基于智能健康監測的橋梁變形及穩定性分析

摘要：為解決橋梁結構在運營階段的智能化監測問題，以某市政跨江懸索橋梁為研究對象，研究橋梁智能健康監測系統的設計，分析基于橋梁智能健康監測系統的變形和穩定性監測數據采集和處理，并采用小波分析方法對采集橋梁結構位移進行處理。在橋梁智能健康監測系統總體框架設計中，基于Kei MDK5開發環境，對進行智能化橋梁健康監測系統進行開發。對比懸索橋左右塔位置附近的位移變化，在懸索橋左塔位置橋梁位移均位于±5mm之間，在懸索橋右塔位置橋梁位移均位于±50mm之間，懸索橋左右塔位置的位移和穩定性均滿足要求。

關鍵詞：橋梁工程；智能化；健康檢測技術；變形；穩定性

0 " 引言

橋梁工程作為交通工程中的重要組成部分，具有投資密集、技術難度大的特點[1]。目前，我國的橋梁工程技術往往注重于建設期的監測，而忽視運營期和整治期的橋梁健康監測。橋梁工程在長期的服役過程中，遭受到的內外荷載作用、風雨雪等環境因素影響、化學侵蝕以及自然災害作用等，其結構產生著不同程度的性能退化，比如混凝土結構的老化、腐蝕、裂縫、破損等。這些侵蝕或者損傷具有形態變異的特性，是橋梁運營安全的潛在威脅，如果不加以及時的維修養護，甚至會造成橋梁結構的坍塌[2]。

橋梁工程與其他的結構工程不同，其體型大、載荷重，跨越的地形地物跨度大，特別是對于跨江跨海的懸索橋、斜拉橋等大型橋梁，采用傳統的非連續監測不僅成本高、采集的數據單一、工作量大，而且數據結果難以反映橋梁運營期間的應力和應變演變狀況，嚴重制約了橋梁工程健康監測的發展。在計算機技術和物聯網技術的發展背景下，智能健康監測為運營期橋梁工程運營質量評價提供了有效途徑。

1 " 橋梁智能健康監測系統的設計

橋梁智能健康監測系統是一個多學科交叉的綜合系統，其監測的內容既有矢量參數，又有標量參數，主要包括應力、位移、裂縫、溫度、濕度、振動加速度、振動頻率等[3]。以變形監測為例，在施工階段和運營階段，不同橋梁類型的變形監測內容如表1所示。

為了更好地實現橋梁健康監測的自動化、智能化和遠程遙控，對橋梁健康監測系統進行了系統的總體架構設計，如圖1所示。智能化橋梁健康監測系統的主要模塊，包括數據采集模塊、數據傳輸模塊、數據遠程訪問模塊和數據處理模塊。

在橋梁智能化健康監測系統軟件開發方面，主要在Windows 11操作系統上，基于完整集成ARM7、Cortex-M等處理的Kei MDK5開發環境，利用其強大的圖形仿真計算，實現對健康監測數據采集和數據處理的仿真調試。基于Protel DXP開發程序，對系統中各個硬件設備電路進行功能仿真設計和跨平臺的開發[4]。

系統設計時，數據采集系統的觸發后，事件驅動的主程序實現代碼如表2所示。隨后啟動傳感器鏈接，創建線程并打開串口，實現串口配置。當串口通道數大于零時，系統自動切換到串口讀寫，MCUKTD35-ORCT7處理器對壓力傳感器、溫度傳感器、變形傳感器進行數據采集，直至采集信號完成。基于Kei MDK5開發環境的橋梁智能健康監測系統開發。

2 " 變形和穩定性監測數據采集和處理

基于橋梁智能健康監測系統的變形監測遠程控制原理如圖2所示。在橋梁工程智能化和遠程化變形監測時，分布在橋梁結構上的位移傳感器啟動數據采集后，傳感器輸出電信號。經過信號放大后，電信號傳輸至數據采集卡中，經過模數轉換變換為數字信號，以便于后續的信號處理和分析[5]。數據采集系統中的數字信號經過預處理后，在專用的分析軟件終端進行處理、存儲和數據分析。當出現參數異常時，激活健康預警系統發出警報信息，原數據以及處理后的海量數據，經過網絡拷貝傳輸至數據管理系統，實現數據的挖掘、分析、搜素和展示，并可通過云服務器上傳至云端，實現數據的永久保留。在數據的采集和傳輸中，還可以借助移動互聯網技術、物聯網技術，實現傳感器與數據網絡服務器的連接和控制，甚至可以完成全球范圍內的遠程監測[6]。

