基于无线传输技术的野外桥梁远程健康监测及安全评估系统

冯昆荣

(绵阳职业技术学院　四川绵阳　621000)



基于无线传输技术的野外桥梁远程健康监测及安全评估系统

冯昆荣

(绵阳职业技术学院四川绵阳621000)

摘要：针对在野外偏远山区桥梁无法运用常规监测方法和设备问题，提出了运用无线传输技术实现对桥梁的远程监测，并以封侯沟大桥为例，介绍了桥梁健康监测系统的各项功能及关键技术。该监控系统经多年运行，在安全评估结果指导下对大桥进行及时维护，使大桥仍保持了健康的使用状态，有效保证了车辆的安全通行。

关键词：桥梁健康监测无线传输技术

桥梁作为高速公路的重要节点，已逐渐成为象征国家、地区经济发展与技术进步的标志。传统的桥梁结构是一种被动结构，一经设计、修建完成后，其性能及使用状态在很大程度上存在着不可预知性和不可控制性[1]。目前，桥梁结构在使用过程中的各项功能及安全性、耐久性等问题都受到人们的高度关注，随着现代电子技术与传感技术的发展，实现对桥梁结构进行整体和局部监测已成为可能。在城市道路中，为了保障桥梁正常工作、防止因结构灾害而造成重大公共安全事故, 一般对其结构进行实时和动态的测量、监视或控制, 并建立起相应的数据分析模型和预警体系。然而在野外偏远地区，由于人力不及，对其地区所在桥梁的整体和局部结构监控均是通过人力不定时进行，获取数据量不足以指导桥梁健康评估。本文以地处偏远山区的封侯沟大桥为例，提出了运用无线传输技术实现桥梁的远程监测和安全评估。

1封侯沟大桥简介

封侯沟大桥位于永寿县境内，是西部开发省际公路通道银川至武汉线陕西境陕甘界至永寿段公路上的控制工程之一。该大桥地处偏远山区，地面温度差异约60 ℃，因其处于银川至武汉线核心要道，大型车辆通过率高。桥梁全长938.00 m，最大桥高134 m。主桥为75+3×140+75 m预应力混凝土刚构-连续组合梁，由上、下行的两个单箱单室箱形断面组成。主桥采用双薄壁空心桥墩, 分隔墩采用薄壁空心墩,引桥桥墩采用双柱式墩,桥台采用肋板式及柱式桥台。桥墩采用钻孔灌注桩基础。大桥全貌如图1所示。

由于其为交通要道，且大型车辆通过率高，有必要对其进行长期运行监测，以保证车辆的安全通行和桥梁的设计寿命，但由于其地处偏远山区，且温差较大，无法运用常规的监测方法和设备。基于此，本文提供了一种基于无线传输技术的数据采集和桥梁健康评估系统，特别针对野外恶劣地质状况而开发。它不仅可以实现恶劣地质环境下自动准确地测量数据，而且还能同时采集多类型数据，真正实现桥梁全自动实时检测、数据分析和桥梁健康评估，特别适合野外无人值守桥梁。

图1　封侯沟大桥全貌

2监测系统[2-4]

封侯沟大桥健康监测系统由传感器、数据采集与分析系统、健康评估系统等组成。监测系统结构示意图如图2所示。

图2　监测系统结构示意图

2.1系统功能

(1)对变形(包括竖向挠度、纵向位移、固结墩墩顶倾角等指标)、应力、温度和控制截面结构裂缝进行远程适时监测。

(2)结合远程适时监测情况对大桥进行定期外观检测。

(3)对大桥的耐久性和承载能力进行检测。

(4)利用监测内容为该桥的维护和健康运营评估提供实测数据，并作数据分析，提供该桥的健康运营状况，并作出安全性评价。

2.2关键技术

2.2.1建立大桥仿真模型

利用桥梁结构计算专用程序MIDAS/CIVIL(V7.4.1)，建立大桥的计算机有限元模型，并作模型修正，模拟该桥的实际运营状态，计算分析该桥在各种外界环境、各种荷载工况、各个监测时段的挠度与内力，建立原始理论数据库，作为实测数据的对比依据。同时，确定桥梁受力的最不利位置，为传感器和应变计的埋设提供理论依据。

2.2.2大桥挠度监测

本桥挠度监测采用连通液位式挠度自动观测仪，其测量原理如图3所示。

图3　挠度测量原理示意图

观测点的布置，要求能够通过采集的数据反映桥梁变形的整体特征和桥梁的稳定性。根据MIDAS/CIVIL软件的模拟分析结果在各中跨跨中截面及1/4跨截面设置挠度测点，边跨根据理论分析计算结果确定挠度最大截面位置，在挠度最大截面设置挠度测点。为增加数据对比性，在每个截面均布置两个测点以相互校核。全桥左右幅共布置挠度测试截面22个，测点44个，测点布置示意图如图4所示。

