■陳偉元

(福建省交通建設(shè)工程試驗檢測有限公司，福州 350007)

1 引言

隨著經(jīng)濟、社會和科學技術(shù)的不斷發(fā)展，大型橋梁工程的建設(shè)規(guī)模越來越大， 其對國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的影響不斷加深， 以至于保障大型橋梁工程安全成為國家安全發(fā)展戰(zhàn)略的一個重要組成部分。 為了保證大跨度橋梁在運行過程中的安全，避免災(zāi)害、降低損失，需要我們對橋梁結(jié)構(gòu)進行安全監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建， 并采取合理的監(jiān)測手段。國外一些科研人員在1997 年第一次提出了橋梁在線監(jiān)測的概念， 可以解釋為對橋梁結(jié)構(gòu)在服役期間進行長時間、自動的和實時監(jiān)測，然后可以用監(jiān)測系統(tǒng)獲得的橋梁數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)的損傷判斷和安全性評估[1-4]。

橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)的主要技術(shù)措施包括數(shù)據(jù)采集自動化、信息傳輸無線化、系統(tǒng)功能集成化。系統(tǒng)功能集成，趨向于將數(shù)據(jù)處理、安全評價和安全預(yù)警、控制與管理等多個功能集成為一體， 為了實現(xiàn)各功能之間相互協(xié)調(diào)工作，就需要有一個合適的操作平臺實現(xiàn)系統(tǒng)功能集成，數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理實現(xiàn)對多種信息源不同物理信號的量化、記錄、傳輸和管理，結(jié)構(gòu)安全評價與智能健康診斷子系統(tǒng)則實現(xiàn)自動損傷識別， 安全預(yù)警子系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)超越安全警戒指標時提供安全警示[5-12]。

物聯(lián)網(wǎng)可以理解為在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上， 將用戶端延伸和拓展到任何物與物之間、人與物之間。 換句話說，就是通過在物體上安裝傳感元件，將物體信息接入網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)信息化和遠程管理控制。 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)從整體上可以分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三個層次。就橋梁物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)而言，感知層主要由結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測傳感器、環(huán)境荷載監(jiān)測傳感器和交通荷載傳感器組成。 網(wǎng)絡(luò)層的傳輸方式主要有無線和有線兩種方式。 而應(yīng)用層主要包括Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和數(shù)據(jù)處理中心服務(wù)器等[13-15]。

以福建省九嶺溪大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)為工程背景，通過設(shè)計將健康監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)上， 為準確把握橋梁運營期間的工作狀態(tài)提供直觀、 準確和便捷的科學依據(jù)。

2 工程概況

九嶺溪大橋由主橋和引橋兩部分組成。 主橋為雙塔地錨式懸索橋(總體布置圖如圖1)，采用單跨混凝土桁架式加勁梁，主跨186m，橋?qū)?.60m，凈寬5.90m，主纜跨中垂度18.6m，垂跨比1/10。橋面以上塔高21m，橋面線形為二次拋物線。 主纜之間距離為6.26m，為24 根Φ42mm(6×19+1ws)鋼絲繩；吊索之間相距4m，共92 根，為Φ42mm(7×19+1ws)鋼絲繩。

主梁均為應(yīng)變測試截面，對于1/4L 截面，選取1/4L截面兩側(cè)下弦桿、斜腹桿及上弦桿作為測試構(gòu)件，混凝土測點共計16 個，鋼筋應(yīng)變測點2 個；對于1/2L 截面，選取1/2L 截面兩側(cè)下弦桿、斜腹桿、上弦桿及1/2L 截面橫桁架下弦桿及部分斜腹桿、豎桿作為測試構(gòu)件，混凝土應(yīng)變測點共計16 個，鋼筋應(yīng)變測點2 個，全橋共計36 個測點，如圖2 所示。

在主纜錨固區(qū)域以及索鞍處布置溫濕度傳感器，散索區(qū)布置加速度傳感器?？紤]相鄰吊索索力變化的關(guān)系，對吊索進行間隔布點。 主纜和吊索傳感器布置示意圖如圖3 所示。

圖1 壽寧九嶺溪懸索橋橋型布置圖(單位：cm)

圖2 主梁應(yīng)變傳感器布置圖

圖3 主纜和吊索傳感器布置示意圖

索塔加速度傳感器的布置如圖4 所示。

在九嶺溪懸索橋旁樓頂布置GPS 基準站，以及橋塔頂、跨中位置布置監(jiān)測站，如圖5 所示。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)橋梁群全壽命安全監(jiān)測評估系統(tǒng)設(shè)計