橋梁工程運行中，為了更為直觀地了解橋梁的應力歷史和變形過程，其變形監測往往要求是實時、連續的。由于包含了時間信息，數據采集的過程中橋梁的變形監測結果，會受到諸多環境因素的干擾，影響數據的精度，因此有必要采取信號處理措施，對噪聲信號進行提出剔除[7]。

小波變換是數字信號處理中特征提取、數據融合的最有效工具，本文基于連續小波變換方法，對采集的橋梁動態位移時程曲線進行信號處理。對于橋梁動態位移信號?（t），其小波變換函數計算如公式（1）所示。

（1）

式中，ψ（t）為動態位移信號?（t）的小波函數；∣Wψ?（a，b）∣2為小波尺度譜；a為伸縮因子；b為平移因子；Ct為小波函數傅里葉變換函數ψ（w）的模，其計算方法如公式（2）所示。

（2）

對于動態位移小波包d的分解和重構，其計算方法分別如公式（3）和公式（4）所示[8]。

（3）

（4）

3 " 變形和穩定性監測結果分析

某市政跨江橋梁建成于2005年9月30日，橋梁全長為1580m，主跨328m，為雙塔全鋼箱梁懸索橋，鋼箱梁分為81個節段，設有2根主纜，采用對稱布置，懸索錨固采樣自錨式，橋面寬度為35m。

主纜截面面積為0.0864m2，彈性模量為2.0×105MPa，熱膨脹系數為1.2×105m/m·℃，質量密度為7850kg/m3。

吊桿截面面積為0.0052m2，彈性模量為2.0×105MPa，熱膨脹系數為1.2×105m/m·℃，質量密度為7850kg/m3。上塔柱的截面面積為11.5350m2，中塔柱截面面積為11.4770m2，中塔柱截面面積為19.3360m2；塔柱彈性模量為3.5×104MPa，熱膨脹系數為1.0×105m/m·℃，質量密度為2650kg/m3。橋梁主跨的三維模型如圖3所示。

現場試驗采用RTS傳感器進行動態橋梁動態位移的監測，其采用頻率可以達到5Hz，變形分辨率可以達到0.01mm，可在-20～50℃的溫度下工作。系統數據傳輸采用LoRa通信協議，由NWK提供應用層服務接口，PHY完成物理鏈路的連接，APS通過設備共享和節點的映射服務。圖4和圖5分別為兩個主塔附近橋面板位置經過小波變換除噪聲后的實測位移時程曲線。

從圖4和圖5中可以看出，懸索橋左塔和右塔的位移時程曲線存在明顯的不同。在懸索橋左塔位置，道路左幅和道路右幅的位移變化基本一致，位移均位于±5mm之間，且98%的位移占比位于±1mm之間，遠小于運營橋梁橋面板位移±100mm的規定，橋梁結構安全穩定。

在在懸索橋右塔位置，道路左幅和道路右幅的位移變化基本一致，位移均位于±50mm之間，且98%的位移占比位于±10mm之間，遠小于運營橋梁橋面板位移±100mm的規定，橋梁結構安全穩定。綜合以上分析表明，懸索橋左右塔位置的位移和穩定性均滿足要求。

4 " 結束語

本文以某市政跨江懸索橋梁為研究對象，研究了橋梁智能健康監測系統的設計，分析了基于橋梁智能健康監測系統的變形和穩定性監測數據采集和處理，并采用小波分析方法對采集橋梁結構位移進行處理，得到以下結論：

在橋梁智能健康監測系統總體框架設計中，基于Kei MDK5開發環境，對進行智能化橋梁健康監測系統進行開發，主要模塊包括數據采集模塊、數據傳輸模塊、數據遠程訪問模塊和數據處理模塊。

基于小波分析方法對采集前結構位移進行除噪，并對比懸索橋左右塔位置附近的位移變化。結果表明，在懸索橋左塔位置，橋梁位移均位于±5mm之間，在在懸索橋右塔位置，橋梁位移均位于±50mm之間，懸索橋左右塔位置的位移和穩定性均滿足要求。

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