基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的公路橋梁荷載在線監(jiān)測方法

摘 要：針對現(xiàn)有方法對公路橋梁荷載監(jiān)測難度高的問題，提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的公路橋梁荷載在線監(jiān)測方法。該方法先利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對公路橋梁應(yīng)力應(yīng)變、加速度、變形以及沉降進(jìn)行實時測量，然后對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，最后采用有限元技術(shù)建立公路橋梁受力數(shù)學(xué)模型，通過對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元分析實現(xiàn)橋梁荷載監(jiān)測。實驗證明，設(shè)計方法監(jiān)測誤差不超過1 kN，置信度水平超過97%，可以實現(xiàn)對公路橋梁荷載的精準(zhǔn)監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；公路橋梁；荷載；在線監(jiān)測；置信度；有限元數(shù)學(xué)模型

中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）02-00-03

0 引 言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速，公路橋梁作為交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，其安全性和可靠性日益受到關(guān)注。公路橋梁在運營過程中，受到車輛荷載、環(huán)境等因素影響，結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，如形變、裂縫等，如不及時進(jìn)行監(jiān)測和維修，可能引發(fā)安全事故。對公路橋梁進(jìn)行荷載監(jiān)測是保障其安全的關(guān)鍵。通過對橋梁的實時監(jiān)測，可以及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷和潛在的安全隱患。同時，通過對公路橋梁進(jìn)行荷載監(jiān)測，可以積累大量的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，為橋梁的維修和加固提供依據(jù)。近幾年，眾多學(xué)者開展了橋梁荷載監(jiān)測研究，并提出了一些方法和思路，但是現(xiàn)行方法在實際應(yīng)用中效果并不理想，監(jiān)測誤差比較大，監(jiān)測結(jié)果置信度比較低，為此本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的公路橋梁荷載在線監(jiān)測方法。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的橋梁在線測量

公路橋梁荷載由靜荷載和動荷載兩部分組成，靜荷載包括橋梁自重荷載、混凝土收縮徐變等，動荷載主要為車輛荷載，因此進(jìn)行公路橋梁荷載的監(jiān)測需要收集多種力學(xué)數(shù)據(jù)。為了保證數(shù)據(jù)的完整性和可靠性，此次采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對公路橋梁動荷載與靜荷載影響因素進(jìn)行在線測量。在公路橋梁上安裝應(yīng)力應(yīng)變傳感器、位移傳感器、沉降傳感器以及加速度傳感器等，利用無線電發(fā)射塔為荷載監(jiān)測平臺與傳感裝置提供連接網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建傳感裝置（物）、無線網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)）、公路橋梁（物）的物聯(lián)網(wǎng)體系，通過無線網(wǎng)絡(luò)將無線傳感器測量的橋梁力學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)庫存儲，并反饋到荷載監(jiān)測服務(wù)器上，通過數(shù)據(jù)分析，確定橋梁荷載，實現(xiàn)對橋梁荷載的在線監(jiān)測。

1.1 監(jiān)測點布設(shè)及無線傳感器選型與安裝

監(jiān)測點布設(shè)與無線傳感器安裝對于橋梁受力測量數(shù)據(jù)的采集精度至關(guān)重要[1]。此次利用應(yīng)力應(yīng)變傳感器、位移傳感器和沉降傳感器對公路橋梁靜荷載數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，利用加速度傳感器對公路橋梁動荷載數(shù)據(jù)進(jìn)行采集[2]。應(yīng)力應(yīng)變傳感器主要采集橋梁主梁的應(yīng)力變形數(shù)據(jù)信息，選擇的傳感器型號為IHFA-A4F7，將其安裝在橋梁主梁底板上，根據(jù)橋梁主跨長度確定監(jiān)測點間距，其計算公式為：

（1）

式中：H表示橋梁應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測點間距；L表示橋梁主跨長度[3]。在橋梁主梁底板中心線上布設(shè)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測點。位移傳感器主要測量橋梁主梁水平位移情況，因此采用OUTFA-A7F7位移傳感器，將其安裝在橋梁主梁兩側(cè)（傳感器間距要超過2 m，但最大不能超過3 m）[4]。沉降傳感器主要測量橋梁橋墩沉降情況，選用型號為OUFATW-AS44的沉降傳感器，將其安裝在橋墩內(nèi)側(cè)，一個橋墩只需布設(shè)一個沉降傳感器即可[5]。加速度傳感器主要測量橋梁上行駛車輛的加速度，因此采用型號為OTUW-QA4T77的加速度傳感器，將其安裝在橋梁主梁頂板上，使相鄰測點間距控制在1.5～2.5 m。傳感器安裝時需要使用螺栓將其固定，避免在測量時墜落。

