張勝卓 杜子超 岳皎潔

（寧波良和路橋科技有限公司 寧波 315042）

1 概述

對橋梁結(jié)構(gòu)進行健康監(jiān)測具有極大的科研價值和現(xiàn)實意義，近年來隨著光纖光柵傳感器的大量工程化應(yīng)用，已經(jīng)形成了采集多種橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)的成套光纖光柵傳感技術(shù)，取得了很好的測試數(shù)據(jù)和監(jiān)測效果?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的梁橋遠程安全監(jiān)測系統(tǒng)，是在傳統(tǒng)光纖光柵安全監(jiān)測系統(tǒng)上的進一步創(chuàng)新。

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴展的網(wǎng)絡(luò)，其用戶端延伸和擴展到了物品與物品之間進行信息交換和通信。物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知、識別技術(shù)與普適計算、泛在網(wǎng)絡(luò)的融合應(yīng)用，被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用拓展，主要是對業(yè)務(wù)和應(yīng)用的創(chuàng)新。因此，應(yīng)用創(chuàng)新是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心，用戶體驗是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的靈魂。梁橋安全監(jiān)測系統(tǒng)便是基于物聯(lián)網(wǎng)而建立的對應(yīng)用管理和用戶體驗得到很大提升的創(chuàng)新系統(tǒng)，它是在傳統(tǒng)梁橋安全監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上搭建綜合應(yīng)用平臺，融合光纖光柵傳感、無線傳輸、智能管理、先進的用戶體驗于一體，從而實現(xiàn)創(chuàng)新的梁橋安全監(jiān)測系統(tǒng)。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的梁橋遠程安全監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)部署結(jié)構(gòu)見圖1，前端的光纖光柵傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過無線數(shù)據(jù)傳輸從前端傳輸?shù)奖O(jiān)控服務(wù)器，并通過服務(wù)器實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)共享和存儲，業(yè)主可以方便地通過網(wǎng)絡(luò)、手機等終端設(shè)備實時監(jiān)控，從而實現(xiàn)物物相連的安全監(jiān)測。

圖1 網(wǎng)絡(luò)部署結(jié)構(gòu)圖

2.2 監(jiān)測內(nèi)容

安全監(jiān)測系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。硬件系統(tǒng)由傳感器、測試二次儀表、無線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備和計算機等構(gòu)成；軟件系統(tǒng)由各種硬件設(shè)備的驅(qū)動、控制及通信軟件構(gòu)成，同時還包含對所測量的數(shù)據(jù)進行處理的數(shù)據(jù)庫管理、專家系統(tǒng)評估軟件等［1］。由軟件和硬件系統(tǒng)密切配合，實現(xiàn)長期健康監(jiān)測及狀況評估的功能。

簡單的監(jiān)測方式主要監(jiān)測的對象為裂縫、溫度、應(yīng)變及振動，需要通過相應(yīng)的光纖傳感器和光纖光柵解調(diào)儀將現(xiàn)場物理量進行采集，并通過以太網(wǎng)或者3 G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h端監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫，通過上位機的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件進行數(shù)據(jù)處理、分析和風(fēng)險評估控制。

光纖光柵解調(diào)儀帶有無線數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能，并能夠?qū)?shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫，通過遠程 WEB或手持終端登陸到系統(tǒng)，并設(shè)置管理員權(quán)限，即可實現(xiàn)與現(xiàn)場視頻監(jiān)控和其他震動、氣象信息的聯(lián)動管理。監(jiān)測內(nèi)容如下：

（1）橋梁裂縫實時監(jiān)測?；炷亮芽p超過0.2～0.4 mm，就可能由于混凝土內(nèi)部鋼筋的腐蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的使用壽命縮短。大到1～2 mm寬的裂縫則可能由于長期過載直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)嚴重損壞。對于混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫需要及時修復(fù)和加固，因此實時監(jiān)測裂縫就顯得非常重要［2］。傳統(tǒng)測量裂縫法包括直接觀察法、敲擊回波法、聲發(fā)射探傷法及紅外熱成像法等。這些方法不能直接測量出裂縫的寬度，也不能測量出垂直于結(jié)構(gòu)表面的裂縫，只能單點測量，不能實時監(jiān)測。此項目采用先進的光纖光柵裂縫傳感器，可以實時監(jiān)控裂縫的發(fā)展走向，判斷裂縫的安全級別。

