概述
近年来, 随着国家对基础设施建设的加快, 各种结构类型的桥梁也在快速建成, 然而由于环境影响、车辆荷载效应、结构疲劳以及偶然事故 (如车辆撞击、地震破坏等) , 桥梁的安全问题也凸显而出。建立桥梁安全监测与诊断系统逐步被国内外所应用, 该系统在桥梁结构出现安全问题之前能及时预警, 从而最大限度地延长桥梁的服役年限、降低桥梁安全事故风险, 保障人民出行安全。桥梁监控预警系统不仅涉及桥梁结构, 还涉及到传感器、数据采集与分析以及系统集成等方面, 是含括多学科多方向的集成系统。
物联网技术从1999年被首次提出, 到如今已经运用到各个领域。物联网技术是将计算机网络技术、数据通信技术、电子技术以及测控技术相融合, 通过采集不同电子信号, 对信号解析、数据转换、传输, 并将数据进行自动整理储存的一门技术。综合来看, 物联网技术是集信息采集、传递、处理为一体的多功能综合技术。
基于物联网的桥梁监控预警系统实际上是将不同桥梁监测传感器 (如应力、挠度、加速度等) 、环境监测传感器 (如温度、湿度、风速风向等) 信号数据通过采集仪进行收集、储存, 并通过桥梁网关进行滤波除噪, 进而通过数据传输系统将数据传到计算机服务器, 并进行处理分析、预警的系统。相比于传统技术, 基于物联网的桥梁监控预警系统不仅可以节约大量的人工检测费用, 而且可以同时对多座桥梁的健康状况进行持续、实时地监测、预警、评估。
1. 系统组成
1.1 传感器子系统
桥梁结构预警系统传感器子系统主要包括用于监测桥梁结构环境数据的智能温度传感器和风速风向仪, 用于测量桥梁结构荷载响应的索力计、智能振弦式应变传感器、静力水准仪、倾角仪、压电加速度拾振器, 以及用来监测桥梁交通流量的视频监控仪等。
1.2 数据采集与传输系统
数据采集系统主要是利用采集箱对传感器所监测的桥梁结构变形、桥梁结构环境、动静态响应的振弦、电流电压等不同信号信号进行采集与存储, 然后利用一种桥梁主机对数据按照不同频率要求进行采集与存储。数据传输系统的主要作用是对反应桥梁各种状况的数据利用专用的通信线缆进行数据传送。
1.3 数据处理与应用系统
1.3.1 数据处理
数据处理主要是利用计算机服务器以及工作站对数据进行二次处理。首先, 将根据分析的需要, 对不同传感器数据进行除杂、滤波处理, 然后, 再对数据进行以下分析:
(1) 统计分析, 统计不同种类传感器在不同时间的段的最值、均值、方差、标准差, 以及不同信号范围、幅度等信息。
(2) 趋势分析, 基于大量数据, 通过数理统计、数据拟合等多种方法, 了解结构变化状态, 作出桥梁健康发展趋势的估计, 并得出具有较高质量的预测或预报。
(3) 关联度分析, 采用关联度分析方法, 分析桥梁内部截面与构件之间相关性, 构件与整体之间的相关性, 桥梁系统与外界环境之间的相关性。如温度对桥梁结构应变、桥梁伸缩缝的影响。
1.3.2 安全预警与损伤识别
计算机服务器将根据实时采集的应变、挠度、倾角、支座位移、桥梁固有频率数据进行预警阈值计算, 当实时采集的数据超过桥梁阈值时, 将进行红、橙、黄不同级别的预警。
在役桥梁使用过程中遇到撞击、地震等意外事故时, 可能造成桥梁结构的损伤, 利用小波包能量损伤预警的适用性、敏感性和噪声鲁棒性的优点对桥梁结构进行损伤预警, 可对桥梁结构的损伤进行时域定位。当桥梁结构出现损伤时, 结构的质量和刚度会发生变化, 这将导致桥梁的基频、振型发生变化, 可采用基于频率、振型以及神经网络法对桥梁结构进行损伤识别。
1.3.3 桥梁结构状态评估
桥梁结构状态评估即采用分层综合评估方法, 利用系统所采集到的技术状况数据对桥梁状况是否满足使用性以及功能性要求做出综合合理的判断。
根据桥梁所监测到的静位移、动挠度、支座位移、倾角、应变、加速度、频率, 参照相应标准分项评分, 各分项得分乘以相应权重得出桥梁状态总分。
1.3.4 决策辅助
