物联网技术在桥梁结构智能监测上的应用
更新时间：2021-04-10 17:51
|
阅读量：
一、背景
桥梁是一个国家基础设施的重要组成部分，在国家建设和人民生活中发挥着重要作用，桥梁结构的安全性与耐久性受到人们的高度重视，在现代桥梁工程领域中有关大型桥梁的健康监测、安全评估以及寿命预测等问题已经成为当前桥梁工程界和民用公益工程领域的一个新的热点技术。
由于桥梁工程结构的特殊性，其一旦建成投入使用后，除了材料自身性能会不断退化、老化外，还会受到车辆、风、地震、疲劳、超载、人为等因素作用，从而导致结构或构件有不同程度的自然损伤和突然损伤。我国公路桥梁安全隐患问题较为突出，仅2011年出现的大桥垮塌事故就有9起之多。一系列令人触目惊心的桥梁坍塌事故，提醒我们必须高度重视桥梁的健康检测与安全评估，及危桥的损伤检测和监控，争取消除隐患。所以对桥梁健康状况进行监测和评价，掌握其健康状况是有非常重要的意义。桥梁结构的监测也就成为桥梁结构安全养护和保障正常使用的主要技术手段。
利用物联网技术已成为当前世界各国远程、实时、无线检测设计及决策人员的共识，物联网技术在远程桥梁结构健康监测中，成为一个不可缺少的环节。
二、国内外物联网技术研究现状和发展趋势
早在第二次世界大战以前，人们就考虑到桥梁的检测和修复问题，但是没有形成好的标准和系统的规程。由于不断发生桥梁的失效和倒塌的事故，20世纪50年代开始，国外一些国家建立了桥梁检测的一些标准，并产生了第一代的桥梁安全检测技术。
进入21世纪，随着桥梁建设规模和跨度逐渐增大，世界范围内桥梁结构的检测、监测、损伤、老化、病害及事故等问题十分突出。
国外从事桥梁无线检测技术日的研究情况如下：
（一）20世纪末美国联邦公路局为解决钢桥的“疲劳破坏”问题，研究开发了便携式电池供电的无绳应变测量系统。该应变测量系统可以迅速地测量出一座钢桥上每个有疲劳倾向的部位和破损(危险)的部位。
（二）美国开发用于土木工程的无线监控模块系统。该系统采用传感器直接无线发射，测量出土木工程上每个有疲劳倾向的部位和破损(危险)的部位，但数据在发射中相互碰撞，丢失率较高。
（三）意大利运输部门开发了用于辅助大跨度桥梁在超载或异常条件下报警的一套控制系统，但该系统的存在采样时间短，信号传输延时过长，数据丢失率高等问题。
综上所述，国外已拥有了桥梁无线检测技术的雏形。
国内将无线通信技术和计算机技术结合并应用于实际工程中的研究处于发展阶段，技术不成熟，应用在桥梁检测技术中的研究较少，但20世纪90年代后已有相关事例。现简介如下:
（一）1997年出现了用于开采天然气矿井的气矿无线数据采集传输微机监控系统。
（二）2003年出现了用于卫星通信油田的自动化系统。
此外，国内的一些科研单位和大学，如清华大学、航天部、中科院、长沙金马高科有限公司、北京京南航天数据技术有限公司、哈尔滨工业大学和南开大学等己经初步开展了在无线传感器网络方面的研究工作。目前，随着物联网技术的技术发展，将物联网技术应用到桥梁结构健康监测中，符合国情，将对浙江省桥梁安全检测水平的提高起到积极作用。
三、应用的总体方案
