橋梁施工及運(yùn)營階段智能健康監(jiān)測與控制技術(shù)
2015-06-30
1 智能健康監(jiān)測與控制技術(shù)系統(tǒng)概念
橋梁智能健康監(jiān)測與控制技術(shù)是一項系統(tǒng)性技術(shù)，涉及到檢測、計算機(jī)、通訊、網(wǎng)絡(luò)及人工智能領(lǐng)域等，在橋梁智能監(jiān)測和控制中包括測試技術(shù)、數(shù)據(jù)自動采集與傳輸技術(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)鍵部位的實時數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程傳輸?shù)椒治鲇嬎銠C(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行分析，再輸出相應(yīng)的監(jiān)測結(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)可能會引起橋梁線形變形、內(nèi)力狀態(tài)不符合設(shè)計要求、施工精度不足等問題，應(yīng)用橋梁智能健康監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)，監(jiān)測實際每一步施工工序，獲取現(xiàn)場關(guān)鍵點的參數(shù)值，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行實時的理論分析和驗算，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)通過實時檢測，及時發(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)果針對問題部位進(jìn)行補(bǔ)救調(diào)整。
3 智能健康監(jiān)測與控制的主要技術(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反應(yīng)，以達(dá)到快速、準(zhǔn)確、如實的反映出橋梁測試部位的信息。同時，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)測目的不同，傳感器可以分為五種。1）環(huán)境監(jiān)測，主要監(jiān)測的是橋梁環(huán)境包括溫度、濕度、有害氣體等，此類數(shù)據(jù)的監(jiān)測收集是為了評估橋梁的耐久性能；2）幾何監(jiān)測，橋梁不論在施工還是運(yùn)營階段都需要及時的記錄下幾何變化，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，其監(jiān)測對象包括風(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、動力反應(yīng)監(jiān)測，結(jié)構(gòu)靜力監(jiān)測主要針對溫度、不均勻沉降引起的橋梁反應(yīng)，為運(yùn)營的可靠性評估提供數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)動力監(jiān)測主要針對的是風(fēng)載、交通載荷等動態(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，結(jié)構(gòu)材質(zhì)監(jiān)測是采用現(xiàn)代無損監(jiān)測技術(shù)對橋梁構(gòu)成材料監(jiān)測，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)測技術(shù)難以嵌入到橋梁結(jié)構(gòu)中，所以該監(jiān)測技術(shù)主要通過人工方式進(jìn)行。
3.2 數(shù)據(jù)自動采集與傳輸技術(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)到實時監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)測的目標(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)要對實時監(jiān)測數(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、高效的實時監(jiān)控方式，但是真正實現(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)代計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為我們模擬實際的橋梁結(jié)構(gòu)提供了很好的平臺。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)測橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)中的關(guān)鍵點，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和難點，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，而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重點監(jiān)測的目的。結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)也可以實現(xiàn)全橋梁空間結(jié)構(gòu)的模擬、加載時橋梁真實表現(xiàn)模擬等。
4 橋梁診斷評估技術(shù)
橋梁的診斷評估主要內(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)的實際安全儲備，以免在使用中發(fā)生災(zāi)難性事故，是評估的主要內(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)的評估。在耐久能力方面，主要的內(nèi)容是評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)性損傷常會對橋梁的運(yùn)營狀態(tài)和耐久能力產(chǎn)生影響。橋梁的診斷評估工作是一個分析辨別數(shù)據(jù)，利用有效數(shù)據(jù)對橋梁進(jìn)行評判的過程。目前，結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)的數(shù)據(jù)檢測，多采用動力檢測方法，如系統(tǒng)識別法、動力指紋法及神經(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現(xiàn)，主要原因在于一些監(jiān)測技術(shù)的實現(xiàn)需要有全面的布置，如傳感器的布置，很難實現(xiàn)在施工過程中全面布置。同時一些關(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)有不錯的表現(xiàn)，但是真正實現(xiàn)普及應(yīng)用還需一段時間。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現(xiàn)真實反映橋梁結(jié)構(gòu)變化，而數(shù)據(jù)的及時有效處理才可實現(xiàn)準(zhǔn)確高效的實施施工控制或預(yù)測補(bǔ)救。3）規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，目前針對與橋梁智能監(jiān)測技術(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估方法。
6 結(jié)語
橋梁在施工和運(yùn)營階段的智能監(jiān)測和控制技術(shù)綜合了各方的技術(shù)優(yōu)勢，而實現(xiàn)施工和運(yùn)營實時智能健康監(jiān)測的目的。該技術(shù)系統(tǒng)的實現(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。