（2）結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測（混凝土梁跨中關(guān)鍵部位等）。橋梁結(jié)構(gòu)破壞的主要原因是結(jié)構(gòu)局部開裂和失穩(wěn)，應(yīng)力是最直接與安全有關(guān)的因素，橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置的應(yīng)力是結(jié)構(gòu)安全的重要標志，因此應(yīng)力監(jiān)測對結(jié)構(gòu)安全性及健康狀況的把握至關(guān)重要。但是一般無法直接測量得到材料的應(yīng)力，通過應(yīng)變測試來反映應(yīng)力。主要監(jiān)測關(guān)鍵截面正應(yīng)力在運營階段是否在設(shè)計要求范圍內(nèi)，并與理論計算值作對比分析。

（3）橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面的溫度分布。因為結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)變變化與溫度有關(guān)，通過監(jiān)測混凝土梁的溫度分布等，對不同溫度狀態(tài)下橋梁的工作狀態(tài)變化，如變形、應(yīng)力變化等進行比較，為定量分析主梁內(nèi)力及變形提供依據(jù)。

（4）動力特性監(jiān)測。橋梁結(jié)構(gòu)在承受車輛、人群、風(fēng)力和地震等動荷載作用下產(chǎn)生振動，橋梁在動荷載作用下的受力分析是橋梁結(jié)構(gòu)分析的一項重要任務(wù)。

結(jié)構(gòu)的振動信號容易采集和處理，且蘊含了大量反映結(jié)構(gòu)損傷的信息。橋梁結(jié)構(gòu)的振動特性包括結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型、阻尼比以及相關(guān)的模態(tài)剛度、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)阻尼等［3］。沿主梁上、下游方向分別安裝光纖光柵加速度傳感器，與光纖光柵解調(diào)儀等組成高精度加速度測試系統(tǒng)。

2.3 測點布置

本研究針對梁橋其中一跨，選取其應(yīng)力最大的跨中位置作為監(jiān)測截面。梁橋測試截面示意圖見圖2。

圖2 梁橋測試截面布置示意圖

在每片梁橫截面的下緣安裝2個光纖光柵應(yīng)變傳感器，1個光纖光柵溫度傳感器，1個光纖光柵振動傳感器。3個截面共需24個光纖光柵應(yīng)變傳感器，12個光纖光柵振動傳感器和12個光纖光柵溫度傳感器。在伸縮縫位置每幅安裝2個位移傳感器，共需4個位移傳感器。具體位置見圖3。

圖3 梁橋安全監(jiān)測傳感器布點示意圖

3 結(jié)語

目前，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的梁橋遠程安全監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)在吊水巖大橋上安裝并得到成功應(yīng)用。系統(tǒng)采用無線傳感技術(shù)，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)解調(diào)和數(shù)據(jù)壓縮后，通過無線網(wǎng)絡(luò)，上傳到云端服務(wù)器，數(shù)據(jù)在云服務(wù)器上經(jīng)過分析處理及加工，可遠程實時監(jiān)測橋梁的溫度、應(yīng)力應(yīng)變、伸縮縫位移及振動響應(yīng)等傳感器數(shù)據(jù)，并建立了橋梁損傷識別和安全評估模型，實現(xiàn)橋梁健康狀況的在線安全評估和分級預(yù)警，并可以為前端計算機、手持設(shè)備、智能終端、車載計算機等終端設(shè)備提供業(yè)務(wù)支持，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的良好應(yīng)用。

本系統(tǒng)采用先進的物聯(lián)網(wǎng)概念，提高了數(shù)據(jù)采集及傳輸?shù)谋憬菪约跋冗M性，實現(xiàn)了遠程監(jiān)控，且經(jīng)濟易維護。物聯(lián)網(wǎng)的概念使得光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)在橋梁健康監(jiān)測方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］ 劉勝春，郝義昶，南秋明.基于光纖光柵傳感測試技術(shù)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)［J］.中國科技信息，2006（2）：124-126.

［2］ 張 巍，呂志濤.光纖傳感技術(shù)用于橋梁監(jiān)測［J］.公路交通科技，2003（6）：54-58.

［3］ 章關(guān)永.光纖傳感器技術(shù)在橋梁狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.世界橋梁，2002（2）：49-53.