原琨　李楊

摘要：指出了橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的傳感器數(shù)據(jù)處理存在的問題，提出了超聲波在橋梁監(jiān)測(cè)中的使用及數(shù)據(jù)處理方法。通過超聲波技術(shù)在相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析驗(yàn)證了超聲波傳感器在橋梁監(jiān)測(cè)中的可行性、抗噪聲干擾的優(yōu)勢(shì)以及數(shù)據(jù)處理的可靠性，為橋梁內(nèi)部鋼筋健康狀況提供一種新的無(wú)損監(jiān)測(cè)方法。

關(guān)鍵詞：橋梁；健康監(jiān)測(cè)；超聲波；傳感器；鋼筋；多源識(shí)別

中圖分類號(hào)：TU112.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2016）06-0143-04

1 前言

一直以來(lái)政府和公眾都對(duì)橋梁的健康安全狀況給予高度關(guān)注，如今無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外的諸多橋梁都存在不同的安全隱患。在中國(guó)，橋梁的建設(shè)速度受到質(zhì)量控制滯后的制約，每年均有橋梁倒塌事故的發(fā)生，造成難以挽回的重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。自1985年起，不同規(guī)模的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開始在國(guó)外出現(xiàn)并運(yùn)行。20世紀(jì)90年代起我國(guó)也開始在某些大型的橋梁上安裝規(guī)模各異的橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，例如香港汲水門大橋，青馬大橋和汀九大橋，內(nèi)地的江陰長(zhǎng)江大橋和上海徐浦大橋等。

2 橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀分析

針對(duì)振動(dòng)模態(tài)分析技術(shù)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的提出和應(yīng)用方面獲得的主要成果是：通過進(jìn)行強(qiáng)迫橋梁振動(dòng)的試驗(yàn)，判斷出局部結(jié)構(gòu)發(fā)展對(duì)模態(tài)參數(shù)的影響。根據(jù)可變荷載、恒荷載，以及支承地基對(duì)橋梁健康狀態(tài)的影響，驗(yàn)證了在橋梁健康自動(dòng)監(jiān)測(cè)中使用環(huán)境振動(dòng)法的可行性；通過獲取數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行修正，根據(jù)振型、頻率、振型曲率、應(yīng)變振型等改變量，開發(fā)出不同類型的定位技術(shù)和損傷檢測(cè)技術(shù)；在數(shù)據(jù)處理上主要有MAC法、COMAC法、柔度矩陣法、矩陣攝動(dòng)修正法、非線性迭代法以及神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)法等。這些方法在一定范圍內(nèi)能夠發(fā)揮較為積極的效果，但隨著橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不斷研發(fā)存在一系列問題：如未能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)點(diǎn)傳感器的鋪設(shè)，且抗干擾性差，易受外界環(huán)境的影響；噪聲、風(fēng)雨的干擾導(dǎo)致收集到的數(shù)據(jù)存在較大誤差，從而使數(shù)據(jù)處理的難度大大提高；未能實(shí)現(xiàn)橋梁病害的自動(dòng)識(shí)別。

筆者針對(duì)這些問題，提出了超聲波傳感器在橋梁監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，解決了傳感器鋪設(shè)時(shí)尋求最優(yōu)點(diǎn)的問題，提高了傳感器的成活率，同時(shí)針對(duì)超聲波傳感器收集到的數(shù)據(jù)建立了簡(jiǎn)單易行的數(shù)據(jù)處理及多源識(shí)別系統(tǒng)。

3 超聲波傳感器的工作原理及監(jiān)測(cè)可行性

應(yīng)用超聲波技術(shù)監(jiān)測(cè)橋梁內(nèi)部的鋼筋健康狀況的超聲波監(jiān)測(cè)法屬于無(wú)損監(jiān)測(cè)。超聲波監(jiān)測(cè)法對(duì)橋梁構(gòu)件進(jìn)行宏觀缺陷檢測(cè)并進(jìn)而就構(gòu)件的變形損傷進(jìn)行評(píng)價(jià)。橋梁服役期間，由于荷載風(fēng)雨雪等的影響所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件都會(huì)面臨程度不同的累積損傷，通過無(wú)損檢測(cè)技術(shù)方法的應(yīng)用可以獲得橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)部鋼筋的健康狀態(tài)信息，從而與原始狀態(tài)的鋼筋進(jìn)行對(duì)比，以判斷累積損傷對(duì)鋼筋結(jié)構(gòu)的改變。

