物联网技术在桥梁施工质量检测中的应用

刘超

【摘 要】文章阐述了桥梁施工中质量检测的意义，总结了常规的质量检测方法和基于物联网技术的质量检测新方法;以实际工程案例为论证背景，重点研究了桥梁墩台和支座在动载作用下的受力变化，证明了基于物联网技术的桥梁施工质量检测方法在检测的灵敏度和时效性方面均具有一定的优势。

【关键词】物联网;桥梁施工;质量;检测

【中图分类号】U445.1 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2022）04-0191-03

0 引言

随着我国科技水平的不断提高，桥梁工程领域的施工技术也在不断发展，从过去的工期长、标准低的劳动力建设模式已逐步发展成当前的工期短、标准高的现代化施工模式。桥梁工程无论是在施工质量、工程成本方面还是在使用寿命、安全性等方面都位居世界前列，部分桥梁施工企业已走出国门积极开展国外项目的竞标和建设，很多国家的桥梁工程施工和验收标准都参照我国的标准制定，可见，我国桥梁工程领域的施工水平已得到世界的认可。值得注意的是，一个高标准、高质量的桥梁工程项目，其中涉及的质量控制环节很多，包括施工材料、施工技术、施工工序等，还包括很多试验和检测工作，如施工安全性试验和施工质量的检测等。施工质量检测是提高桥梁工程整体施工标准的重要保障，对加快施工进度、降低工程成本等方面具有重要意义[1]。

1 桥梁施工质量检测意义

1.1 提高工程质量

桥梁施工质量检测包括很多部分，通用部分的检测包括施工集料参数、预制件强度、钢混结构性能、弯曲度和挠度等。各施工组件的质量检测又分为模板、支架、拱架、钢筋、混凝土、砌体、基础、墩台、支座、钢梁和结合梁等部分的检测。如果以桥梁结构划分检测区域，又分为桥面质量检测、上部结构质量检测和下部结构质量检测等。虽然各部分的检测标准和检测方法各不相同，但是都应遵循住房和城乡建设部颁发的《桥梁工程施工与质量验收规范》中的各项要求，逐一落实各部分的质量检测工作，这是因为施工质量检测是桥梁工程必须实施的一个重要环节，是保证桥梁工程投入使用后安全性的前提，也是提高工程总体质量水平的重要基础。

1.2 加快施工进度

桥梁施工质量检测的目的是为了发现施工过程中的各类问题或不合规项，及时对检测中发现的问题进行整改，避免大规模的修缮或处置工作而带来的重复施工，这在某种程度上可以加快施工进度。例如，在桥面施工质量检测中，重点针对桥面的铺装层、地袱缘石和挂板等进行检测，还包括防护设施、排水设施和桥梁伸缩设施等。上述过程的质量检测能够发现桥面施工过程中的问题，包括很多隐蔽的安全问题，因此对发现的质量问题应及时进行修补，保证后续施工顺利进行。

1.3 降低工程成本

在对桥梁施工原材料部分进行检测时，可以有效筛除质量不达标的原材料，确保施工全过程中所用材料均满足工程要求。原材料包括砂石、水泥、外加剂、钢筋和接头等，这些原材料都是桥梁施工的基础，其质量和造价都会影响工程的成本预算。有研究数据表明，使用质量合格且价格合理的原材料进行施工时，工程的成本预算减少10%～15%，因此原材料的施工检测工作至关重要，在对原材料进行检测时应做到规范、细致，避免原材料的浪费，降低工程成本[2]。

2 桥梁施工质量检测方法

桥梁施工质量检测方法有很多，传统的检测方法有回弹检测法、动力检测法、荷载检测法等。伴随着移动互联技术的快速兴起，近些年在桥梁工程中也出现了一些新的检测方法（如物联网技术检测法），将移动检测设备与互联网有效结合。

2.1 回弹检测法

回弹检测法是一种通过回弹仪进行施工质量检测的有效方法，主要检测的是混凝土的抗压强度。回弹仪属于一种机械、无损的检测仪器，仪器检测结果能够真实地反映混凝土的工程性能，而不会经过仪器本身而发生任何内部的能量消耗，即可以忽略由于仪器误差而给检测结果带来的影响。混凝土自身的强度与其实际的表面硬度间存在一定联系，回弹仪中的弹击锤通过相应的弹力打击到混凝土的表面，此时通过回弹仪读取实际的回弹值即回弹高度，而回弹高度与混凝土的表面硬度也具有一定的线性比例关系。回弹法进行混凝土抗压强度的施工质量检测时，具有设备简单、操作便利、检测快速等优点，工程应用较为广泛。

