橋梁施工及運(yùn)營階段智能健康監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)
2015-06-30
1 智能健康監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)系統(tǒng)概念
橋梁智能健康監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)是一項(xiàng)系統(tǒng)性技術(shù)，涉及到檢測(cè)、計(jì)算機(jī)、通訊、網(wǎng)絡(luò)及人工智能領(lǐng)域等，在橋梁智能監(jiān)測(cè)和控制中包括測(cè)試技術(shù)、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與傳輸技術(shù)、結(jié)構(gòu)仿真分析技術(shù)及橋梁診斷評(píng)估技術(shù)。其過程為橋梁的施工及運(yùn)營過程中采集關(guān)鍵部位的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程傳輸?shù)椒治鲇?jì)算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行分析，再輸出相應(yīng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，并給出合理的下一步施工技術(shù)方案或橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)和預(yù)警，以指導(dǎo)施工及運(yùn)營。
2 智能健康監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)系統(tǒng)在橋梁施工與運(yùn)營中的作用
2.1 技術(shù)系統(tǒng)在橋梁施工階段的主要作用
橋梁在施工階段控制不當(dāng)可能會(huì)引起橋梁線形變形、內(nèi)力狀態(tài)不符合設(shè)計(jì)要求、施工精度不足等問題，應(yīng)用橋梁智能健康監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)實(shí)際每一步施工工序，獲取現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵點(diǎn)的參數(shù)值，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)的理論分析和驗(yàn)算，根據(jù)分析的結(jié)果輸出相應(yīng)的施工控制指令，并能夠分析施工過程中各類誤差積累情況，提高施工的精度，最終實(shí)現(xiàn)控制施工質(zhì)量的目的。
2.2 技術(shù)系統(tǒng)在橋梁運(yùn)營階段的主要作用
橋梁在完工之后，其運(yùn)營的質(zhì)量效果如何，是政府部門及人們極為關(guān)注的問題。橋梁在經(jīng)歷溫度變化、風(fēng)雨侵蝕、車輛碾壓等作用后能否保持在原有的設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，是否存在隱蔽性損傷等都是技術(shù)系統(tǒng)要辨別的。技術(shù)系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題所在，并輸出相應(yīng)的控制指令，施工人員根據(jù)輸出結(jié)果針對(duì)問題部位進(jìn)行補(bǔ)救調(diào)整。
3 智能健康監(jiān)測(cè)與控制的主要技術(shù)內(nèi)容
3.1 傳感器及其優(yōu)化布置技術(shù)
傳感器是技術(shù)系統(tǒng)開始的源頭，所以要求其具有良好的性能，如良好的可靠性、高度的敏感性及短時(shí)反應(yīng)，以達(dá)到快速、準(zhǔn)確、如實(shí)的反映出橋梁測(cè)試部位的信息。同時(shí)，要求傳感器不易受周圍環(huán)境影響，耐久性好及低噪音等。根據(jù)監(jiān)測(cè)目的不同，傳感器可以分為五種。1）環(huán)境監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)的是橋梁環(huán)境包括溫度、濕度、有害氣體等，此類數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)收集是為了評(píng)估橋梁的耐久性能；2）幾何監(jiān)測(cè)，橋梁不論在施工還是運(yùn)營階段都需要及時(shí)的記錄下幾何變化，包括平面數(shù)據(jù)和豎向數(shù)據(jù)，尤其在施工階段有效的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)果輸出，能夠從根本上避免橋梁發(fā)生大的建筑問題；3）載荷監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)對(duì)象包括風(fēng)載、地震載荷及交通載荷等，主要是應(yīng)用在橋梁運(yùn)營階段；4）結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力反應(yīng)監(jiān)測(cè)，結(jié)構(gòu)靜力監(jiān)測(cè)主要針對(duì)溫度、不均勻沉降引起的橋梁反應(yīng)，為運(yùn)營的可靠性評(píng)估提供數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)動(dòng)力監(jiān)測(cè)主要針對(duì)的是風(fēng)載、交通載荷等動(dòng)態(tài)性載荷作用下的位移、速度及加速反應(yīng)譜等 ；5）結(jié)構(gòu)材質(zhì)監(jiān)測(cè)，結(jié)構(gòu)材質(zhì)監(jiān)測(cè)是采用現(xiàn)代無損監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)橋梁構(gòu)成材料監(jiān)測(cè)，包括混凝土和鋼筋強(qiáng)度變化和損傷情況等。采用的技術(shù)手段有超聲波發(fā)、電位差法、射線法等。目前由于監(jiān)測(cè)技術(shù)難以嵌入到橋梁結(jié)構(gòu)中，所以該監(jiān)測(cè)技術(shù)主要通過人工方式進(jìn)行。
3.2 數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與傳輸技術(shù)
數(shù)據(jù)采集是指將傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)放大，轉(zhuǎn)換成模擬量或以數(shù)字記錄。而傳輸技術(shù)則是指將采集轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程傳送的方式傳送到監(jiān)控中心，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的目標(biāo)。數(shù)據(jù)的采集需要兩種技術(shù)作為支撐，即數(shù)據(jù)采集的硬件技術(shù)和軟件技術(shù)，數(shù)據(jù)采集的硬件技術(shù)包括信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)化、貯存器等。其中貯存器主要起到數(shù)據(jù)緩沖作用，有時(shí)還可長期貯存數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集軟件技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)采集系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，為用戶提供系統(tǒng)操作界面等作用。
