基于無線傳輸技術的野外橋梁遠程健康監(jiān)測及安全評估系統(tǒng)

馮昆榮

(綿陽職業(yè)技術學院　四川綿陽　621000)

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基于無線傳輸技術的野外橋梁遠程健康監(jiān)測及安全評估系統(tǒng)

馮昆榮

(綿陽職業(yè)技術學院四川綿陽621000)

摘要：針對在野外偏遠山區(qū)橋梁無法運用常規(guī)監(jiān)測方法和設備問題，提出了運用無線傳輸技術實現(xiàn)對橋梁的遠程監(jiān)測，并以封侯溝大橋為例，介紹了橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的各項功能及關鍵技術。該監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)多年運行，在安全評估結(jié)果指導下對大橋進行及時維護，使大橋仍保持了健康的使用狀態(tài)，有效保證了車輛的安全通行。

關鍵詞：橋梁健康監(jiān)測無線傳輸技術

橋梁作為高速公路的重要節(jié)點，已逐漸成為象征國家、地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展與技術進步的標志。傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)是一種被動結(jié)構(gòu)，一經(jīng)設計、修建完成后，其性能及使用狀態(tài)在很大程度上存在著不可預知性和不可控制性[1]。目前，橋梁結(jié)構(gòu)在使用過程中的各項功能及安全性、耐久性等問題都受到人們的高度關注，隨著現(xiàn)代電子技術與傳感技術的發(fā)展，實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)進行整體和局部監(jiān)測已成為可能。在城市道路中，為了保障橋梁正常工作、防止因結(jié)構(gòu)災害而造成重大公共安全事故, 一般對其結(jié)構(gòu)進行實時和動態(tài)的測量、監(jiān)視或控制, 并建立起相應的數(shù)據(jù)分析模型和預警體系。然而在野外偏遠地區(qū)，由于人力不及，對其地區(qū)所在橋梁的整體和局部結(jié)構(gòu)監(jiān)控均是通過人力不定時進行，獲取數(shù)據(jù)量不足以指導橋梁健康評估。本文以地處偏遠山區(qū)的封侯溝大橋為例，提出了運用無線傳輸技術實現(xiàn)橋梁的遠程監(jiān)測和安全評估。

1封侯溝大橋簡介

封侯溝大橋位于永壽縣境內(nèi)，是西部開發(fā)省際公路通道銀川至武漢線陜西境陜甘界至永壽段公路上的控制工程之一。該大橋地處偏遠山區(qū)，地面溫度差異約60 ℃，因其處于銀川至武漢線核心要道，大型車輛通過率高。橋梁全長938.00 m，最大橋高134 m。主橋為75+3×140+75 m預應力混凝土剛構(gòu)-連續(xù)組合梁，由上、下行的兩個單箱單室箱形斷面組成。主橋采用雙薄壁空心橋墩, 分隔墩采用薄壁空心墩,引橋橋墩采用雙柱式墩,橋臺采用肋板式及柱式橋臺。橋墩采用鉆孔灌注樁基礎。大橋全貌如圖1所示。

由于其為交通要道，且大型車輛通過率高，有必要對其進行長期運行監(jiān)測，以保證車輛的安全通行和橋梁的設計壽命，但由于其地處偏遠山區(qū)，且溫差較大，無法運用常規(guī)的監(jiān)測方法和設備?；诖?，本文提供了一種基于無線傳輸技術的數(shù)據(jù)采集和橋梁健康評估系統(tǒng)，特別針對野外惡劣地質(zhì)狀況而開發(fā)。它不僅可以實現(xiàn)惡劣地質(zhì)環(huán)境下自動準確地測量數(shù)據(jù)，而且還能同時采集多類型數(shù)據(jù)，真正實現(xiàn)橋梁全自動實時檢測、數(shù)據(jù)分析和橋梁健康評估，特別適合野外無人值守橋梁。

圖1　封侯溝大橋全貌

2監(jiān)測系統(tǒng)[2-4]

封侯溝大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)、健康評估系統(tǒng)等組成。監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2　監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1系統(tǒng)功能

