桥梁安全监测

桥梁安全监测（精选八篇）

桥梁安全监测 篇1

在2013年7月31日国务院总理李克强主持召开的国务院常务会议中，研究推进了政府向社会力量购买公共服务和部署加强城市基础建设等重要事项，确定了民生工程的6项重点任务.其中第4条任务是做好城市桥梁安全检测和加固改造，确保通行安全.这是由于桥梁是城市生命线工程的重要组成部分，且我国桥梁安全不容乐观，近年来事故频发，损失惨重，已经引起社会的广泛关注.主要原因是桥梁在其设计和施工过程中存在缺陷，以及在服役过程中不可避免地受到设计载荷、环境腐蚀、材料老化等问题，以及一些突发事件、台风、地震、撞击等载荷引起损伤.桥梁结构损伤检测和在线安全监测成为当前国内外学术界和工程界的热点问题.目前世界上一些重要桥梁均按照相关理论设计安装了健康监测系统，如我国苏通大桥、青马大桥，美国金门大桥等.结构损伤检测方法分整体法和局部法.传统的局部损伤识别方法如磁场法、射线照相术、涡流法以及热场法等，这些方法要求事先知道损伤区域，损伤探测传感器容易达到被测部位.对于大型复杂结构，这些条件是难以满足的，因此其使用受到很大限制.目前普遍认同的是结合结构振动理论、系统识别、信号采集与分析等跨学科的结构振动整体分析法[1].而基于振动的桥梁结构损伤检测和健康监测法经过20多年的快速发展，当前遇到瓶颈，难以满足工程要求.

实际上，基于振动测试与分析技术在发达国家已被广泛应用于航空、航天和精密机床等领域的故障诊断、载荷识别和动力学修改等问题，并取得了丰硕的成果.但对于大型土木结构，尤其是桥梁结构却远未成熟.尽管到目前为止，已有不少学者在此领域做了许多工作，并取得了一些进展.但绝大多数仍停留在理论研究和数值模拟以及简单的室内实验研究阶段，缺乏足够的实际工程的检验，理论研究和实践脱节，甚至有些研究脱离了结构的损伤机理，因此其可靠性与有效性值得商榷.本文系统分析和总结了桥梁损伤检测和安全监测的各类方法技术在研究与应用过程中面临的主要问题和挑战；深入探讨当前研究的热点问题及其研究状况，提出一些新的思想，同时对下一步的研究工作提出了相关建议和方向，希望能对今后的研究工作有所启发.

1 桥梁损伤检测方法研究现状

1.1 方法分类

结构损伤检测是结构安全监测系统的核心，是安全监测领域具有挑战性的研究课题.随着现代传感技术、无线通讯技术、信号采集与处理、信息融合以及系统建模等技术的日益精确和完善，发展了许多不同类型的结构损伤检测方法，通常分为局部法和整体法.局部探伤方法由于成本高、工作量大，不适用于大型土木结构.因此基于结构整体参量的整体检测法成为结构安全监测的研究重点.根据对结构分析模型的依赖性，整体法具体分为有模型和无模型方法，依据基本原理的不同，基于模型的损伤评估方法又可以分为两类：模型修正和人工智能技术，其中人工智能方法当前发展比较成熟的有神经网络、遗传算法、蚁群算法及粒子群算法等.由于结构建模和模型更新的困难，不依赖于有限元模型的无模型方法引起了广泛关注.无模型的损伤预警通常直接比较量测指标和基准指标的差别，或者将这些差别合成一个数.无模型方法有时域法、频域法、时频域法、非线性方法等.结构损伤检测方法分类在文献[2]基础上进行了再分，如图1所示.以下主要分析结构损伤检测的整体法的研究现状及遇到的问题与挑战.

1.2 有模型方法

1.2.1 模型修正法(model updating)

从数学的角度看，利用结构动力实测数据识别损伤属于一种反问题的求解.有限元模型修正技术是求解这种反问题的一类有效的方法，它通过修正基准模型中单元刚度等模型参数，不断改进分析模型和试验结果的相关性，最终利用修正模型中的局部单元刚度变化来指示结构的损伤位置与程度[3,4].一般地，传统的模型修正技术按其修正对象可分为两类，一类以系统的总体矩阵或子结构的总体矩阵为修正对象称为直接修正方法或矩阵型修正方法；另一类以总体矩阵中的部分元素或者系统的设计参数如密度、弹性模量、截面积、惯性矩和约束等作为修正对象，称为间接修正方法或参数型修正方法.模型修正方法的优点是能识别结构损伤程度，但对结构模态参数识别精度要求较高[5,6,7]，在实际应用中由于测量噪声，建模误差等因素的影响，使该方法的应用受到制约.

COMAC:co-ordinate modal assurance criteria)

1.2.2 神经网络

神经网络法[8,9,10]是在现代神经学的基础上发展起来的，是一个非线性动力学系统，其特点在于信息的分布式存储和并行协同处理.有模型神经网络损伤识别法的基础是结构有限元模型，通过特征提取，选取对结构损伤比较敏感的参数作为网络输入向量，结构损伤状态作为输出，建立损伤分类训练样本集.神经网络在损伤识别领域的优点有：可模拟任意非线性映射，较好的鲁棒性，可处理带噪声或不完备的测试数据等.神经网络法不要求预知损伤机理和控制方程，适合于损伤方式不可预期和损伤机理复杂的大型结构.其缺点在于实际工程应用中存在较大困难：如果实际结构规模较大、结构形式复杂，使得在实际应用时很难获得较全面的网络训练样本；另外还存在网络本身的结构的优化问题，以及初始参数的确定和训练步长的选择问题等.

1.2.3 遗传算法

遗传算法是一种基于生物自然选择与遗传机理的随机搜索与优化方法，在求解复杂优化问题上具有较大的潜力，受到了国内外学者的广泛关注.其原理是首先选择一组初始群体，通过“物相竞争，适者生存”的原则淘汰不适应者，从而找到最优解.近年来，遗传算法相继被引入到结构损伤检测中.Mares等[11]应用固有频率和振型，通过遗传算法调整结构参数来最小化计算误差(残余力)从而定位结构损伤.Chou等[12]通过测量结构的不同自由度上的位移来识别结构物理特性的变化，通过遗传算法生成未测量的自由度上的信息，再通过遗传算法来最优化目标函数来进行一梁结构的损伤检测.Rao等[13]利用遗传算法改善了通过最小化实测频率和有限元分析频率之间的差异来识别损伤.但是，遗传算法是一种概率搜索方法，需要进行大量的目标函数值计算，每个函数值的获取等同于进行一次有限元分析，世代繁殖寻优过程的有限元重分析的计算量大，且对于大型复杂结构的大规模的结构优化问题，大量的有限元分析计算将是一个沉重负担.

1.2.4 群智能优化方法

群智能是通过无智能的主体通过合作表现出智能行为，为寻找复杂分布式问题的解决方案提供了基础.其基本思想是以结构模型参数构造优化目标函数，以集群迭代算法计算出相匹配的最优解.这种基于模型的损伤定位方法通常要求解复杂的反演问题，通过施加数学约束和物理约束的办法使反演结果唯一化[14]，即这种方法在数学上常转化为有约束的优化问题，从而可以通过求解约束优化问题识别结构的损伤.当前最具代表性群智能优化算法为粒子群算法[15,16]和蚁群算法[17,18]，目前已经成功应用到结构损伤检测领域.群智能方法的缺点同样是需要建立精确的有限元模型，由于当前结构复杂化、测量误差以及环境因素的影响，其在实际应用中也较为困难.

1.3 无模型方法

1.3.1 基于频域方法

固有频率是结构物理参数的函数，而固有频率对结构的损伤并不敏感.基于振型的动力指纹方法研究较多，结构损伤引起振型的变化，并且振型中包含位置信息，如Pandey等[19]提出的曲率模态法、模态置信因子(modal assurance criterion,MAC)和坐标模态置信因子(co-ordinate modal assurance criterion,COMAC)、模态应变能法、柔度矩阵法以及应变模态法等.基于频域响应函数的方法也得到较大的发展.Park等[20]在频域响应的基础上建立ARX(a modified auto-regressive model with exogenous inputs)模型，将实际得到的阻抗和由ARX模型输出计算得到的阻抗之间的差值作为损伤敏感特征，数值仿真分析了一个5自由度结构的损伤诊断.Hwang等[21]提出在不同频率下只利用一部分频域响应函数检测结构的损伤位置及其程度的方法，解决了不同损伤导致频率变化相同的问题，使得应用频率变化检测损伤位置成为可能.基于振型和频响函数的频域方法的缺点是需要足够多的测点，这使得在真实的大型结构应用中耗资巨大.

1.3.2 基于时域方法

通常结构模型复杂，并且输出输入信号容易受噪声污染，使得模态分析不精确甚至不可行.结构在环境激励下的响应是随机的，对这些随机数据可建立一种如ARMA(autoregressive moving average),AR(autoregressive),MA(moving average)的时间序列模型，不需要测得输入信号[22].从数学模型中提取包含有结构模态参数信息的模型系数，能够避免复杂有限元的建模和噪声的影响[23].基于时间序列模型的方法原理简单，实施方便，但是它需要满足两个基本条件：线性和静态性，对于稍微复杂一点的系统或许就不适用了.

1.3.3 基于时频域方法

对结构的损伤检测，往往先得到结构的动力响应信息，对响应信号的直接处理的时频分析方法当前有Fourier谱分析，小波变换，以及希尔伯特-黄变换(Hilbert--Huang transform,HHT).Fourier变换只能反映整个信号在全部时间内的整体频域特征，不能提供任何局部时间段上的频率信息.小波变换是一种具有“变焦”特性的多分辨率分析方法，局部化和多尺度分析是精华所在，可以用不同的分辨率来观察信号，在时频两域都具有表征信号局部特征的能力.小波变换作为一种时频分析方法，在损伤检测领域得到了广泛的应用[24,25,26].小波分析被应用到结构损伤检测研究中时间不长，从研究方向来看，大多数都集中在某个局部领域，某类简单结构上，不具有推广性；从研究手段上来看，数值模拟研究较多，实验研究较少；从研究方法上看，从过去的单纯使用小波分析技术正在向把小波分析与其他方法相结合的方向发展.HHT是一种新的非平稳信号的处理技术，由美籍华人Huang等[27]于1998年提出.该方法由经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)与Hilbert谱分析两部分组成，任意的非平稳信号首先经过EMD分解为若干个本征模态函数(intrinsic mode functions,IMF)，然后对每个IMF分量进行Hilbert变换得到相应的Hilbert谱，即得原始信号的Hilbert谱.Hilbert谱是联合时间-频率来描述非平稳信号，具有非常高的时频分辨率.Yang等[28]把HHT方法应用到土木工程结构的损伤检测中，指出HHT方法只要用一个测点就能够精确探测出结构损伤发生时刻和结构自振频率的变化.HHT在结构损伤检测中应用最大的优点是能够观测到结构运行当中频率随时间的变化，以及结构发生损伤的时刻[29,30]，但其缺点是EMD分解精确性和边界效应问题.

