摘 要：在中小橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)過(guò)程中，受傳感器布置精準(zhǔn)度的影響，存在監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況相差較大、監(jiān)測(cè)精度不理想的問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出中小橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)。通過(guò)在中小橋梁結(jié)構(gòu)中布置物聯(lián)網(wǎng)傳感器，采集應(yīng)變、振動(dòng)和溫度數(shù)據(jù)；將傳感器獲取到的數(shù)據(jù)作為依據(jù)，對(duì)中小橋梁運(yùn)營(yíng)階段狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別；評(píng)定橋梁結(jié)構(gòu)承載能力，實(shí)現(xiàn)中小橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明，應(yīng)用所提監(jiān)測(cè)技術(shù)可以獲得更高精度的橋梁結(jié)構(gòu)健康參數(shù)。將該技術(shù)應(yīng)用到橋梁運(yùn)維中，可以極大程度延長(zhǎng)中小橋梁的使用壽命。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；橋梁結(jié)構(gòu)；健康監(jiān)測(cè)；傳感器布置；中小橋梁；橋梁運(yùn)維

中圖分類號(hào)：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）07-00-03

0 引 言

隨著社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)在各國(guó)都得到了廣泛的關(guān)注和重視。中小橋梁作為交通網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分，其安全性和穩(wěn)定性直接關(guān)系到整個(gè)交通網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。因此，如何確保中小橋梁[1]的安全性和穩(wěn)定性成為了當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)，如應(yīng)力、變形、振動(dòng)等，來(lái)評(píng)估橋梁安全狀態(tài)的技術(shù)手段。這種技術(shù)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，為橋梁的改造和加固提供決策支持[2]。中小橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，提高了監(jiān)測(cè)效率和準(zhǔn)確性。在該背景下，本文將對(duì)中小橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行深入探討，以期提高中小橋梁的安全性和延長(zhǎng)其使用壽命。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)傳感器布置的數(shù)據(jù)獲取

傳感器技術(shù)同智能計(jì)算、通信技術(shù)一起被稱為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的三大支柱。其中，傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)感知的主要設(shè)備之一，是將能感受到的被測(cè)量的信息按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)的中小橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過(guò)合理布置傳感器，覆蓋整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的不同部位，感知橋梁結(jié)構(gòu)變化，獲取撓度、形變、應(yīng)力、溫度等數(shù)據(jù)。為了確保監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[3]，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和監(jiān)測(cè)需求，選擇合適的傳感器類型，對(duì)其進(jìn)行布置，獲取中小橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)。

在布置傳感器時(shí)，需要確保所選傳感器能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定地采集所需參數(shù)。同時(shí)，為了形成全面的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，采用分布式布置方式，將傳感器分布在橋梁的各個(gè)部位。這樣不僅可以擴(kuò)大監(jiān)測(cè)的覆蓋面，還可以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。同時(shí)，需要確保傳感器與橋梁結(jié)構(gòu)之間保持適當(dāng)?shù)木嚯x，避免直接接觸導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真。各類傳感器布置情況如圖1所示。

圖1中，應(yīng)變傳感器用于監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變，它能夠準(zhǔn)確測(cè)量橋梁在受力作用下的變形情況，從而判斷橋梁的承載能力和穩(wěn)定性[4]。因此，在橋墩、橋面等關(guān)鍵部位布置應(yīng)變傳感器，以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁的應(yīng)變情況。振動(dòng)傳感器用于監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)情況。橋梁在車輛行駛、風(fēng)力作用等外部因素下會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，而振動(dòng)傳感器的布置可以幫助了解橋梁的振動(dòng)特性，判斷其是否存在安全隱患[5]。因此，在橋墩、支座等關(guān)鍵部位布置振動(dòng)傳感器。溫度傳感器是常用的監(jiān)測(cè)傳感器之一。橋梁結(jié)構(gòu)因溫度的變化會(huì)產(chǎn)生熱脹冷縮效應(yīng)，而布置溫度傳感器可以了解橋梁的溫度變化情況[6]，判斷其是否受到溫度變化的影響。因此，在橋面、橋墩等關(guān)鍵部位布置溫度傳感器。

在完成傳感器布置后，引入布爾感知模型獲取中小橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)。布爾模型表示為：

式中：θi（Ψk）表示一個(gè)布爾變量；Ψk表示一組連接的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)；ni表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)。布爾模型的求解結(jié)果即為利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器獲取的當(dāng)前中小橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2 中小橋梁運(yùn)營(yíng)階段狀態(tài)參數(shù)識(shí)別

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，初步得到中小橋梁的使用情況。為了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況，提供可靠的運(yùn)行數(shù)據(jù)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，識(shí)別中小橋梁運(yùn)營(yíng)階段的狀態(tài)參數(shù)，檢測(cè)其狀態(tài)。具體識(shí)別流程如下。

步驟1：數(shù)據(jù)采集。根據(jù)圖1將傳感器布置在對(duì)應(yīng)位置，并定期采集中小橋梁的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

步驟2：數(shù)據(jù)傳輸。將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以數(shù)字形式發(fā)送到數(shù)據(jù)采集設(shè)備，同時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器存儲(chǔ)。

步驟3：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理。采用遠(yuǎn)程服務(wù)器存儲(chǔ)設(shè)備接收并儲(chǔ)存?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)，依此進(jìn)行中小橋梁運(yùn)營(yíng)階段狀態(tài)參數(shù)的識(shí)別。

