冻土区桥梁桩基监测预报预警系统研究成果

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：桥梁桩基健康监测伴随着监测技术手段的发展经历了从短期监测到长期健康监测的过程。所以为了掌握桥梁桩基结构的运营状态和承载能力，保证桥梁桩基结构的安全性、耐久性和适用性，必须建立桥梁桩基结构健康监测来监测评估桥梁桩基的健康状况。③对采集到的数据进行实时分析，评估桥梁桩基健康状况并预测寿命，必要时预警报告。

桥梁桩基健康监测技术即对桥梁桩基结构进行局部监测和整体监测的无损监测技术，该技术可以监测结构发生损伤的位置和程度，其最初应用源于航空航天领域和精密仪器加工领域。桥梁桩基健康监测伴随着监测技术手段的发展经历了从短期监测到长期健康监测的过程。短期监测通常是传统的人工监测方式，人工监测方式的不足之处主要有：①主观性强，难于量化；②需要大量人力、物力和财力；③缺少整体性，存在诸多监查盲点；④影响正常交通运行；⑤周期长，实时性差。所以为了掌握桥梁桩基结构的运营状态和承载能力，保证桥梁桩基结构的安全性、耐久性和适用性，必须建立桥梁桩基结构健康监测来监测评估桥梁桩基的健康状况。桥梁桩基健康监测系统的关键问题是通过分析采集到的桥梁桩基静态与动态数据，如何评估桥梁桩基的健康状况和预测桥梁桩基的使用寿命。它包含了三方面的内容：①如何对传感器进行定位，从而保证传感器性能稳定可靠地长期工作。②消除分析噪音，数据实现长距离传输、海量数据的存储管理，网络共享监测数据。③对采集到的数据进行实时分析，评估桥梁桩基健康状况并预测寿命，必要时预警报告。

随着科学技术的发展，监测系统开始具有大数据采集能力，实现了数据快速传输。并且借助于计算机网络，整体功能提升明显，可以对数据信息进行分析、控制和远程诊断评估等操作。传感器设备的监测内容越来越全面，种类正在向着多元化的方向发展。现在传感器可以监测桥梁桩基结构的温度、位移、应力等静力特性和在地震、车辆动力荷载下的动力响应。在桥梁桩基结构损伤识别方面，运用神经网络法、坐标模态保证法、模态保证法、矩阵振动修正法、非线性迭代法等方法对频率、模态曲率、振型、模态应变等改变量进行分析处理，快速定位结构的损伤状况。新兴的监测技术是运用位移计、应变仪、全球定位系统（GPS）、车轴车速仪、温度计、水平仪、地震仪、风速风向测试器等传感器元件，精确检查结构的缺陷部位，建立结构健康监测系统，对结构构件进行静态、动态测量和定量分析。相比传统的人工监测，结构健康监测系统操作方便，提高了监测的效率，可以监测桥梁桩基的外观以及结构的物理及力学性能，对监测数据进行分析处理，根据监测数据计算桥梁桩基局部刚度等的变化，在一定程度上，可以对桥梁桩基当前的缺损状况进行精确测量，进一步评估结构的整体安全性和运营可靠性。

在几种光纤传感技术中，布拉格光纤光栅（FBG）传感技术在桥梁工程领域中应用最广也最为成熟。国内光纤光栅技术的研究和开发除了围绕光纤光栅传感技术的原理以及调制解调技术外，针对光纤光栅传感器封装技术、在钢或混凝土结构测试中的适用性等也开展了许多工作。目前的光纤光栅传感器以应变和温度测试为主，与传统的传感器相比，光纤光栅应变传感器的抗电磁干扰能力、抗零漂能力、可重复性都更令人满意。光纤光栅传感技术现已被应用在土木结构物的监测中。然而，光纤光栅传感器的种类目前还不够丰富，后端的解调装置价格昂贵制约了该技术的应用推广。此外，光纤传感材料的耐久性还有待进一步验证。拉索和吊杆是索承重桥梁结构的重要构件，对拉索应力及断丝状态的监测是一项十分重要的监测内容。近年来，国内较为关注的新传感技术有磁通量（EM）传感器和声发射（AE）传感器。2004年，钱江四桥采用了磁通量（EM）传感器对其吊杆应力和拉力进行了监测，测点总数27。国内一些拉索生产企业也与国外企业合作进行了一些研究开发和产品化工作。但该技术应用于实际桥梁的经验还不足，现场的标定也有一定的难度。全球卫星定位系统（GPS）技术可以在施工阶段和运营阶段测量桥梁的变形。广东省的虎门大桥最先采用了从法国引进的GPS系统，平面位移精度可达10mm，采样频率为1～10Hz。济南黄河大桥和东海大桥等也采用GPS系统进行长期几何变形监测。在香港，青马大桥、汲水门大桥、汀九大桥等也都安装了GPS传感器进行监测。但目前GPS技术的位移量测精度仍然不够理想，特别是在海洋环境下精度会进一步下降，其动态测试的响应频率也有待提高。另外，因为设备费用昂贵，所以测点不可能布置太多。钢结构桥梁的疲劳监测也是一项重要内容。被称为疲劳应变计的传感器能够记录钢构件中应变的循环变化，从而反映其疲劳特性。这种技术已在航空航天领域应用较多，目前逐渐移植到土木工程领域中来，特别是用在桥梁钢箱梁的疲劳监测上。但与航空航天结构物相比，正常运营状态下的桥梁钢结构应力幅较低，要让该技术适用于桥梁结构，如何增大被测体的应力幅是个技术关键。随着现代通信技术发展非常迅速，无线网络传输技术在桥梁桩基监测系统中得到应用，给桥梁监测系统技术带来革命性的变化。因此，无线传感技术、无线网络传输技术在结构健康监测的应用研究在国内外都得到充分的重视。国外目前研究较多的是智能型传感器和无线通信技术相结合的无线传感技术，如美国提出的“BerkeleyMote”平台等。另一方面，即使采用传统的传感器，如果能以无线网络代替或部分代替传统的有线网络，也将是一个很大的突破。最近，国内学者提出了利用公共无线网络的无线传感技术，并解决了多通道传感器的数据采集同步问题和数据传输时的丢失问题，实现了多通道传感器数据的准实时无线传输。利用这种无线传输技术，在移动通信网络覆盖的地方就能实现多通道测量，并且随着公共无线网络的升级，其技术性能可同步提升。无线网络传输技术的进展和实用化是值得今后继续关注的热点。

近几年的机敏网监测技术解决了混凝土结构中的裂缝监测问题，通过模拟富含神经元及神经脉络的动物肌肤对创伤的感知机理，用特殊材料集成人造神经系统，感知结构体表面裂缝的发生和发展情况。采用分布式监测方法，从裂缝监测系统的原理、材料、结构、工艺等方面着手，提出了机敏网裂缝监测技术，能够实现对混凝土结构初始裂缝的发生、发展、形状、位置、长度的实时监测。机敏网裂缝监测技术使用大量相互独立的机敏监测线（单根神经）以神经网络的方式布设在混凝土结构表面，网络中机敏线的交叉点形成神经元节点，中间处理器构成传递神经感应信号的脊髓组织，由主控电脑构成大脑中枢，实现对整套系统的实时控制和对整个结构区域的全方位监测。

冻土区桥梁桩基监测预报预警系统研究成果

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