2 损伤检测方法在实际应用中存在的问题及挑战

结构损伤检测将来的发展方向，是如何将其用于工程实际，解决具体的工程问题.目前，关于结构安全监测技术研究集中在损伤探测和定位识别上，现有部分研究成果已经表明了一些识别指标和方法的可行性，但是大部分研究成果建立在理论分析、模型试验和仿真分析的基础上，对数值模拟信号均可以得到较满意的结果，基于现实测量数据进行损伤识别的高灵敏性和抗噪声的识别技术距离工程实施还有一定距离.因此除了在损伤识别方法上继续努力，如何将噪音、随机误差和环境因素考虑进去，是将结构损伤检测方法应用到工程中所必须要解决的问题.此外，安全监测系统需要大量传感器，以及传输、记录和数据处理设备，其硬件成本已经不低，由于经济和结构运行状态的原因，在整个结构上所有自由度上安置传感器既不现实，也不经济.因此，现有损伤检测技术在实际工程应用中还存在诸多困难和挑战.

2.1 监测海量数据难以处理

桥梁安全监测中主要关注桥梁形变、静应变、动应变、加速度、索力、温湿度、风载荷等相关数据.形变和静应变属于变化周期较长的参数，因此数据测量周期可以是小时级别，数据量有限.动应变、加速度、索力属于变化周期较短的参数，能实时反映桥梁当前状况.然而真实的桥梁健康检测系统安装有几百甚至上千个传感器，数据量巨大[31].如何处理监测海量数据是当前遇到的一大难题.当前桥梁安全监测系统数据没有得到充分应用，甚至形成了“海量垃圾数据”的局面.总的看来，桥梁安全监测技术距离实际工程应用存在较大差距的一个主要原因是：监测系统的海量数据未能得到科学处理，未能通过监测系统数据分析准确把握在役桥梁的复杂工作环境和结构响应行为，未能形成海量数据分析和评估理论、方法和技术体系.

2.2 工程中环境激励的不确定性

损伤检测分为主动检测和被动检测，由于土木结构大型性和复杂性，主动检测须耗费巨大的人力、物力和财力.被动检测中的响应信号由环境激励而产生，利用环境激励方法更符合结构安全监测的宗旨.然而，环境激励中的一个问题是结构在使用中受到的随机干扰十分显著，所测得的信号具有非平稳性、随机性、振动幅值小、易受噪声影响、数据量大的特点，这就要求发展一种先进的适用于非平稳随机信号的处理方法.基于环境激励的参数识别方法目前有：基于功率谱密度的峰值法、基于离散时间数据ARMA模型[32]、自然激励技术[33]、随机子空间法[34]等.由于环境激励的不确定性和复杂性，外界干扰信号对损伤指标的影响远远大于结构早期损伤的影响，使得损伤信息被干扰信号覆盖[35]，这就要求开发一种新的对结构损伤敏感、对干扰信号免疫的损伤指标.

2.3 实测数据的不完备性

现有的结构损伤识别方法是假定结构模型自由度与实测自由度相同，然而在实际结构中，由于条件上的限制，会造成实测数据的不完备.测试数据不完备的问题包括两个方面：一是测试模态不完备，导致测试的模态与分析模型的模态不匹配；二是测试自由度不完备，导致测试自由度与分析模型的自由度不匹配.由于传感器布置的限制只能测试有限自由度上的信息，转动自由度上的信息则更难测得.实测数据的不完整无法给结构损伤识别提供充分有用的信息，加剧了识别问题的不适定程度.因此应该发展利用部分自由度上的信息进行损伤定位和定量来解决这一问题.

2.4 无基准数据和量化标准

目前的大多数识别方法依赖于未损结构的精确有限元模型或试验结果，而当前大部分结构不具备这两类信息.基于振动的损伤检测方法是通过损伤前后振动指标的变化来判断结构的损伤位置和程度，而现有的结构绝大多数是没有基础数据的.因此发展不依赖早期资料的损伤识别方法是损伤检测方法走向成功的关键.要发展出适合所有结构的损伤检测方法可能有困难，找到能够针对某一类结构，减少对早期资料的依赖的方法就是很大的改善.目前对桥梁结构健康状态的评价也缺乏统一有效的通用损伤量化指标，因此应该提出一种通用的损伤量化指标，能够把结构的健康状况进行简单的分级量化.

2.5 测点过多，耗资巨大

当前健康监测技术难以应用于工程实际的另一个重要原因是测点繁多.安全监测中主要关注的各类相关数据，需要众多不同类型的传感器进行采集.比如我国香港青马大桥，广东虎门大桥，江苏东海大桥，安装了上千个传感器.这样不仅使得耗资巨大，而且管理和养护困难重重，需要大量的专业技术人员.因此必须发展应用少量传感器的损伤检测和健康监测方法来解决这一问题.

3 损伤检测方法热点问题及最新研究进展

由于现有方法在工程应用中遇到了种种困难和挑战，学者们尝试发展新的手段和方法来克服这些困难，下面介绍几个当前研究的热点.

3.1 传感器优化配置

由于不能取得结构全自由度的数据，必须利用不完备数据直接进行损伤识别，因此传感器优化配置就对损伤识别的效果起到重要的作用.它与结构形式、结构参数和损伤识别的方法有关.其方法可以分为两类：模态可观性和损伤可识性.模态可观性反映的是测点提供结构重要模态参数信息的能力.Kammer等[36]提出的有效独立法是应用最广最成熟的布点算法，它是基于每个传感器布点对所监测模态的线性无关的贡献，通过迭代算法获得测点位置.在此基础上还发展出有效独立-驱动点残值法[37]，模型缩减法[38],MAC法[39]等，以及综合上述方法以求最优布置的方法[40].有效独立法不包含模态参数对局部损伤的敏感信息，因此提出损伤可识方法，要求能够利用有限测点进行结构损伤识别.Cobb等[41]通过建立灵敏度Fisher矩阵的方法，利用不完全信息进行损伤识别.文献[42]通过分解的Fisher矩阵的迹矩阵来确定最佳测点.对于桥梁健康监测来说，损伤可识性的布置方法的研究具有较大的工程意义.

3.2 多传感器数据融合及可视化

单个指标仅包含有限的损伤信息，可能只对某些特定的损伤信息敏感而导致损伤漏判.为提高检测的可靠性，研究人员将多传感器信息协调运用[43].美国的Sunshine Skyway大桥同时使用了500个不同类型的传感器同时监测其健康状态，并对其进行损伤识别[44].我国香港青马大桥监测系统则应用了900多个各种类型的传感器数据进行实时监测[31].Nie等[45]利用多传感器和多指标信息融合方法进行损伤识别，有效提高识别的精度.

对海量数据的提取以及信息的可视化越来越被研究者重视.通过数据可视化技术，发现大量数据中隐含的规律，从而为决策提供依据.如何自监测系统中测得的海量数据中提取有用信息，并将其用可视化的图像或动画展示出来，是一个新的热点和发展方向.较早的损伤检测可视化方法为损伤检测信息融合法[46].该方法将各检测数据按照一定的数学算法，如贝叶斯理论，概率与数理统计等[47,48]，整合后按图形理论进行编码和展示.在早期损伤检测可视化的研究中，普遍是应用高速摄像、X射线、热成像等技术.这些方法只适用于小型结构的人工巡检，不适用于大型土木结构.基于结构动力特性的损伤识别方法的研究已经相当成熟，它们揭示的是结构整体的量，各类动力指标已经应用到研究与实践中.所以，基于结构动力特性的损伤识别可视化方法的研究有其特有的发展潜力.聂振华等[49]和Nie等[50,51]运用计算机数字化图形学和图像处理技术，将多损伤指标参数转换为二维或三维的图像，并融合在原结构上，以颜色或灰度来标示损伤特性信息，使结构的损伤信息以可视化的图像展示出来，得以直观显示，以便普及和推广.

3.3 非线性方法

真实的动力系统几乎都含有各种各样的非线性因素，诸如桥梁结构系统中材料弹塑性、构件大变形等.非线性动力学在理论和应用方面近20年来发展迅速，使得越来越多的学者采用非线性动力学理论和方法对工程中的非线性系统建立数学模型，从而预测其长期的动力学行为，揭示其内在的规律.桥梁结构作为复杂的大型结构体，其短期内的动力响应基本可视为平稳过程，但是随着长期的疲劳损伤以及自身及外部随机载荷的变化，其长期动力响应必然为非平稳过程.且在强冲击，地震作用下结构也包含非线性振动特性.因此，桥梁结构监测到的动力响应时间序列包含了明显的非线性特征.而对于桥梁结构的安全监测和损伤检测，经研究，如果只考虑结构的线性振动，将丢失大量的损伤信息[52].

基于响应的相空间重构的非线性动力学方法为桥梁损伤检测和安全监测提供另一种全新的方法.相空间检测法的优越性在于非线性因素的揭示，而传统的损伤检测法往往忽略这一点，使得大量损伤信息被忽略而不能识别出结构早期微小损伤.其基本思想是将测得的一维响应时间序列拓展到多维空间域来研究.Todd等[53]利用混沌序列作为结构外部激励源进行结构的健康监测，证明了基于混沌的非线性方法具有较大的发展潜力.文献[54,55,56]应用响应重构相空间的拓扑结构变化构建了一系列的损伤特征量.Nichols等[57]通过响应吸引子相空间构建了损伤特征量ALAVR(average local attractor variance ratio)对一铝悬臂梁结构进行损伤检测，结果表明，此方法比动力指纹方法要敏感得多.Ryue等[58]应用响应吸引子相空间的关联维数为损伤特征量成功进行损伤检测.然而，上述研究都需要混沌时间系列的外部激励，在大型土木结构实际应用中，应用混沌序列来激励很难得以实现，因此在土木结构安全监测的应用中具有一定困难，而且上述研究只检测出损伤的存在(结构螺丝的松动)，并没有尝试损伤定位的研究.Nie等[59]和聂振华等[60]利用单自由度弹簧振子，证明了在环境激励下基于重构相空间方法的可行性，并提出了新的损伤因子，识别出了结构的损伤存在和损伤位置.Nie等[61]和Cheng等[62]利用相空间重构技术，直接将结构动态响应以相轨迹的形式展开，根据损伤前后相空间拓扑结构的变化成功定位损伤，并得出本方法对噪音免疫、对损伤敏感的特性.

3.4 移动载荷下单个传感器的损伤定位

由于传统的方法需要足够多的传感器数量，因此寻求用少量甚至是单个传感器来识别出结构损伤位置，成为当前研究的热点.典型的就是应用移动载荷(桥梁结构中为车辆交通载荷)作为激励源，在结构某个位置测量结构响应，用单个传感器进行损伤识别.这种方法紧密联系实际，不存在传感器的优化配置问题，在传感器用量上有了质的飞跃.这种思想早期是Zhu等[63]在2006年提出的，作者提出用连续小波变换的方法分析梁式桥梁结构在移动载荷作用下某点的响应，变换后小波系数在载荷经过裂纹位置时出现峰值，从而达到定位损伤的目的.这种新方法最大的优点就是只需要单个传感器，方法简单，操作性强.赵俊等[64]利用小波多分辨率分析梁上某一点位移信号，有效地识别出单个及多个裂纹,同时扩展到多个同向和相向移动载荷作用下梁的损伤识别，然而这种方法在移动载荷速度较小时识别效果良好，速度越大识别效果越差.Hester等[65]研究了单尺度小波变换方法只能在裂纹较大时才显示其有效性，多尺度小波变换在微小裂纹检测中更加灵敏有效.Khorram等[66]比较了用连续小波变换分析桥梁中点的响应和安装在移动载荷装置上的响应，两种方法均能定位损伤，但是后者在灵敏性上更有优越性.利用小波变换方法的同类研究可见文献[67,68].