超聲波監(jiān)測(cè)法是一種不受光照溫度電磁場(chǎng)的非接觸式測(cè)量方法，已被廣泛用于醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)、高精密儀器的監(jiān)測(cè)、軍事導(dǎo)航等領(lǐng)域。超聲波是一種高于20kHz的機(jī)械振動(dòng)，能量集中，指向性好，有較強(qiáng)的穿透本領(lǐng)，在遇到兩種介質(zhì)的分界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生類似光波的反射折射現(xiàn)象。因此對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件發(fā)射超聲波，收集對(duì)面接收器收集的時(shí)間數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理可形成構(gòu)件內(nèi)部鋼筋的立體形態(tài)，從而分析其破壞程度，監(jiān)測(cè)其服役情況，及時(shí)做好防御，整治工作。

超聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由超聲波發(fā)射器，超聲波接收器，數(shù)據(jù)采集控制站，數(shù)據(jù)處理模塊組成。超聲波發(fā)射器即超生波電源，其功能是用來(lái)制造超聲頻電能同時(shí)為超聲換能器裝置提供電源。超聲波接收器的工作原理是指?jìng)鞲衅鹘邮章曅盘?hào)，傳感器一般都是壓電陶瓷，聲波信號(hào)達(dá)到壓電陶瓷上，一旦有機(jī)械振動(dòng)，壓電陶瓷能靈敏的將這一機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這樣就能實(shí)現(xiàn)了超聲信號(hào)的監(jiān)測(cè)。壓電陶瓷通過特殊的工藝和切割，有一固定的諧振頻率和帶寬，也就是每一片壓電陶瓷都有其對(duì)某一頻率最為敏感，且有一定的帶寬，所以能制作出不同峰值頻率和帶寬的傳感器，以適應(yīng)不同的監(jiān)測(cè)要求。

橋梁的主要材料為鋼筋混凝土，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，鋼筋達(dá)到屈服時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的塑性變形，構(gòu)件會(huì)出現(xiàn)較大的變形和過寬的裂縫，以致無(wú)法滿足正常使用的要求。鋼筋按其力學(xué)性能的不同可分為有明顯屈服點(diǎn)的鋼筋即軟鋼和沒有明顯屈服點(diǎn)的鋼筋即硬鋼，其應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系如圖1所示。

由圖1可知當(dāng)鋼筋承受較大的應(yīng)力發(fā)生破壞時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的變形，鋼筋鋪設(shè)在混凝土內(nèi)部，鋼筋的密度與混凝土的密度差很大，超聲波在其中傳播的速度會(huì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致接收到超聲波的時(shí)間發(fā)生變化。故可通過超聲波傳感器監(jiān)測(cè)橋梁中鋼筋的變形來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的健康監(jiān)測(cè)。

4 超聲波健康監(jiān)測(cè)工作流程

4.1 傳感器的工作程序及安裝方式

根據(jù)監(jiān)測(cè)的需要設(shè)計(jì)安裝溝槽。讀取圖紙中鋼筋混凝土中的受力鋼筋的位置，在其平行部位預(yù)留溝槽。橋梁跨度較大時(shí)，分段進(jìn)行。溝槽的寬度根據(jù)超聲波發(fā)射器及超聲波接收器的大小設(shè)計(jì)。溝槽要求光滑平整不影響傳感器的正常工作。健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器工作程序如圖2。

在橋梁上的溝槽上安裝滑輪小車（自動(dòng)化且能遠(yuǎn)程指揮），將超聲波傳感器分別安裝在每一段上的滑輪小車上，使其在溝槽內(nèi)能夠按照已經(jīng)設(shè)計(jì)好的運(yùn)行軌道移動(dòng)，從而用較少的傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁內(nèi)部鋼筋結(jié)構(gòu)的全面監(jiān)測(cè)。對(duì)小車及所監(jiān)測(cè)的鋼筋及所在軌道進(jìn)行編號(hào)（表1），并根據(jù)實(shí)際情況與要求設(shè)定各個(gè)小車的運(yùn)行周期。

圖3中，M′、N′、M″、N″分別為所設(shè)溝槽；P是安裝超聲波發(fā)射器的遙控小車所在位置；Q是安裝超聲波接收器的遙控小車所在位置，在儀器運(yùn)行階段PQ的連線必須與鋼筋所在直線MN保持垂直。將接收到的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

4.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

采用二元數(shù)組的形式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)（表2和表3）。

4.3 數(shù)據(jù)處理及多源識(shí)別

在進(jìn)行調(diào)試時(shí)，根據(jù)鋼筋混凝土試件的不同，橋梁所處的不同環(huán)境，選擇不同峰值頻率和帶寬的傳感器，以適應(yīng)不同的監(jiān)測(cè)要求。

