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基于物联网的中小桥梁结构健康监测技术

2024-07-22 8 上传者：管理员

摘要：在中小桥梁结构健康监测过程中，受传感器布置精准度的影响，存在监测结果与实际情况相差较大、监测精度不理想的问题。针对这一问题，结合物联网技术提出中小桥梁结构健康监测技术。通过在中小桥梁结构中布置物联网传感器，采集应变、振动和温度数据；将传感器获取到的数据作为依据，对中小桥梁运营阶段状态参数进行识别；评定桥梁结构承载能力，实现中小桥梁结构健康监测。通过对比实验证明，应用所提监测技术可以获得更高精度的桥梁结构健康参数。将该技术应用到桥梁运维中，可以极大程度延长中小桥梁的使用寿命。

关键词：
中小桥梁
传感器布置
健康监测
桥梁结构
桥梁运维
物联网
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随着社会的进步和经济的发展，交通基础设施建设在各国都得到了广泛的关注和重视。中小桥梁作为交通网络中的重要组成部分，其安全性和稳定性直接关系到整个交通网络的正常运行。因此，如何确保中小桥梁[1]的安全性和稳定性成为了当前亟待解决的问题。结构健康监测技术是一种通过实时监测桥梁结构的关键参数，如应力、变形、振动等，来评估桥梁安全状态的技术手段。这种技术可以及时发现潜在的安全隐患，为桥梁的改造和加固提供决策支持[2]。中小桥梁结构健康监测技术可以实现自动化监测和数据分析，提高了监测效率和准确性。在该背景下，本文将对中小桥梁结构健康监测技术进行深入探讨，以期提高中小桥梁的安全性和延长其使用寿命。

1、基于物联网传感器布置的数据获取

传感器技术同智能计算、通信技术一起被称为物联网技术的三大支柱。其中，传感器作为物联网感知的主要设备之一，是将能感受到的被测量的信息按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。因此，基于物联网的中小桥梁结构健康监测技术，通过合理布置传感器，覆盖整个桥梁结构的不同部位，感知桥梁结构变化，获取挠度、形变、应力、温度等数据。为了确保监测的准确性和稳定性[3]，根据桥梁结构的特点和监测需求，选择合适的传感器类型，对其进行布置，获取中小桥梁结构状态数据。

在布置传感器时，需要确保所选传感器能够准确、稳定地采集所需参数。同时，为了形成全面的监测网络，采用分布式布置方式，将传感器分布在桥梁的各个部位。这样不仅可以扩大监测的覆盖面，还可以确保数据的准确性和可靠性。同时，需要确保传感器与桥梁结构之间保持适当的距离，避免直接接触导致数据失真。各类传感器布置情况如图1所示。

图1各类传感器布置情况

图1中，应变传感器用于监测桥梁结构应变，它能够准确测量桥梁在受力作用下的变形情况，从而判断桥梁的承载能力和稳定性[4]。因此，在桥墩、桥面等关键部位布置应变传感器，以便实时监测桥梁的应变情况。振动传感器用于监测桥梁结构的振动情况。桥梁在车辆行驶、风力作用等外部因素下会产生振动，而振动传感器的布置可以帮助了解桥梁的振动特性，判断其是否存在安全隐患[5]。因此，在桥墩、支座等关键部位布置振动传感器。温度传感器是常用的监测传感器之一。桥梁结构因温度的变化会产生热胀冷缩效应，而布置温度传感器可以了解桥梁的温度变化情况[6]，判断其是否受到温度变化的影响。因此，在桥面、桥墩等关键部位布置温度传感器。

在完成传感器布置后，引入布尔感知模型获取中小桥梁结构状态数据。布尔模型表示为：

式中：θi(Ψk)表示一个布尔变量；Ψk表示一组连接的物联网传感器节点；ni表示当前节点。布尔模型的求解结果即为利用物联网传感器获取的当前中小桥梁结构健康监测数据。

2、中小桥梁运营阶段状态参数识别

根据上述数据，初步得到中小桥梁的使用情况。为了能够实时监测桥梁结构的健康状况，提供可靠的运行数据，根据监测结果，识别中小桥梁运营阶段的状态参数，检测其状态。具体识别流程如下。

步骤1：数据采集。根据图1将传感器布置在对应位置，并定期采集中小桥梁的运行数据。

步骤2：数据传输。将采集到的数据通过物联网技术，以数字形式发送到数据采集设备，同时传输到远程服务器存储。

步骤3：数据存储与处理。采用远程服务器存储设备接收并储存传感器数据，依此进行中小桥梁运营阶段状态参数的识别。

步骤4：中小桥梁运营阶段状态参数识别过程如下。

(1)明确车-桥静力作用：

车-桥静力作用会造成桥梁结构的变化和损伤。通过明确车-桥静力作用，可以实时监测桥梁的健康状况，包括结构变形、应力分布、振动频率等参数的变化，从而提前发现潜在问题并及时采取措施进行修复和维护。为此，首先构建车-桥静力作用关系式如下：