除了小波变换方法，2012年Roveri等[69]利用希尔伯特-黄变换分析桥梁在移动载荷作用下跨中位置位移响应，成功进行损伤定位.其方法步骤首先是通过经验模态分解将信号分解成若干个分量，再用希尔伯特变换前几阶分量，得到希尔伯特谱，即时间-频率谱，通过时间-频率谱峰值进行损伤定位.其理论依据是移动载荷在不同位置时桥梁振动频率也相应改变，所测信号则为非平稳信号，而希尔伯特-黄变换在分析非平稳信号具有其先天优越性，当移动载荷经过损伤位置时频率变化最大且出现峰值，从而检测出损伤.Li等[70]应用移动载荷作用下基于小波的信号重构技术进行损伤定位，这种方法的好处就是不需要移动载荷的任何信息，并且用实验验证了其有效性[71].Cavadas等[72]用数据驱动的方法对移动载荷下结构上单点响应，判断结构损伤发生的时刻以及损伤位置.Nie等[73]利用重构相空间办法分析桥梁在移动载荷下的单点响应，用相空间拓扑结构变化成功定位损伤.

移动载荷是对车辆载荷和重物的简化模型，与桥梁组成“车辆-桥梁”耦合系统.分析在移动载荷作用下，桥梁结构的振动特性，用单个测点进行桥梁损伤定位和安全监测是今后重要发展方向.

4 桥梁安全监测新的发展方向

桥梁安全监测和损伤检测在实际工程中的应用是循序渐进、逐步发展的过程.根据目前桥梁安全监测的研究水平、发展状况及热点研究问题，以及当前各个技术领域的发展状况和趋势，以下几个方面问题的研究在桥梁安全监测未来的发展上可能具有重要意义.

4.1 基于大数据分析的桥梁安全监测

结构安全监测所测得数据是海量的，如何运用这些海量数据是当前一大难题.大数据思想目前成功应用于电信、通讯、电子商务、卫生、气象、军事等领域，所以我们认为，基于大数据分析的桥梁安全监测的研究是今后发展的重要方向.结构安全监测大数据的核心将是预测，把数学算法运用到海量数据来预测桥梁事故发生的可能性.桥梁安全监测大数据将开启一次重大的转型，大数据，大挑战，必须变革思维.因此桥梁安全监测大数据处理须要有3个思维的转变：

(1)要分析与桥梁安全相关的所有数据，而不是依靠少量的数据样本.

(2)接受数据的纷繁复杂，而不再追求精确性.允许不精确，大数据的简单算法比小数据的复杂算法更有效.纷繁的数据越多越好，不是竭力避免，而是标准化途径.

(3)不再探求难以捕捉的因果关系，转而关注安全的相关关系.大数据里无须再紧盯桥梁事故的因果关系，而应该寻找事和物之间的相关关系，这会给我们提供非常新颖且有价值的观点.

相关关系的核心是量化两个数据之间的数理关系，相关关系强是指一个数据增加，另一个数据值也随之增加.如谷歌预测流感趋势，全球公共卫生系统难以快速做出统计和判断，因为信息的获取和信息的传达往往有一到两周的延迟，疾控中心每周才汇总一次，这种滞后可能会是致命的.而谷歌公司的工程师在《Nature》杂志上发表了震惊卫生官员和计算机科学家的论文，解释为何能快速预测冬季流感的传播趋势：通过观察人们在网上的搜索记录来完成预测，谷歌正是用庞大数据中与感冒有关联的词条来预测该地区有更多的人患了流感.相关关系弱意味着一个数据值增加，另一个数据几乎不变.核心就是找到一个与桥梁现状和表现的良好关联物，能捕捉现在和预测未来.首先只要知道“是什么”就够了，用相关关系成功进行预测，而因果关系的探寻是预测和预警之后的工作，这种途径为桥梁安全监测提供一种有别于只关心因果关系的新颖思想.

4.2 发展单个或少量传感器的损伤检测方法

结构安全监测系统在工程应用中进展缓慢的一个最突出的问题就是价格昂贵.应发展应用单个或少量传感器的桥梁损伤定位方法，大大降低成本，将成为今后重要研究方向.能解决传感器的优化配置问题，数据存储和传输等一系列问题.如文中提到的桥梁在移动载荷作用下单个传感器损伤定位方法.研究结构振动理论，提取新的参数，建立该参数为桥梁的物理和材料参数,如长度、截面尺寸,杨氏模量(刚度)、密度等以及传感器位置、损伤位置、损伤程度的函数关系式.在桥梁材料和物理参数已知的情况下，建立两个不同位置传感器的损伤定位的方法.如式(1)

式中,p1和p2为从信号中新提取的参数，a=d/h为损伤深度与截面高度比，λ为损伤位置，l为传感器相对位置参数，L为桥梁长度，ρ为密度.等价于求解两未知量a和λ的二元一次方程组，达到损伤位置和程度的检测目的.

4.3 非线性方法的发展

由于真实的动力系统几乎都含有非线性因素，基于非线性动力学观点来思考，采用非线性动力学理论和方法，对工程科学的非线性系统建立数学模型，充分捕捉隐藏在非线性振动里的损伤信息，预测其长期的动力学行为及内在规律性，是一个很有意义的课题.

如将结构刚度与混沌振子系统的混沌阈值关联起来，建立含有结构刚度的损伤混沌阈值公式，建立结构的微小损伤混沌报警方法；研究相空间嵌入维数、关联维数，以及最大李雅普诺夫指数等参数与结构非线性振动特性的关系；研究以材料性质、截面尺寸、损伤位置、损伤程度、传感器安装位置等为变量等，与响应相空间的嵌入维数或最大李雅普诺夫指数以及其他新提取的指数的关系.建立这些指数的函数关系，或者经验公式，从而检测出结构损伤位置和程度.

4.4 根据不同桥梁体系的易损性分析理论和方法

这对城市桥梁安全监测系统的设计十分重要，应该确立导致结构安全性、耐久性和使用性问题的易损构件和部位的理论方法.研究影响桥梁病害的主要因素，分析场地土类型、地基和基础形式、上部结构、支座形式、墩台高度和形式、墩台材料，桥梁长度等桥梁易损性因素.结合各类桥梁不同破坏形式，研究不同桥梁在地震、台风、船撞、车辆载荷和环境激励下的易损性分析理论和方法.针对不同构件计算模型，找到桥梁结构在正常使用状态下最容易发生损伤的构件和部位.

在桥梁结构易损性理论中定义损伤准则计算得到桥梁的易损性曲线.易损性曲线可以较为直观地反应在不同强度外载荷作用下，桥梁各个构件在不同的损伤程度下的损伤顺序，确定出桥梁结构损伤的最不利位置，从而得到结构的失效路径.桥梁易损性分析不仅可以给出桥梁中各个构件的损伤级别，也可以给出不同桥梁损伤的程度的差别，从而方便桥梁的维修与管理.

4.5 无线传感技术和数据传输技术

无线传感技术已得到了人们的大量关注.无线传感系统是一种对现有的监测方式具有革命性意义的传感系统，将大大地促进结构安全监测系统的发展.传统的有线传感系统因其布线量大，监测范围有限,对周边环境要求较高而难以满足要求,而无线传感系统因其具有测点布置范围广、成本低、不会因布线给周边环境带来影响、可以长时间在线监测等优点,特别适用于大型结构的安全监测.虽然当前无线传感技术迅猛发展，但其在工程应用和网络建设及系统的研发方面还不尽如人意，无线传感和数据传输技术的研究对工程应用具有重要意义.

5 结语

桥梁健康监测-心得 篇2

桥梁健康监测讲义中主要包括以下几个内容：

1、桥梁健康监测的基本概念；

2、桥梁健康监测研究现状

包括：桥梁监测传感器研究现状；土木工程测试技术研究现状；传感器的优化布设、系统集成与数据传输网络技术研究现状；桥梁结构健康监测数据管理与控制技术研究；桥梁损伤识别技术的研究现状；有限元模型修正与模型确认现状；桥梁健康监测海量数据挖掘；结构健康监测系统的设计指南和标准的研究现状。

3、桥梁健康监测方法

包括：基于动力的健康监测方法；联合静动力的健康监测方法；桥梁健康监测的应用。

心得体会

虽然本人不是桥梁设计或者桥梁检测专业出身，但是在飞尚公司也大致了解了桥梁监测的现状，通过这次学习，再次深入的了解了桥梁健康监测的现状，再次写一下自己的几点心得(不一定对，也不一定全面，只是个人的心得体会和看法，和大家共勉)：

第一：是否应该参照国外桥梁监测先进经验和过往经验(是否需要对国外桥梁监测现状进行调研？)，结合国内情况及国内桥梁健康监测现状，走出一条适合自己的监测之路(当然不是说国外的就是好，但是从近现代以来，确实是西方国家引领了包括桥梁设计和检测监测 工业革命潮流)。

第二：桥梁健康监测包括施工期监测和运营期监测(我 的理解是运营期监测市场的主要方向)，要想知道监测的方向应该要了解更多的桥梁设计或者桥梁检测监测行业规范书本(毕竟检测是曾经的主流，未来也许是监测的天下)；而桥梁设计或者桥梁检测监测行业规范的制定是国家桥梁结构等相关机构(例如住建部、中国建筑设计研究院等单位引领制定的，因此我科室为了达到一定的行业高度，应该多多参与参加类似的会议，当然前提是咱们这个级别能否参与的了，或者间接参与也可)，国外是否也是类似的方式？

第三：不论是检测还是监测，前端用的都是传感器，传感器也分静态传感器(如表面应变计、裂缝、位移等)、动态传感器(加速度、动应变等)；还可分接触式和非接触式，其中接触式是现在的主流，哪些监测项未来会用非接触式传感器(或者已经用了，如视频摄像等)。

基于物联网的桥梁安全监测的探讨 篇3

物联网 (Internet of Things, 简称IOT) 就是“物物相连的互联网”。这有两层意思:第一, 物联网的核心和基础仍然是互联网, 是在互联网基础上的延伸和扩展的网络;第二, 其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间, 进行信息交换和通信。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算、泛在网络的融合应用, 被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。物联网是互联网的应用拓展, 与其说物联网是网络, 不如说物联网是业务和应用。因此, 应用创新是物联网发展的核心, 以用户体验为核心的创新2.0是物联网发展的灵魂。