桥梁监控预警系统可对桥梁日常运行进行监测、预警、事件处置和总体评估, 综合展现桥梁运行情况, 及时反馈给桥梁管理部门。在取得桥梁结构变形、动力响应数据的基础上, 借助有限元软件进行MIDAS模型分析, 得出桥梁安全参数。此外, 结合安全预警以及安全评估结果, 对桥梁结构承载能力、耐久性进行分析预测, 从而给桥梁养护、检测以及管理部门提出建议和意见。
2. 工程案例
某桥梁为独塔双索面斜拉桥 (如图1所示) , 桥梁全长764.5米, 宽40.5米, 分为主桥和引桥, 其中主桥分两跨, 跨径分别为160米和120米, 桥梁索塔设计为“H”形。其两座主塔柱的外形呈帆船形状, 串联着铁索“拉”起桥面。
2.1 监控指标选择和设备选用
独塔斜拉桥主要监控的构件有缆索、箱梁、桥塔, 分别对桥梁线型、索力、截面应力、加速度、桥塔倾角、支座位移及环境温度、风力进行监测。监控指标及所用设备如表1所示:
2.2 传感器布置
分别将静力水准仪布置在桥梁支座截面、桥塔截面以及每跨的1/4、1/2、3/4截面处;每相隔两根索, 布置一个索力传感器;分别在每跨跨中截面、桥塔两侧桥面以及桥塔底部布置应变传感器, 相对应的位置布置温度传感器;分别在120m跨的跨中、160m跨的跨中以及1/4、3/4截面处布置加速度传感器, 在桥塔顶部布置加速度传感器;桥塔顶部还需布置倾角仪;在支座处布置拉线式位移计;160m跨的跨中布置风速风向仪。
2.3 监测结果分析
通过系统采集传输与处理, 可在系统界面 (如图2所示) 分布展示桥梁应变、挠度、温度、风速等不同传感器的实时监控数据, 并通过数据的分析和处理, 对不同指标进行不同级别安全预警以及损伤识别, 进而对桥梁结构状态进行评估, 得出评分数据, 经综合分析后得出结论, 及时向桥梁养护及管理部门反馈。
该系统可查询各项监测数据的历史信息以及实时信息, 图3给出了斜拉桥主桥160跨跨中截面考虑温度影响的应变响应值, 图4给出了同一截面剔除温度影响的应变响应值。从图3、图4对比可以得出温度对桥梁结构应变影响比车辆荷载对桥梁结构的应变影响大;从图3中可以发现该桥梁应变处于周期性变化的趋势, 说明该桥梁桥梁结构处于弹性状态, 桥梁处于安全的状态。
3. 结论
本文将物联网技术与桥梁监测预警技术相结合, 实现对桥梁状况的实时监测, 及时预警以及合理评估, 并综合桥梁档案资料、养护资料以及荷载资料进行统一管理, 为桥梁管理部门提供决策依据。通过实际工程案例, 给出了桥梁监控指标以及传感器的布置, 并将结果进行分析。通过初步分析表明, 该系统具有能够对桥梁运行情况进行监测, 并在桥梁出现事故时, 做出及时报警, 具有较高的应用推广价值。
摘要：针对目前桥梁安全监测研究现状, 提出了一种基于物联网技术的桥梁安全监控预警系统, 系统可实现智能监测、及时预警、综合评估等功能。研究分析各个子系统的组成、特点以及可实现的功能。并通过工程案例进行分析, 结果表明, 该系统具有良好的应用价值, 能实时、准确的对桥梁运行状况进行远程监控预警、状态评估。
关键词：桥梁健康监测,监控预警,物联网
参考文献
[1] 李宏男, 李东升.土木工程结构安全评估, 健康监测及诊断述评[J].地震工程与工程振动, 2002, 22 (3) :82-90.
[2] Li Y, Wei H.Research of sensor fault identification and warning in the urban bridge cluster monitoring system[J].Bridges, 2014, 10:64-71.
[3] Sui L Y, Chen Z H, Li W, et al.Study on Monitoring and Safety Early Warning Technology of Bridge Health Based on Internet of Things Technology[C]//Applied Mechanics and Materials, 2014, 556:5994-5998.
[4] 李惠, 周文松, 欧进萍, 等.大型桥梁结构智能健康监测系统集成技术研究[土木工程学报], 2006, 39 (2) :46-52.