基于智能健康监测的桥梁变形及稳定性分析.pdf

56工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工索桥、斜拉桥等大型桥梁，采用传统的非连续监测不仅成本高、采集的数据单一、工作量大，而且数据结果难以反映桥梁运营期间的应力和应变演变状况，严重制约了桥梁工程健康监测的发展。在计算机技术和物联网技术的发展背景下，智能健康监测为运营期桥梁工程运营质量评价提供了有效途径。1 桥梁智能健康监测系统的设计桥梁智能健康监测系统是一个多学科交叉的综合系统，其监测的内容既有矢量参数，又有标量参数，主要包括应力、位移、裂缝、温度、湿度、振动加速度、振动频率等3。以变形监测为例，在施工阶段和运营阶段，不同桥梁类型的变形监测内容如表 1 所示。0 引言桥梁工程作为交通工程中的重要组成部分，具有投资密集、技术难度大的特点1。目前，我国的桥梁工程技术往往注重于建设期的监测，而忽视运营期和整治期的桥梁健康监测。桥梁工程在长期的服役过程中，遭受到的内外荷载作用、风雨雪等环境因素影响、化学侵蚀以及自然灾害作用等，其结构产生着不同程度的性能退化，比如混凝土结构的老化、腐蚀、裂缝、破损等。这些侵蚀或者损伤具有形态变异的特性，是桥梁运营安全的潜在威胁，如果不加以及时的维修养护，甚至会造成桥梁结构的坍塌2。桥梁工程与其他的结构工程不同，其体型大、载荷重，跨越的地形地物跨度大，特别是对于跨江跨海的悬基于智能健康监测的桥梁变形及稳定性分析赵清杰摘要：为解决桥梁结构在运营阶段的智能化监测问题，以某市政跨江悬索桥梁为研究对象，研究桥梁智能健康监测系统的设计，分析基于桥梁智能健康监测系统的变形和稳定性监测数据采集和处理，并采用小波分析方法对采集桥梁结构位移进行处理。在桥梁智能健康监测系统总体框架设计中，基于 Kei MDK5 开发环境，对进行智能化桥梁健康监测系统进行开发。对比悬索桥左右塔位置附近的位移变化，在悬索桥左塔位置桥梁位移均位于 5mm 之间，在悬索桥右塔位置桥梁位移均位于 50mm 之间，悬索桥左右塔位置的位移和稳定性均满足要求。关键词：桥梁工程；智能化；健康检测技术；变形；稳定性（京雄云控（北京）智能交通科技有限公司，北京100190）表1 不同桥梁类型在施工和运营阶段变形监测内容类别梁桥拱桥悬索桥/斜拉桥施工期间的主要检测内容桥墩垂直位移悬臂法浇筑的梁体水平、垂直位移悬臂法安装的梁体水平、垂直位移支架法浇筑的梁体水平、垂直位移桥墩垂直位移装配式拱圈水平、垂直位移索塔倾斜、塔水平位移、塔基垂直位移主缆线性变形（拉伸变形）索夹滑动位移梁体水平、垂直位移散索鞍相对转动锚玎水平、垂直位移运营期间主要检测内容桥墩垂直位移桥面水平、垂直位移桥墩垂直位移桥面水平、垂直位移索塔垂直位移桥面水平、垂直位移CM&M 2023.0457处理后，在专用的分析软件终端进行处理、存储和数据分析。当出现参数异常时，激活健康预警系统发出警报信息，原数据以及处理后的海量数据，经过网络拷贝传输至数据管理系统，实现数据的挖掘、分析、搜素和展示，并可通过云服务器上传至云端，实现数据的永久保留。在数据的采集和传输中，还可以借助移动互联网技术、物联网技术，实现传感器与数据网络服务器的连接和控制，甚至可以完成全球范围内的远程监测6。桥梁工程运行中，为了更为直观地了解桥梁的应力历史和变形过程，其变形监测往往要求是实时、连续的。由于包含了时间信息，数据采集的过程中桥梁的变形监测结果，会受到诸多环境因素的干扰，影响数据的精度，因此有必要采取信号处理措施，对噪声信号进行提出剔除7。小波变换是数字信号处理中特征提取、数据融合的为了更好地实现桥梁健康监测的自动化、智能化和远程遥控，对桥梁健康监测系统进行了系统的总体架构设计，如图1所示。智能化桥梁健康监测系统的主要模块，包括数据采集模块、数据传输模块、数据远程访问模块和数据处理模块。