从物联网技术体系结构角度解读物联网, 可以将支持物联网的技术分为四个层次:感知技术、传输技术、支撑技术与应用技术。感知技术是指能够用于物联网底层感知信息的技术, 它包括RFID与RFID读写技术、传感器与传感器网络、机器人智能感知技术、遥测遥感技术以及IC卡与条形码技术等。?传输技术是指能够汇聚感知数据, 并实现物联网数据传输的技术, 它包括互联网技术、地面无线传输技术以及卫星通信技术等。支撑技术是指用于物联网数据处理和利用的技术, 它包括云计算与高性能计算技术、智能技术、数据库与数据挖掘技术、GIS/GPS技术、通信技术以及微电子技术等。应用技术是指用于直接支持物联网应用系统运行的技术, 它包括物联网信息共享交互平台技术、物联网数据存储技术以及各种行业物联网应用系统。

物联网在业界大致被公认为有3个层次, 自下而上依次是感知层、传送层和应用层。如果拿人来比喻的话, 感知层就像皮肤和五官, 用来识别物体、采集信息;传送层则是神经系统, 将信息传递到大脑进行处理;人能从事各种复杂的事情, 这就是各种不同的应用, 如图1所示。

感知层由各种传感器以及传感器网关构成, 包括温度传感器、湿度传感器、二维码标签、RFID标签和读写器、摄像头、GPS等感知终端。感知层的作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢, 它是物联网识别物体、采集信息的来源, 其主要功能是识别物体、采集信息。

网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成, 相当于人的神经中枢和大脑, 负责传递和处理感知层获取的信息。

应用层是物联网和用户 (包括人、组织和其他系统) 的接口, 它与行业需求结合, 实现物联网的智能应用。

物联网技术充分运用在各行各业之中, 主要把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中, 然后将“物联网”与现有的互联网整合起来, 实现人类社会与物理系统的整合。从而可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活, 达到“智慧”状态, 提高资源利用率和生产力水平, 改善人与自然间的关系。

2 桥梁安全与健康监测

2.1 桥梁健康监测原因

桥梁的运营环境非常的复杂, 影响桥梁运营安全和健康的不利因素分为外部因素和内部因素两方面, 具体情况如下:

2.1.1 大自然的不可抗力 (如滑坡、地震、恶劣天气等等) 的影响;

2.1.2 桥梁结构设计缺陷的影响;

2.1.3 桥梁结构材料腐蚀老化等的影响;

2.1.4 桥梁自身承受重力能力等的影响。

这些因素不仅会影响人们行车安全, 更会缩短桥梁使用寿命, 因此对桥梁结构的健康状况进行检测与监测甚至对其安全性能进行评估是维护桥梁正常运营重要内容之一。

2.2 桥梁健康监测的概念

桥梁健康监测概念是通过对桥梁结构状态的监控与评估, 为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号, 从而为桥梁维护维修与管理决策提供更好、更有效的依据和指导。

2.3 桥梁健康监测的内容

2.3.1 施工阶段的健康监测内容

由于在施工阶段会受到一些不利因素的影响, 从而导致结构变形和受力与原先桥梁设计状态要求不符。为了避免以上问题的出现, 我们在施工中需要进行健康监测。其监测的主要内容如下:

1) 几何形态检测。获取已经完成的结构的实际几何形态参数, 如高程、结构或缆索的线形、结构物的变形和位移等。

2) 桥梁截面应力监测。主要是对混凝土应力、钢筋应力和钢结构应力的监测, 也是桥梁施工过程的安全预警系统。

3) 索力监测。近年来大跨径桥梁采用斜拉桥和悬索桥等缆索承重结构越来越普遍, 而斜拉桥的斜拉索悬索桥的主缆索及吊索的索力是设计的重要参数, 也是桥梁安全监测的主要监测内容。

4) 预应力监测。主要对预应力筋的张拉真实应力、预应力管道摩擦导致预应力损失以及永久预应力值进行监测。

5) 温度监测。对大跨径桥梁, 尤其是斜拉桥或悬索桥, 其温度效应十分明显, 斜拉桥的斜拉索随温度的升降直接影响主梁的标高;悬索桥主缆索的线形也将随温度而变化, 此时对温度进行监测十分必要。

6) 下部结构监测。对于斜拉桥和悬索桥等特大型桥梁, 其购物基础分部集中, 荷载集度通常非常大, 因而必须对地基的内外部变形、地锚的应力以及主塔桩基的轴力等进行监测。

2.3.2 运营阶段的健康监测内容及使用的传感器

1) 荷载监测。包括风、地震等。所使用的传感器有:风度仪———记录风向、风速进程历史, 连接数据处理系统后可得到风功率谱;强震仪———记录地震作用。

2) 表面形貌监测。监测桥梁各部分的静态位置、动态位置、沉降、倾斜、位移等。所使用的传感器有:位移计、倾角仪、GPS、数字相机等。

3) 结构强度监测。监测桥梁的应变、应力、索力、动力反应、扭矩等。所使用的传感器有:应变仪———记录桥梁静动力应变、应力, 连接数据处理后可得构件疲劳应力循环谱;测力计 (力环、磁弹性仪、剪力销) ———记录主缆、锚杆、吊杆的张拉历史;加速度计———记录结构及各部分的反应加速度, 连接数据处理后可得结构的模态参数。

4) 振动监测。监测结构的振动、冲击、机械导纳以及模态参数等。

5) 性能趋向监测。监测结构的各种主要性能指标等。

6) 非结构部件及辅助设施。监测支座、振动控制设施等。

根据监测对象的不同, 影响其工作性能的控制因素也就不同, 从而导致监测出的物理参数也尽不相同。因为同一物理参数对不同的结构又具有不同的灵敏度, 所以效果也不同。因此, 桥梁结构健康监测对象的选择是至关重要的一步。

对于大型桥梁结构, 我们应以振动监测、荷载监测、强度监测和表面形貌监测为主要目标, 且选择灵敏度高的特征参数或几种参数联合使用作为监测对象。

2.4 桥梁健康监测系统的组成及监测管理方法

桥梁健康监测系统主要包括各类软硬件系统, 其中各类高性能智能传感元件、信号采集与通讯系统、综合监测数据的智能处理与动态管理系统、结构实时损伤识别、定位与模型修正系统、结构健康诊断、安全预警与可靠性预测系统是关键部分。桥梁健康监测系统是利用一些传感器 (如光纤传感器、压电传感器、GPS、风速风向仪等) 来读取桥梁各部分结构的倾斜、应力、沉降、位移、风速、风向、温度等参数, 通过网络将这些数据传输到桥梁监控室的数据处理设备上, 由专业的数据处理设备和处理方法来对信号进行存储、处理、分析和显示, 最终显示给用户的是一段时间内连续采集的各个数据。各方专家会同桥梁设计部门可以对某些数据设立警戒值, 当某个数据超过了相应的警戒值, 系统会主动报警, 提醒管理人员及时做出反应。

因而对于桥梁运营期间结构安全和健康的监测, 我们应当将系统工程的理论、方法及实践有效的结合起来, 深入了解桥梁安全和健康的各种因素的特性及相互关系和桥梁表观病害与结构内部状态的关系。随着科技的迅猛发展, 我们寻求到更有效对桥梁安全和健康状态监控管理的方法———物联网系统技术。

3 桥梁安全评估

桥梁的安全评估的性能指标内容包括: (1) 可靠性评估, 桥梁各组成部分在强度、刚度等方面是否满足现有运输荷载的要求以及能否适应运输荷载的进一步发展; (2) 耐久性评估, 指建桥材料的耐久性和结构抗疲劳损伤的性能, 即迄今为止的疲劳损伤度及剩余寿命; (3) 适用性评估, 主要指车辆通过桥梁时走行的安全性和舒适度等。

3.1 监测参数与评价指标选取

桥梁在长期的使用过程中不免会发生各种结构损伤, 损伤的原因可以是使用、维护不当、车祸事故等人为因素, 也可能是地震、风暴等自然灾害。此外某些要道上交通量以大大高于预测流量的速度猛增也加剧了桥梁结构的自然老化, 这些因素均导致了桥梁承载能力和耐久性的降低, 甚至影响到运营的安全。因此如何合理评估现有桥梁的承载能力, 并使之规范化, 便成为桥梁状态评估的核心。在此基础上才能对桥梁的损伤和病害建立一套现实客观的维修决策系统。

目前国内外对桥梁健康状态的评价缺乏统一有效的综合性指标, 对桥梁进行安全性评估, 首先建立系统评价指标体系, 除需验算其承载能力外, 尚需通过监测数据的实测, 评估其承载状态 (构造、不适于继续承载的位移或变形、裂缝等) 的安全性, 才能全面地做出评定结论。指标体系是决策过程中对某一问题进行决策的判据, 评价指标的制定要尽可能地做到科学、合理、实用。对于不同结构的桥梁, 其评价指标体系亦应有所差异和侧重。

桥梁监测参数指标有动力参数指标和静力参数指标, 对桥梁的远程动态监测, 以使用最少的监测参数和监测成本为宜, 静力参数指标比较适合。而且, 桥梁结构的静力参数指标测量要比动力参数指标的提取更直接, 并且在测量精度上前者优于后者。桥梁结构的挠度和应变是反映桥梁安全性的重要指标。桥梁挠度监测主要是测量活荷载引起结构的变化, 应变监测反映了桥梁结构在荷载作用下构件的局部受力状况。

3.2 评估方法与流程

20世纪80年代中期以来, 国内外学者针对桥梁结构的安全性评价进行了广泛深入的研究, 提出了层次分析、灰色关联分析与变权综合等多种方法。但现有的评价方法存在评价模型简单、指标体系不完整以及评价结果较为粗糙等缺点, 而且往往集中于对桥梁各部分构件的检测与单独评价, 缺乏对桥梁整体安全性的综合评价。现有的评估方法各有优缺点及适用条件, 在桥梁的实际评估过程中, 可以结合桥梁结构的具体特点和受力机理, 基于监测数据为基础的结构安全评价体系, 开发不同原理、相互补充的安全评价方法, 建立桥梁安全性评估模型, 对桥梁的安全性进行综合评定。近年来人们提出了许许多多的结构整体检测方法, 从研究和应用的角度看, 这些方法大致可分为模型修正法和指纹分析法两大类:

模型修正法在桥梁健康监测中主要用于把试验结构的振动反应记录与原先的模型计算结果进行综合比较, 利用直接或间接测知的模态参数、加速度时程记录、频率响应函数等, 通过条件优化约束, 不断地修正模型中的刚度分布, 从而得到结构刚度变化的信息, 实现结构的损伤判别与定位。这种方法在划分和处理子结构上具有很多优点, 但由于测试模态集不完备、测试自由度不足以及测量噪信比高的原因, 很少能给出修正所需的足够信息, 导致了解的不唯一。同时采用传统方法进行参数估计时易产生病态方程。针对这些问题, 一方面, 可以考虑利用动边界条件进行子结构模型修正以减少未知数的方法;另一方面, 可以通过良态建模、合理划分子结构以及最优测点布置来获取最大信息量进行解决。目前这些方法都在研究之中。

结构整体监测的另一类方法就是寻找与结构动力特性相关的动力指纹, 通过这种指纹的变化来判断结构的真实状况.通常用到的动力指纹有频率、振型、振型曲率/应变模态、功率谱、MAC (模态保证标准) 、COMAC (坐标模态保证标准) 指标等。大量的模型和实际结构试验表明结构损伤导致的固有频率变化很小, 而振型虽然对局部刚度变化比较敏感, 但精确量测比较困难。MAC, COMAC等依赖于振型的动力指纹都遇到同样的问题。振型曲率应变模态则在传统的低幅值振动测试中变化量量级过小, 难以起到有效的判别作用。这类方法的成功应用将有待于寻找新的动力指纹。

在监测数据采集的基础上, 根据评价及决策分析所关注的问题和目标, 结合桥梁数据库、专家知识库、桥梁运营现状条件等确定相关判据及评价指标体系和边界条件, 建立评价及决策系统数学模型, 在最优化分析的基础上进行科学的评价和决策。桥梁安全评估流程如图3所示。

4 结语

随着我国公路交通业的高速发展。各类已建桥梁结构满负荷甚至超负荷运营的情况十分普遍, 加之各种自然灾害的影响及周边环境的人为改变, 桥梁的安全运营问题日益引起人们的重视。基于物联网技术构建桥梁安全监测评估系统, 目的在于能够充分利用先进的物联网技术构建更为科学和完善的桥梁安全与健康监测体系。以提高桥梁运营管理的水平和效率。希望得到业内专业人士的关注、支持和指导, 使该体系得到完善和改进。并能够在桥梁安全运营管理工作中得到实际的应用和推广。

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[6]兰海, 史家钧.灰色关联分析和变权综合法在桥梁评估中的应用[J].同济大学学报, 2001, 29 (1) :50-54.