式中：R表示中小桥梁静力响应结果；l表示荷载信息；Φ表示影响系数。

(2)特征提取：

针对中小桥梁上车辆的几何信息[7,8,9]，利用机器视觉分类算法，从采集的数据中提取中小桥梁运营阶段状态特征参数：

式中：WGV表示中小桥梁运营阶段状态特征参数；ε(t)表示应变时程；I(x)表示中小桥梁应变影响系数相对位置的表达函数。

(3)输出状态参数识别结果：

第2步提取到的中小桥梁运营阶段状态特征参数在一定程度上反映了当前桥梁的情况。但是由于通过物联网进行数据传输，或受传感器故障、环境突变等影响，需要对式(3)的结果做进一步的拟合处理。为此，通过最小二乘法得到最终的状态参数识别结果，表达式为：

式中：E0表示中小桥梁运营阶段状态参数识别结果；εk表示在第k个采样点上桥梁的应变响应；Ai表示总轴数为N时车辆第i个轴上的位移；IK-Cji表示第i个轴对应的影响系数；Cji表示前轴与第i轴和第j轴经过同一位置时的采样点数差。

3、健康监测与结构承载能力评定

结合上面得到的监测数据，利用物联网技术应用层展示平台实时监测的桥梁状态参数，并将数据传输到云平台进行实时分析。通过与事先设定的警戒值进行比较，可以及时发出预警信息，提醒相关人员进行维修和修复工作。这有助于减小对结构承载能力的影响和预防潜在的灾害。

将设定的警戒值定义为结构承载能力，并通过校验系数反映该数值：

式中：η表示校验系数；Se表示荷载作用下测点的设计弹性变位值；Ss表示荷载作用下测点的理论计算变位值。在实际监测时，当物联网传感器监测到的数据在限制范围内，则说明此时桥梁结构处于健康状态；当物联网传感器监测到的数据不在限制范围内，则说明此时桥梁结构处于非健康状态[10]。

4、对比实验

4.1桥梁概况

以某连续斜拉桥为研究对象，分别利用本文提出的基于物联网的监测技术(实验组)、文献[3]的基于无损检测的监测技术(对照A组)和文献[4]的基于云计算的监测技术(对照B组)对该桥梁结构健康状态进行监测。测试连续刚构桥平面主跨位于一条直线上，边跨部分呈缓和曲线。主桥采用115 m+215 m+115 m三跨混凝土连续斜拉桥，桥面宽度为16.25 m，布置分为上跨和下跨，箱梁顶面的横向坡度为0～2%，箱底处于水平状态。

利用Ansys构建一个该桥梁的三维有限元模型，如图2所示，在模型上模拟桥梁结构的变化，并利用三种监测技术对该模型的健康状态进行监测。

图2中小桥梁有限元模型

按照图1的位置安装相应的物联网传感器设备，实时监测桥梁结构的应力、形变、振动等参数。同时，记录桥梁周围的环境数据，如温度、湿度等。将该桥梁平均划分为5个分段，并将每个分段分别编号为I、II、III、IV和V。针对各个分段，通过三种监测技术获取与结构健康相关的应变和挠度数据记录，并与实际情况进行对比验证。

4.2监测效果对比分析

基于上述论述，将得到的实验数据记录于表1和表2。

表1三种监测技术下的应变监测结果

表2三种监测技术下的挠度监测结果

由表1可知，实验组监测技术的应变监测结果与实际情况完全一致。而对照A组和对照B组的应变监测结果与实际情况相比，偏差绝对值在0.001～0.002μm/m和0.001～0.003μm/m范围内。由表2可知，实验组监测技术的挠度监测结果与实际情况完全一致。对照A组和对照B组挠度监测结果与实际情况相比，偏差绝对值在0.1～0.2 mm和0.1～0.3 mm范围内。综合上述结果可知，实验组基于物联网的监测技术在实际应用中可以实现对中小桥梁结构健康的高精度监测。

5、结语

本文提出了基于物联网的中小桥梁结构健康监测技术。通过实验可知，所提中小桥梁结构健康监测技术在提高桥梁安全性和延长使用寿命方面具有重要意义。随着传感器技术、数据采集与传输技术、数据处理与分析技术的不断发展和完善，中小桥梁结构健康监测技术将在未来发挥更大的作用。

参考文献:

[1]易小纬.健康监测技术在市政桥梁结构安全评估中的应用研究[J].工程建设与设计,2023,71(18):110-112.

[2]顾永标.中国西部高原山地钢结构特大桥梁健康监测系统技术研究[J].运输经理世界,2023,60(25):155-157.

[3]王晨.基于无损检测技术的高速公路桥梁结构健康监测[J].交通科技与管理,2023,4(12):1-3.

[4]李帆.云计算技术在桥梁结构健康监测中的应用[J].公路,2022,67(4):177-181.

[5]徐哲能,郑淑倩,王烨晟,等.基于物联网桥梁结构健康监测与智能预警平台建设[J].现代信息科技,2023,7(3):159-163.

[6]薛国华,李明慧,韩宇轩,等.桥梁结构健康监测基于相关性分析的多源数据预测算法研究[J].铁道建筑,2022,62(11):73-79.

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[8]张笑华,肖兴勇,方圣恩.面向桥梁结构健康监测的压缩感知动力响应信号重构[J].振动工程学报,2022,35(3):699-706.

[9]杨心壤.为桥梁戴上“健康手环”—公路桥梁结构健康监测系统初探[J].中国公路,2022,29(10):20-21.