物聯網技（jì）術在橋梁結構智能監測上的應用
更新時間（jiān）：2021-04-10 17:51
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一、背景
橋梁是一個國家基（jī）礎設施的重要組成部分，在國（guó）家建設和人民生活中（zhōng）發揮著重要作用，橋梁結構的安全性與耐久性受到人們的高度重視，在現（xiàn）代橋梁工（gōng）程（chéng）領域中有（yǒu）關大型橋梁的（de）健（jiàn）康監測、安全評估以及壽命預測等問題已經成為當前橋梁工程界和民用公益工程領域的一個新（xīn）的熱點技（jì）術。
由於橋梁工程結（jié）構的特殊性，其一旦建成投入使用後，除了材料自身性能會不斷退化、老化外，還會受到車輛、風、地震、疲勞、超（chāo）載（zǎi）、人為等因素作（zuò）用，從而導致結構或構件有不同程度的自然損傷和突然損傷。我國公路橋梁安全隱患問題較為（wéi）突（tū）出，僅2011年出現的（de）大橋垮塌事故就有9起之多。一係列令人（rén）觸（chù）目驚心的橋梁坍塌（tā）事故，提醒（xǐng）我們必須（xū）高度（dù）重視橋梁的健康檢（jiǎn）測與安全評估，及危橋（qiáo）的損傷檢測和（hé）監（jiān）控，爭取消除隱患。所以（yǐ）對橋梁（liáng）健康（kāng）狀（zhuàng）況進行監測和評價，掌握其健康狀況是有非常重要的意義。橋梁結構的監測（cè）也就成為橋梁結構安全養護和保障正常使用的主要技（jì）術手段。
利用物聯網技術已成為當前世界各國遠程、實時（shí）、無線檢測設計及決策人員的共識，物聯網技（jì）術在遠程橋梁結構健康監測中（zhōng），成為一個不可缺少的環節。
二、國內（nèi）外物聯網技術（shù）研究現狀和發展趨勢
早（zǎo）在第二次（cì）世界大戰以前（qián），人們就考（kǎo）慮到橋梁的檢測和修複（fù）問題，但是沒有形成好的標準和係（xì）統的（de）規程。由於不斷（duàn）發生橋梁的失效和倒塌的事（shì）故，20世紀50年代開始，國外一些國家（jiā）建立了（le）橋梁檢測的一些標準，並產生了第一代的橋梁安全檢測技術（shù）。
進入21世紀，隨著橋梁建設規模和跨度逐漸增大，世界範（fàn）圍內橋梁結構的檢測（cè）、監測、損傷、老化、病害及事故等問題十分突（tū）出。
國外從事橋（qiáo）梁無線檢（jiǎn）測技術日的研究（jiū）情況（kuàng）如下：
（一）20世紀末美國聯（lián）邦公路局為解（jiě）決鋼橋的“疲勞破壞”問題，研究開發了便攜式電（diàn）池供電的（de）無（wú）繩應變測量係統。該應變測量係統可以迅速地測量出一座鋼橋上每個有疲勞傾向的部位和破損(危險)的部位。
（二）美國開發用於土木工程的無線監控模塊係統。該係統（tǒng）采用傳感器直接無線發射，測量出土木工程上每個有疲勞（láo）傾向的部（bù）位和（hé）破損(危險)的部位，但數據在發射（shè）中相互碰撞，丟失率較高。
（三）意大利運輸部門開發了用於輔助（zhù）大跨度橋梁在超載或異常條件下報警的一套控製係統（tǒng），但該係統的存在采樣時間短，信號傳輸延時過長，數據（jù）丟失率（lǜ）高等問（wèn）題。
綜上所述，國外（wài）已擁有了橋梁無線檢測技術的雛（chú）形。
國內將無線通信技術和（hé）計算（suàn）機技（jì）術結合並應用於實際工程中的研究處於（yú）發展階段，技術不成熟，應用在橋（qiáo）梁檢測技術中的研究較少，但20世紀90年代後（hòu）已有相關事（shì）例。現簡介如下:
（一）1997年出現了用於開采天（tiān）然氣礦井的氣礦無（wú）線數據采集傳輸微機監控係統。
（二）2003年出現了用於衛星（xīng）通信油田的自動化係統。
此外，國內（nèi）的一些科研單位和大學（xué），如清華大學、航天部、中科院、長沙金馬高科有限公（gōng）司、北京京南航天數據技術有（yǒu）限公（gōng）司、哈爾濱工業大學和南（nán）開大學等己（jǐ）經初步開展了在無線傳（chuán）感器網絡方麵的研究工作。目前，隨著（zhe）物聯網技術的技術發展，將物聯網技術應用（yòng）到橋梁結構健康監測（cè）中，符合國情，將對浙江省橋梁安全檢測水平的提高（gāo）起到積極作用。
三、應用的總體方案