桥梁安全监测 篇4

目前, 国内外大型桥梁安全监控系统多针对单个桥梁进行数据采集与检测, 由于测点众多分布分散, 彼此间相距甚远, 且数据传输多通过有线网络完成, 不仅安装布线麻烦、成本高, 而且也难以实现对多个大型桥梁 (桥梁集群) 安全状况的同时监控。

物联网是在计算机互联网的基础上, 利用RFID、无线数据通信等技术, 构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”。在这个网络中, 物品 (商品) 能够彼此进行 “交流”, 而无需人的干预。其实质是利用射频自动识别 (RFID) 技术, 通过计算机互联网实现物品 (商品) 的自动识别和信息的互联与共享 (二维码就是其中常用的一种) 。

长期以来, 对于桥梁的安全检测一直以人工方式为主。人工检测监控不仅需要大量的人力物力, 而且不能及时发现问题, 不能完全满足桥梁安全监控信息采集的需要。为此提出一种基于物联网的集群式桥梁安全监测预警系统。

这种桥梁安全监测预警系统采用应力、应变、位移、速度、加速度等力学传感器, 以及温度、湿度等环境传感器构成传感网络, 通过现代通信技术将采集信息实时无线传输到信息中心分析和处理, 从而实现对桥梁安全状况的监测预警、分析、评估, 以及危险桥梁的及时预警。

2 监控预警系统的组成

针对现有技术中不足, 提供一种基于物联网的集群式桥梁安全监测预警系统。本系统采用在被监控的多座桥梁上安装桥梁安全状态数据采集与处理子系统, 在后台安装桥梁安全监测预警中心, 并采用物联网来实现桥梁安全状态数据采集与处理子系统与桥梁安全监测预警中心之间的数据传输, 从而降低施工难度与成本, 监控点的布置更为灵活。图1为基于WI-FI通信技术的集群式桥梁安全监测预警系统的整体结构示意图。

3 具体实现方式

3.1 桥梁安全状态数据采集与处理子系统

桥梁安全状态数据采集与处理子系统如图2所示, 主要组成部分有:

1) 桥梁环境监控子系统:实时测量桥梁环境参数, 包括风向风速、温湿度、气压等, 设置有风向风速传感器、温湿度传感器、气压传感器等;

2) 桥梁整体振动监控子系统:测量桥梁整体结构沿纵、横向振动参数, 设置有GPS振动测量系统;

3) 桥梁结构应力应变监控子系统:采集结构的动静态应力应变参数, 设置有电阻式应力应变传感系统或者光纤光栅传感系统, 较好地掌握桥梁的受动态荷载 (车辆、地震、台风) 下结构的响应;

4) 数据预处理与无线发送系统, 见图2:设置有SAM9G10微处理器和WI-FI无线通讯模块。前者用于按照测量桥梁环境参数、桥梁整体结构振动参数、结构的动静态应力应变参数等各种不同参数的采集频率要求, 对原始参数进行平滑滤波处理, 经整理后形成桥梁安全监控数据存储到数据存储表;无线通信模块, 用于将数据存储表中的桥梁安全监控数据以无线方式发送到桥梁安全实时监测中心。

风向风速传感器、温湿度传感器、海水盐度传感器分别通过D/A转换模块与SAM9G10微处理器相连接;GPS变形测量系统通过CAN接口与SAM9G10微处理器相连接;桥梁结构应力应变监控子系统设置有光纤光栅传感系统, 光纤光栅传感系统通过TCP/IP网络接口与SAM9G10微处理器相连接;WI-FI无线通信模块通过CAN接口与SAM9G10微处理器相连接。

3.2 桥梁安全监测预警中心主要组成部分:

1) 桥梁结构分析模型 (见图3) :用于将每个桥梁安全状态数据采集与处理子系统上传的桥梁安全监控数据输入到对应桥梁的结构模型, 计算得出在当前环境及受力状态下不同桥梁安全指标参数, 包括结构变形、结构疲劳状态、结构动态响应等;

2) 集群式桥梁安全监控分析系统:根据桥梁结构分析模型得出的各个桥梁安全指标参数, 通过桥梁设计指标、相关桥梁规范的对比、分析, 以及相似环境不同结构桥梁、相似结构不同环境桥梁安全状态的对比性分析, 分别得出所监控桥梁集群的安全状态、寿命预测, 以及统筹的维护保养策略和措施。

4 结束语

这种基于物联网的集群式桥梁安全监测预警系统, 采用物联网来实现桥梁安全状态数据采集与处理子系统与桥梁安全监测预警中心之间的数据传输, 降低施工难度与成本, 监控点的布置更为灵活。由于对多座桥梁安装安全状态数据采集与处理子系统, 因而可以实现集群式桥梁安全监测预警。

通过集群式桥梁安全监控, 实现对散布在较大区域内的多座桥梁安全状态数据的横向比较、统一管理、彻底改变以往单座桥梁安全监控系统彼此之间无法实现信息共享的“信息孤岛”局面, 更便于对区域内相似环境、不同结构桥梁或不同环境、相似结构桥梁安全状况的纵向、横向分析比较与研究, 从而有利于促进桥梁结构的优化设计, 并实现多座桥梁的养护与加固。

摘要：对现有服役桥梁进行安全监控, 提出一种基于物联网的桥梁安全监控预警系统, 采用在被监控的桥梁上安装桥梁安全状态数据采集与处理子系统, 在后台安装桥梁安全监测预警中心, 并采用物联网实现数据传输至桥梁安全监测预警中心, 实时进行分析和处理, 从而实现对桥梁安全状况的监测预警、分析、评估, 以及危险桥梁的及时预警。

关键词：桥梁安全,监测预警系统,物联网

参考文献

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桥梁安全监测 篇5

随着桥梁结构工程建设的持续发展, 桥梁结构作为交通系统的重要组成部分, 其战略重要性与必要性也与日俱增, 在国民经济建设中起着举足轻重的作用。作为交通系统的重要组成部分和主干枢纽的桥梁, 尤其是桥梁在社会发展与国民经济建设中具有极其突出的作用和相当的战略意义。然而, 在桥梁运营过程中, 反复受到车载、风载等多种荷载的作用, 同时受到气候、疲劳、材料老化等各种外界因素和材质劣化的影响, 导致桥梁结构在未达到工程设计使用年限前就发生不同程度上的结构表面或内部缺陷, 使桥梁结构抗力逐渐衰减, 桥梁结构的安全性、适用性和耐久性受到严峻威胁。传统桥梁检测在很大程度上依赖于管理和技术人员的经验, 缺乏科学系统的方法, 信息得不到及时反馈。如果桥梁结构的病害不能及时评估以及估计不到位, 从而易错过最佳养护检修时机, 致使桥梁劣化进程的加快, 桥梁的使用寿命亦会与之相应缩短。另一方面, 对桥梁结构评估过高, 使桥梁承载能力不能充分发挥。由此, 找寻一种实时而有效的监测在役桥梁的状况, 特别是对交通运输起着至关重要的大型桥梁运营状况的桥梁健康监测方法, 达到预知桥梁病害程度, 及时采取应对措施, 以确保在役桥梁健康安全运营, 确保交通系统稳定通畅就显得尤为重要。

1 桥梁健康监测概述

桥梁健康监测通过对桥梁结构状态的监控与评估, 为桥梁在异常气候、复杂交通情况下或桥梁异常运营状况时触发预警信号, 为桥梁的养护、维修和决策管理提供依据与指导[1]。考虑到监测范围包含桥梁多个方面的参数, 同时在设计、运行各环节受到诸多外界因素的制约, 不同桥梁健康监测系统往往存在一定的差异, 但典型的桥梁健康监测系统通常由以下四套子系统构建而成[2,3,4]。

1) 数据信息采集子系统 (传感器子系统) 。该子系统主要是通过布设在结构各控制点及关键位置的不同类型传感仪器收集反映整个结构健康状态的监测数据, 并实现实时数据采集、自动存储、预处理、即时分析、自动传输。

2) 数据通信与传输子系统。该子系统主要是将布设在桥梁结构上的传感设备所采集到的数据通过有线或无线传输方式传输至远程监控中心。

3) 数据存储子系统。该子系统主要是对数据通信与传输系统的实时监测数据进行存储, 同时实现子系统为实时预警、结构健康评估、信息服务等功能提供数据支持。

4) 远程综合管理子系统。该子系统主要利用网络及监控软件对桥梁结构进行远程监视控制, 并对监测采集到实时数据和历史信息进行分析, 实现对结构的同步健康预警和科学数字化、信息化评测。

桥梁健康监测可以通过布设在结构中的数据信息采集子系统自动、长时采集桥梁的各个运营状态参数, 如荷载、挠度、应变以及振动特性等, 随后数据经控制中心预处理后通过通信系统发送至控制中心, 经过数据系统分析处理得到桥梁结构的健康评估信息、损伤病害分析、安全隐患、耐久性缺陷、诊断结构突发和累计损伤发生位置与程度、剩余寿命估计、养护维修建议以及交通控制管理决策等实时结论, 并对发生上述后果的可能性进行判断与预测。

2 桥梁健康监测研究现状综述

2.1 国外桥梁健康监测研究现状

自20世纪70年代起, 桥梁结构健康监测技术便逐渐得到世界各国的重视。1971年, 美国制定了国家桥梁检测标准 (NBIS) , 其提供了检测方法的细节、检测时间间隔和检测人员资格的统一的指导, 在此之后, 世界各国在桥梁健康监测方面都有一定程度的发展。

随着传感技术、数据传输技术、信号处理技术、计算机应用技术等的快速发展, 桥梁结构健康监测系统亦愈加成熟。自20世纪80年代中后期以来, 世界各国开始建立相应规模的桥梁结构健康监测系统, 如英国在总长522 m的三跨变高度连续钢箱梁桥Foyle桥上布设传感器以监测大桥运营阶段主梁在风荷载和车辆荷载下的响应 (挠度、振动及应变等) 。该系统是最早安装的较为完善的健康监测系统之一, 它实现了实时监测、实时分析和数据网络共享[5]。此外, 挪威主跨530 m的Skamsundet斜拉桥、美国主跨440m的Sunshine Skyway斜拉桥、丹麦主跨1 624 m的Great Belt East悬索桥和总长1 726 m的Faroe跨海斜拉桥均建立了成熟且典型的桥梁结构健康监测系统[6]。

