))的部位。
（二）美國(guó)開(kāi)發(fā)用于土木工程的無(wú)線監(jiān)控模塊系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用傳感器直接無(wú)線發(fā)射，測(cè)量出土木工程上每個(gè)有疲勞傾向的部位和破損(危險(xiǎn))的部位，但數(shù)據(jù)在發(fā)射中相互碰撞，丟失率較高。
（三）意大利運(yùn)輸部門(mén)開(kāi)發(fā)了用于輔助大跨度橋梁在超載或異常條件下報(bào)警的一套控制系統(tǒng)，但該系統(tǒng)的存在采樣時(shí)間短，信號(hào)傳輸延時(shí)過(guò)長(zhǎng)，數(shù)據(jù)丟失率高等問(wèn)題。
綜上所述，國(guó)外已擁有了橋梁無(wú)線檢測(cè)技術(shù)的雛形。
國(guó)內(nèi)將無(wú)線通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合并應(yīng)用于實(shí)際工程中的研究處于發(fā)展階段，技術(shù)不成熟，應(yīng)用在橋梁檢測(cè)技術(shù)中的研究較少，但20世紀(jì)90年代后已有相關(guān)事例。現(xiàn)簡(jiǎn)介如下:
（一）1997年出現(xiàn)了用于開(kāi)采天然氣礦井的氣礦無(wú)線數(shù)據(jù)采集傳輸微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。
（二）2003年出現(xiàn)了用于衛(wèi)星通信油田的自動(dòng)化系統(tǒng)。
此外，國(guó)內(nèi)的一些科研單位和大學(xué)，如清華大學(xué)、航天部、中科院、長(zhǎng)沙金馬高科有限公司、北京京南航天數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和南開(kāi)大學(xué)等己經(jīng)初步開(kāi)展了在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究工作。目前，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的技術(shù)發(fā)展，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，符合國(guó)情，將對(duì)浙江省橋梁安全檢測(cè)水平的提高起到積極作用。
三、應(yīng)用的總體方案
本應(yīng)用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，感知層由若干個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)、匯集節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)構(gòu)成。感知層利用Z-STACK協(xié)議棧構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，各傳感器節(jié)點(diǎn)采集應(yīng)力、撓度、沉降等橋梁參數(shù)并發(fā)送數(shù)據(jù)至匯集節(jié)點(diǎn)，匯集節(jié)點(diǎn)一方面創(chuàng)建、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，另一方面把各節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)利用5/3整數(shù)小波進(jìn)行時(shí)空數(shù)據(jù)壓縮，以減少傳送負(fù)荷，然后把壓縮后的數(shù)據(jù)送入網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過(guò)GPRS模塊將感知網(wǎng)絡(luò)接入Internet，將數(shù)據(jù)通過(guò)Internet 傳輸至遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控，本項(xiàng)目應(yīng)用層采用LabVIEW進(jìn)行開(kāi)發(fā)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理與分析，實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)評(píng)估，最大程度避免橋梁安全事故。具體內(nèi)容包含以下幾個(gè)方面：
（一）結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)感知層的構(gòu)建：該感知層由若干傳感器節(jié)點(diǎn)、匯集節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)構(gòu)成。協(xié)調(diào)器創(chuàng)建并且維護(hù)感知層網(wǎng)絡(luò)，接受網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)信息，各傳感節(jié)點(diǎn)采集應(yīng)變、撓度、沉降等相關(guān)物理量，通過(guò)2.4GHz頻率無(wú)線方式發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)將這些信息量發(fā)送至ARM網(wǎng)關(guān)，ARM網(wǎng)關(guān)通過(guò)GPRS模塊——SIM300接入Internet，為合理構(gòu)建傳輸層做準(zhǔn)備；
