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        橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)用趨勢研究

        2023-09-21 04:58:10邢春超
        交通科技與管理 2023年17期
        關(guān)鍵詞:測點預(yù)警布置

        邢春超

        (招商局重慶公路工程檢測中心有限公司,重慶 400067)

        0 引言

        現(xiàn)階段,我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛,配套交通基礎(chǔ)設(shè)施越來越健全,而橋梁作為占比最大的部分,在安全質(zhì)量上應(yīng)作為重點關(guān)注對象。部分橋梁在長時間運營階段,容易受外部環(huán)境影響,導(dǎo)致設(shè)計荷載無法滿足實際需求,進(jìn)而對橋梁產(chǎn)生持續(xù)損傷。為解決此類問題,筆者提出運用橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng),借助高精度傳感器實時反饋橋梁使用狀況。

        1 工程概況

        該文選取的研究對象為某城市的高速公路橋梁,該橋的作用在于解決城市交通問題,緩解市區(qū)交通壓力,促進(jìn)城市周邊地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。橋梁全長1 270 m,主橋全長700 m,采用半漂浮體系,斜拉索設(shè)計成空間扇形索面,橋面全寬33 m。橋梁的主要設(shè)計指標(biāo)表現(xiàn):行車速度120 km/h;通航標(biāo)準(zhǔn),Ⅲ級航道;地震荷載為基本烈度Ⅳ度;橋面縱坡2.6%,在主跨中央設(shè)有豎曲線。

        為了更好地實現(xiàn)橋梁健康狀態(tài)的監(jiān)測,掌握橋梁的空間變形狀況和應(yīng)力分布情況,筆者提出運用MC 軟件程序,對主橋部分打造空間有限元模型,實現(xiàn)橋梁的力學(xué)仿真分析。該程序本身具有極為豐富的有限元庫,可以實現(xiàn)從靜態(tài)到動態(tài)的多種高端分析,適用于橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計,也能進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的驗算。在建模時需要做好材料特性、溫度荷載、移動荷載的設(shè)置,確定邊界條件,通過對模型開展靜力分析,獲取結(jié)構(gòu)響應(yīng)的數(shù)據(jù)。并根據(jù)分析結(jié)果判斷橋梁受力特點,為后續(xù)的傳感器測點布設(shè)提供參考依據(jù),有助于后續(xù)預(yù)警閾值的設(shè)置。

        2 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用路徑

        橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是指利用監(jiān)控、評估橋梁結(jié)構(gòu)情況,為橋梁在惡劣天氣、復(fù)雜交通條件下,或是橋梁運營異常時,發(fā)出預(yù)警信號,為橋梁的維護(hù)管理提供指導(dǎo)。其組成部分主要包括環(huán)境荷載監(jiān)測、交通荷載監(jiān)測以及橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)。而監(jiān)測內(nèi)容則以表1 為主。

        表1 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測信息

        2.1 方案設(shè)計

        橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成包括:傳感器系統(tǒng),負(fù)責(zé)監(jiān)測工作環(huán)境、荷載響應(yīng)、交通荷載;數(shù)據(jù)收集與處理系統(tǒng),負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸、采集、存儲與通訊;損傷識別與預(yù)警系統(tǒng),負(fù)責(zé)損傷位置程度判斷、建立三級預(yù)警機(jī)制;橋梁評估系統(tǒng),負(fù)責(zé)橋梁技術(shù)狀態(tài)評估、橋梁承載能力評估。上述系統(tǒng)以及傳感器裝置的應(yīng)用都要結(jié)合橋梁的有限元模型進(jìn)行確定。但要注意,由于部分橋梁構(gòu)建不適合放置傳感器,且出于經(jīng)濟(jì)性角度,傳感器數(shù)量也應(yīng)得到一定限制。為了保證傳感器的布置最優(yōu)化,筆者將根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特點,初步確定監(jiān)測項目。

        2.1.1 監(jiān)測項目

        監(jiān)測項目包括:環(huán)境荷載監(jiān)測,需采用動態(tài)地秤設(shè)備監(jiān)測車速與車流量,利用風(fēng)速儀測定風(fēng)荷載,借助數(shù)顯溫度計監(jiān)測橋梁溫度場的變化狀況,通過溫度傳感器分析溫度對橋梁狀態(tài)產(chǎn)生的影響;靜力監(jiān)測,對于斜拉索索力,可結(jié)合振動法,對1/4 拉索實施在線監(jiān)測。對于主梁應(yīng)力,則可考慮對稱布置的方式,將應(yīng)力測點布置在主梁斷面兩側(cè),將振弦式應(yīng)變計、光纖光柵傳感器搭配使用;動力特性監(jiān)測,可利用加速傳感器檢查斜拉索的整體動力特性,將其布置在主梁截面兩側(cè)。