2.2 动力检测法

动力检测方法在实际工程应用中的检测项目包括桥梁的动力特性检测、模态参数检测和桥梁的动力响应检测。模态参数检测包括频率、振形和阻尼比等;动力响应检测包括动挠度、动应力、加速度、冲击系数。桥梁本身振动频率的检测相对容易，测定一阶频率即可，通过频率检测系统的功率谱图获取，包括频率峰值、时域曲线等。检测系统给出的基频数据还可计算出桥体承重结构的刚度性能。在动力曲线分析过程中，还应充分考虑到第二、第三或是更高价的频率影响。冲击系数检测主要是与结构动应变和动挠度相关，检测前在桥梁跨中布置多个位移计、应变计，跨中位置也可是最大变位或应变处，位移计和应变计通过应变仪连接到电脑进行检测。

2.3 荷载试验检测法

荷载试验检测法分为动载与静载两种方式，动载试验检测主要是对桥梁进行动力荷载试验，通过对桥梁结构特性和动载响应曲线进行分析，综合判断桥体结构在动载情况下所受的冲击或振动。动载通常是行驶过程中的汽车荷载或其他方式的荷载作用到橋体结构上，目标是检测梁的应变情况、挠度和裂缝情况等，由检测结果与理论值进行对比，评估桥体结构的稳定性和实际承载能力，动载试验检测全过程不具有破坏性。静载试验检测是将静止的荷载作用到桥梁指定位置，目的是检测出桥体结构的静应变、位移或裂缝，主要反映桥梁静载情况下的工作性能。荷载试验检测法具体应用时可分别进行动载和静载检测，由检测数据综合分析桥梁的结构强度、稳定性、刚度、挠度、裂缝和基础情况等[3]。

3 物联网技术在桥梁施工质量检测中的应用

3.1 物联网技术概念

物联网技术是近些年逐渐发展起来的一项前沿技术，以高速畅通的网络为基础，搭载各类传感设备、嵌入式设备和数据处理设备等，实现各种设备的互联互通和集成应用，其实质是万物互联，而传感技术和嵌入式技术则是其核心技术，物联网技术已广泛应用于传媒、医疗、教育和工业各个领域。随着桥梁工程领域技术的不断完善，对施工质量的要求也更加严格，部分高标准、高质量的大型桥梁工程项目，常规的质量检测方式已不再适用，亟须一种更加精准、高效的检测方法。因此，国内一些桥梁工程建设领域的专家和学者们已将研究的目光放在物联网技术方面，期望能够将物联网技术中实时、精确、便捷等优势应用到桥梁施工质量检测环节，以获得更为精确的质量检测数据，为后续工程施工计划的制订和改进提供相应的参考依据[4]。

3.2 需求分析

桥梁施工质量检测的目的是为了发现施工过程中桥梁发生的各类问题和安全隐患，在提供精确的检测数据的同时也期望检测的速度快、成本低，因此桥梁施工质量检测需要满足以下几个方面要求。

3.2.1 检测精度高

检测精度高是桥梁施工质量检测的基本要求，也是衡量检测技术是否合格的重要标准。检测精度对检测工艺的依赖度较低，更取决于检测设备的精度。在桥梁工程实际的施工检测中，各施工部分的检测方法不一样，因此所使用的检测设备也不同，为获取更加精确的质量检测数据，应选用检测精度较高的设备进行检测。

3.2.2 检测速度快

进行施工质量检测时，应严格控制好检测时间，检测时间不宜过长，部分施工情况下的质量检测具有一定的时效性，如混凝土初凝时间的检测。桥梁施工涉及的环节众多，各施工环节的检测时间有具体规定，检测前应提前安排好各部分检测的最长时间，避免影响其他部分的检测。

3.2.3 检测成本低

施工质量检测环节有很多，为获得更为准确和可信度较高的检测结果，有时会增加更多检测人员并投入更多的检测设备，这种情况下势必会带来检测成本的增加，从而使施工企业为控制预算而缩减其他施工部分的经费投入，而这种高成本的检测方式仅可在非检测约定范围内的异常情况下作临时使用，为完成各施工部分的检测并控制成本，应选用成本较低的方法进行检测。

3.2.4 检测范围广

桥梁施工质量检测的范围较广，如模板、支架、拱架、钢筋、混凝土、砌体、基础、墩台、支座、钢梁等，应制定详细的检测标准和规范，各检测部分应有序衔接，使桥梁施工质量检测范围全覆盖，避免发生误检和漏检情况[5]。

3.3 工程应用

为真实地分析物联网技术在桥梁施工质量检测中的应用效果，论证该技术在施工质量检测中的可用性，并为后续的理论研究和工程应用积累经验，拟选取钦州市某在建的市政桥梁工程项目为研究对象，完成对桥梁下部主体结构的质量检测，具体检测过程如下。

