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桥梁结构健康监测系统的现状和发展趋势

时间:2016-03-16 11:43来源:未知 作者:admin 点击:

  一、背景 
中国论文网 http://www.xzbu.com/8/view-7272229.htm
  随着改革开放以来经济的快速发展,国内的交通网络在不断的丰富、完善,桥梁建设迎来了建设的黄金时代。桥梁不仅在公路交通运输中发挥着至关重要的作用,而且在高铁架设过程中具有不可替代的地位。伴随着桥梁的建造技术的迅猛发展,近几年来国内涌现出了许多大型,特大型的桥梁,如湖南矮寨大桥,杭州湾跨海大桥等,这些非凡的成就既展现了中国桥梁技术的腾飞,也大大提升了中国桥梁工程建设的国际地位。因为国内桥梁现代化建设起步时间较晚,因而大部分桥梁结构强度仍处在合理的范围内,尚未出现结构疲劳,然而随着时间的迁移,桥梁结构的健康问题将会凸显出来。如何做到结构隐患早发现,早排除,这不仅关系到人民群众的生命财产安全,而且还能为业主挽回巨大的财产损失。因此,健全并完善桥梁结构健康监测系统是亟待当代桥梁人解决的课题。 
  二、桥梁结构健康监测系统概述 
  多年来,桥梁结构的安全状况一直是公众特别关注的问题。目前国内外的大型桥梁普遍面临结构安全隐患。在西方发达国家经济腾飞的时期里,就已经建设了众多大型,特大型的大桥,但随着时间的推移,许多桥梁的使用年限已超过50年以上,1/3以上的桥梁使用效率很低或者干脆放弃,每年都要投入几十亿美元经行维护。然而,国内的桥梁健康监测体系发展速度远远滞后于桥梁的建设速度,近几年发生了多起重大的安全事故,2007年8月,湖南湘西土家族苗族自治州境内的堤溪沱江大桥突然垮塌,导致64人死亡;2010年7月,洛阳栾川汤营大桥整体垮塌,导致52人死亡, 18人失踪;随着铁路、高铁的快速建设,铁路桥也面临新的考验,2010年8月,宝成铁路德阳至广汉间石亭江大桥被洪水冲垮。以上事故除了施工方面的问题外,而且还有经常年超负荷的营运作用,导致了桥梁结构产生了疲劳损伤,加之缺乏及时的健康监测,使得结构疲劳累积,最后导致了桥梁垮塌的惨剧,如果能及时发现结构隐患,并尽早排除,就能极大地减少或杜绝事故的发生,因此桥梁结构健康检查系统应运而生。 
  为了能满足系统正常、高效工作,目前结构健康监测系统(Structure Health Monitoring System , SHMS)由五大子系统组成: 
  (一)数据采集系统 
  目前,数据采集系统主要是由多种传感技术组成,传感技术种类主要包括了光纤传感器、实时动态定位、声发射、压电材料等。多种传感技术各有优缺点。 
  光纤传感器,目前具有传导速度快、耐腐蚀、抗干扰能力强、灵敏度高等优点,但是光纤传感器的耐久性与在复杂环境下的运行精度有待提高。 
  实时定位技术,主要是通过GPS,GIS等技术实现在3D坐标上定位桥梁结构的位置与变形,可以实时掌握桥梁在风荷载,动荷载的作用下的应变。目前,中国北斗卫星导航系统的第一个民用示范工程--重点运输过程监控管理服务示范系统于2013年1月1日正式启用,因此,实时定位技术在SHMS的未来发展中将会发挥更重要的作用。 
  声发射,主要是通过发射超声波来监测桥梁结构的细小裂缝,该技术相对来说较为成熟,类似的系统已经在道路监测中广泛地运用,但是在桥梁的实时监测中尚有不足,一是声源的选取,在面对桥梁复杂的结构,声源的选取至关重要,选择什么地方来放置,以获取最好的效果,这个问题在面对桥梁结构与所处环境有噪声的时候,变得尤为棘手。二是采集的数据,传感器所采集的数据主要为细小裂缝的声波反馈数据,因此,存在微小的裂缝不易被发现,且对于尚未产生裂缝处的应力集中现象不能很好的反馈给业主,容易导致桥梁结构的损坏。因此,声发射技术还需要继续深入研究。 
  压电材料,具有成本低、生产简单、响应快、机械强度高、耐久性能好、动态输出能力强、可靠性高等优异性能,因而在SHMS中具有很大的潜力。压电材料在SHMS中的应用主要有主动、被动两种方式。但是目前主动监测技术在土木工程结构长期健康监测中的应用非常有限,绝大部分的成果还处于理论、试验阶段。 
  (二)数据传输系统 
