无线智能监测系统在桥梁结构健康中的应用

潘顺兴

（贵州黔程弘景工程咨询有限责任公司，贵州贵阳 550018）

0 引言

在实际的桥梁健康监测工作中，首先要明确桥梁结构的重要区域，并在该区域的中心位置设置传感器，传感器在正常工作状态下，能实现对桥梁关键位置的自动化监测，工作人员可实时获取桥梁结构所承载的压力值及其他相关信息。同时，结合环境因子、桥梁结构静动力及荷载等因素，即可对桥梁结构的安全性及运行状态进行有效评价。如果桥梁结构处于危险状态，传感器能给予及时的警示，工作人员结合相关数据展开分析，可有效判断桥梁结构的实际情况，进而为桥梁项目的后续维护、检修及管理提供指导依据[1]。

传统的桥梁结构状态评价，主要从挠度及应力检测等方面进行，监测数据较为单一且准确性不够，无法达到充分掌握桥梁结构情况的目的。以某特大桥工程为例，对其工程情况及施工情况展开分析，并结合目前的监测情况，探讨开展实时监测的必要性，并探讨智能监测系统集成方案的可行性及有效性。

1 工程概况及技术状况分析

1.1 工程概况

某特大桥，跨越该区域著名河流，跨径值分别为50m、115m、210m，桥面宽度达38m，设有6 个车道，公路等级为I 级；桥梁主墩设置在河流两侧，航道宽150m，高8m，大桥通航等级为Ⅳ级。

1.2 结构技术概况

工程结构的技术情况大致如下：

1.2.1 主梁构造

采用预应力混凝土箱梁，混凝土等材料是基于设计标准合理选用的，高跨比和高宽比等也满足技术操作要求，分别为1∶80 和1∶13.82。

1.2.2 塔构造

桥梁主塔为竖向双柱结构，矩形端截面形式、斜拉索等基于设计做了精细布置，各个部分的高度设计均达到了既定施工标准。

1.2.3 斜拉索构造

缆索符合既定的保护要求，纵横向的间距也做了精细设计。锚孔和斜拉结构处在既定的控制范围内，为后续的技术处理提供了有利条件。

2 针对性监测内容分析

基于安全监测系统的功能定位，并结合桥梁工程的具体情况和技术状况，工程所涉及的安全监测大致如下：

2.1 防船撞预警

该桥梁在水中并不设墩柱结构，无须考虑防撞设计，通航标准为IV 级，桥下通航净宽和净高分别为150m、8m，与既定的通航标准一致。

2.2 主梁挠度及基础不均匀沉降

从理论层面来看，主梁的挠度和基础沉降能够将桥梁的运行情况直观地呈现出来，出现较大变形的话必定会影响行车的安全性，且会出现结构受力不佳的情况。通过监测变形能够探知桥梁的损伤状况，能够为评估桥梁是否稳定安全提供重要参考。

2.3 结构应力

结构体系会形成高应力区域，该桥梁在构造上存在应力集中的情况，这一点应重点关注；在长期交通荷载和环境动荷载的影响下，结构出现疲劳的可能性相对较大，因此应重点关注和做好针对性处理。

2.4 环境温度

截面温度梯度会直接影响大跨度桥梁结构的变形和应力状态，因此应做好对环境温度的调控。大型桥梁各个部分材料和结构形式存在很大的差异，环境温度和日照变化等会影响桥梁的温度分布。

2.5 结构动态特性

桥梁结构的性能会随着时间的推移发生变化，其动态特征参数也会相应出现变化，这种变化可以影响桥梁结构的稳定性。通过对结构动态特征参数进行全面分析，可以制定桥梁健康监测的参考标准，以充分了解桥梁的高度和边界条件。

2.6 索力

索力的主要作用是传递桥梁主结构的荷载，并在桥梁下部连接主塔结构，以维持结构的稳定性，所以在桥梁健康监测过程中需要重点关注索力的变化规律[2]。

3 智能监测系统集成方案分析

3.1 系统功能分析

桥梁健康智能监测系统，主要是利用智能传感器子系统、数据采集子系统等进行数据监测，上述子系统是整个系统稳定运行的重要条件。数据库系统在数据管理的过程中起着极为重要的作用，在储存桥梁施工信息和监测信息方面有突出作用。桥梁健康监测系统各子系统之间的关系，如图1 所示。

图1 桥梁健康监测系统各子系统之间的关系与流程

3.2 集成方案分析

智能监测系统中包含多个子系统，想要实现不同子系统物理逻辑的稳定性，需要对集成系统进行全面分析。系统集成的具体作用如下：实现对不同子系统的控制和管理，在便捷化操作上有突出表现；开放式数据结构在保障信息资源共享上有显著表现，基于构建的数据开放平台，能为子系统的稳定运行提供基础性的保障。

4 系统集成方案的软件实现

4.1 中心数据库方案

之所以要构建中心数据库，是为了存储桥梁结构和状态的相关信息，所涉及的监测系统，应满足以下要求：能够有组织地进行动态存储，能够为多用户提供访问服务；能够推动不同状态和不同部位的数据共享和交叉访问，且能满足应用程序的独立或联合运行；能够快速存储动态数据，这也是系统稳定运行的基础条件。中心数据库承担着不同功能模块的数据传输和共享功能，因此应使其保持稳定的运行状态[3]。