采集到的數(shù)據(jù)均是超聲波的傳遞時(shí)間（t1，t2，t3，…，tn），分別就理想狀態(tài)與試驗(yàn)狀態(tài)的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分析。

（1）理想狀態(tài)（假設(shè)鋼筋混凝土構(gòu)件內(nèi)部的混凝土攪拌絕對(duì)均勻，1dm²驗(yàn)小塊的密度能夠保持一致性）。

橋梁建成未運(yùn)營(yíng)時(shí)：采集原始數(shù)據(jù)組（t1，t2，t3，…，fn）則有（t1=t2=t3=…=tn），安裝超聲波接收器的遙控小車從M′運(yùn)行到N′視為一個(gè)運(yùn)行周期，通過一元一次方程模擬的鋼筋狀態(tài)示意圖（圖4）。

鋼筋發(fā)生一定程度的彎折時(shí)：采集數(shù)據(jù)組（t1，t2，t3，……tn……）則有（t1=t2=t3，t34不等于t35但連續(xù)變化……），并與原始數(shù)據(jù)組進(jìn)行比較，通過一元一次方程模擬的鋼筋狀態(tài)示意圖（圖5）。

由圖4、5可知，有一段鋼筋發(fā)生了彎折，且根據(jù)小車在第t3，t4時(shí)刻所在的位置，估測(cè)出鋼筋的形變位置。

（2）試驗(yàn)狀態(tài)（鋼筋混凝土構(gòu)件內(nèi)部的混凝土攪拌達(dá)不到絕對(duì)均勻，1dm³的試驗(yàn)小塊的密度有輕微差別）。橋梁建成未運(yùn)營(yíng)時(shí)：采集原始數(shù)據(jù)組（t1，t2，t3，……tn……）則有（t1，t2，t3，……tn……不相等但呈現(xiàn)連續(xù)性變化），裝超聲波接收器的遙控小車從M′運(yùn)行到N′視為一個(gè)運(yùn)行周期，通過一元一次方程模擬的鋼筋變形狀態(tài)如圖6。

將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)監(jiān)測(cè)各種破壞的破壞形式從而形成圖像，建立破壞時(shí)的數(shù)據(jù)庫(kù)形成各種破壞模型。監(jiān)測(cè)運(yùn)營(yíng)后的橋梁情況與真實(shí)的初始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，建立如圖7的比較圖像。

當(dāng)監(jiān)測(cè)識(shí)別存在偏差時(shí)，與各種破壞的破壞圖像比較，尋求相似度接近度最高的模型，從而分析橋梁的實(shí)際變形，做出正確的損傷判斷。

上述方法僅能監(jiān)測(cè)鋼筋的上下變形，通過安裝多傳感器即在構(gòu)件的上下位置同時(shí)安裝一套儀器，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋的前后變形監(jiān)測(cè)，通過對(duì)兩組數(shù)據(jù)的合成，實(shí)現(xiàn)鋼筋的三維立體實(shí)測(cè)圖像，如圖8、9所示。

與單一超聲波系統(tǒng)比較，采用多傳感器監(jiān)測(cè)的健康系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更加立體和全方位的監(jiān)測(cè)視角，提高健康診斷的準(zhǔn)確性和可靠性，得到精確的目標(biāo)距離方位信息。

4.4 超聲波健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：鋪設(shè)在橋梁結(jié)構(gòu)的外部，便于安裝維修；不用尋求一般傳感器的最優(yōu)鋪設(shè)位置，通過溝槽的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)橋梁內(nèi)部鋼筋的全面監(jiān)測(cè)。且對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)損傷；使用時(shí)受外界噪聲影響較小，得到的數(shù)據(jù)精確度更高，提高了數(shù)據(jù)的利用率，降低了數(shù)據(jù)處理的難度；超聲波技術(shù)基于傳感器原理，可以進(jìn)行多源數(shù)據(jù)的擴(kuò)充和信息系統(tǒng)處理能力的進(jìn)一步提高，為橋梁健康監(jiān)測(cè)提供了基礎(chǔ)技術(shù)支撐平臺(tái)。

5 結(jié)語(yǔ)

以超聲波作為橋梁健康監(jiān)測(cè)的傳感設(shè)備還處于初級(jí)階段，一方面要投入專用檢測(cè)設(shè)備的研發(fā)，同時(shí)要加大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的軟件開發(fā)工作。超聲波傳感器的快速發(fā)展，對(duì)大型工程結(jié)構(gòu)的無(wú)損監(jiān)測(cè)與信息技術(shù)的結(jié)合，提出了一種新的監(jiān)測(cè)技術(shù)和數(shù)據(jù)收集形式。