在桥梁智能化健康监测系统软件开发方面，主要在Windows 11 操作系统上，基于完整集成 ARM7、Cortex-M等处理的 Kei MDK5 开发环境，利用其强大的图形仿真计算，实现对健康监测数据采集和数据处理的仿真调试。基于 Protel DXP 开发程序，对系统中各个硬件设备电路进行功能仿真设计和跨平台的开发4。系统设计时，数据采集系统的触发后，事件驱动的主程序实现代码如表 2 所示。随后启动传感器链接，创建线程并打开串口，实现串口配置。当串口通道数大于零时，系统自动切换到串口读写，MCUKTD35-ORCT7 处理器对压力传感器、温度传感器、变形传感器进行数据采集，直至采集信号完成。基于 Kei MDK5 开发环境的桥梁智能健康监测系统开发。2 变形和稳定性监测数据采集和处理基于桥梁智能健康监测系统的变形监测远程控制原理如图 2 所示。在桥梁工程智能化和远程化变形监测时，分布在桥梁结构上的位移传感器启动数据采集后，传感器输出电信号。经过信号放大后，电信号传输至数据采集卡中，经过模数转换变换为数字信号，以便于后续的信号处理和分析5。数据采集系统中的数字信号经过预图1 桥梁智能健康监测系统总体框架图2 基于桥梁智能健康监测系统的变形监测远程控制原理表2 数据采集软件驱动传感器主函数代码程序步骤程序代码备注1int main(void)2Initusart()串口初始化3clock_init()时钟初始化4process_init()系统初始化5process_start(&etimer_process,NULL)启动进程6init_net()网络初始化7autostart_start(autostart_processes)用户进程启动8do 9process_run()进程循环处理10while(l)11return 058工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工最有效工具，本文基于连续小波变换方法，对采集的桥梁动态位移时程曲线进行信号处理。对于桥梁动态位移信号(t)，其小波变换函数计算如公式（1）所示。（1）式中，(t)为动态位移信号(t)的小波函数；W(a,b)2为小波尺度谱；a为伸缩因子；b为平移因子；Ct为小波函数傅里叶变换函数(w)的模，其计算方法如公式（2）所示。（2）对于动态位移小波包d的分解和重构，其计算方法分别如公式（3）和公式（4）所示8。（3）（4）3 变形和稳定性监测结果分析某市政跨江桥梁建成于 2005 年 9 月 30 日，桥梁全长为 1580m，主跨 328m，为双塔全钢箱梁悬索桥，钢箱梁分为 81 个节段，设有 2 根主缆，采用对称布置，悬索锚固采样自锚式，桥面宽度为 35m。主缆截面面积为0.0864m2，弹性模量为2.0105MPa，热膨胀系数为 1.2105m/m，质量密度为 7850kg/m3。吊杆截面面积为0.0052m2，弹性模量为2.0105MPa，热膨胀系数为1.2105m/m，质量密度为7850kg/m3。上塔柱的截面面积为11.5350m2，中塔柱截面面积为11.4770m2，中塔柱截面面积为19.3360m2；塔柱弹性模量为3.5104MPa，热膨胀系数为1.0105m/m，质量密度为2650kg/m3。桥梁主跨的三维模型如图3所示。现场试验采用 RTS 传感器进行动态桥梁动态位移的监测，其采用频率可以达到 5Hz，变形分辨率可以达到0.01mm，可在-2050的温度下工作。系统数据传输采用 LoRa 通信协议，由 NWK 提供应用层服务接口，PHY 完成物理链路的连接，APS 通过设备共享和节点的映射服务。图 4 和图 5 分别为两个主塔附近桥面板位置经过小波变换除噪声后的实测位移时程曲线。从图 4 和图 5 中可以看出，悬索桥左塔和右塔的位移时程曲线存在明显的不同。在悬索桥左塔位置，道路左幅和道路右幅的位移变化基本一致，位移均位于 5mm之间，且 98%的位移占比位于 1mm 之间，远小于运营桥梁桥面板位移 100mm 的规定，桥梁结构安全稳定。