1.2 橋梁受力數(shù)據(jù)采集及傳輸

無線傳感器利用無線電發(fā)射塔向外發(fā)射無線脈沖信號，通過測量電路獲取與測量目標(biāo)相關(guān)的電信號。這些電信號被信號接收端接收，同時測量電信號頻率。為驅(qū)動多種無線傳感器采集信號，本文選擇了Altera公司出品的EP4CE10E22C8N可編程邏輯控制器作為橋梁測量控制端[6]。在該系統(tǒng)中，本文還搭建了掃頻信號模塊、測頻信號模塊和處理信號模塊，以進(jìn)一步優(yōu)化信號采集傳輸性能。掃頻信號模塊主要起到控制無線信號發(fā)射時序的作用，并將控制命令發(fā)送給測頻信號模塊和處理信號模塊[7]。測頻信號模塊根據(jù)設(shè)定的基本數(shù)據(jù)和掃頻增量，持續(xù)發(fā)送不同頻率的掃頻信號，而掃頻增量則由ARM處理器STM32F407控制[8]。處理信號模塊負(fù)責(zé)接收測量信號并進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。為了實現(xiàn)橋梁荷載數(shù)據(jù)、服務(wù)器和物與物之間的互通互聯(lián)，本文通過串口連接無線傳感器和移動的OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺。通過上述設(shè)計，傳感器采集的橋梁受力信號就可被發(fā)送到服務(wù)器上，為后續(xù)橋梁荷載數(shù)據(jù)的分析提供基礎(chǔ)。

2 建立公路橋梁有限元模型

為分析公路橋梁荷載變化，根據(jù)公路橋梁實際情況，采用有限元技術(shù)建立橋梁荷載有限元數(shù)學(xué)模型，模擬橋梁運營階段的整體荷載情況[9]。統(tǒng)計橋梁主梁節(jié)段、邊中跨合攏段等數(shù)量以及橋梁外形輪廓數(shù)據(jù)信息，將統(tǒng)計數(shù)據(jù)上傳到有限元軟件Midas Civil中，建立橋梁概念模型，再根據(jù)橋梁材料實際情況（彈性模量、抗壓強度、抗彎強度等）對橋梁概念模型參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，以每一個節(jié)點作為一個有限元單元，將橋梁節(jié)點模型進(jìn)行組合形成橋梁有限元數(shù)學(xué)模型。為通過仿真分析橋梁荷載情況，對建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行約束，設(shè)定邊界條件。

3 公路橋梁荷載監(jiān)測

將測量的公路橋梁受力數(shù)據(jù)導(dǎo)入公路橋梁有限元數(shù)學(xué)模型中，對公路橋梁荷載進(jìn)行有限元分析。為保證荷載有限元分析精度，對測量的橋梁荷載數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。由于測量數(shù)據(jù)來源于多個傳感器，數(shù)據(jù)間單位存在差異，因此通過對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將數(shù)據(jù)規(guī)范到0～1區(qū)間，其用公式表示為：

（2）

式中：y表示標(biāo)準(zhǔn)化后的橋梁受力測量數(shù)據(jù)；max y、min y分別表示橋梁測量數(shù)據(jù)最大值與最小值；y表示原始數(shù)據(jù)[10]。在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理基礎(chǔ)上分析橋梁靜荷載與動荷載，結(jié)合橋梁應(yīng)力和應(yīng)變值、沉降與位移值，分析公路橋梁靜荷載，其計算公式為：

（3）

式中：Nc表示公路橋梁靜荷載；K表示橋梁自重；e表示橋梁主梁應(yīng)力值；a表示橋梁位移值；m表示橋梁沉降；s表示橋梁承載力?；诩铀俣葴y量數(shù)據(jù)分析橋梁車輛荷載，其計算公式為：

（4）

式中：Nd表示橋梁動荷載，即車輛荷載；μ表示車輛沖擊系數(shù)；Z表示橋梁結(jié)構(gòu)功能函數(shù)；S表示永久荷載效應(yīng)；ε表示車輛加速度。將橋梁靜荷載與動荷載相加，即可得到橋梁荷載：