3.3.1 网络环境搭建

在墩台和支座外壁等间距安装多个振动传感器和位移传感器，将振动传感器彼此连接，位移传感器也同样彼此连接，振动传感器组和位移传感器组分别留有输出端，将两组输出端分别用网线连接到交换机，对于距离较远或施工现场条件不具备的情况，可通过Wi-Fi无线网络进行连接，振动传感器和位移传感器都已安装无线网卡。分别架设一台用作振动和位移数据交换的交换机和数据处理的服务器（数据库），可安放在临时搭建的控制室内，另有一台笔记本电脑或工业PC机，用于安装桥梁施工质量检测系统软件，一般情况下，这台笔记本电脑或PC机可置于数据库服务器上，便于演示与操作。根据IPV4或IPV6通信协议组建内部局域网络，并连通交换机和服务器之间、笔记本和服务器之间的数据链路，确认无误后开始进行下一步工作。

3.3.2 设备自检测试

打开振动传感器、位移传感器、交换机、服务器、笔记本电脑，观察上述设备的运行指示灯是否正常、传感器的自检情况是否正常;打开笔记本电脑中桥梁施工质量检测系统软件，观察是否能看到墩台和支座上全部传感器发来的模拟信号，当全部设备开机约5 min后，系统运行情况稳定时，可以准备进行墩台和支座部分的振动和位移数据检测。

3.3.3 墩台振动和位移数据检测

将工程荷载试验车在桥面上分别以匀速和加速两种方式行进，观察墩台上振动和位移传感器情况，基于工程安全等因素考虑，测试人员无法近距离接近墩台，因此可通过观察或听的方式确认传感器是否有报警;也可在控制室笔记本电脑上通过桥梁施工质量检测系统软件中的传感器工作界面进行查看，当墩台的振动或位移数据超过系统规定阈值时，相应的传感器发出警报声并有警报灯闪烁，此时检测系统软件中的传感器工作界面显示灯变成红色（未超过系统设定的阈值时是绿色），测试人员通过查看界面报警信息，能够发现发出警报的传感器具体位置，位于检测现场的技术人员能快速找到发生质量问题的墩台标号并记录。

3.3.4 支座振动和位移数据检测

支座部分的振动和位移数据检测与墩台部分的检测大体相同，不同之处在于支座上的振动传感器所获取的检测数据并不能完全反映支座本身受力情况，应在此基础上减去墩台的受力大小，为便于对检测数据的分析和计算，结合以往的施工检测经验，将支座振动传感器传回的数据乘以系数0.8（工程经验值）后进行处理，也可在桥梁施工质量检测系统软件的程序中预设0.8倍的系数，可得到相同的测算结果。

3.3.5 检测结果分析

查看检测系统软件中显示的振动和位移数据是否与实际墩台和支座上的报警传感器相吻合，确认无误后进行数据汇总、分析，从中可以发现以下规律：同一位置的墩台和支座的振动传感器发出警报的时间几乎是相同的，当工程荷载试验车经过该区域时，墩台和支座在垂直方向上的受力是一致的，相互作用力使得墩台和支座所受的冲击力几乎相等，但相同位置的墩台和支座在位移传感器方面的数据却差异很大，这是因为在水平方向的受力大小相差悬殊所致。即便是相邻的墩台或支座，无论是振动数据还是位移数据的大小都相差明显，并且发出警报的时间跨度很大，通过检测系统软件所给出的受力曲线可知，以上检测数据均呈无规律变化，即无任何相关性，这是由墩台和支座的空间位置及试验车施加冲击力的先后次序决定的。

3.4 优势分析

通过对比基于物联网技术的质量检测试验与常规检测试验结果后发现，两种方法在进行桥体下部分结构质量检测时结果略有不同，常规检测方法侧重于桥体大概位置的检测，而物联网技术检测方法主要聚焦在具体位置上受力情况的变化，即物联网技术在桥梁施工质量检测的精度上更胜一筹。在检测时间上，物联网技术能够做到检测过程与检测结果的同步，真正做到了检测结果输出的零延时，保证了检测数据分析的时效性，这也是常规质量检测方法所无法比拟的。

4 结语

物联网技术在近些年得到了飞速的发展，在多个学科和领域都有广泛使用，但其未来的发展趋势仍有诸多不确定性，并且该技术应用于桥梁工程施工领域也属于起步阶段，需要研究和探索的问题仍有很多。本文将物联网技术引入到桥梁工程施工的质量检测环节是一次大胆的尝试，以振动传感器和位移传感器为核心组件搭建了墩台与支座的质量检测系统，通过分析试验数据，论证了物联网技术应用于桥梁施工质量检测领域的可行性。

参 考 文 献

[1]丁瑞，赵剑.基于物联网技術的桥梁监测系统[J].建筑技术开发，2019，46（23）：106-107.

[2]韦武朗.基于BIM的桥梁施工监控云平台应用研究[J].西部交通科技，2020（5）：148-151.

[3]徐磊.试论路桥工程试验检测的现状与提高检测质量的措施[J].中国住宅设施，2021（9）：43-44，58.

[4]王毅.高速公路路面质量检测技术应用论述[J].四川建材，2021（2）：13-14.

[5]陈晶晶.公路桥梁检测质量控制与检测技术应用分析[J].黑龙江交通科技，2021（2）：109-110.