基于动挠度实时监测的桥梁风险溯源系统

作者简介：张硕玉 中交路建交通科技有限公司高级工程师，主要从事桥梁结构健康监测系统研究与工程。

 

本文主要跟大家探讨一下桥梁的动挠度实时监测和其结构安全风险溯源。

现在越来越多的桥梁建立了结构在线监测系统，监测指标大家都很熟悉，一般有环境荷载，结构响应、外部荷载、材料特性等，环境荷载类中最重要的是车辆荷载和温度荷载。而响应类指标中，变形是一个极其重要的指标，尤其是桥梁的动挠度，能更准确、更直接的反应桥梁的动态响应和动态刚度。

通过桥梁结构有限元仿真分析，获取各种冲击荷载作用下桥梁结构动挠度响应信号，创建基于动挠度的安全预警模型和预警分级设置。基于动挠度监测数据和动挠度预警模型的基础上，将挠度监测系统数据和信息触发机制下的视频抓拍成果结合，构建基于结构动挠度响应的实时通行视频抓拍系统，分析通行车辆通行对桥梁的影响。

图1.健康监测监测指标

1、动挠度的测量方法

动挠度长期监测的方法目前在工程中最常用的有接触式测量的位移计法和非接触式测量方法。

接触式测量方法中，主要面临着三个问题：基准线的选择、安装方法和位移计的选择。选择拉线时需要综合考虑：线密度、线张力、线伸长率等。选择完线的材质和直径后，需要选择配载，保证拉线的振动频率较高，不与桥产生共振，并且要考虑桥梁振动影响因素。除了考虑拉线的自振频率外，还要考虑环境因素对拉线稳定的影响，线径越大，则受环境风速影响越大，反之则越小。位移计一般选择LVDT式、磁致伸缩位移式等，需要考虑其量程、频响范围、信号输出类型等。

图2 接触式测量的位移计法

非接触式测量方法，目前应用较为广泛的是基于光学原理和基于微波雷达原理的非接触式设备。

基于光学原理：目标靶采用LED灯，固定在待测点上；传感器通过稳定机械装置固定在基准点上，目标靶通过摄像机的长焦光学系统成像在图像传感器上，通过基于嵌入式处理平台的图像处理识别和高精度定位技术，确定像点的精确位置，最后由物像关系确定目标靶的空间位置。

图3 基于光学原理的非接触式测量

基于微波雷达原理：干涉测量技术通过比较在不同时刻反射的电磁波相位变化获取物体位移，保证设备监测到亚毫米级的微小位移变化，不受光线、下雨、刮风等恶劣天气影响。

图4 基于微波雷达原理的非接触式测量

通过本人的工程项目实践，对两种测试方法的优缺点进行评价，如下表。

项目	接触式测量		非接触式测量
	LVDT位移计	磁致伸缩位移计	光学原理	微波雷达原理
测量 参数	直接量：位移		图像	电磁波
采样率	0-10000Hz		0-50Hz	连续采样：≤10Hz 间隔采样：≤200Hz
物理特性	分辨率：0.002%-0.001%F.S 线性度：±0.05%F.S	分辨率： 优于0.01%F.S 非线性度： <满量程的±0.02%（最小±100μm）	精度： 10米（±0.1mm）； 50米(±0.2mm)； 100米(±0.2mm)； 100米-200米(±2mm)	精度：≤0.1mm
安装 方法	复杂（需要拉基准绳）		容易
造价（传感器+采集）	低		高
环境适应性	恶劣天气下可用		受天气影响较大

 

2、安全风险溯源机制

安全风险溯源机制：根据实时的动挠度数据，智能网关快速判定挠度值的范围，超过一定限值就启动抓拍摄像机，记录该时刻桥梁上的荷载情况。

图5 风险溯源机制

图6 应用效果

3、动挠度数据的利用

第一类应用就是数据挖掘：车辆荷载引起的桥梁结构动挠度相对于温度效应和恒载引起的挠度而言，是一种变化较快的信息也就是瞬变信息，可采用小波分析的方法将动挠度信号的高低频成分分离。根据分离的桥梁挠度特征值，对数据进行挖掘，可以得到桥梁上部结构随时间损伤的曲线，也就是桥梁的刚度损伤模型，从而对桥梁结构进行安全评估。

图7 时间-温度效应曲线

第二类应用就是根据动挠度数据，结合计算分析结果，进行车流量信息的分析，为管养单位提供精细化的管养数据。

图8 车流量信息统计