本應用（yòng）基於物（wù）聯（lián）網技術的（de）遠程橋梁結構健康監測係統，感知層由若幹個傳感器節點、匯集節點和網關構成。感知層利用Z-STACK協議棧構建傳感器（qì）網絡協（xié）議（yì），各（gè）傳感器節點（diǎn）采集應（yīng）力、撓度、沉降等橋梁參數並發送數據至匯集節（jiē）點，匯集節點一方麵創建、維護網絡運行，另一方麵把各節點傳送的數據利用5/3整數小波進行時空數據壓縮，以減少傳送負荷，然後把（bǎ）壓縮後的數據送入網關，網關通（tōng）過GPRS模塊將感知（zhī）網絡接入Internet，將數據通過（guò）Internet 傳輸至遠程計算機，實現遠程無線監控，本項目應用層采用LabVIEW進行開發，對這些數據（jù）進行存儲、處理（lǐ）與分析（xī），實現橋梁結構的實時動態評估，最大（dà）程度（dù）避免橋（qiáo）梁安全事（shì）故。具體內容包含以下幾（jǐ）個方麵：
（一）結構健康（kāng）監測的（de）無線（xiàn）物聯網絡感知層的構建：該感知層由若（ruò）幹傳感器節點、匯集節點和網關構成。協調器創建並且維護感知層網絡，接受（shòu）網絡采集到的數（shù）據信息，各傳感節點采集應變、撓度、沉降等相關物理量，通過2.4GHz頻率無（wú）線（xiàn）方（fāng）式發送至匯聚節（jiē）點，匯聚（jù）節點將這些信（xìn）息量發送（sòng）至ARM網關，ARM網關通過（guò）GPRS模塊——SIM300接入Internet，為合理構建傳輸層做準備；
（二）撓度（dù）測（cè）量（liàng）的實現：撓度（dù）是衡量橋梁結構安全的重要參數，由於相關傳感器價格不菲（fēi），如何利（lì）用較少的傳感器準確測量出（chū）撓度值，這是本應用一個重要的研究方麵，本應用將從測量梁的傾角變（biàn）量著手，來（lái）解決這（zhè）一（yī）測量難題（tí）；
（三）網絡節點（diǎn）節電技（jì）術與自供電技術研究（jiū），在（zài）電力（lì）供應不便的監測點（diǎn），如何最大限度延長節點使用（yòng）時（shí）間是決定監測係統（tǒng）複（fù）雜環境下長期工作的（de）關鍵，本應用將在硬件和軟件上同時采取節能降耗措施來進一步；
（四）上（shàng）位監控中（zhōng）心數據管理和分析：通過Internet把所需數據存於數據庫中，根據檢測到的各種（zhǒng）信息，結合理論分析模型、專家經驗、橋梁特點及相應的規範文（wén）件，對異常情況及時報（bào）警，為（wéi）決策人員提供信息支持，提高橋梁管理水平。
四、應用實例
本次應用（yòng）對20m空心板橋（qiáo）、25mＴ梁橋、30m小箱（xiāng）梁橋等三種不同橋型的橋梁進行了監測，以衢州市衢江區下張（zhāng）公路大橋為例，橋結構（gòu）如圖5-1,5-2所示。
圖5-1 下張大橋橋下結構
圖5-2 橋橫截麵
從上圖可以知道該梁板為簡支平板結構，將跨的1Ｌ/4,1Ｌ/2,3Ｌ/4處作為（wéi）傳感（gǎn）器布置位置。
計算過程
采用橋梁博士V3.1.0計算，載荷情況如下：
（1）結構自（zì）重：混凝土主梁結構自重按26KN/m3計。
（2）預應力：張拉控製應力1395 Mpa，鬆弛率3%，管道摩擦係數0.25，孔道偏差（chà）係數0.0015，錨具（jù）變形及（jí）鋼束回縮值0.006。
（3）二期恒載：二期（qī）恒載包括橋麵鋪裝和（hé）其他（tā）交通附屬設施。
（4）溫度荷載：溫度荷載包括（kuò）整體升溫、整體降（jiàng）溫（wēn）、主梁正溫度梯（tī）度、主梁（liáng）負溫度梯度（dù）。
（5）汽（qì）車活載：汽車活載采（cǎi）用公路Ⅰ級，按《公路橋（qiáo）涵設計通用規範（fàn）》JTG D60－2004執行。
（6）砼收縮及徐變：按10年考慮。
計算內容（按A類預應力混凝土構件計算）：
（1）短期驗（yàn）算組（zǔ）合：結構拉應力不超過0.7ftk=0.7*2.65=1.855Mpa
（2）長期驗算組合：結構不出現拉應（yīng）力
（3）標準值的應力驗算組合：
混凝土（tǔ）壓（yā）應力σc≤0.5fck=0.5*32.4=16.2Mpa
（4）主梁撓度驗算。
計算結果如下：（1）短期組合
圖5-3 短期組合主（zhǔ）梁上下緣最大/最小應力圖（tú）
由圖5-3可看出短期組合未出現拉應力（lì），滿足規範要求；
（2）長期組合
圖5-4長期組合主梁上下緣最大/最小應（yīng）力圖
由圖5-4看出，長期組合未出現拉應力，滿足規（guī）範要求；
（3）標準值組合
圖（tú）5-5標準值組合主梁上下緣最大應力圖
由圖5-5看出標準（zhǔn）值組合最大壓應力出現在下（xià）緣，為11.8MPa，小於規範容許（xǔ）值，滿足規範要求；
（4）主梁活載撓度
圖（tú）5-6 主（zhǔ）梁活載位移圖
由上圖看出（chū），主梁跨中活載撓度（dù）為8mm。
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