(1)對變形(包括豎向撓度、縱向位移、固結(jié)墩墩頂傾角等指標)、應力、溫度和控制截面結(jié)構(gòu)裂縫進行遠程適時監(jiān)測。

(2)結(jié)合遠程適時監(jiān)測情況對大橋進行定期外觀檢測。

(3)對大橋的耐久性和承載能力進行檢測。

(4)利用監(jiān)測內(nèi)容為該橋的維護和健康運營評估提供實測數(shù)據(jù)，并作數(shù)據(jù)分析，提供該橋的健康運營狀況，并作出安全性評價。

2.2關鍵技術

2.2.1建立大橋仿真模型

利用橋梁結(jié)構(gòu)計算專用程序MIDAS/CIVIL(V7.4.1)，建立大橋的計算機有限元模型，并作模型修正，模擬該橋的實際運營狀態(tài)，計算分析該橋在各種外界環(huán)境、各種荷載工況、各個監(jiān)測時段的撓度與內(nèi)力，建立原始理論數(shù)據(jù)庫，作為實測數(shù)據(jù)的對比依據(jù)。同時，確定橋梁受力的最不利位置，為傳感器和應變計的埋設提供理論依據(jù)。

2.2.2大橋撓度監(jiān)測

本橋撓度監(jiān)測采用連通液位式撓度自動觀測儀，其測量原理如圖3所示。

圖3　撓度測量原理示意圖

觀測點的布置，要求能夠通過采集的數(shù)據(jù)反映橋梁變形的整體特征和橋梁的穩(wěn)定性。根據(jù)MIDAS/CIVIL軟件的模擬分析結(jié)果在各中跨跨中截面及1/4跨截面設置撓度測點，邊跨根據(jù)理論分析計算結(jié)果確定撓度最大截面位置，在撓度最大截面設置撓度測點。為增加數(shù)據(jù)對比性，在每個截面均布置兩個測點以相互校核。全橋左右幅共布置撓度測試截面22個，測點44個，測點布置示意圖如圖4所示。

2.2.3大橋主梁縱向位移監(jiān)測

運營期主梁縱向位移監(jiān)測可通過對兩端伸縮縫寬度變化的適時監(jiān)測來實現(xiàn)。本系統(tǒng)運用智能數(shù)碼測縫計來監(jiān)測伸縮縫寬度變化。由于大橋與山體連

圖4　封侯溝大橋運營監(jiān)測撓度測試截面布置示意圖

接處路基材質(zhì)存在較大差異，所以封侯溝大橋主梁縱向位移監(jiān)測對12#和17#橋墩墩頂和橋臺處伸縮縫寬度進行監(jiān)測，為增加數(shù)據(jù)對比性，每條伸縮縫設置3個測點。全橋左右幅共設置12個測點。

2.2.4墩身垂直度變化監(jiān)測

運營期墩身垂直度變化監(jiān)測可通過在墩頂箱梁0號塊腹板上安裝1個智能固定式測斜儀進行遠程適時監(jiān)測，如圖5所示。

圖5　垂直度變化

墩身垂直度監(jiān)測主要對固結(jié)墩進行測試，封侯溝大橋共對14#，15#墩身進行垂直度監(jiān)測。全橋左右幅共設4個監(jiān)測斷面，每個斷面設1個測點，共4個測點。

2.2.5大橋應力監(jiān)測

(1)正應力。根據(jù)MIDAS/CIVIL軟件的模擬分析結(jié)果，箱梁正應力監(jiān)測截面為各跨跨中截面(最大正彎矩控制截面)和各懸臂根部截面(最大負彎矩控制截面)，全橋左右幅共設18個斷面。每個控制截面上頂板、底板各布置2個應力測點。全橋共布設72個正應力測點。箱梁混凝土正應力測試截面布置示意圖如圖6所示，截面測點布置示意圖如圖7所示。

(2)主應力。根據(jù)MIDAS/CIVIL軟件的模擬分析結(jié)果，箱梁主應力監(jiān)測截面為距懸臂根部1/2梁高處腹板中間及距現(xiàn)澆段支點1/2梁高處的腹板中間，全橋左右幅共設12個斷面。每個斷面設2個測點，測點布置在截面中性軸高度處腹板內(nèi)側(cè)表面上，全橋共布設24個主應力測點。主應力監(jiān)測以表貼式應變計進行控制截面主拉應力(應變)數(shù)據(jù)采集，傳感器布置按應變花布置，如圖8所示。