2.2 国内桥梁健康监测研究现状

我国桥梁结构健康监测较世界发达国家起步相对较晚, 1997年, 上海徐浦大桥建立了我国第一套桥梁结构健康监测系统, 其监测内容包括:车辆荷载、主梁标高、主梁跨中断面应力及应变、主梁自振特征、斜拉索索力及斜拉索的振动等, 实现了我国桥梁结构健康监测系统成功运用大量的多类型传感器及系统集成技术对桥梁结构运营过程中工作性能的连续、实时监测及评估[1,2,3,4,5,6]。在此之后, 我国先后在钱江四桥 (系杆拱桥) 、南京长江一桥 (连续梁桥) 、南京长江二桥 (斜拉桥) 、重庆大佛寺大桥 (斜拉桥) 、润扬长江大桥 (悬索桥) 、晴川桥 (下承式钢管混凝土拱桥) 苏通长江大桥 (斜拉桥) 建立了不同规模的结构健康监测系统[1,2,3,4,5,6]。

目前随着对特大型、大型重要桥梁结构工程安全性、耐久性与正常使用功能的日渐关注, 桥梁工程建设事业得到了前所未有的发展, 我国的桥梁建设技术已跻身世界前列, 与建设技术相匹配的桥梁结构健康监测技术正以惊人的速度飞速发展。

2.3 桥梁安全检测新方法

基于现有的桥梁常规检测方法的局限性, 随着计算机技术、激光扫描、3D相机技术的快速发展, 国内大量学者开始研究将三维激光扫描技术应用于桥梁结构健康监测。目前国内外普遍适合于桥梁结构日常安全检测的设备主要是移动三维激光扫描系统和定点三维激光扫描系统测量[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。

1) 移动三维激光扫描系统。移动测量系统 (Mobile Mapping Systems, MMS) 是将数字相机、激光扫描仪、动态位置/姿态测量单元 (POS) 等多个传感器集成在一个移动的平台上, 在基于时间同步的条件下, 自动给移动平台提供连续的定位信息, 同时获取三维地理空间数据的测量系统, 目前国内外已有为数众多的机构在此领域的研究中投入巨大。自1989年第一台移动测量系统GPS Van诞生于美国始, 各个国家从未停止过在移动测量领域探索的脚步。

2) 定点三维激光测量系统。定点三维激光扫描系统是将数字相机、激光扫描仪等多个元件集中于一个较小的平台上, 该平台可根据测量需要进行搬移, 但是在测量时需要固定在一个固定支架上。定点三维测量能够避免移动测量系统在移动过程中造成误差。

3 讨论

3.1 传统桥梁检测方法存在的问题

目前国内外在日常安全桥梁检测领域, 常用的安全检测方法有以下几大类:传统的病害检测、依赖桥梁检测车的常规检测和远程健康检测[7,8,9,10]。

1) 传统的病害检测方法。该方法主要依靠望远镜、支架等辅助仪器来进行桥梁的日常检查, 这种传统的桥检方法存在下述问题。

(1) 技术及机动性能落后。对于跨江、跨河、跨海之外的桥梁结构, 采用搭架, 桥检人员在其上进行检测。而跨河、跨海等特大型、大型则需船上搭架的方式进行监测, 然而对于桥梁结构过高以至于船只没法靠近, 搭架的方法无法满足要求, 该类桥梁目前尚无很好的检查手段。

(2) 成本高、耗时长。由于搭架耗费大量的人力、物力, 通常桥梁检测费用的相当比例 (70%~80%) 是用在搭设支架、拆除支架以及租用相应船只等方面, 并且整个过程耗时较长, 明显阻碍桥梁检测进程。

(3) 交通影响大。以搭设支架或船上搭架的方式对桥梁进行检测, 势必对桥梁的通行孔或通航孔进行交通封闭, 对交通产生极大影响。

(4) 安全度较小。工作人员在支架上或者船上对桥梁实施检测, 基本上无任何防护措施, 易造成安全事故。

(5) 检测范围小。

(6) 主观性强。现有的桥梁常规检测中, 由于自动化程度低, 检测人员的参与程度非常高, 因此, 检测结果就不可避免地受到检测人员个人专业知识和经验的影响。

2) 依赖桥梁检测车的常规检测。依赖桥梁检测车的常规检测主要依靠体积庞大的专业桥梁检测车进行。从使用过程看, 其局限性主要有:现有桥检车的目的仅为提供人工观测平台, 检测结果极其依赖于工作人员的业务素质和主观性。但由于该方法切实有效、容易实现, 所以国内外普遍采用。

3) 远程健康监测。远程健康监测是在桥梁结构关键部位安装传感器或视频监测系统, 优点是可及时发现病害, 缺陷是一次性投入大, 且维护成本高, 观测点有限, 并且受远程健康监测系统自身价格等因素的影响, 该方法多用于斜拉桥、悬索桥等大跨径桥梁结构, 对于众多的中、小跨径的梁式桥梁而言使用较少。此外传感器采集系统在自身的可靠性、稳定性、耐久性上得不到保证, 不能适用于量大面广的众多桥梁。

3.2“桥梁面相学”理论

针对上述目前桥梁常规检测方法存在的问题, 2013年, 重庆交通大学周志祥教授提出“桥梁面相学”理论[7,8,9,10], 即仅依据桥面几何形态的时效变化, 来获知桥梁结构近期安全状况的科学。通过对历次桥面形态数据变化的规律进行分析比较, 从桥面几何形态的三维数据出发, 来判断桥梁当前安全状况, 桥梁结构若存在危及安全的结构病害相应反映到桥面表观形态上。

基于“桥梁面相学”理论, 对桥面几何形态三维点云数据去噪后经Matlab拟合, 从而桥面几何形态三维点云数据, 能够描述桥面真实形态在不同荷载组合下的真实变形状况。根据材料力学中弯矩与曲率的关系, 猜想可对桥面几何形态三维点云数据做出以下几种处理, 从而达到对桥梁结构损伤程度、损伤位置及损伤数量的识别。

1) 基于曲率突变的损伤识别。提取桥面几何形态三维点云数据中横桥向与纵桥向两个特征截面的其对应特征曲线, 由特征截面挠度曲率曲线进行桥梁结构损伤识别。

2) 基于高斯曲率的损伤识别。高斯曲率的几何意义即它反映了曲面的弯曲程度。根据桥面几何形态三维点云数据高斯曲率的变化程度可判断曲面的八种不同形态, 进而对结构损伤进行识别。

3) 基于曲率模态的损伤识别[7,8,9,10]。曲率模态分析可直观表现桥梁结构局部特性变化, 即可正交性, 亦可叠加性, 其局部结构敏感性远远优于位移模态。由桥面几何形态三维点云数据检测某阶曲率模态在损伤前后的变化即可明显确定损伤位置及损伤情况。通过曲率模态曲线即可有效对桥梁结构损伤程度、损伤位置及损伤数量的识别。

“桥梁面相学”理论主要是针对桥梁的日常安全监测, 由“桥梁面相学”理论获得的日常安全监测数据对桥梁的定期检测提供数据参考并具有一定的指导性作用, 与桥梁的定期检测数据结合分析, 进而准确地评判桥梁的安全等级。

4 结论

基于“桥梁面相学”理论的桥梁健康监测的新型桥梁结构日常安全检测是一个很新颖的方向, 随着三维激光扫描技术的快速进步, “桥梁面相学”理论的应用亦会愈来愈广, 但要从真正意义上实现观“桥梁面相”而对桥梁结构做出健康诊断与评级、推动其在实践中的应用, 基本实现桥梁健康监测长期稳定经济的营运要求, 还需后来的桥梁工作者与研究人员的不懈努力与探索。[ID:003558]

摘要：桥梁工程健康监测力求实时监测桥梁结构整体行为的同时, 对结构各状态进行智能化、信息化、数字化评估。本文概述了桥梁健康监测与“桥梁面相学”的含义, 综述了国内外桥梁健康监测的研究现状以及传统桥梁检测方法所存在的问题。最后进一步阐述了“桥梁面相学理论”的新型日常安全监测。

关键词：桥梁面相学理论,健康监测,桥梁

参考文献

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[4]李海军.桥梁检测技术探讨[J].辽宁省交通高等专科学校学报, 2006, 8 (3) :16-18.

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[6]吕晔.桥梁健康监测及发展趋势浅析[J], 公路交通科技:应用技术版, 2014, 9 (4) :25-26.

[7]周志祥, 唐亮, 周劲宇.桥面形态数据采集设备及获取桥梁表面面相的方法[P].中国专利:CN103266559, 2013.

[8]周志祥, 唐亮, 周劲宇.BP桥梁安全巡检车及获取桥梁表面面相的方法[P].中国专利:CN103266559A, 2013.

[9]周志祥, 周劲宇, 唐亮.车载桥面形态-结构安全监测系统及检测方法[P].中国专利:CN102636364A, 2012.

桥梁空心板裂缝监测方案 篇6

关键词：桥梁工程,空心板,裂缝,监测

在我国桥梁的上部结构中, 预应力混凝土空心桥因其运输、施工及安装上的巨大优势, 在中、小跨径桥梁中应用十分广泛。然而, 对国内众多空心板桥的历次定期检查中, 均会发现部分空心板底纵、横向裂缝较多, 且部分裂缝缝宽已超过规范限值的现象。为保证空心板桥的正常服役, 在养护经费尚不能满足对所有缝宽超过规范限制的空心板进行彻底维修处治的背景下, 对空心板板底横、纵向裂缝进行监测以了解其状态和发展趋势有很大的现实意义与必要性。本文从对某高架桥空心板实施裂缝监测出发, 介绍一种有效的空心板裂缝监测方法。

1 工程背景

某高架桥地处经济发达的近海省份, 交通流量较大, 2011年检查发现空心板底少量横向裂缝, 部分板底横向裂缝甚至贯通, 延伸至腹板, 对结构的承载力和耐久性均有较大不利影响, 因此曾多次进行过加固处治。从历次检查的结果对比来看, 部分裂缝缝宽已超过规范限值, 横、纵向裂缝在缝长和缝宽方面均有一定程度发展。

该桥上部结构构造均为预制空心板 (先简支后转换成连续梁板) , 单幅桥面横向布置为0.5m (防撞护栏) +14.75m (桥面) +0.5m (防撞护栏) , 由16块空心板组成, 边板宽99cm, 中板宽99.5cm, 高70cm, 板间用铰缝连接, 上部结构横断面布置如图1。

2 监测目的

公路桥梁的使用期长, 交通量大, 疲劳效应与突变效应等因素的耦合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减。具体表现为: (1) 环境恶劣, 腐蚀效应明显; (2) 疲劳效应和疲劳累积损伤突出; (3) 桥梁结构的冗余度相对较小。针对高速公路空心板桥结构建立结构监测系统, 可把握结构损伤、抗力衰减及其演化规律, 实现对结构安全性、耐久性评定与预测。对重大工程结构的检测、维修与控制的科学决策, 保证结构安全运行具有重要的工程意义和社会价值。