在在悬索桥右塔位置，道路左幅和道路右幅的位移变化基本一致，位移均位于 50mm 之间，且 98%的位移占比位于 10mm 之间，远小于运营桥梁桥面（转下页）图3 某市政跨江全钢箱梁悬索桥三维模型图4 悬索桥左塔实测位移时程曲线图5 悬索桥右塔实测位移时程曲线a 悬索桥左塔道路左幅a 悬索桥右塔道路左幅b 悬索桥左塔道路右幅b 悬索桥右塔道路右幅时间/s时间/s位移/mm位移/mm位移/mm位移/mm时间/s时间/sCM&M 2023.0459参考文献1 李纲,张彩霞,胡绍林,等.面向桥梁结构健康监测的 WSN 分簇路由协议 J.系统仿真学报,2022,34(1):62-69.2 张豪,张利莎.基于卡尔曼滤波的大跨度斜拉桥变形预测研究J.浙江工业大学学报,2021,49(6):650-655.3 刘晓光.基于运营性能的高速铁路大跨度桥梁健康管理探讨J.铁道建筑,2020,60(4):17-22.4 魏鑫,吴学伟,程培嵩.基于组件式 GIS 的桥梁健康监测数据集成及预警研究 J.公路工程,2020,45(6):79-85.5 熊春宝,路华丽,朱劲松,等.基于 GPS-RTK 和加速度计的桥梁动态变形监测试验 J.振动与冲击,2019,38(12):69-73.6 潘永杰,蔡德钩,冯仲伟,等.桥梁结构健康监测技术标准现状分析与思考 J.铁道建筑,2022,62(10):8-16.7 廖创,李富年,余兴胜,等.桥梁监测系统中智能决策专家系统的设计与实现 J.现代电子技术,2022,45(1):110-113.8 邱阳,李盛,金亮,等.基于统计特征混合与随机森林重要性排序的桥梁异常监测数据识别方法 J.传感技术学报,2022,35(6):756-762.（接上页）板位移100mm的规定，桥梁结构安全稳定。综合以上分析表明，悬索桥左右塔位置的位移和稳定性均满足要求。4 结束语本文以某市政跨江悬索桥梁为研究对象，研究了桥梁智能健康监测系统的设计，分析了基于桥梁智能健康监测系统的变形和稳定性监测数据采集和处理，并采用小波分析方法对采集桥梁结构位移进行处理，得到以下结论：在桥梁智能健康监测系统总体框架设计中，基于Kei MDK5 开发环境，对进行智能化桥梁健康监测系统进行开发，主要模块包括数据采集模块、数据传输模块、数据远程访问模块和数据处理模块。基于小波分析方法对采集前结构位移进行除噪，并对比悬索桥左右塔位置附近的位移变化。结果表明，在悬索桥左塔位置，桥梁位移均位于 5mm 之间，在在悬索桥右塔位置，桥梁位移均位于 50mm 之间，悬索桥左右塔位置的位移和稳定性均满足要求。发展和建设具有重要的现实意义和理论价值7-8。本文旨在分析市政工程排水管道施工的质量通病，探讨其产生的原因，并提出相应的预防措施。1 市政工程排水管道施工的质量通病1.1 管道渗漏在城市给水管网建设过程中，水管漏水是一种普遍存在的问题。在排水管道施工作业中，如果发生渗水、0 引言市政工程排水管道是城市基础设施建设中至关重要的组成部分，其施工与维护质量直接关系到人们的生活质量和城市的健康发展1-3。然而，在实际施工中，由于各种因素和条件的影响，常常会出现一些质量通病，不仅影响了人们的生活质量，还会对城市的健康发展带来不利影响4-6。因此，预防市政工程排水管道施工中的质量问题，提高施工质量，对于加速我国城市的健康市政工程排水管网施工质量控制探究胡海燕摘要：市政工程排水管道是城市基础设施建设中至关重要的组成部分，其施工与维护质量直接关系到人们的生活质量和城市的健康发展。然而在实际施工中，由于各种因素和条件的影响，常常导致其出现一些质量通病。对市政工程排水管道施工的质量通病进行分析，并提出相应的预防措施，以期促进市政工程排水管道施工质量的提高。关键词：市政工程；排水管道；施工质量；质量通病；预防措施（武汉市汉阳市政建设集团有限公司，湖北武汉430000）