4.2 各子系统及其软件方案

4.2.1 数据采集子系统及其软件

健康监测系统能够进行全面的实时监测，如果在数据采集过程中出现数据异常，可根据实际需求进行模块调整，即在特定软件的触发下，按照调整要求进行相应的处理。当前，多平台供数据采集的模式已经形成，且随着多种编程语言的丰富，有了更多的选择[4]。该项目中的子系统软件开发主要基于LabWindows。

4.2.2 安全评定子系统

智能监测系统能够全面、动态地评估桥梁的稳定性，保证相关监测工作能够有序开展。在相关分析过程中，需要对监测数据进行综合分析。应用MATLAB开发损伤识别软件等，可以更为精准地监测桥梁损伤结构，且能将相关数据存储至中心数据库，这对推进系统优化非常重要。结构的模型修正可通过全局数据更新和局部数据更新进行，基于精细的分析，可以得到结构应力等相关结果。在整体和局部的修正条件下，可以提升实测的准确性。另外，一些其他功能也能基于相关软件实现[5]。

4.3 软件集成技术

应用软件集成技术时，需要注意以下两个方面：第一，需要明确系统间的接口，以及调用、触发机制。第二，需要确保软件与数据之间的有效对接，保证相关接口及通信功能的完善。结合实际情况来看，可通过设置阀值来控制子程序的运行。通常情况下，若采集器信号值与阀值存在较大偏差，可调用先前的数据进行损伤分析。如果识别到结构出现损伤，应调用有限元分析软件对结构的承载力进行分析，以此推动对结构模型的修正分析。不同子系统与数据库之间的通信，可通过调用数据工具箱进行。借助智能监测系统中的模态和损伤识别程序，可从数据库中读取原始数据，进而实施对桥梁状况的实时评价。桥梁健康监测系统通讯流程如图2 所示。

图2 桥梁健康监测系统通讯流程示意图

5 桥梁健康监测体系建设措施

5.1 桥梁健康监测体系设计思维

桥梁健康监测体系的设计应密切联系实际情况，基于桥梁结构特征、周围环境及造价要求等各个方面进行分析，以明确桥梁在经营过程中的设计和总体目标等相关要求，从而为相关处理提供基础保障。此外，应注意监测对象和性能的相关要求。

第一，体系设计应与桥梁结构受力情况相结合，考虑传感器的型号和具体设计方式，以确保所选传感器能够实时监测桥梁的内部情况[6]。同时，构建桥梁整体运行的视频监控体系，实现精细的监测和控制，以实时了解桥梁上部的交通情况和运行状态。

第二，明确桥梁结构安全评估的方式与预警体系，确保能够识别和预警结构破损、功能老化及突发事故等，同时需确保系统运行的稳定性和安全性。

第三，将桥梁健康监测系统与人工监测方式充分结合，但需要在所构建的管理系统运行条件下进行，进而为桥梁管理和维护提供基础保障。

第四，明确信息数据处理需求、把控体系数据分析需求等，以掌握桥梁结构功能的演化规律，从而为桥梁结构的持久性和稳固性提供强有力的数据支持。

第五，明确监测的环境和负荷条件，且应保证设计标准等条件下的各项指标正常，为系统后续的稳定运行提供有利条件。

5.2 桥梁健康监测相关内容

桥梁项目的内力和变形状况比较复杂。受地震和风力等负荷的影响，桥梁的结构和安全性会出现一些不良情况，因此应做好系统性的监测工作。以下是所涉及的一些内容。

第一，车辆负荷。借助监测系统开展实时监测，能使相关工作人员及时掌握、分析车辆负荷的相关信息数据，这对保障桥梁结构的安全和稳定非常重要。第二，动态特征。动态特点征是评估桥梁结构健康状况的重要指标，基于相应的识别技术进行监测，可为相关工作人员分析桥梁结构的状态提供数据支持。第三，地震监测。与以往的监测技术相比，桥梁健康监测系统能够精准地记录偶然性危害。并且，其中的灾后评估和振动响应功能，可为桥梁健康状况评估工作提供强有力的支持。第四，环境负荷，主要涉及气温负荷和风力负荷。由于桥梁特别是那些大跨度的桥梁，结构受风力负荷的影响较大，因此应重点关注对风速矢量的分析。此外，应密切关注大跨度桥梁结构对气温负荷的反应，基于精细的实时监测，获取桥梁温度变化数据，可为桥梁日常运行情况和状态评估工作提供一定的参考。第五，结构响应，主要涉及应力和索力等。相关工作人员应实时观察结构变化情况和变形性质，通过剖析变形速度和规律，为预先预警等防控工作提供基础保障[7]。需要注意的是，如果监测桥墩和主梁等核心部位的受力情况，应及时分析突发情况和局部易损部位，为健康监测提供相应支持。索力与吊杆等作为重要的承重构件，其监测在一定程度上体现着结构的基本状态，对其内力变化情况进行相应的监测有助于及时探知结构破损和状态变化情况，这对促进桥梁结构优化有重要价值。

6 结语

主要对智能监测系统的特点、工作机理及软件实现流程等进行分析，并探究了斜拉桥健康监测所涉及的一些技术方法。由于桥梁监测系统设计所涉及的内容较多，如结构分析、力学分析及传感器监测等，因此在数据管理上应做好精细、全面的分析，这样才能为系统的稳定运行提供基础保障。但当前传感器优化布置、结构状态识别及结构损伤识别方面，还需加强研究，相信随着相关技术的不断优化，当前存在的一些不足能得到有效弥补，桥梁的稳定性和安全性也得到更好的保障。