        2.1.2 傳感器布置

        不同位置的傳感器布置方案如下:主梁應(yīng)變傳感器測點布置,需要考慮橋梁服役時產(chǎn)生的各類狀況,測點選擇在主跨跨中與1/4 跨處;溫濕度與風(fēng)速傳感器測點布置,選擇在主跨跨中段面橋面放置1 臺溫度儀,在上游斜拉索位置分布4 個監(jiān)測點;主梁撓度與橋塔位移測點布置,可結(jié)合GNSS 監(jiān)測法(衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)),其中撓度測點放置在邊跨跨中,共計3 個測點。至于主塔位移測點則選擇南北主塔塔頂,共計2 個測點;振動測點布置,需借助平衡加速傳感器,監(jiān)控橋梁情況,并在邊跨、主跨1/4 跨布置7 個測點;位移測點布置,應(yīng)搭配液壓阻尼器約束主塔位移,結(jié)合拉線式位移計,在梁端制作布置8個測點;索力傳感器布置,在設(shè)置時需要充分考慮外界環(huán)境的影響,將索力傳感器安裝在斜拉索上[1]。

        2.1.3 傳感云子系統(tǒng)

        傳感云子系統(tǒng)本質(zhì)上屬于一種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測云平臺,其主要任務(wù)在于收集、分析來自傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息資料,并生成評價結(jié)果,完成橋梁異常狀態(tài)的報警,具備數(shù)據(jù)采集、信息展示、圖表繪制、安全預(yù)警、管理等功能。

        2.2 數(shù)據(jù)處理

        2.2.1 數(shù)據(jù)分析

        橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測數(shù)據(jù)主要分為以下兩種:靜態(tài)數(shù)據(jù),其特點在于數(shù)據(jù)量小,監(jiān)測目的在于判斷不同受力狀況下的橋梁主體特性,若未發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù),可直接記錄在數(shù)據(jù)庫。至于分析目標(biāo)則表現(xiàn)為借助結(jié)構(gòu)振幅與預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)值的對比,判斷結(jié)構(gòu)狀態(tài);動態(tài)數(shù)據(jù),需要結(jié)合特定設(shè)備、程序完成海量信息的監(jiān)測,對數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)分析算法的要求較高,搭配傅立葉變換法,并利用評估模塊調(diào)用計算結(jié)果,將其作為主報警的輸入。

        2.2.2 異常數(shù)據(jù)處理

        通常來說,由于橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)需要長時間處于惡劣環(huán)境下,容易因環(huán)境影響、內(nèi)部電路損壞,造成傳感器故障。為了解決此類問題,需要做好橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的異常數(shù)據(jù)識別與處理。

        首先要確定異常數(shù)據(jù)類別與特點,比如:單點異常數(shù)據(jù),是指因傳感器不穩(wěn)定引發(fā)的信息,其產(chǎn)生頻率超過監(jiān)測數(shù)據(jù)的3%,特點在于數(shù)據(jù)量小,且數(shù)據(jù)數(shù)值與正常數(shù)據(jù)差異性較大;持續(xù)異常數(shù)據(jù),是指因外部環(huán)境干擾、傳輸電纜摩擦引發(fā)的異常狀況,其特點在于大部分?jǐn)?shù)據(jù)表現(xiàn)為異常,且監(jiān)測數(shù)據(jù)無法第一時間恢復(fù)正常;缺失數(shù)據(jù),其產(chǎn)生原因在于傳感器采集功能產(chǎn)生故障,在故障處理后,二次獲取的數(shù)據(jù)初始值與之前設(shè)置的不統(tǒng)一,導(dǎo)致后續(xù)采集的信息與故障發(fā)生前的數(shù)據(jù)表現(xiàn)一定誤差,且誤差無法自動修復(fù)[2]。