圖6　封侯溝大橋運營監(jiān)測應力測試截面布置示意圖

圖7　大橋應力測試截面測點布置示意圖

圖8　主應力測點示意圖

主梁應力(包括正應力和主應力)監(jiān)測采用表面智能數(shù)碼弦式應變計進行。

2.2.6大橋結(jié)構(gòu)振動特性監(jiān)測[5]

根據(jù)MIDAS/CIVIL軟件的模擬分析結(jié)果，確定結(jié)構(gòu)的前三階振型圖中的最大振幅位置分別安裝測振傳感器進行振動特性監(jiān)測(頻率、阻尼比、沖擊系數(shù)等)。每個振型設置1個測點。全橋左右幅共設置6個測點。

2.2.7大橋耐久性監(jiān)測

(1)鋼筋混凝土成品檢測試驗。本項目的鋼筋混凝土檢測按5%的成橋塊段數(shù)用超聲-回彈綜合法評價混凝土的質(zhì)量。另外，為了正確判斷檢測結(jié)果，探頭的選擇(頻率、尺寸、折射角)及配置、檢測參數(shù)的設定，在執(zhí)行掃描之后信號的評估也是非常重要的。

(2) 大橋裂縫監(jiān)測。在大橋進行運營期監(jiān)測前，首先對全橋外觀病害(主要為結(jié)構(gòu)受力控制截面結(jié)構(gòu)裂縫)進行全面檢查并統(tǒng)計分類，然后對其中控制截面的主要結(jié)構(gòu)裂縫選擇有代表性的進行運營期遠程適時監(jiān)測，最后通過定周期外觀檢查確定既有裂縫發(fā)展過程監(jiān)測與新增裂縫補充監(jiān)測的內(nèi)容。結(jié)構(gòu)裂縫分跨中底板下緣橫向正彎矩結(jié)構(gòu)裂縫、懸臂根部及現(xiàn)澆段腹板主受拉斜裂縫、底板和頂板縱向裂縫。根據(jù)外觀檢查結(jié)果分別對以上3種類型的裂縫每孔各選取1條有代表性的典型裂縫進行運營期遠程適時監(jiān)測。全橋共選取32條裂縫監(jiān)測測點。

(3)混凝土中性化深度試驗。用酚酞試劑測試混凝土中性化深度及中性化區(qū)域。一般在維修時就用此方法來判定應敲除混凝土劣化區(qū)域與決定修復范圍，但中性化深度量測時最容易產(chǎn)生誤差有兩個，第一是指示劑不能放太久否則混凝土變色不易，第二是混凝土試樣取出后不能和空氣接觸太久，否則試樣表面混凝土均已中性化就無從判斷混凝土中性化的深度。

(4)鋼筋銹蝕狀態(tài)測試。用鋼筋銹蝕儀采用半電池電位法進行鋼筋銹蝕狀態(tài)監(jiān)測。本大橋每年進行一次鋼筋銹蝕檢測。每個測區(qū)上布置測試網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點為測點，網(wǎng)格間距采用20 cm×20 cm，30 cm×30 cm，20 cm×10 cm不等，根據(jù)構(gòu)件尺寸而定，測點位置距構(gòu)件邊緣大于5 cm，一個測區(qū)不少于20個測點。

此外，還需要進行大橋運營環(huán)境狀態(tài)的監(jiān)測，大橋外觀技術狀況檢測，檢查評定的內(nèi)容、方法依據(jù)《公路橋梁養(yǎng)護規(guī)范》的橋梁定期檢查執(zhí)行。

3大橋健康狀態(tài)及承載能力評估

大橋監(jiān)測的最終目的是進行合理有效的評估，為養(yǎng)護管理的科學決策提供依據(jù)。評估的內(nèi)容和主要依據(jù)為現(xiàn)行交通部頒《公路橋梁養(yǎng)護規(guī)范》(2004)等技術規(guī)程和有關的設計規(guī)范要求。評估內(nèi)容主要有：整體狀態(tài)評估、安全性評估、耐久性評估、適用性評估等內(nèi)容。安全性、耐久性、適用性的綜合評估構(gòu)成橋梁整體狀態(tài)評估。

