高架橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)方法研究

張正偉，袁俊英

(江蘇省交通工程集團(tuán)有限公司，鎮(zhèn)江 212100)

由于高架橋梁所處環(huán)境復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)損傷不可避免，且損傷和抗力衰減程度隨時(shí)間的推移不斷增加，嚴(yán)重?fù)p傷時(shí)會(huì)產(chǎn)生安全事故。如何更加準(zhǔn)確地結(jié)合橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)變化情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)其運(yùn)行質(zhì)量的評(píng)估，是當(dāng)前橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的主要研究?jī)?nèi)容之一[1]。同時(shí)，合理的監(jiān)測(cè)方式可對(duì)特殊天氣或交通條件下的高架橋梁安全問(wèn)題發(fā)出預(yù)警信號(hào)，并為橋梁養(yǎng)護(hù)及維修提供更加科學(xué)的依據(jù)，以此延長(zhǎng)高架橋梁的使用壽命。在高架橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)變化的監(jiān)測(cè)過(guò)程中，需要對(duì)載荷壓力、應(yīng)力和應(yīng)變等多個(gè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此對(duì)監(jiān)測(cè)技術(shù)以及監(jiān)測(cè)設(shè)備提出了較高要求[2]。無(wú)線傳感技術(shù)由于在輸出頻率信號(hào)時(shí)抵抗外界環(huán)境干擾能力較強(qiáng)并且具有遠(yuǎn)程傳輸和測(cè)量的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，特別適用于高架橋梁安全監(jiān)測(cè)中的復(fù)雜工作環(huán)境，因此本項(xiàng)目針對(duì)高架橋梁的監(jiān)測(cè)工作現(xiàn)狀，引入無(wú)線傳感技術(shù)，對(duì)高架橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行研究。

1 基于無(wú)線傳感技術(shù)的高架橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)

1.1 高架橋梁應(yīng)力參數(shù)監(jiān)測(cè)傳感器選型

為實(shí)現(xiàn)高架橋梁的應(yīng)力結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)，引入無(wú)線傳感技術(shù)，綜合單線圈型振弦傳感器在傳輸過(guò)程中可高精度、遠(yuǎn)距離傳輸且可采用頻率信號(hào)形式傳輸?shù)葍?yōu)勢(shì)，將其作為核心監(jiān)測(cè)裝置[3]。單線圈型振弦傳感器運(yùn)行原理如圖1所示。

圖1 單線圈型振弦傳感器運(yùn)行原理

由圖1可知，所采用的單線圈型振弦傳感器只有1根線圈在磁性弦的中間，在使用過(guò)程中應(yīng)力結(jié)構(gòu)的作用力主要施加在磁性弦的中間位置，不會(huì)受到倍頻的影響，進(jìn)一步提高了傳感器數(shù)據(jù)采集的精度。與普通振弦傳感器相比，單線圈型振弦傳感器具備信號(hào)傳輸穩(wěn)定性高、可長(zhǎng)期工作運(yùn)行、適用于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)勢(shì)[4]。工作時(shí)開(kāi)啟電源，線圈帶電激勵(lì)鋼弦振動(dòng)，鋼弦振動(dòng)后在磁場(chǎng)中切割磁力線，所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)由接收線圈送入放大器并放大輸出，同時(shí)將輸出信號(hào)的一部分反饋到激勵(lì)線圈，保持鋼弦振動(dòng)，不斷反饋循環(huán)，從而輸出與鋼弦張力有關(guān)的頻率信號(hào)。

無(wú)線傳感技術(shù)在信號(hào)傳輸過(guò)程中易產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失，為解決這一問(wèn)題，在無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)之前，將無(wú)損壓縮編碼字典和隨機(jī)冗余矩陣預(yù)先存儲(chǔ)在無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)存儲(chǔ)器中；無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)采集到預(yù)定數(shù)據(jù)后，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算核心使用預(yù)先存儲(chǔ)在靜態(tài)存儲(chǔ)器中的無(wú)損壓縮編碼字典和隨機(jī)冗余矩陣對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼、增加冗余，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)器中成為加密數(shù)據(jù)；當(dāng)基站回收數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)使用快速傳輸協(xié)議將加密數(shù)據(jù)發(fā)送回基站；基站收集的加密數(shù)據(jù)將由計(jì)算機(jī)程序重構(gòu)，以獲得由無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)收集的預(yù)定數(shù)據(jù)。隨機(jī)冗余矩陣是一個(gè)稀疏矩陣，矩陣元素是隨機(jī)分布的0和1。矩陣的稀疏性使它在無(wú)線傳感器部分易于存儲(chǔ)和計(jì)算，同時(shí)它的隨機(jī)性保障它在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中抵消可能出現(xiàn)的任何數(shù)據(jù)丟失。根據(jù)監(jiān)測(cè)需要，監(jiān)測(cè)方法中使用的監(jiān)測(cè)裝置采用型號(hào)為MLX574-18KDC的單線圈型振弦傳感器，采用SMD/SMT(表面貼裝器件/表面貼裝技術(shù))安裝風(fēng)格，利用Tube(管狀包裝)完成封裝；工作過(guò)程中的電源電壓為5 V，電源電流為15.2 mA。根據(jù)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器控制設(shè)備所接收的信號(hào),對(duì)該型號(hào)傳感器裝置的材質(zhì)進(jìn)行選擇,一般選擇半導(dǎo)體材質(zhì)。將該型號(hào)傳感器裝置安裝在應(yīng)力結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)，檢測(cè)某一時(shí)段脈沖振動(dòng)變化和共振頻率變化，并得出傳感器的受力情況，利用相關(guān)數(shù)據(jù)表示高架橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)內(nèi)部預(yù)應(yīng)力變化等相關(guān)工程量的數(shù)值或參數(shù)。