本应用基于物联网技术的远程桥梁结构健康监测系统，感知层由若干个传感器节点、汇集节点和网关构成。感知层利用Z-STACK协议栈构建传感器网络协议，各传感器节点采集应力、挠度、沉降等桥梁参数并发送数据至汇集节点，汇集节点一方面创建、维护网络运行，另一方面把各节点传送的数据利用5/3整数小波进行时空数据压缩，以减少传送负荷，然后把压缩后的数据送入网关，网关通过GPRS模块将感知网络接入Internet，将数据通过Internet 传输至远程计算机，实现远程无线监控，本项目应用层采用LabVIEW进行开发，对这些数据进行存储、处理与分析，实现桥梁结构的实时动态评估，最大程度避免桥梁安全事故。具体内容包含以下几个方面：
（一）结构健康监测的无线物联网络感知层的构建：该感知层由若干传感器节点、汇集节点和网关构成。协调器创建并且维护感知层网络，接受网络采集到的数据信息，各传感节点采集应变、挠度、沉降等相关物理量，通过2.4GHz频率无线方式发送至汇聚节点，汇聚节点将这些信息量发送至ARM网关，ARM网关通过GPRS模块——SIM300接入Internet，为合理构建传输层做准备；
（二）挠度测量的实现：挠度是衡量桥梁结构安全的重要参数，由于相关传感器价格不菲，如何利用较少的传感器准确测量出挠度值，这是本应用一个重要的研究方面，本应用将从测量梁的倾角变量着手，来解决这一测量难题；
（三）网络节点节电技术与自供电技术研究，在电力供应不便的监测点，如何最大限度延长节点使用时间是决定监测系统复杂环境下长期工作的关键，本应用将在硬件和软件上同时采取节能降耗措施来进一步；
（四）上位监控中心数据管理和分析：通过Internet把所需数据存于数据库中，根据检测到的各种信息，结合理论分析模型、专家经验、桥梁特点及相应的规范文件，对异常情况及时报警，为决策人员提供信息支持，提高桥梁管理水平。
四、应用实例
本次应用对20m空心板桥、25mＴ梁桥、30m小箱梁桥等三种不同桥型的桥梁进行了监测，以衢州市衢江区下张公路大桥为例，桥结构如图5-1,5-2所示。
图5-1 下张大桥桥下结构
图5-2 桥横截面
从上图可以知道该梁板为简支平板结构，将跨的1Ｌ/4,1Ｌ/2,3Ｌ/4处作为传感器布置位置。
计算过程
采用桥梁博士V3.1.0计算，载荷情况如下：
（1）结构自重：混凝土主梁结构自重按26KN/m3计。
（2）预应力：张拉控制应力1395 Mpa，松弛率3%，管道摩擦系数0.25，孔道偏差系数0.0015，锚具变形及钢束回缩值0.006。
（3）二期恒载：二期恒载包括桥面铺装和其他交通附属设施。
（4）温度荷载：温度荷载包括整体升温、整体降温、主梁正温度梯度、主梁负温度梯度。
（5）汽车活载：汽车活载采用公路Ⅰ级，按《公路桥涵设计通用规范》JTG D60－2004执行。
（6）砼收缩及徐变：按10年考虑。
计算内容（按A类预应力混凝土构件计算）：
（1）短期验算组合：结构拉应力不超过0.7ftk=0.7*2.65=1.855Mpa
（2）长期验算组合：结构不出现拉应力
（3）标准值的应力验算组合：
混凝土压应力σc≤0.5fck=0.5*32.4=16.2Mpa
（4）主梁挠度验算。
计算结果如下：（1）短期组合
图5-3 短期组合主梁上下缘最大/最小应力图
由图5-3可看出短期组合未出现拉应力，满足规范要求；
（2）长期组合
图5-4长期组合主梁上下缘最大/最小应力图
由图5-4看出，长期组合未出现拉应力，满足规范要求；
（3）标准值组合
图5-5标准值组合主梁上下缘最大应力图
由图5-5看出标准值组合最大压应力出现在下缘，为11.8MPa，小于规范容许值，满足规范要求；
（4）主梁活载挠度
图5-6 主梁活载位移图
由上图看出，主梁跨中活载挠度为8mm。
上一篇：
芦山县开展桥梁安全检查 确保群众平安出行