2.2.3大桥主梁纵向位移监测

运营期主梁纵向位移监测可通过对两端伸缩缝宽度变化的适时监测来实现。本系统运用智能数码测缝计来监测伸缩缝宽度变化。由于大桥与山体连

图4　封侯沟大桥运营监测挠度测试截面布置示意图

接处路基材质存在较大差异，所以封侯沟大桥主梁纵向位移监测对12#和17#桥墩墩顶和桥台处伸缩缝宽度进行监测，为增加数据对比性，每条伸缩缝设置3个测点。全桥左右幅共设置12个测点。

2.2.4墩身垂直度变化监测

运营期墩身垂直度变化监测可通过在墩顶箱梁0号块腹板上安装1个智能固定式测斜仪进行远程适时监测，如图5所示。

图5　垂直度变化

墩身垂直度监测主要对固结墩进行测试，封侯沟大桥共对14#，15#墩身进行垂直度监测。全桥左右幅共设4个监测断面，每个断面设1个测点，共4个测点。

2.2.5大桥应力监测

(1)正应力。根据MIDAS/CIVIL软件的模拟分析结果，箱梁正应力监测截面为各跨跨中截面(最大正弯矩控制截面)和各悬臂根部截面(最大负弯矩控制截面)，全桥左右幅共设18个断面。每个控制截面上顶板、底板各布置2个应力测点。全桥共布设72个正应力测点。箱梁混凝土正应力测试截面布置示意图如图6所示，截面测点布置示意图如图7所示。

(2)主应力。根据MIDAS/CIVIL软件的模拟分析结果，箱梁主应力监测截面为距悬臂根部1/2梁高处腹板中间及距现浇段支点1/2梁高处的腹板中间，全桥左右幅共设12个断面。每个断面设2个测点，测点布置在截面中性轴高度处腹板内侧表面上，全桥共布设24个主应力测点。主应力监测以表贴式应变计进行控制截面主拉应力(应变)数据采集，传感器布置按应变花布置，如图8所示。

图6　封侯沟大桥运营监测应力测试截面布置示意图

图7　大桥应力测试截面测点布置示意图

图8　主应力测点示意图

主梁应力(包括正应力和主应力)监测采用表面智能数码弦式应变计进行。

2.2.6大桥结构振动特性监测[5]

根据MIDAS/CIVIL软件的模拟分析结果，确定结构的前三阶振型图中的最大振幅位置分别安装测振传感器进行振动特性监测(频率、阻尼比、冲击系数等)。每个振型设置1个测点。全桥左右幅共设置6个测点。

2.2.7大桥耐久性监测

(1)钢筋混凝土成品检测试验。本项目的钢筋混凝土检测按5%的成桥块段数用超声-回弹综合法评价混凝土的质量。另外，为了正确判断检测结果，探头的选择(频率、尺寸、折射角)及配置、检测参数的设定，在执行扫描之后信号的评估也是非常重要的。

(2) 大桥裂缝监测。在大桥进行运营期监测前，首先对全桥外观病害(主要为结构受力控制截面结构裂缝)进行全面检查并统计分类，然后对其中控制截面的主要结构裂缝选择有代表性的进行运营期远程适时监测，最后通过定周期外观检查确定既有裂缝发展过程监测与新增裂缝补充监测的内容。结构裂缝分跨中底板下缘横向正弯矩结构裂缝、悬臂根部及现浇段腹板主受拉斜裂缝、底板和顶板纵向裂缝。根据外观检查结果分别对以上3种类型的裂缝每孔各选取1条有代表性的典型裂缝进行运营期远程适时监测。全桥共选取32条裂缝监测测点。

(3)混凝土中性化深度试验。用酚酞试剂测试混凝土中性化深度及中性化区域。一般在维修时就用此方法来判定应敲除混凝土劣化区域与决定修复范围，但中性化深度量测时最容易产生误差有两个，第一是指示剂不能放太久否则混凝土变色不易，第二是混凝土试样取出后不能和空气接触太久，否则试样表面混凝土均已中性化就无从判断混凝土中性化的深度。

(4)钢筋锈蚀状态测试。用钢筋锈蚀仪采用半电池电位法进行钢筋锈蚀状态监测。本大桥每年进行一次钢筋锈蚀检测。每个测区上布置测试网格，网格节点为测点，网格间距采用20 cm×20 cm，30 cm×30 cm，20 cm×10 cm不等，根据构件尺寸而定，测点位置距构件边缘大于5 cm，一个测区不少于20个测点。