        其次,要根據(jù)異常數(shù)據(jù)特點,開展針對性處理,通過對數(shù)據(jù)采取平滑作業(yè),計算監(jiān)測值與平滑值間的差值,利用消除粗差的方法,判斷異常數(shù)據(jù)。比如:格魯布斯法,是指用于判斷數(shù)據(jù)中的可疑值的取舍方法;Q 檢驗法,是指分析少量觀測次數(shù)提出的簡易判據(jù);3σ法,又稱拉依達(dá)法,是指假設(shè)一組檢測數(shù)據(jù)只含有隨機(jī)誤差,之后對其進(jìn)行計算處理獲取標(biāo)準(zhǔn)偏差,并根據(jù)一定概率確定區(qū)間,認(rèn)為超過此區(qū)間的誤差,均不屬于隨機(jī)誤差,并對粗大誤差給予剔除。相較于上述兩種方法來說,拉依達(dá)法的計算更加簡潔,因此該文將以拉依達(dá)法作為研究對象。根據(jù)統(tǒng)計顯示,監(jiān)測數(shù)值偏差大于3σ的概率不超過1%,通過計算得到平均值與標(biāo)準(zhǔn)差,對比極限差值與平均值,若偏值差高于3σ,將其判定為異常數(shù)據(jù)。

        比如當(dāng)監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)的變化值表現(xiàn)如下式:

        式中,xi——數(shù)據(jù)原始初值;di——傳感器數(shù)據(jù)變化值。之后計算數(shù)據(jù)變化均值與方差,公式如下:

        2.3 預(yù)警設(shè)計

        2.3.1 預(yù)警體系

        預(yù)警系統(tǒng)作為橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的一部分,可通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析、處理,全面評估結(jié)構(gòu)安全性,并在發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)后第一時間發(fā)出預(yù)警。但要注意預(yù)警的準(zhǔn)確性與時效性在一定程度上由預(yù)警閾值的設(shè)置效果決定,一旦預(yù)警閾值的設(shè)置不夠科學(xué),很容易造成系統(tǒng)誤報與漏報。為解決此類問題,在打造預(yù)警系統(tǒng)的過程中需要滿足以下條件:保有適當(dāng)?shù)陌踩哂喽?;實現(xiàn)預(yù)警系統(tǒng)的自動化運行;確保橋梁損傷被及時發(fā)現(xiàn);預(yù)警系統(tǒng)要做到實時更新、隨時檢查。同時還要確定預(yù)警分級,如表2 所示。

        表2 預(yù)警分級

        2.3.2 設(shè)定預(yù)警閾值

        該次工程中一級預(yù)警閾值需要基于2019 年度撓度測點統(tǒng)計結(jié)果,根據(jù)溫度荷載引發(fā)的最大撓度與汽車荷載引發(fā)的最大撓度之和,作為不同位置傳感器的藍(lán)色狀態(tài)預(yù)警值。二級預(yù)警閾值則要采用靜載試驗、模型計算值進(jìn)行確定,該次工程取撓度最大值時測得的南塔塔頂位移作為二級預(yù)警閾值。三級預(yù)警閾值需根據(jù)規(guī)范要求的撓度極限進(jìn)行確定。

        3 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)用趨勢分析

        現(xiàn)階段,我國的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的評估方面,主要包括以下幾點,即承載效果、運營狀態(tài)以及耐久能力。在進(jìn)行評估時,需要認(rèn)識到承載能力與結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度存在一定關(guān)聯(lián),為了切實防止橋梁在使用時出現(xiàn)安全事故,需要提高相關(guān)設(shè)備的使用性能。至于營運狀態(tài)評估則與橋梁構(gòu)件的日常荷載程度有關(guān),主要判斷橋梁是否存在變形、裂縫等問題。在定期養(yǎng)護(hù)維修的基礎(chǔ)上,結(jié)合人員日常檢查結(jié)果,判斷橋梁的結(jié)構(gòu)營運情況。而耐久能力則側(cè)重于評估橋梁的損傷以及問題的形成原因,重在對材料的物理特性進(jìn)行分析,在完成結(jié)果評估后,利用數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),傳遞到各個部門。雖然該橋梁監(jiān)測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確找出橋梁的潛在安全隱患,但監(jiān)測項目數(shù)量較少,且個別項目因規(guī)模較為龐大,對監(jiān)管數(shù)據(jù)的管理要求較高,若數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)不夠完善與先進(jìn),必然會造成監(jiān)測數(shù)據(jù)無法充分利用。且大多數(shù)橋梁狀態(tài)評估系統(tǒng)屬于單一監(jiān)測系統(tǒng),難以及時反映橋梁結(jié)構(gòu)實際狀態(tài),無法為后續(xù)的管理養(yǎng)護(hù)提供理論依據(jù)。