（二）撓度測(cè)量的實(shí)現(xiàn)：撓度是衡量橋梁結(jié)構(gòu)安全的重要參數(shù)，由于相關(guān)傳感器價(jià)格不菲，如何利用較少的傳感器準(zhǔn)確測(cè)量出撓度值，這是本應(yīng)用一個(gè)重要的研究方面，本應(yīng)用將從測(cè)量梁的傾角變量著手，來(lái)解決這一測(cè)量難題；
?。ㄈ┚W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)節(jié)電技術(shù)與自供電技術(shù)研究，在電力供應(yīng)不便的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如何最大限度延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)使用時(shí)間是決定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)復(fù)雜環(huán)境下長(zhǎng)期工作的關(guān)鍵，本應(yīng)用將在硬件和軟件上同時(shí)采取節(jié)能降耗措施來(lái)進(jìn)一步；
?。ㄋ模┥衔槐O(jiān)控中心數(shù)據(jù)管理和分析：通過(guò)Internet把所需數(shù)據(jù)存于數(shù)據(jù)庫(kù)中，根據(jù)檢測(cè)到的各種信息，結(jié)合理論分析模型、專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)、橋梁特點(diǎn)及相應(yīng)的規(guī)范文件，對(duì)異常情況及時(shí)報(bào)警，為決策人員提供信息支持，提高橋梁管理水平。
四、應(yīng)用實(shí)例
本次應(yīng)用對(duì)20m空心板橋、25mＴ梁橋、30m小箱梁橋等三種不同橋型的橋梁進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，以衢州市衢江區(qū)下張公路大橋?yàn)槔?，橋結(jié)構(gòu)如圖5-1,5-2所示。
圖5-1 下張大橋橋下結(jié)構(gòu)
圖5-2 橋橫截面
從上圖可以知道該梁板為簡(jiǎn)支平板結(jié)構(gòu)，將跨的1Ｌ/4,1Ｌ/2,3Ｌ/4處作為傳感器布置位置。
計(jì)算過(guò)程
采用橋梁博士V3.1.0計(jì)算，載荷情況如下：
?。?）結(jié)構(gòu)自重：混凝土主梁結(jié)構(gòu)自重按26KN/m3計(jì)。
?。?）預(yù)應(yīng)力：張拉控制應(yīng)力1395 Mpa，松弛率3%，管道摩擦系數(shù)0.25，孔道偏差系數(shù)0.0015，錨具變形及鋼束回縮值0.006。
?。?）二期恒載：二期恒載包括橋面鋪裝和其他交通附屬設(shè)施。
?。?）溫度荷載：溫度荷載包括整體升溫、整體降溫、主梁正溫度梯度、主梁負(fù)溫度梯度。
?。?）汽車(chē)活載：汽車(chē)活載采用公路Ⅰ級(jí)，按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》JTG D60－2004執(zhí)行。
（6）砼收縮及徐變：按10年考慮。
計(jì)算內(nèi)容（按A類(lèi)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件計(jì)算）：
?。?）短期驗(yàn)算組合：結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力不超過(guò)0.7ftk=0.7*2.65=1.855Mpa
?。?）長(zhǎng)期驗(yàn)算組合：結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)拉應(yīng)力
?。?）標(biāo)準(zhǔn)值的應(yīng)力驗(yàn)算組合：
混凝土壓應(yīng)力σc≤0.5fck=0.5*32.4=16.2Mpa
?。?）主梁撓度驗(yàn)算。
計(jì)算結(jié)果如下：（1）短期組合
圖5-3 短期組合主梁上下緣最大/最小應(yīng)力圖
由圖5-3可看出短期組合未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求；
（2）長(zhǎng)期組合
圖5-4長(zhǎng)期組合主梁上下緣最大/最小應(yīng)力圖
由圖5-4看出，長(zhǎng)期組合未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求；
?。?）標(biāo)準(zhǔn)值組合
圖5-5標(biāo)準(zhǔn)值組合主梁上下緣最大應(yīng)力圖
由圖5-5看出標(biāo)準(zhǔn)值組合最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在下緣，為11.8MPa，小于規(guī)范容許值，滿足規(guī)范要求；
?。?）主梁活載撓度
圖5-6 主梁活載位移圖
由上圖看出，主梁跨中活載撓度為8mm。
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