基于動撓度實時監測的橋梁風險溯源系統

作者簡介：張碩玉 中交路建交通科技有限公司高級工程師，主要從事橋梁結構健康監測系統研究與工程。

 

本文主要跟大家探討一下橋梁的動撓度實時監測和其結構安全風險溯源。

現在越來越多的橋梁建立了結構在線監測系統，監測指標大家都很熟悉，一般有環境荷載，結構響應、外部荷載、材料特性等，環境荷載類中最重要的是車輛荷載和溫度荷載。而響應類指標中，變形是一個極其重要的指標，尤其是橋梁的動撓度，能更準確、更直接的反應橋梁的動態響應和動態剛度。

通過橋梁結構有限元仿真分析，獲取各種沖擊荷載作用下橋梁結構動撓度響應信號，創建基于動撓度的安全預警模型和預警分級設置。基于動撓度監測數據和動撓度預警模型的基礎上，將撓度監測系統數據和信息觸發機制下的視頻抓拍成果結合，構建基于結構動撓度響應的實時通行視頻抓拍系統，分析通行車輛通行對橋梁的影響。

圖1.健康監測監測指標

1、動撓度的測量方法

動撓度長期監測的方法目前在工程中最常用的有接觸式測量的位移計法和非接觸式測量方法。

接觸式測量方法中，主要面臨著三個問題：基準線的選擇、安裝方法和位移計的選擇。選擇拉線時需要綜合考慮：線密度、線張力、線伸長率等。選擇完線的材質和直徑后，需要選擇配載，保證拉線的振動頻率較高，不與橋產生共振，并且要考慮橋梁振動影響因素。除了考慮拉線的自振頻率外，還要考慮環境因素對拉線穩定的影響，線徑越大，則受環境風速影響越大，反之則越小。位移計一般選擇LVDT式、磁致伸縮位移式等，需要考慮其量程、頻響范圍、信號輸出類型等。

圖2 接觸式測量的位移計法

非接觸式測量方法，目前應用較為廣泛的是基于光學原理和基于微波雷達原理的非接觸式設備。

基于光學原理：目標靶采用LED燈，固定在待測點上；傳感器通過穩定機械裝置固定在基準點上，目標靶通過攝像機的長焦光學系統成像在圖像傳感器上，通過基于嵌入式處理平臺的圖像處理識別和高精度定位技術，確定像點的精確位置，最后由物像關系確定目標靶的空間位置。

圖3 基于光學原理的非接觸式測量

基于微波雷達原理：干涉測量技術通過比較在不同時刻反射的電磁波相位變化獲取物體位移，保證設備監測到亞毫米級的微小位移變化，不受光線、下雨、刮風等惡劣天氣影響。

圖4 基于微波雷達原理的非接觸式測量

通過本人的工程項目實踐，對兩種測試方法的優缺點進行評價，如下表。

項目	接觸式測量		非接觸式測量
	LVDT位移計	磁致伸縮位移計	光學原理	微波雷達原理
測量 參數	直接量：位移		圖像	電磁波
采樣率	0-10000Hz		0-50Hz	連續采樣：≤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	復雜（需要拉基準繩）		容易
造價（傳感器+采集）	低		高
環境適應性	惡劣天氣下可用		受天氣影響較大

 

2、安全風險溯源機制

安全風險溯源機制：根據實時的動撓度數據，智能網關快速判定撓度值的范圍，超過一定限值就啟動抓拍攝像機，記錄該時刻橋梁上的荷載情況。

圖5 風險溯源機制

圖6 應用效果

3、動撓度數據的利用

第一類應用就是數據挖掘：車輛荷載引起的橋梁結構動撓度相對于溫度效應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撓度信號的高低頻成分分離。根據分離的橋梁撓度特征值，對數據進行挖掘，可以得到橋梁上部結構隨時間損傷的曲線，也就是橋梁的剛度損傷模型，從而對橋梁結構進行安全評估。

圖7 時間-溫度效應曲線

第二類應用就是根據動撓度數據，結合計算分析結果，進行車流量信息的分析，為管養單位提供精細化的管養數據。

圖8 車流量信息統計