1.2 高架橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

在選擇監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)確保相應(yīng)位置數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的代表性，且數(shù)據(jù)方便獲取、易于分析。高架橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)上的最大擾度和最大應(yīng)變通常能直接反映其性能。高架橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意如圖2所示。

圖2 高架橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意

在布置高架橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的過(guò)程中，傳感器獲取的監(jiān)測(cè)信息可能會(huì)受到外界環(huán)境或相關(guān)因素的干擾，因此要在每個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)預(yù)留空間，確保得到更高精度的靜態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置行為應(yīng)嚴(yán)格遵循《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3650—2020)，多個(gè)傳感器之間的結(jié)構(gòu)間隔應(yīng)控制在5.0 mm×104 mm以上。

為確保監(jiān)測(cè)及獲取的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，應(yīng)做好傳感器的對(duì)接工作，即連接傳感器與計(jì)算機(jī)通信裝置，實(shí)時(shí)掌握傳感器的運(yùn)行狀態(tài)，為傳感器提供一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定與安全的運(yùn)行環(huán)境[5]。在此基礎(chǔ)上應(yīng)在監(jiān)測(cè)區(qū)域外圍做好對(duì)測(cè)區(qū)的保護(hù)工作，必要情況下可在測(cè)區(qū)外圍增加顯著提示標(biāo)志，并在測(cè)點(diǎn)處安插不同顏色的旗幟(所有旗幟應(yīng)高出測(cè)區(qū)至少1.0 m)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的需要及時(shí)調(diào)整傳感器的位置與布設(shè)高度。此外，測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)做好對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的接管工作，例如監(jiān)測(cè)人員應(yīng)計(jì)算測(cè)點(diǎn)與中心區(qū)域的距離、計(jì)算測(cè)點(diǎn)與高架橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)邊緣的距離等。為確保測(cè)點(diǎn)布置合理，不僅應(yīng)掌握終端對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取需求，同時(shí)也要根據(jù)區(qū)域的地形地勢(shì)針對(duì)性調(diào)整傳感區(qū)域，從而保障傳感器所獲取的監(jiān)測(cè)信息的價(jià)值性與時(shí)效性。

1.3 基于無(wú)線傳感技術(shù)的應(yīng)力結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

為實(shí)現(xiàn)更高精度的應(yīng)力結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集[6]，引入無(wú)線傳感技術(shù)以減小監(jiān)測(cè)誤差。首先將傳感器裝置安裝在高架橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)上，并在應(yīng)力結(jié)構(gòu)上布置傳感器節(jié)點(diǎn)，采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后通過(guò)串口發(fā)送到數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊選擇LPC2210微處理器作為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處理器，借助LPC2210微處理器強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和豐富的引腳功能，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和協(xié)議封裝后，經(jīng)SPI(串行外設(shè)接口)將數(shù)據(jù)傳輸至射頻模塊，并進(jìn)行無(wú)線發(fā)送。

結(jié)合理論分析，當(dāng)高架橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)的內(nèi)部預(yù)應(yīng)力沒(méi)有發(fā)生改變時(shí)，傳感器裝置的輸出應(yīng)當(dāng)基本保持為0，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)傳感器采集數(shù)據(jù)的基本運(yùn)算公式進(jìn)行修正，得到式(1)。

ε=k1+ΔTα-ΔT1β

(1)