步驟4：中小橋梁運(yùn)營(yíng)階段狀態(tài)參數(shù)識(shí)別過(guò)程如下。

（1）明確車-橋靜力作用：車-橋靜力作用會(huì)造成橋梁結(jié)構(gòu)的變化和損傷。通過(guò)明確車-橋靜力作用，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁的健康狀況，包括結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力分布、振動(dòng)頻率等參數(shù)的變化，從而提前發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題并及時(shí)采取措施進(jìn)行修復(fù)和維護(hù)。為此，首先構(gòu)建車-橋靜力作用關(guān)系式如下：

式中：R表示中小橋梁靜力響應(yīng)結(jié)果；l表示荷載信息；Φ表示影響系數(shù)。

（2）特征提?。横槍?duì)中小橋梁上車輛的幾何信息[7-9]，利用機(jī)器視覺(jué)分類算法，從采集的數(shù)據(jù)中提取中小橋梁運(yùn)營(yíng)階段狀態(tài)特征參數(shù)：

式中：WGV表示中小橋梁運(yùn)營(yíng)階段狀態(tài)特征參數(shù)；ε（t）表示應(yīng)變時(shí)程；I（x）表示中小橋梁應(yīng)變影響系數(shù)相對(duì)位置的表達(dá)函數(shù)。

（3）輸出狀態(tài)參數(shù)識(shí)別結(jié)果：第2步提取到的中小橋梁運(yùn)營(yíng)階段狀態(tài)特征參數(shù)在一定程度上反映了當(dāng)前橋梁的情況。但是由于通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，或受傳感器故障、環(huán)境突變等影響，需要對(duì)式（3）的結(jié)果做進(jìn)一步的擬合處理。為此，通過(guò)最小二乘法得到最終的狀態(tài)參數(shù)識(shí)別結(jié)果，表達(dá)式為：

式中：E0表示中小橋梁運(yùn)營(yíng)階段狀態(tài)參數(shù)識(shí)別結(jié)果；εk表示在第k個(gè)采樣點(diǎn)上橋梁的應(yīng)變響應(yīng)；Ai表示總軸數(shù)為N時(shí)車輛第i個(gè)軸上的位移；IK-Cji表示第i個(gè)軸對(duì)應(yīng)的影響系數(shù)；Cji表示前軸與第i軸和第j軸經(jīng)過(guò)同一位置時(shí)的采樣點(diǎn)數(shù)差。

3 健康監(jiān)測(cè)與結(jié)構(gòu)承載能力評(píng)定

結(jié)合上面得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用層展示平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的橋梁狀態(tài)參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。通過(guò)與事先設(shè)定的警戒值進(jìn)行比較，可以及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，提醒相關(guān)人員進(jìn)行維修和修復(fù)工作。這有助于減小對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力的影響和預(yù)防潛在的災(zāi)害。

將設(shè)定的警戒值定義為結(jié)構(gòu)承載能力，并通過(guò)校驗(yàn)系數(shù)反映該數(shù)值：

式中：η表示校驗(yàn)系數(shù)；Se表示荷載作用下測(cè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)彈性變位值；Ss表示荷載作用下測(cè)點(diǎn)的理論計(jì)算變位值。在實(shí)際監(jiān)測(cè)時(shí)，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)在限制范圍內(nèi)，則說(shuō)明此時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)處于健康狀態(tài)；當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)不在限制范圍內(nèi)，則說(shuō)明此時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)處于非健康狀態(tài)[10]。

4 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

4.1 橋梁概況

以某連續(xù)斜拉橋?yàn)檠芯繉?duì)象，分別利用本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)（實(shí)驗(yàn)組）、文獻(xiàn)[3]的基于無(wú)損檢測(cè)的監(jiān)測(cè)技術(shù)（對(duì)照A組）和文獻(xiàn)[4]的基于云計(jì)算的監(jiān)測(cè)技術(shù)（對(duì)照B組）對(duì)該橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。測(cè)試連續(xù)剛構(gòu)橋平面主跨位于一條直線上，邊跨部分呈緩和曲線。主橋采用115 m+215 m+115 m三跨混凝土連續(xù)斜拉橋，橋面寬度為16.25 m，布置分為上跨和下跨，箱梁頂面的橫向坡度為0～2%，箱底處于水平狀態(tài)。

利用Ansys構(gòu)建一個(gè)該橋梁的三維有限元模型，如圖2所示，在模型上模擬橋梁結(jié)構(gòu)的變化，并利用三種監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)該模型的健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

按照?qǐng)D1的位置安裝相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、形變、振動(dòng)等參數(shù)。同時(shí)，記錄橋梁周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)，如溫度、濕度等。將該橋梁平均劃分為5個(gè)分段，并將每個(gè)分段分別編號(hào)為I、II、III、IV和V。針對(duì)各個(gè)分段，通過(guò)三種監(jiān)測(cè)技術(shù)獲取與結(jié)構(gòu)健康相關(guān)的應(yīng)變和撓度數(shù)據(jù)記錄，并與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

4.2 監(jiān)測(cè)效果對(duì)比分析

基于上述論述，將得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄于表1和表2。

由表1可知，實(shí)驗(yàn)組監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況完全一致。而對(duì)照A組和對(duì)照B組的應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況相比，偏差絕對(duì)值在0.001～0.002 μm/m和0.001～0.003 μm/m范圍內(nèi)。由表2可知，實(shí)驗(yàn)組監(jiān)測(cè)技術(shù)的撓度監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況完全一致。對(duì)照A組和對(duì)照B組撓度監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況相比，偏差絕對(duì)值在0.1～0.2 mm和0.1～0.3 mm范圍內(nèi)。綜合上述結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)組基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)中小橋梁結(jié)構(gòu)健康的高精度監(jiān)測(cè)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的中小橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，所提中小橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)在提高橋梁安全性和延長(zhǎng)使用壽命方面具有重要意義。隨著傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，中小橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)將在未來(lái)發(fā)揮更大的作用。

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