此外，还需要进行大桥运营环境状态的监测，大桥外观技术状况检测，检查评定的内容、方法依据《公路桥梁养护规范》的桥梁定期检查执行。

3大桥健康状态及承载能力评估

大桥监测的最终目的是进行合理有效的评估，为养护管理的科学决策提供依据。评估的内容和主要依据为现行交通部颁《公路桥梁养护规范》(2004)等技术规程和有关的设计规范要求。评估内容主要有：整体状态评估、安全性评估、耐久性评估、适用性评估等内容。安全性、耐久性、适用性的综合评估构成桥梁整体状态评估。

3.1桥梁评估模型

利用监测数据进行结构状态综合评估是桥梁监测评估的最终目的。桥梁结构状态评估模型如图9所示。

3.2大桥承载能力评估

桥梁承载能力评价是一个考虑结构损伤和实际运营状态，并以整个结构体系为对象，对桥梁可靠性(安全性、使用性、耐久性)进行分析评价并作出决策的过程。桥梁承载力是反映桥梁使用现状的一个重要技术,是桥梁结构维修加固方案设计决策的依据，桥梁评价的信息来自现场，主要预测桥梁结构系统的基本性能和未来的安全。

本次监测拟对桥梁在不同运营阶段实测其关键截面的应力和变形，同时与各桥的计算机仿真分析理论数据作比较，必要时再结合结构荷载试验来综合评价桥梁的承载能力。

图9　桥梁结构状态评估模型

4无线数据传输系统

采用DTU方式实现无线控制和数据传输，它分为硬件和软件两个部分。硬件部分安装在工程现场，软件部分安装在电脑中，由使用者操作，控制现场系统。

本项设备利用“CMNET”的方式传输数据，硬件要求为一块开通GPRS的CMNET业务的SIM卡和一台能上internet网的电脑。

为了建立现场的DTU硬件与电脑在internet上的联系，需要一个域名(通常为域名服务商提供的免费域名)，将域名设置到现场的DTU硬件中。当电脑通过域名服务商提供的软件登录成功，即将使用者电脑的IP与域名联系起来。现场DTU通过GRPS上网，经DNS域名解析找到该域名对应的IP地址(即使用者的上网电脑)，再通过DSC无线数据系统的软件与之建立UDP联系，从而进行现场与使用者的控制实现与数据交换。

5结语

封侯沟大桥采用了基于DTU方式无线控制与数据传输远程监测系统。运行以来，定时传输数据到桥梁维护监控系统，与软件分析及人工不定期现场检测数据对比，数据吻合，可用于桥梁健康状况监测及安全评估。系统经多年运行，在安全评估结果指导下对大桥进行及时维护，该大桥仍保持了健康的使用状态，有效保证了车辆的通行安全。封侯沟大桥地处地面温差较大的宽温地区，低温时可达-25 ℃，高温时可达30 ℃，本监控系统在封侯沟大桥的成功应用说明本系统使用温度范围宽，可向我国大部分地区推广使用。

参考文献

[1]刘伟,桥梁结构健康监测系统研究[J].交通标准化，2007,(7):110-112.

[2]何浩祥,闫维明,马 华,等.结构健康监测系统设计标准化评述与展望[J].地震工程与工程振动,2008,28(4):154-160.

[3]李宏男,李东升.土木工程结构安全性评估、健康监测及诊断述评[J].地震工程与工程振动,2002,22(3):82-90.

[4]秦权.桥梁结构的健康监测[J].中国公路学报,2000(4):40-45.

[5]姜绍飞,党永勤,苏居儒,等.基于振动的结构健康监测技术[J].沈阳建筑工程学院学报,2003,19(4):275-278.

Remote Health Monitoring and Safety Evaluation System for Bridge Based on Wireless Transmission Technology

FENG Kun-rong

(MianyangVocationalandTechnicalCollege,Mianyang621000,SichuanChina)

Abstract:This paper puts forward the remote monitoring of bridge by using wireless transmission technology, and introduces the function and key technology of the bridge health monitoring system. The monitoring system has been operated for many years, the bridge is maintained in time under the guidance of safety assessment results, and the bridge is still maintained in a healthy state, which can ensure the safety of the vehicle.

Key words:Bridge; Health monitoring; Wireless transmission technology

中图分类号：U446

文献标志码：A

文章编号：1671-8755(2016)01-0044-05

作者简介:冯昆荣(1967—)，女 ，副教授，高级工程师，硕士研究生，全国注册监理工程师，一级建造师。研究方向为工程管理、工程监理、建筑结构。E-mail：574823569@qq.com

收稿日期：2015-10-28