式中，ε為傳感器現(xiàn)場(chǎng)輸出參數(shù)，即高架橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)的內(nèi)部預(yù)應(yīng)力；k1為傳感器系數(shù)；ΔT為傳感器本身溫度變化數(shù)值；ΔT1為高架橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)溫度變化數(shù)值[7]；α為傳感器振弦金屬材料結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)；β為高架橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)[8]。ΔT1與ΔT的取值不同，將傳感器安裝在各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)應(yīng)按式(1)進(jìn)行計(jì)算，但無(wú)法準(zhǔn)確判斷高架橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)β，因此本項(xiàng)目選擇在傳感器安裝后，確保沒(méi)有任何荷載施加在應(yīng)力結(jié)構(gòu)上時(shí)進(jìn)行讀數(shù)，此時(shí)式(1)中ε數(shù)值應(yīng)為0，β的計(jì)算公式如式(2)所示。

(2)

按照式(2)確定高架橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)β，將準(zhǔn)確的數(shù)值代入式(1)，并對(duì)傳感器顯示的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行記錄，完成對(duì)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集。

2 試驗(yàn)論證分析

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

通過(guò)引入無(wú)線傳感技術(shù)，已在理論上針對(duì)高架橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，為進(jìn)一步驗(yàn)證該方法在實(shí)際應(yīng)用中是否能夠達(dá)到理論中的預(yù)期效果[9]，將其與傳統(tǒng)方法同時(shí)應(yīng)用于03省道蕭山東復(fù)線高架主線橋梁監(jiān)測(cè)中，傳統(tǒng)方法為文獻(xiàn)[5]提出的基于振弦式傳感器的橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)方法。該橋梁為標(biāo)準(zhǔn)高架橋梁結(jié)構(gòu)，主線橋梁寬度為26 m，橋梁上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)跨徑為30 m。高架橋梁現(xiàn)場(chǎng)局部如圖3所示。

圖3 高架橋梁現(xiàn)場(chǎng)局部

為確保試驗(yàn)結(jié)果的客觀性，兩種監(jiān)測(cè)方法在應(yīng)用中按照相同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方案進(jìn)行，將所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在高架橋梁斷面上，并對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別標(biāo)號(hào)為SE-01、SE-02、SE-03、SE-04和SE-05，共5個(gè)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)。選擇在不同工況條件下，對(duì)高架橋梁的梁頂應(yīng)力和梁底應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總，與實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而完成對(duì)比試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)試驗(yàn)所得出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并按照相應(yīng)工況對(duì)5種不同工況下的實(shí)測(cè)應(yīng)力和兩種監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分類(lèi)。采用監(jiān)測(cè)儀器對(duì)受力結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化數(shù)值進(jìn)行采集，以高架橋梁的梁頂和梁底位置的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化數(shù)據(jù)作為對(duì)比數(shù)據(jù)，將兩種監(jiān)測(cè)方法得出的結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，兩種監(jiān)測(cè)方法的應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比如表1所示，其中實(shí)測(cè)應(yīng)力為負(fù)值壓應(yīng)力，最大支點(diǎn)剪力為梁端位置的正應(yīng)力。

表1 兩種監(jiān)測(cè)方法的應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比 (MPa)

由表1可知，本項(xiàng)目監(jiān)測(cè)方法得出的應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法相比，更加接近實(shí)測(cè)應(yīng)力，并且監(jiān)測(cè)誤差均在0.01～0.03 MPa范圍內(nèi)，而傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法的誤差最大達(dá)到0.98 MPa，說(shuō)明傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法不符合高架橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)精度要求。同時(shí)試驗(yàn)中所引入的單線圈型振弦傳感器具備重量輕、體積小以及耐腐蝕性強(qiáng)等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，因此在監(jiān)測(cè)過(guò)程中受外界干擾因素的影響可忽略不計(jì)，而傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法中采用的三維激光掃描設(shè)備在雨季或陽(yáng)光照射不足的條件下都會(huì)影響到掃描結(jié)果的精準(zhǔn)度，表1中傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法所產(chǎn)生的誤差一部分來(lái)源于掃描設(shè)備的影響。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)證明，本項(xiàng)目提出的基于無(wú)線傳感技術(shù)的高架橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中能夠有效提高監(jiān)測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)度，更符合相關(guān)施工規(guī)范中對(duì)高架橋梁應(yīng)力結(jié)構(gòu)控制的要求，可確保高架橋梁的使用安全。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)橋梁安全監(jiān)測(cè)方法中存在的不足，本研究引入無(wú)線傳感技術(shù)，提出一種全新的監(jiān)測(cè)方法，通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步證明高架橋梁實(shí)際監(jiān)測(cè)時(shí)應(yīng)用該監(jiān)測(cè)方法可精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的參數(shù)變化情況，得出的監(jiān)測(cè)結(jié)果能為高架橋梁建設(shè)施工和后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。