橋梁實時監(jiān)測子系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)代傳感技術(shù)、 通訊和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實時監(jiān)測橋梁在各種環(huán)境、荷載等因素作用下的結(jié)構(gòu)反映。 通過專有的數(shù)據(jù)融合分析平臺進行分析評價， 有效地預(yù)先診斷橋梁病害， 為養(yǎng)護管理提供科學依據(jù)。該系統(tǒng)可分為4 部分:(1)傳感器子系統(tǒng);(2)數(shù)據(jù)采集及傳輸子系統(tǒng);(3)數(shù)據(jù)分析處理及控制子系統(tǒng)；(4)結(jié)構(gòu)預(yù)警狀態(tài)與評估子系統(tǒng)。 如圖6 所示。

為了實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的橋梁群全壽命安全監(jiān)測評估系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與傳輸， 應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的傳感器對采集的海量數(shù)據(jù)按照預(yù)先設(shè)計的程序進行初篩選， 壓縮數(shù)據(jù)后，通過無線傳輸至采集端與遠程信息處理中心，存儲與處理橋梁的實時信息，以圖文的形式遠程實時監(jiān)控，橋梁群物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖7 所示。

圖4 主塔加速度傳感器布置圖

圖5 監(jiān)測站布置圖

圖6 橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

九嶺溪懸索橋監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計如圖8 所示。 主要分為7 大模塊：系統(tǒng)概述、數(shù)據(jù)分析、報表及報告、特殊事件、閥值預(yù)警、系統(tǒng)管理和自診斷系統(tǒng)。

4 監(jiān)測結(jié)果分析

通過壽寧九嶺溪大橋全壽命安全監(jiān)測系統(tǒng)信號采集、傳輸與處理，圖9 給出了主跨跨中的下游側(cè)于2018年6 月10 日監(jiān)測到的日周期撓度變化。 可以看出，它們的撓度變化規(guī)律基本相近，符合正常的撓度變化情況。并且，兩者同一時刻的撓度差都比較小，在安全范圍內(nèi)，可以說明大橋正處于健康運營狀態(tài)。

在環(huán)境激勵下，圖10 給出加勁梁跨中豎向振動加速度時程曲線， 圖11 給出S19 號吊索橫向振動加速度時程曲線。 并采用時頻域分析方法，分別計算響應(yīng)信號的自功率譜密度曲線， 得到的功率譜如圖12 和圖13所示。

實測的加勁梁的豎向振動頻率與計算結(jié)果如表1 所示，S19 號吊索的實測振動基頻為1.27Hz， 實測索力為825.4kN，與計算索力832.5kN 較為吻合。 按照九嶺溪懸索橋監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明結(jié)構(gòu)的變形與受力均處于正常使用的安全范圍之內(nèi)，無特殊異常，大橋結(jié)構(gòu)性能相比建成時無明顯損傷，處于正常的工作狀態(tài)。

圖7 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)組成

圖8 壽寧九嶺溪大橋全壽命安全監(jiān)測系統(tǒng)

圖9 主梁上下游側(cè)跨中撓度圖

圖10 加勁梁跨中加速度時程曲線

圖11 吊索加速度時程曲線

圖12 加勁梁加速度傳感器功率譜圖

圖13 吊索加速度傳感器功率譜圖

表1 加勁梁豎向自振特性比較結(jié)果(單位：Hz)

5 結(jié)論

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與橋梁監(jiān)測預(yù)警技術(shù)相結(jié)合， 構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)橋梁群全壽命安全監(jiān)測評估系統(tǒng)， 實現(xiàn)對橋梁狀況的實時監(jiān)測，及時預(yù)警以及合理評估。結(jié)合實際工程案例，給出了橋梁監(jiān)控指標以及傳感器的布置，通過系統(tǒng)采集傳輸與處理不同傳感器的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)， 監(jiān)控過程中獲得了結(jié)構(gòu)構(gòu)件原始力學和幾何狀態(tài)數(shù)據(jù)， 再通過數(shù)據(jù)的分析處理， 對不同指標進行不同級別安全預(yù)警以及損傷識別，進而對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行評估，表明該系統(tǒng)具有能夠?qū)蛄哼\行情況進行監(jiān)測， 為橋梁今后運營階段制定科學養(yǎng)護措施和及時掌握工作狀態(tài)提供決策的重要依據(jù)。