对本次拟进行监测高架桥而言, 可以在正常通车条件下, 通过对裂缝进行监测和实测结果分析来判断、评价纵、横向裂缝的状态和变化规律, 并分析判断此类横向裂缝采用加固措施的效果, 为桥梁管养单位后期采取合理措施提供建议与参考。

3 监测方案

裂缝宽度是裂缝发展程度的一项重要指标, 一般可通过裂缝观测仪对其进行观测, 但长时间持续的用仪器直接对裂缝宽度进行测量十分不便。应变反映的是结构变形的相对变化, 是桥梁结构受力状态和安全评价的一个重要指标, 测量的手段较多。本监测方案中拟通过跨缝安装应变传感器, 监测结构变形的方法来监测裂缝的发展水平, 同时辅助裂缝观测仪测量裂缝宽度值作为应变监测数据的验证。

3.1 测点的选择

经对历次检查发现的板底裂缝的形态比较发现, 大部分纵向裂缝位于板底1.5m~13.5m的桥跨范围内, 普遍位于板底中部, 基本较为连续, 缝长差异较大, 缝宽大部分小于0.15mm。已经发现的板底横向裂缝, 已基本进行了维修处治, 单板板底出现横向裂缝数量较少, 且出现板底横向裂缝的板较为分散。为使裂缝监测结果具有代表性, 应选择裂缝特性 (缝长、缝宽、位置) 在桥各跨中比较普遍的裂缝进行监测。最终选择测点如表1。

3.2 传感器的安装

传感器是数据采集的基础, 传感器安装的质量直接决定着所采集数据的准确度和可信度。结合本监测所选用的传感器的特点, 器安装主要分为以下步骤: (1) 混凝土面的打磨与清灰; (2) 传感器底座的黏贴; (3) 传感器测杆与螺旋测头的安装; (4) 传感器的调零。最终本监测传感器安装后的实景如图2。

3.3 数据的采集

数据采集的连续性、完整性、准确性是对结构裂缝状态进行合理评估的前提。

由于本监测拟对空心板裂缝进行适时监测, 数据采集内容包括汽车荷载下最大响应峰值的采集和基准值的采集。前者一般在上午十点到十二点左右或下午四点到傍晚六点左右, 后者通常在监测系统施工完毕, 并将系统调试和检测完毕后, 选择其中一天的晚上十二点至次日清晨三点进行桥梁在温度等作用下的结构响应数据的采集, 以此作为后期数据处理和裂缝状态状况评估的参考点。拟定每月进行一次数据采集, 每半年一小结, 一年出具监测报告。

数据采集的时间、频率在前期按照原方案进行, 后期根据前期的测量分析结果和分析的要求。当出现特殊的气候、交通条件下和桥梁运营状况异常时应进行相应调整。

3.4 监测数据的分析与评价

本监测方法中主要通过测试测点应变, 然后将应变转化为缝宽来间接测试缝宽的变化情况, 并采用裂缝宽度仪进行数据验证。因此监测以应变监测为主, 同时观测裂缝长度。所以主要利用实测数据中的基准值与汽车荷载作用下的响应峰值两个重要信息对结构裂缝的状态进行评估, 其中基准值为除去汽车荷载的环境 (如温度作用等) 激励下结构的应变响应。由于裂缝监测是根据结构在同一位置上不同时间的测量结果的变化来识别裂缝的状态, 所以本项目中主要通过不同时期的基准值的对比, 并参考汽车荷载作用下的响应峰值的对比结果来分析判断裂缝是否存在明显发展趋势和变化规律。

4 结论

空心板纵、横向裂缝普遍存在, 以此作为空心板病害的监测对象极具代表性, 通过对监测和实测结果分析可以较好的来判断、评价纵、横向裂缝的状态和变化规律, 并分析判断不同裂缝加固措施的实施效果。

通过桥梁空心板裂缝的监测, 建立服役桥梁的健康监测系统, 起到确保桥梁安全运营, 延长桥梁使用寿命的作用, 同时通过早期发现桥梁病害能大大节约桥梁的维修费用, 可以避免频繁大修关闭交通所引起的重大损失。

参考文献

[1]黄松雄, 袁新利.桥梁工程预应力空心板裂缝原因分析及控制[J].黑龙江交通科技, 2010 (03) .

[2]何传时.现浇预应力连续空心板梁底横向裂缝原因分析及预防[J].中国公路, 2005 (18) .

[3]孙琳.公路桥梁预应力空心板施工工艺[J].科技风, 2010 (01) .

桥梁健康监测系统的构成 篇7

1 硬件部分

健康监测系统的硬件主要用于桥梁参数的采集和数据处理, 在监控分中心设置数据服务器进行系统数据分析处理, 并设置工作站计算机进行实时监控, 在桥梁现场设置网络传输设备和数据采集处理设备进行远程数据的传输和采集, 在桥梁的不同位置设置原始数据采集设备进行桥梁实时状态的监测。原始数据采集设备如下:

(1) 风力风向监测设备

成桥后风荷载是桥梁结构的主要动力荷载之一。在风荷载作用下, 桥梁的主要构件索、梁和塔都将产生振动, 引起疲劳损伤累积, 导致桥梁抗力衰减。通过监测风速、风向, 统计最大风速值、风荷载脉动特性及风功率谱密度等, 可以得出结构的风与结构响应关系, 从而对结构进行风致振动的分析。

(2) 环境温度监测设备

通过环境温度的监测, 可以分析环境温度对结构静力响应的影响, 以使基于静力测试的识别方法能更准确地反映结构基准状态;可以分析环境温度对振动特性的影响, 以使基于振动测试的损伤检测方法能更准确;可以预测可能出现的极限环境温度荷载。同时, 空气湿度对结构的耐久性影响也较大。环境监测中温度和湿度的监测对于分析结构状态和结构损伤发展状态是重要的参数指标, 另外温湿度监测可以为系统采集站设备的工作环境控制提供参考数据。

(3) 结构温度监测设备

构件温度的分布状况将直接影响到结构的变形和内力状态, 构件温度场中的温差效应的实际分布也是设计单位关心的一个重要结构参数 ;对结构温度分布情况的监测可以用于分析结构温度场对结构静力响应的影响, 以使基于静力测试的识别方法能更准确地反映结构基准状态 ;可以帮助分析结构温度场对振动特性的影响, 以使基于振动测试的损伤检测方法能更准确 。因此温度荷载的监测可以帮助考察可能出现的极限温度场荷载 , 为结构分析提供帮助。另外温度场监测可为部分监测设备做温度补偿。

(4) 地震监测设备

地震荷载的监测是指在地震事件或船舶撞击下监测大桥桥址处的地震动加速度时程及其频谱, 为结构整体和局部的动静力响应及灾后评估提供依据, 为大桥管理部门处理突发事件提供资料。

(5) 动态交通荷载监测

交通荷载的监测一方面可以对运营期大桥的交通量进行统计, 对过桥的车辆轴重、速度、车长进行动态实时监测, 当车辆超载时可给出预警。另一方面, 车辆交通荷载的监测可以为结构响应大小提供对比的参照, 提供桥梁是否处于无车辆活荷载的近似恒载的判断依据, 作为桥梁恒载状态对比分析的前提条件。

(6) 结构应变监测设备

对构件应力的监测可以分析求解出测点的应力状况。结构的应力是重要的结构局部信息, 一旦应力超限, 便可能导致材料开裂或破坏, 进而导致构件和桥梁的破坏。应变指标是运营期间安全性预警的重要信息, 也是结构状态分析的参考信息, 尤其对一些关键的结构部位 (如主梁跨中、主梁支座顶部、桥塔根部等) , 必须对其进行监测。

(7) 主梁挠度监测设备

桥梁主梁挠度直接反应了主梁当前的整体受力状态, 桥梁挠度也是监测系统预警和安全评定的主要指标。

(8) 索塔倾斜监测设备

桥塔是斜拉桥的主要承重构件, 桥塔一旦出现较大倾斜, 整个斜拉桥会有倾覆的危险。另外桥塔沿桥纵向倾斜也是索力不均匀分布的表现。

(9) 主梁及索塔空间变位监测设备

主梁和索塔的空间变位是反映大桥安全状态及进行内力状态评估分析的重要参数, 是结构安全预警的重要指标。

(10) 整体位移监测设备

斜拉桥主梁在温度作用下会发生纵向变形, 这种纵向变形将通过伸缩缝处主梁端部位移来反映。伸缩缝处主梁端部位移与温度之间具有一定的对应关系, 通过监测可以掌握主梁纵向变形情况, 如果主梁的纵向变形异常 (变形未被释放) , 则会导 致主梁出现较大的温度应力, 这对主梁安全将产生危险。

(11) 斜拉索索力监测设备

斜拉索是斜拉桥最重要的受力构件, 斜拉索索力的变化直接反映桥梁结构受力状态的变化, 关系到整座大桥的安全, 通过索力的监测能够为运营期间的安全性提供直接的预警信息和状态评估信息。

(12) 动力特性监测设备

桥梁动力特性参数的变化 (频率、振型、模态阻尼系数) 是桥梁构件性能改变的标志。桥梁的振动水平 (振动幅值) 反映桥梁的安全运营状态。桥梁自振频率的降低、桥梁局部振型的改变可能预示着结构的刚度降低和局部破坏, 是进行结构损伤评估的重要依据。

(13) 腐蚀监测设备

桥墩支撑着整个桥梁, 一旦出现问题, 后果极其严重。桥墩所处位置环境恶劣, 各种腐蚀因素会导致桥墩混凝土耐久性降低, 通过对桥墩处混凝土耐久性CL-腐蚀进程监测, 能及时掌握桥墩混凝土的腐蚀程度, 在腐蚀速度过快或腐蚀程度过大时可及时进行补救。

在桥梁现场设置的工作站进行数据转换后, 将光信号和模拟信号转换成数字信号, 通过光缆传输到监控分中心, 在现场的工作站设置一套同步时钟系统, 以保证各个设备采集数据的同时性。

2 软件部分

健康监测系统要实现全桥整体状态的监测, 离不开最后软件系统的数据分析与处理, 其中, 又可以把软件系统分为三大块, 分别是:

(1) 数据采集与传输系统

数据采集与传输系统是整个健康监测系统实现的首要条件, 通过这个子系统, 实现了对传感器信号的采集、处理、存储、传输与显示功能, 现场设备与数据服务器紧密联系, 可以随时对所需要的数据进行调用。

(2) 数据处理与分析系统

这个子系统是桥梁健康监测系统的核心, 它完成桥梁巡检、养护管理及预警功能, 实现巡检动态数据的录入、存储、导出、上传功能。达到桥梁健康监测系统要求的数据接收与处理服务器上的数据传输、数据下载、数据处理及数据存储等功能, 并通过 WEB 统一门户形式, 提供给用户使用。