（5）

式中：N表示公路橋梁荷載。通過以上對橋梁數(shù)學(xué)模型的有限元分析，得到橋梁荷載監(jiān)測結(jié)果，實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的公路橋梁荷載在線監(jiān)測。

4 實驗論證

4.1 橋梁概況及實驗過程

在完成以上監(jiān)測方法設(shè)計后，以檢驗方法在實際應(yīng)用中的可行性與適用性為目的，對一座公路橋梁進(jìn)行監(jiān)測部署，以監(jiān)測整座橋梁的荷載情況。橋梁橋跨布置為2×75.55 m的T構(gòu)+（80+165+80） m連續(xù)鋼構(gòu)+連續(xù)T梁，橋梁全長為1 085.15 m。橋梁主體采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面懸澆箱梁，主梁上部分采用C30混凝土，下部分是1.25次拋物線變化，梁段長度為355 cm，體積為75.45 cm3，重量為245.62 t，高為654.75 cm，箱梁頂板厚度為25 cm，底板厚度為74.86 cm，腹板厚度為45.45 cm；橋梁墩柱采用C35混凝土，橋墩基礎(chǔ)采用承臺樁基礎(chǔ)，橋墩長度為750 cm，寬度為350 cm，混凝土厚度為65 cm，橋墩承臺厚度為350 cm，寬度為550 cm。該公路橋梁車流量較大，為保證橋梁運營期間的安全與穩(wěn)定，對其采用本文方法進(jìn)行荷載在線監(jiān)測。根據(jù)該公路橋梁實際情況，共布設(shè)40個監(jiān)測點，其中應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測點15個，加速度監(jiān)測點15個，位移監(jiān)測點5個，沉降監(jiān)測點5個，準(zhǔn)備位移傳感器和沉降傳感器各5臺、應(yīng)力應(yīng)變傳感器和加速度傳感器各15臺，監(jiān)測時間總計800 s，共采集測量數(shù)據(jù)1.25 GB，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和有限元分析，監(jiān)測公路橋梁荷載情況。

4.2 實驗結(jié)果與討論

為驗證方法的性能，并且使實驗結(jié)果具有一定的說明性，選擇兩種現(xiàn)行方法與本文所提方法進(jìn)行對比。公路橋梁理論荷載和荷載在線監(jiān)測結(jié)果見表1。

在表1中，本文所提方法荷載監(jiān)測值與理論荷載值基本相符，最大誤差僅為0.06 kN，而現(xiàn)行方法1的最大監(jiān)測誤差為31.01 kN，現(xiàn)行方法2的最大監(jiān)測誤差為30.02 kN，表明本文所提方法監(jiān)測誤差遠(yuǎn)低于現(xiàn)行方法。

為了進(jìn)一步驗證本文方法的可行性，依據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)測評3種方法的置信度水平。在統(tǒng)計學(xué)中，置信度用于表示在多次抽樣中，假設(shè)被正確拒絕或被接受的概率。表2為公路橋梁荷載在線監(jiān)測結(jié)果置信度。

對比表2中的數(shù)據(jù)得出實驗結(jié)論：本文設(shè)計方法監(jiān)測結(jié)果置信度水平超過97%，比現(xiàn)行方法1高出近17個百分點，比現(xiàn)行方法2高出將近22個百分點，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于當(dāng)前兩種現(xiàn)行方法。因此實驗證明了本文所提方法具有較高的監(jiān)測精度，在公路橋梁荷載在線監(jiān)測方面應(yīng)用效果較好。

5 結(jié) 語

為提高公路橋梁荷載在線監(jiān)測效果，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出了一種公路橋梁荷載在線監(jiān)測方法。實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計方法可對公路橋梁荷載進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測，最大誤差僅為0.06 kN，監(jiān)測置信度水平超過97%，優(yōu)于對比方法，應(yīng)用效果較好。該方法可被應(yīng)用于公路橋梁、鐵路橋梁、大跨度橋梁等各類橋梁的荷載監(jiān)測。通過實時監(jiān)測和預(yù)警，該方法可以提高橋梁的安全性和可靠性，保障交通的順暢和人民的生命財產(chǎn)安全。

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作者簡介：郭太帥（1998—），男，河北邢臺人，初級工程師，研究方向為道路橋梁工程。

收稿日期：2024-01-31 修回日期：2024-03-08