物聯網技術在橋梁管養過程中的應用

姜 冰，王方立，葛浪潮

(中交路橋華南工程有限公司，廣東 中山 528400)

1 橋梁管養現狀以及物聯網技術發展概況

橋梁界廣泛流行一句話：“70年代看歐美，90年代看日本，21世紀看中國”，截至日前，中國公路橋梁目前已經突破80多萬座，鐵路橋梁已經突破20多萬座，而且目前中國公路橋梁依然在以每年2.7萬座的速度高速增長。另據統計，世界跨徑排名前十的斜拉橋、懸索橋以及拱橋中，中國分別占7座、6座和7座，以上數據充分表明當今中國已經成為名副其實的橋梁大國。中國橋梁修建經歷了兩個高峰期，分別是建國初期的50年代和20世紀末的90年代，所以很大一部分橋梁目前服役年限已經超過了30 a，而全世界的橋梁管養經驗表明，當橋梁服役年限超過30 a后，因其受所處環境、車輛超載以及材料老化等現象影響，其服役性能都會有不同程度的下降。國內調查數據也顯示，目前已經有近1/3的橋梁結構存在缺陷或者病害，國內橋梁行業已經漸漸從重建輕養的模式向管養并重的模式轉化，諸多既有橋梁需要采取必要的管養措施以確保其安全。目前基于人工巡檢的檢測模式是橋梁管養中采用較多的方法之一，但人工檢測存在一定的局限性，比如其受橋梁所處環境的制約，人身安全在深谷、寬河等環境下缺少必要的保障，觀測結果很大程度上也取決于技術人員的經驗，數據離散不連續等[1-3]。

物聯網(Internet of Things，簡稱IOT)技術被比喻為人類世界的第四次技術革命，顧名思義，指的就是萬物互聯。它的基本特征是物與物、人與物之間的信息交互過程，由感知、傳輸和處理三部分組成。工作原理是通過各種前端傳感器進行物理量信息采集，采集的物理量包含自然界常見的聲、光、熱、電等，然后通過傳輸設備將信息傳輸到解析軟件，軟件再將采集到的物理量信號轉化為可視化信號，可視化信號再由專業人員進行進一步的分析處理，最后得到所觀測結構的關鍵指標或者關心的指標，進而對所測結構的狀態進行診斷。物聯網技術目前已經應用于我們工作生活的各個領域，包括工業、農業、環境、交通、物流、安保等，有效的推動了各個行業的智能化發展，更加合理分配了行業資源，進一步提高了各個行業的效率和效益，極大的提高了人們的生活質量和生活水平，因為其典型的智能化、信息化、精準化特點，相信會有更加廣闊的應用前景。物聯網技術在橋梁管養行業也有著獨特的優勢：除了可以大大的降低人的參與外；采集的數據不受人為干預影響，客觀真實；傳輸過程實時連續，可以貫穿結構物的整個生命周期；受時間空間等環境影響因素較小，有效避免人身安全問題等。隨著5G技術，芯片技術的不斷突破和高速發展，可以預見，物聯網技術在橋梁管養領域將有著廣闊的應用前景。

2 基于物聯網技術的某橋梁自動化監測

某市政橋梁為簡支預應力結構，雙向四車道，設計荷載為2008年作廢的舊規范城-A級汽車荷載。該橋因服役年限已達40 a之久，梁體出現較大程度的下撓，同時結構產生的裂縫眾多，并且裂縫發展有進一步變快的趨勢，基于目前橋梁的狀態，業主部門提出維修加固要求。加固前需要對橋梁現有指標進行診斷，以便得出合理的加固方案，由于橋梁所處位置日常交通流量極大，人工檢測時間窗口有限，觀測空間有限，所以綜合考慮后決定選擇知物云監測系統，結合物聯網技術對橋梁進行自動化監測，待測橋梁平面布置如圖1所示。

知物云監測平臺在本橋梁監測中的流程如圖2所示。

本項目監測過程中，監測因素包含溫濕度、應變、撓度、裂縫、振動等，監測系統包含72支傳感器，6個采集模塊，16個傳輸模塊，通過對橋梁所有影響因素進行全方位的監測，以期得到橋梁狀態的準確、實時把握，為接下來的加固方案制定提供依據。

2022年2月16日～2月17日主要監測因素采集數據如圖3～圖5所示。

本文只顯示關鍵部位少量傳感器采集數據加以說明，由結果可知，監測采集數據在外界環境及荷載影響下，會有一定波動，整體趨勢短期沒有很大變化，比較符合結構實際受力情況。

3 理論計算結果與監測結果的對比

結構采用有限元計算分析軟件Midas Civil進行空間建模，為了更加準確的模擬橋梁的實際受力狀態，此處建立兩跨橋梁整體模型。同時模型綜合考慮溫度、混凝土徐變、預應力松弛等的影響，以期和橋梁的實際服役年限以及服役狀態相匹配，所建有限元模型如圖6所示。

本文為了說明問題，僅選取部分監測因素和部分監測數據與理論計算數據進行對比，在相同外部荷載環境情況下，理論計算得到的梁體應力數據與監測數據對比如表1所示。

表1 橋梁梁體下緣理論應力與實測應力對比表

相同外部荷載環境情況下，理論計算得到的梁體撓度數據與監測數據對比如表2所示。

表2 橋梁梁體理論撓度與實測撓度對比表

由上述分析可知，實測結果和理論計算結果吻合度較高，應力對比偏差率小于2%，位移對比偏差率小于5%，說明了基于物聯網技術監測數據的準確性，也說明了該基于物聯網技術監測方法的可行性。

4 結論與建議

1)結論。

由上述分析可知，基于物聯網技術的橋梁監測，可以充分保證數據的準確性，通過過程中減少人工參與，保障了橋梁管養過程中的人員安全問題，也有效降低因為經驗造成的主觀數據誤差，更加符合社會發展去人力化的大趨勢，是接下來橋梁管養領域一個新的發展方向。

基于物聯網技術的自動化監測通過全天候、全自動、全生命周期的數據采集、傳輸和分析，可以實時不間斷的提供橋梁的實時響應狀態。數據采集及利用更加合理有效，在數據和分析方面有如下優勢：

a.通過對采集到的變形、應力、裂縫等參數指標進而推斷結構的實時健康狀況，為后期運營管理和維護決策提供依據。

b.通過采集數據可以判斷結構的承載能力，特別是在偶然荷載或者是超標準荷載作用下，可以第一時間預警，保證結構的服役安全以及人民群眾的生命財產安全。

c.可以通過監測數據反向驗證結構設計的合理性，有效指導接下來同類橋梁的設計修正和完善。

d.通過長期不間斷監測，可以判斷結構病害的發展趨勢，從而可以對病害進行深層次的分析，幫助管養部門制定長期的，有針對性的維修養護策略。

2)建議。

基于物聯網的自動化監測，得到的數據量極大，對大量的采集數據需要行業的進一步挖掘利用，包括利用數據進行傳感器選型及布置優化、對設計模型修正以及結構損傷溯源，災害損失評估、服役年限預測等領域，讓數據發揮更大的作用[6-8]。

物聯網技術發展極為迅速，其和橋梁管養相結合也是處于起步階段，數據分析及利用目前還缺少統一的標準和規范，不同項目以及不同專家對數據的分析和利用方法也千差萬別，在接下來的研究中，需要結合更多的實際應用案例，找到便捷有效的數據利用方法，特別是基于大數據、統計學的分析方法，進而形成標準或者規范，以便讓數據利用有據可依，讓數據利用更加充分合理。