數(shù)據(jù)的傳輸技術(shù)要對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，并通過一定的方式傳輸?shù)教幚碇行?。同時(shí)傳輸技術(shù)還要能夠?qū)崿F(xiàn)“機(jī)-機(jī)”和“人-機(jī)”相互傳輸數(shù)據(jù)的功能。目前無線通訊技術(shù)及無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為數(shù)據(jù)的傳輸提供了更為方便、高效的實(shí)時(shí)監(jiān)控方式，但是真正實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用還需要進(jìn)一步的研究。
3.3 結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)
現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為我們模擬實(shí)際的橋梁結(jié)構(gòu)提供了很好的平臺(tái)。通過結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)，可以根據(jù)不同條件和要求，建立各種合理的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析模型或者構(gòu)建不同形式構(gòu)件組成的橋梁，來模擬分析預(yù)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)中的關(guān)鍵點(diǎn)，以確定所需的材料強(qiáng)度特性。在橋梁施工階段，通過仿真模擬可以突出施工中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，以便采取有效措施避免問題發(fā)生。而在橋梁運(yùn)營階段，以采集到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立相關(guān)的全橋或關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的內(nèi)部應(yīng)力變化模型，而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的目的。結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)全橋梁空間結(jié)構(gòu)的模擬、加載時(shí)橋梁真實(shí)表現(xiàn)模擬等。
4 橋梁診斷評(píng)估技術(shù)
橋梁的診斷評(píng)估主要內(nèi)容有承載能力、運(yùn)營狀態(tài)和耐久能力三方面的內(nèi)容。在承載能力方面，其目的在于尋找確定出橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際安全儲(chǔ)備，以免在使用中發(fā)生災(zāi)難性事故，是評(píng)估的主要內(nèi)容。在運(yùn)營狀態(tài)方面，它與橋梁結(jié)構(gòu)變形、裂縫及振動(dòng)等相關(guān)，是指結(jié)構(gòu)在正常的工作和定期護(hù)養(yǎng)的情況下的運(yùn)營狀態(tài)的評(píng)估。在耐久能力方面，主要的內(nèi)容是評(píng)估橋梁的損傷情況和成因，及相應(yīng)的材料的物理特性的變化。橋梁損傷可粗略分成結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性損傷，就混凝土結(jié)構(gòu)來說，結(jié)構(gòu)性損傷主要是值混凝土的開裂、剝落及鋼筋的腐蝕等，而非結(jié)構(gòu)性損傷常會(huì)對(duì)橋梁的運(yùn)營狀態(tài)和耐久能力產(chǎn)生影響。橋梁的診斷評(píng)估工作是一個(gè)分析辨別數(shù)據(jù)，利用有效數(shù)據(jù)對(duì)橋梁進(jìn)行評(píng)判的過程。目前，結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)的數(shù)據(jù)檢測(cè)，多采用動(dòng)力檢測(cè)方法，如系統(tǒng)識(shí)別法、動(dòng)力指紋法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。
5 存在的問題
在橋梁的施工過程并不是所有的方法都能實(shí)現(xiàn)，主要原因在于一些監(jiān)測(cè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要有全面的布置，如傳感器的布置，很難實(shí)現(xiàn)在施工過程中全面布置。同時(shí)一些關(guān)鍵技術(shù)仍有待深入的研究，包括1）系統(tǒng)硬件的穩(wěn)定性、可靠性及抗干擾能力，橋梁搭建的地方常出在較為惡劣的環(huán)境條件下，如何有效的保證系統(tǒng)硬件的長期有效是值得廣大相關(guān)工作者研究的，目前雖然光纖傳感技術(shù)有不錯(cuò)的表現(xiàn)，但是真正實(shí)現(xiàn)普及應(yīng)用還需一段時(shí)間。2）傳感器的優(yōu)化配置及數(shù)據(jù)處理，只有傳感器有效配置才能實(shí)現(xiàn)真實(shí)反映橋梁結(jié)構(gòu)變化，而數(shù)據(jù)的及時(shí)有效處理才可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確高效的實(shí)施施工控制或預(yù)測(cè)補(bǔ)救。3）規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，目前針對(duì)與橋梁智能監(jiān)測(cè)技術(shù)的規(guī)范和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)缺乏。4）有待發(fā)展成熟有效的健康診斷和安全評(píng)估方法。
6 結(jié)語
橋梁在施工和運(yùn)營階段的智能監(jiān)測(cè)和控制技術(shù)綜合了各方的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，而實(shí)現(xiàn)施工和運(yùn)營實(shí)時(shí)智能健康監(jiān)測(cè)的目的。該技術(shù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)能很好的解決橋梁在施工和運(yùn)營階段的所遇到的問題，但是仍舊面臨著很多的問題，需要研究者們進(jìn)一步深入研究。