3.1橋梁評估模型

利用監(jiān)測數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)狀態(tài)綜合評估是橋梁監(jiān)測評估的最終目的。橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估模型如圖9所示。

3.2大橋承載能力評估

橋梁承載能力評價是一個考慮結(jié)構(gòu)損傷和實際運營狀態(tài)，并以整個結(jié)構(gòu)體系為對象，對橋梁可靠性(安全性、使用性、耐久性)進行分析評價并作出決策的過程。橋梁承載力是反映橋梁使用現(xiàn)狀的一個重要技術,是橋梁結(jié)構(gòu)維修加固方案設計決策的依據(jù)，橋梁評價的信息來自現(xiàn)場，主要預測橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基本性能和未來的安全。

本次監(jiān)測擬對橋梁在不同運營階段實測其關鍵截面的應力和變形，同時與各橋的計算機仿真分析理論數(shù)據(jù)作比較，必要時再結(jié)合結(jié)構(gòu)荷載試驗來綜合評價橋梁的承載能力。

圖9　橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估模型

4無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

采用DTU方式實現(xiàn)無線控制和數(shù)據(jù)傳輸，它分為硬件和軟件兩個部分。硬件部分安裝在工程現(xiàn)場，軟件部分安裝在電腦中，由使用者操作，控制現(xiàn)場系統(tǒng)。

本項設備利用“CMNET”的方式傳輸數(shù)據(jù)，硬件要求為一塊開通GPRS的CMNET業(yè)務的SIM卡和一臺能上internet網(wǎng)的電腦。

為了建立現(xiàn)場的DTU硬件與電腦在internet上的聯(lián)系，需要一個域名(通常為域名服務商提供的免費域名)，將域名設置到現(xiàn)場的DTU硬件中。當電腦通過域名服務商提供的軟件登錄成功，即將使用者電腦的IP與域名聯(lián)系起來?，F(xiàn)場DTU通過GRPS上網(wǎng)，經(jīng)DNS域名解析找到該域名對應的IP地址(即使用者的上網(wǎng)電腦)，再通過DSC無線數(shù)據(jù)系統(tǒng)的軟件與之建立UDP聯(lián)系，從而進行現(xiàn)場與使用者的控制實現(xiàn)與數(shù)據(jù)交換。

5結(jié)語

封侯溝大橋采用了基于DTU方式無線控制與數(shù)據(jù)傳輸遠程監(jiān)測系統(tǒng)。運行以來，定時傳輸數(shù)據(jù)到橋梁維護監(jiān)控系統(tǒng)，與軟件分析及人工不定期現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)對比，數(shù)據(jù)吻合，可用于橋梁健康狀況監(jiān)測及安全評估。系統(tǒng)經(jīng)多年運行，在安全評估結(jié)果指導下對大橋進行及時維護，該大橋仍保持了健康的使用狀態(tài)，有效保證了車輛的通行安全。封侯溝大橋地處地面溫差較大的寬溫地區(qū)，低溫時可達-25 ℃，高溫時可達30 ℃，本監(jiān)控系統(tǒng)在封侯溝大橋的成功應用說明本系統(tǒng)使用溫度范圍寬，可向我國大部分地區(qū)推廣使用。

參考文獻

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Remote Health Monitoring and Safety Evaluation System for Bridge Based on Wireless Transmission Technology

FENG Kun-rong

(MianyangVocationalandTechnicalCollege,Mianyang621000,SichuanChina)

Abstract:This paper puts forward the remote monitoring of bridge by using wireless transmission technology, and introduces the function and key technology of the bridge health monitoring system. The monitoring system has been operated for many years, the bridge is maintained in time under the guidance of safety assessment results, and the bridge is still maintained in a healthy state, which can ensure the safety of the vehicle.

Key words:Bridge; Health monitoring; Wireless transmission technology

中圖分類號：U446

文獻標志碼：A

文章編號：1671-8755(2016)01-0044-05

作者簡介:馮昆榮(1967—)，女 ，副教授，高級工程師，碩士研究生，全國注冊監(jiān)理工程師，一級建造師。研究方向為工程管理、工程監(jiān)理、建筑結(jié)構(gòu)。E-mail：574823569@qq.com

收稿日期：2015-10-28