基于動(dòng)撓度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的橋梁風(fēng)險(xiǎn)溯源系統(tǒng)

作者簡(jiǎn)介：張碩玉 中交路建交通科技有限公司高級(jí)工程師，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與工程。

 

本文主要跟大家探討一下橋梁的動(dòng)撓度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和其結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)溯源。

現(xiàn)在越來越多的橋梁建立了結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)指標(biāo)大家都很熟悉，一般有環(huán)境荷載，結(jié)構(gòu)響應(yīng)、外部荷載、材料特性等，環(huán)境荷載類中最重要的是車輛荷載和溫度荷載。而響應(yīng)類指標(biāo)中，變形是一個(gè)極其重要的指標(biāo)，尤其是橋梁的動(dòng)撓度，能更準(zhǔn)確、更直接的反應(yīng)橋梁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和動(dòng)態(tài)剛度。

通過橋梁結(jié)構(gòu)有限元仿真分析，獲取各種沖擊荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)撓度響應(yīng)信號(hào)，創(chuàng)建基于動(dòng)撓度的安全預(yù)警模型和預(yù)警分級(jí)設(shè)置?；趧?dòng)撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和動(dòng)撓度預(yù)警模型的基礎(chǔ)上，將撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)和信息觸發(fā)機(jī)制下的視頻抓拍成果結(jié)合，構(gòu)建基于結(jié)構(gòu)動(dòng)撓度響應(yīng)的實(shí)時(shí)通行視頻抓拍系統(tǒng)，分析通行車輛通行對(duì)橋梁的影響。

圖1.健康監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)

1、動(dòng)撓度的測(cè)量方法

動(dòng)撓度長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的方法目前在工程中最常用的有接觸式測(cè)量的位移計(jì)法和非接觸式測(cè)量方法。

接觸式測(cè)量方法中，主要面臨著三個(gè)問題：基準(zhǔn)線的選擇、安裝方法和位移計(jì)的選擇。選擇拉線時(shí)需要綜合考慮：線密度、線張力、線伸長(zhǎng)率等。選擇完線的材質(zhì)和直徑后，需要選擇配載，保證拉線的振動(dòng)頻率較高，不與橋產(chǎn)生共振，并且要考慮橋梁振動(dòng)影響因素。除了考慮拉線的自振頻率外，還要考慮環(huán)境因素對(duì)拉線穩(wěn)定的影響，線徑越大，則受環(huán)境風(fēng)速影響越大，反之則越小。位移計(jì)一般選擇LVDT式、磁致伸縮位移式等，需要考慮其量程、頻響范圍、信號(hào)輸出類型等。

圖2 接觸式測(cè)量的位移計(jì)法

非接觸式測(cè)量方法，目前應(yīng)用較為廣泛的是基于光學(xué)原理和基于微波雷達(dá)原理的非接觸式設(shè)備。

基于光學(xué)原理：目標(biāo)靶采用LED燈，固定在待測(cè)點(diǎn)上；傳感器通過穩(wěn)定機(jī)械裝置固定在基準(zhǔn)點(diǎn)上，目標(biāo)靶通過攝像機(jī)的長(zhǎng)焦光學(xué)系統(tǒng)成像在圖像傳感器上，通過基于嵌入式處理平臺(tái)的圖像處理識(shí)別和高精度定位技術(shù)，確定像點(diǎn)的精確位置，最后由物像關(guān)系確定目標(biāo)靶的空間位置。

圖3 基于光學(xué)原理的非接觸式測(cè)量

基于微波雷達(dá)原理：干涉測(cè)量技術(shù)通過比較在不同時(shí)刻反射的電磁波相位變化獲取物體位移，保證設(shè)備監(jiān)測(cè)到亞毫米級(jí)的微小位移變化，不受光線、下雨、刮風(fēng)等惡劣天氣影響。

圖4 基于微波雷達(dá)原理的非接觸式測(cè)量

通過本人的工程項(xiàng)目實(shí)踐，對(duì)兩種測(cè)試方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，如下表。

項(xiàng)目	接觸式測(cè)量		非接觸式測(cè)量
	LVDT位移計(jì)	磁致伸縮位移計(jì)	光學(xué)原理	微波雷達(dá)原理
測(cè)量 參數(shù)	直接量：位移		圖像	電磁波
采樣率	0-10000Hz		0-50Hz	連續(xù)采樣：≤10Hz 間隔采樣：≤200Hz
物理特性	分辨率：0.002%-0.001%F.S 線性度：±0.05%F.S	分辨率： 優(yōu)于0.01%F.S 非線性度： <滿量程的±0.02%（最小±100μm）	精度： 10米（±0.1mm）； 50米(±0.2mm)； 100米(±0.2mm)； 100米-200米(±2mm)	精度：≤0.1mm
安裝 方法	復(fù)雜（需要拉基準(zhǔn)繩）		容易
造價(jià)（傳感器+采集）	低		高
環(huán)境適應(yīng)性	惡劣天氣下可用		受天氣影響較大

 

2、安全風(fēng)險(xiǎn)溯源機(jī)制

安全風(fēng)險(xiǎn)溯源機(jī)制：根據(jù)實(shí)時(shí)的動(dòng)撓度數(shù)據(jù)，智能網(wǎng)關(guān)快速判定撓度值的范圍，超過一定限值就啟動(dòng)抓拍攝像機(jī)，記錄該時(shí)刻橋梁上的荷載情況。

圖5 風(fēng)險(xiǎn)溯源機(jī)制

圖6 應(yīng)用效果

3、動(dòng)撓度數(shù)據(jù)的利用

第一類應(yīng)用就是數(shù)據(jù)挖掘：車輛荷載引起的橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)撓度相對(duì)于溫度效應(yīng)和恒載引起的撓度而言，是一種變化較快的信息也就是瞬變信息，可采用小波分析的方法將動(dòng)撓度信號(hào)的高低頻成分分離。根據(jù)分離的橋梁撓度特征值，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，可以得到橋梁上部結(jié)構(gòu)隨時(shí)間損傷的曲線，也就是橋梁的剛度損傷模型，從而對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)估。

圖7 時(shí)間-溫度效應(yīng)曲線

第二類應(yīng)用就是根據(jù)動(dòng)撓度數(shù)據(jù)，結(jié)合計(jì)算分析結(jié)果，進(jìn)行車流量信息的分析，為管養(yǎng)單位提供精細(xì)化的管養(yǎng)數(shù)據(jù)。

圖8 車流量信息統(tǒng)計(jì)