(3) 数据库管理系统

根据系统运行数据的规模和系统功能要求, 数据库管理系统利用数据库软件, 作为结构健康监测系统数据存储及共享的平台。这个子系统是整个系统的基础。

软件部分三个子系统实际上是密不可分的, 系统进行数据分析, 不仅仅是自动采集的, 也包括人工巡检后录入数据库的数据。其中桥墩变位、斜拉索索力、斜拉索探伤、钢结构焊缝探伤、腐蚀、混凝土强度、混凝土碳化深度、混凝土裂缝测量、桥面线形、桥面状况、混凝土表观状况、钢结构状况、斜拉索状况、阻尼器状况、伸缩缝状况、支座状况、桥梁的抗震设施、人行通道、护栏状况、其他设施状况等都需要人工巡检后录入。

3 桥梁健康监测系统总体运行

桥梁健康监测系统由外场设备进行数据的采集, 由软件进行数据的归纳分析, 对桥梁的整体状态进行评估, 并根据桥梁的初始状态暨通车前交工后的状态和正常运营时的状态进行对比, 设定桥梁危险信号的预警值, 当系统分析桥梁不安全时, 会自动发出警报, 实现尽早发现、尽早处理的管理方式, 可以提前规避重大事故的发生。

4 桥梁健康监测系统的发展前景

桥梁健康监测系统是电子化数据自动检测与传统人工巡检结合的结果, 它的出现大大降低了桥梁因为不注意的异常情况而发生事故的可能性, 减少了国家经济和人民生命财产的损失, 这是桥梁安全的一大进步, 值得我们普及与推广。

而且甬江大桥健康监测系统使用了对桥梁裂缝监测的技术, 通过表面浅埋分布式光纤进行桥面板裂缝的监测, 区别于传统的BOTDA检测技术, 测量精度大大提高, 这也是健康监测技术的一种进步 (由于原理复杂, 这里不做赘述) 。

由此可见, 健康监测系统降低了运营成本, 减少了人工误差, 节省了大量的人力物力, 大大加强了桥梁健康检测的精确度, 走在了桥梁健康监测的前列, 将会越来越进步, 越来越普及。

5 结束语

南通城市桥梁健康监测平台研究 篇8

南通市区现有城市桥梁近600座, 桥面总面积达126.3万平方米。城市大型桥梁总长近50公里, 桥面面积近100万平方米, 占全市现有城市桥梁的80%。这些大型桥梁总体呈现出“新、悬、大、长、高、多”等特点。由于建设周期短, 施工和监管的力量参差不齐, 加之超载、疲劳等日趋恶劣的工作环境等不利因素, 对桥梁内在质量和耐久性产生了巨大的影响。然而, 目前的桥梁管养还基本上停留人工目测巡检辅以清扫、疏通和表面修复。这种管养方式手段单一, 检查盲点多, 发现问题往往浅表、局限, 检测结果难以客观定量分析, 缺乏整体性、系统性、连续性和实时性。工作结果很大程度上取决于人的经验和认知, 对大型桥梁特别是特殊结构大型桥梁的健康状况缺乏全面的把握和了解。美国联邦公路委员会的一项调查表明, 基于人工目测检查的评估结果有56%是不恰当的。

2平台建设的必要性和意义

随着南通城市桥梁数量剧增, 桥梁管养技术与之矛盾凸显, 如何系统有效地保证南通城市桥梁的健康和安全服役已成为桥梁管养工作的难点和重点。平台建设的意义在于:

2.1有效解决传统检查体系的松散、粗放, 实现工作的程序化、信息化、规范化, 促进城市桥梁养护管理体制的不断改进与完善, 提高桥梁养护管理水平。

2.2有效解决了传统检查体系无法触及的桥梁部位, 实现了外观评价和内在研判结合, 实时监测和定期检查结合, 动态监控和静态查看结合的检查体系, 保证了检查工作的整体性和健康评价的全面性。

2.3实现了桥梁健康状况评估的实时性, 能够及时、系统地发现和评估桥梁的损伤与质量退化, 尤其是在桥梁受突发事件 (如强烈地震、强台风或其它严重事故等) 影响之后的安全性评估, 能为事件的有效处置提供了可靠的技术保障。

2.4实现了多级报警、综合预警机制, 能让管理者及早发现、处置桥梁病害和安全隐患, 使桥梁寿命周期内结构性病害的影响降到较低水平。

2.5实现了桥梁健康数据的信息化管理, 通过监测系统对大数据的综合分析, 可以更为准确地研究桥梁在各种真实荷载作用下的受力、变形和整体运行状态, 以便完善桥梁使用性能预估模型, 更为准确地预测未来桥梁使用性能的变化, 为日后桥梁设计的优化、施工和管养成本控制提供科学、客观的依据, 从而降低桥梁建设和运行的综合成本。

3平台特征与功能

南通城市桥梁健康监测平台以云计算技术为依托, 综合运用现代传感器技术、无线通信技术、互联网技术, 桥梁结构分析技术对桥梁健康状态进行的全过程、全天候实时在线监测、分析、预警、处警、诊断、评估。平台系统核心是通构建桥梁的“神经系统”, 通过人工检查、实体检测和结构状态监测的有机结合实现智能化的桥、人交流, 实现对桥梁病害的早发现, 早诊治, 为常态化、预防性桥梁管养机制提供技术保障。

3.1平台框架

平台系统框架采用模块化设计, 每个模块都能独立工作, 其中一个模块的故障不会影响其它模块正常工作, 不论它是否与其它模块连接。主要包括:数据采集与传输子系统、数据处理与控制子系统、大数据分析子系统和集成管理子系统。按照定向化、模块化、人性化、开放性、可靠性原则设计。

3.2预期功能

平台系统集物联网、云计算和大数据存储管理分析于一体, 为城市桥梁管理者提供结构数据融合、数据异地备份容灾、大数据存储管理分析、结构监测分析与报告、综合安全评估与智能预警等服务。

3.2.1信息化管理:提供桥梁基础性资料、维护管理等各类信息的数字化功能, 实现桥梁信息化管理。桥梁管理单位的日常检查、维护等管理记录可以通过专门模块同步录入平台, 管理者可以根据桥梁、构件编码查询其维护、病害演变和加固修复记录, 为科学管养提供基础保证。

3.2.2实时远程管理:提供高速互联网接入, 用户可以根据不同的授权, 通过互联网、手机APP实现随时随地访问系统, 查看桥梁现场实时监测情况, 信息、指令可以即时传递。基于平台的提供的桥梁地理信息, 为管理者智能指挥交通出行, 科学组织应急管理提供技术支撑。

3.2.3大数据分析:通过云计算服务器群提供强大的数据分析和挖掘能力, 对监测系统积累的大数据进行定期自动和人工分析, 也可以根据桥梁管理的需要作定向的局部分析, 整体分析, 叠加分析, 趋势分析等。

3.2.4综合安全评估:通过系统的桥梁监测结构性能分析, 对桥梁结构进行综合安全评估, 按管理需求定期、不定期地生成评估报告;尤其是在特殊事件之后的即时评估, 为交通安全提供了有力的技术保障。

3.2.5智能预警管理:通过智能预警体系, 平台会根据桥梁“神经系统”出现的不同程度的反馈即时发出相应级别的预警, 告知相关管理职能部门或人员, 实现对桥梁结构健康的预防性管理, 降低和控制损伤发展, 进而有效遏制严重病害或者安全事故的发生概率。

3.2.6专家实时诊断:基于完整的桥梁信息、畅通的网络通道, 实现桥梁专家在线诊断病害, 评估健康状态的功能, 打通基础薄弱管养单位匮乏桥梁专业技术和病害诊治经验的瓶颈, 让桥梁管理向更加科学、系统。

3.3优点及特点

3.3.1全寿命周期管理能力:平台可以将桥梁建设、养护、检测、监测、维修等数据综合进行系统管理, 实现各类信息的智能化共享。

3.3.2在线监测完美解决能力:平台根据不同桥型定制了在线监测方案, 通过集约化管理, 精简桥梁现场在线监测设施, 实现大、中、小型桥梁全面在线监测可能。

3.3.3科学、高效的数据分析处理能力:借助优质稳定的平台系统服务器群, 把日常检查、定期检测和实时检测的数据汇总, 通过科学高效的大数据分析处理, 实现桥梁病害分类管理、系统分析、综合评估的目的。

3.3.4管养互动能力:通过桥梁信息化管理能力, 实现桥梁养护、桥梁预警、桥梁检测的有机互动。

4主要技术与建设内容

4.1数据标准

为保障数据通信安全, 降低数据处理与仪器设备的耦合度, 实现设备的可复用和系统综合解决方案的灵活性, 平台将在充分研究省市城市管理和桥梁信息化标准的基础上提出数据采集及传输标准, 以提高系统部署效率和数据通信的稳定性。平台将设计并提出基于桥梁类型、构件、病害等多种因素下的编码机制, 使实时监测数据与桥梁信息档案、人工巡检等人工录入数据有机结合起来, 为桥梁信息化提供标准的数字模式。

4.2数据库

平台的综合服务性决定了系统建设的复杂性, 系统面对的数据和信息类型众多。为此, 平台将采用关系型数据库+Nosql数据库相结合的方式, 构建基于桥梁信息管理的数据库系统及基于云计算的桥梁信息查询数据库系统, 并实现两者之间的良好结合。关系型数据库采用MSSQL Server数据库, 并采用Hadoop平台进行分布式存储和计算。

4.3网络系统

平台提供多种网络接入模式以保障手持终端录入、在线监测远程无线接入、远程internet接入模式的可靠性, 同时系统采用数据中心增设光纤宽带、申请顶级域名、多IP地址管理、端口映射虚拟机等多种方式开展网络建设, 保证网络和接入点的访问速度。

4.4数据采集

平台需要采集的桥梁数据包括文字、图片、视频、报告等基本信息数据, 和通过布设传感器自动采集产生的各类实时数据。基本数据一方面通过平台的标准窗口按照规定格式人工录入, 另一方面由数码相机采集在线传输。实时数据应用光纤光栅传感、弦式传感器技术, 根据不同桥型针对性对桥梁上关键部位的结构变形、环境温度分布、结构振动等多项参数进行实时采集。

4.5数据处理和存储

桥梁健康监测平台将采用基于开源云平台Eucalyptus建立, 提供高质量的数据存储空间、数据同步和数据管理解决方案, 保障数据的安全可靠, 实现数据异地备份容灾。计划采用Ubuntu10.04服务器版内置的Eucalyptus软件, 以单集群方式构建私有云平台。该云平台由三台物理机构成, 一台作为前端结点 (front-end) , 安装Cloud Controller、Cluster Controller、Walrus和Storage Controller组件;另外两台作为云节点 (Node) , 安装Node Controller组件。

4.6数据安全

平台建设将对数据中心建立硬件防火墙、软件防火墙, 数据库采用多重安全机制保障数据安全;管理系统将建立多级权限管理机制;通过设计用户管理、权限管理、角色管理等方式, 在保障系统安全运行同时, 尽可能提供更大的用户管理灵活性。

结束语

随着城市的加速发展, 大型桥梁自身的工作环境也日趋恶劣。通过桥梁健康监测平台的运用, 将显著提高城市桥梁管理水平, 有效地保证桥梁的健康服役, 最大限度地确保桥梁的安全运营, 最大效能发挥其经济效益。

参考文献

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