        隨著我國信息技術(shù)、智能技術(shù)、數(shù)字化手段的高速發(fā)展,以傳感器、微電機(jī)系統(tǒng)為代表的監(jiān)測方法普及度不斷提高,且監(jiān)測系統(tǒng)的精確性、安全性也得到了大幅度提升,能夠更好地滿足日常管理要求。同時,結(jié)構(gòu)振動分析理論的逐步成熟,也為橋梁健康監(jiān)測工作提供了更加充實的技術(shù)支撐。未來的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng),勢必會圍繞“云、物、智、移”等核心技術(shù),具體內(nèi)容表現(xiàn)如下:

        第一,大數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。除文件共享服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸方法外,我國對于WEB 服務(wù)、消息中間件技術(shù)的應(yīng)用也更加成熟,在互聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議不斷完善的情況下,越來越多的HTTP 協(xié)議、MQTT 協(xié)議被投入使用[3]。

        第二,橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的使用需要以傳感器為基礎(chǔ),該裝置可持續(xù)獲取橋梁使用信息。以往的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫本身存在一定的局限性,數(shù)據(jù)只可利用二進(jìn)制文件完成存儲。而在大數(shù)據(jù)背景下,人們更偏向于采用時間序列數(shù)據(jù)庫,不僅可變革數(shù)據(jù)的存儲方法,也能輔以文本數(shù)據(jù)庫等技術(shù),提高數(shù)據(jù)的可靠性。

        第三,云計算平臺。云計算可以理解為以互聯(lián)網(wǎng)為載體,通過網(wǎng)絡(luò)云將數(shù)據(jù)計算處理程序分解,利用多部服務(wù)器組成的系統(tǒng),實現(xiàn)小程序的分析,并將結(jié)果返回給用戶。云計算涵蓋大量的虛擬化資源,具有規(guī)模化、虛擬化、通用性、高效性等特征。

        第四,數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),為了提高數(shù)據(jù)的應(yīng)用價值,可搭配機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識別等方法,結(jié)合概率論、算法復(fù)雜度理論,形成系統(tǒng)性的知識體系,利用機(jī)器學(xué)習(xí),模擬人類行為,提高對各類信息的解釋效率,保證信息價值的充分挖掘。以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為例,將其運用在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)中,可依照階層結(jié)構(gòu)對輸入信息實施平移不變分類,更高效地完成圖像識別、物體識別、行為認(rèn)知、姿態(tài)估計、神經(jīng)風(fēng)格遷移。

        第五,人機(jī)交互與可視化技術(shù),在交互界面,可以幫助更多的用戶獲取想要掌握的內(nèi)容與功能,利用統(tǒng)計法與機(jī)器學(xué)習(xí)法,能夠準(zhǔn)確預(yù)測分析結(jié)果,幫助管理人員明確數(shù)據(jù)結(jié)果的用途與意義。至于數(shù)據(jù)可視化技術(shù)則是通過計算機(jī)圖形學(xué)與圖像處理技術(shù),將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像或圖形,并在屏幕上顯示出來,之后進(jìn)行交互處理的理論與技術(shù)。該技術(shù)能夠保證數(shù)據(jù)的全貌展示,強(qiáng)化內(nèi)容理解,便于對話與探索,增強(qiáng)審視效果,也有利于異議的處理。

        第六,安全報警與狀態(tài)推動技術(shù)。該技術(shù)的作用在于結(jié)合業(yè)主的差異性需求,分析人員的迫切訴求,利用多種渠道,保證報警推動的精準(zhǔn)性與針對性,比如微信、微博、郵件等方式,可以將最新的橋梁狀況數(shù)據(jù)反饋至工作人員。根據(jù)上述分析可知,現(xiàn)階段我國的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)仍處于高速發(fā)展的階段,無論是系統(tǒng)功能還是硬件設(shè)備都存在優(yōu)化空間,系統(tǒng)功能性、經(jīng)濟(jì)性等方面的優(yōu)勢愈發(fā)明顯,且在世界眾多大橋中都有所體現(xiàn)[4]。

        4 結(jié)語

        綜上所述,該文通過以某地方橋梁工程項目作為研究對象,闡述橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用路徑,借助設(shè)置有限元模型,確定各類工況下的橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng),通過布置大量傳感器獲取主梁應(yīng)變、風(fēng)速風(fēng)向等監(jiān)測信息,利用時域分析法完成數(shù)據(jù)分析,以此為后續(xù)的管理維護(hù)提供參考依據(jù),保證橋梁安全,并推動監(jiān)測系統(tǒng)的智能化、自動化發(fā)展,打造更全面的信息化管理體系。

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