  目前,随着无线传感网络技术(WSN)的发展,由传感器采集的大量数据能够及时的传输到中央处理器。无线传感器网络是一种分布式传感网络,它的末梢是可以感知和监测外部世界的传感器,WSN中的传感器通过无线方式通信,网络设置灵活,设备位置可以随时更改,因而可以随不同的桥梁结构,而更改传感器的位置,以获取准确的数据,并且无线传感器网络具有类型繁多的传感器,不仅能收集噪声、风荷载、动荷载、车辆的移动速度等数据,还能采集周围环境的多种数据。WSN具有规模大、自组织、动态性等特点。因此,WSN可以通过分布在不同位置的传感器采集更大性价比的数据,传感器的数目巨大和种类多样化促使监测精确度大幅度提高,降低了对单个节点传感器的精度要求,大量冗余节点的存在,使得系统具有良好的容错性。基于自组织、动态性的特点,使得当有部分传感器节点由于环境因素或能量耗尽造成的失效时,其余的节点能通过无线连接,自动接替失效传感器的工作,这样网络的精度得到了保证。随着技术的发展使得部分节点传感器拥有微处理器,能够将采集的数据先行处理,消除偶然或系统误差和去除因传感器失效造成的错误数据,进而提取有效信息,减少传输数据量,减小能耗。 
  (三)数据处理系统 
  目前,数据处理可分为硬计算和软计算两类。顾名思义,硬计算指的是通过传统的算法,算出严谨、确切和精准的值,实际上由于桥梁结构处在一个随时改变的动态荷载环境中,导致结构的应变处在一个不确定,不精确的范围内,使得硬计算在实际工程中并不适用。而软计算指的是系统运用模糊运算,统计运算等智能计算方法。在实际运用中,软计算会对数据进行比较对比,对传感器失效造成的数据丢失,错误,进行必要的修正和验证,会对系统的正常,高效工作起到优化作用。 
  (四)数据评估系统 
  对于桥梁结构的使用寿命可分为三类:技术性使用寿命、功能性使用寿命、经济性使用寿命,而目前的使用寿命都是从技术寿命考虑的。系统性的评估在于确定系统的评定基准,建立一整套指标体系,统一量纲,确定每个影响因素所占的权重,目前可使用的方法有层次分析法、模糊综合评定法等,现在面临的问题一是系统评估的主观性太强,主要使用专家打分法;二是面对传感器传输的海量数据,如何进行取舍,目前没有统一的衡量规范。系统在面对不同环境因素,桥梁结构,荷载类型时,需要建立不同的数学模型。为了能使SHMS适应更多复杂的外部环境,如何建立一个健壮的数学模型,仍需要进一步研究。   三、桥梁结构健康监测系统的未来 
  (一)传感器的性能与分布 
  目前,现有的传感器普遍面临的问题是精度低,耐久性弱,解决该问题就仅通过增加传感器的数目来增加系统冗余,来提高系统的容错性。但新问题也随之出现了,一是如果在桥梁所有自由度上安装传感器,那将会大大增加系统成本,并且会增加后期维护费用,二是传感器的增加意味着增加了数据量,使得系统需要进行更多的数据处理,而如何建立适用性更强的损伤识别指标,就决定SHMS能否高效的运行。在未来,如何增加传感器的灵敏度和精度;如何通过传感器的优化分布来提高获取最大数据量,这两方面将是研究的重点。 
  (二)数据处理系统的优化和智能 
  数据处理系统是整个系统的心脏,因此处理系统的好坏直接决定了整个系统的性能。目前,处理系统主要在两个方面寻求突破,一是对处理系统的数学模型的优化,使其能面对更复杂的,更庞大的数据链,能适应更复杂的环境;二是处理系统的智能化,随着智能时代的到来,如何将处理系统与云计算、大数据库相结合,运用已有的案例解决自身的问题,这将是未来研究的重点。 
  (三)结构健康监测系统的功能整合和定位 
  目前,在中国许多沿江城市里,都能看见结构健康监测系统运用在桥梁集群中,如何将这些系统进行有效整合,实现资源共享,规范统一,这就需要从国家层面进行调控。将众多独立系统的信息进行共享,就必然会面临系统数据链的共享,这就不得不触及商业机密与国家安全,因此,在未来系统联网的过程中如何做到信息的安全管理,这将关乎到系统的能否高效利用的问题。结构健康监测系统理论尚不完善,在实际运用中仍会遇到许多困难,因此SHMS目前的功能定位仍然是人工的辅助系统,尚不能替代工程师的职责。因此,在未来的运用中应该不断总结使用经验,来完善结构健康监测系统理论,使SHMS能在未来桥梁监测工作中发挥更大作用。 
  四、结语 
  随着中国城镇化进程的推进,无论是公路桥还是铁路桥的建设都将加快步伐,在这个大环境下,桥梁结构健康监测系统的产生顺应了时代发展的潮流,接下来如何完善系统将会是未来桥梁人研究的重要课题。 
  参考文献: 
  [1]孙利民.桥梁健康监测[J].中国公路学报.2014 
  [2]孙晓燕.桥梁结构健康监测技术研究进展[J].中外公路.2006 
  作者简介: 
  邓周全(1994-),男,汉族,四川南充市人,郑州大学水利与环境学院,道路桥梁与渡河工程。

    原文地址:http://www.xzbu.com/8/view-7272229.htm

 
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