基于物聯網技術的公路橋梁荷載在線監測方法

摘 要：針對現有方法對公路橋梁荷載監測難度高的問題，提出基于物聯網技術的公路橋梁荷載在線監測方法。該方法先利用物聯網技術對公路橋梁應力應變、加速度、變形以及沉降進行實時測量，然后對測量數據進行預處理，最后采用有限元技術建立公路橋梁受力數學模型，通過對測量數據進行有限元分析實現橋梁荷載監測。實驗證明，設計方法監測誤差不超過1 kN，置信度水平超過97%，可以實現對公路橋梁荷載的精準監測。

關鍵詞：物聯網技術；公路橋梁；荷載；在線監測；置信度；有限元數學模型

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）02-00-03

0 引 言

隨著經濟的發展和城市化進程的加速，公路橋梁作為交通基礎設施的重要組成部分，其安全性和可靠性日益受到關注。公路橋梁在運營過程中，受到車輛荷載、環境等因素影響，結構會發生變化，如形變、裂縫等，如不及時進行監測和維修，可能引發安全事故。對公路橋梁進行荷載監測是保障其安全的關鍵。通過對橋梁的實時監測，可以及時發現結構損傷和潛在的安全隱患。同時，通過對公路橋梁進行荷載監測，可以積累大量的數據和經驗，為橋梁的維修和加固提供依據。近幾年，眾多學者開展了橋梁荷載監測研究，并提出了一些方法和思路，但是現行方法在實際應用中效果并不理想，監測誤差比較大，監測結果置信度比較低，為此本文提出了基于物聯網技術的公路橋梁荷載在線監測方法。

1 基于物聯網技術的橋梁在線測量

公路橋梁荷載由靜荷載和動荷載兩部分組成，靜荷載包括橋梁自重荷載、混凝土收縮徐變等，動荷載主要為車輛荷載，因此進行公路橋梁荷載的監測需要收集多種力學數據。為了保證數據的完整性和可靠性，此次采用物聯網技術對公路橋梁動荷載與靜荷載影響因素進行在線測量。在公路橋梁上安裝應力應變傳感器、位移傳感器、沉降傳感器以及加速度傳感器等，利用無線電發射塔為荷載監測平臺與傳感裝置提供連接網絡，構建傳感裝置（物）、無線網絡（網）、公路橋梁（物）的物聯網體系，通過無線網絡將無線傳感器測量的橋梁力學數據發送到數據庫存儲，并反饋到荷載監測服務器上，通過數據分析，確定橋梁荷載，實現對橋梁荷載的在線監測。

1.1 監測點布設及無線傳感器選型與安裝

監測點布設與無線傳感器安裝對于橋梁受力測量數據的采集精度至關重要[1]。此次利用應力應變傳感器、位移傳感器和沉降傳感器對公路橋梁靜荷載數據進行測量，利用加速度傳感器對公路橋梁動荷載數據進行采集[2]。應力應變傳感器主要采集橋梁主梁的應力變形數據信息，選擇的傳感器型號為IHFA-A4F7，將其安裝在橋梁主梁底板上，根據橋梁主跨長度確定監測點間距，其計算公式為：

（1）

式中：H表示橋梁應力應變監測點間距；L表示橋梁主跨長度[3]。在橋梁主梁底板中心線上布設應力應變監測點。位移傳感器主要測量橋梁主梁水平位移情況，因此采用OUTFA-A7F7位移傳感器，將其安裝在橋梁主梁兩側（傳感器間距要超過2 m，但最大不能超過3 m）[4]。沉降傳感器主要測量橋梁橋墩沉降情況，選用型號為OUFATW-AS44的沉降傳感器，將其安裝在橋墩內側，一個橋墩只需布設一個沉降傳感器即可[5]。加速度傳感器主要測量橋梁上行駛車輛的加速度，因此采用型號為OTUW-QA4T77的加速度傳感器，將其安裝在橋梁主梁頂板上，使相鄰測點間距控制在1.5～2.5 m。傳感器安裝時需要使用螺栓將其固定，避免在測量時墜落。

1.2 橋梁受力數據采集及傳輸

無線傳感器利用無線電發射塔向外發射無線脈沖信號，通過測量電路獲取與測量目標相關的電信號。這些電信號被信號接收端接收，同時測量電信號頻率。為驅動多種無線傳感器采集信號，本文選擇了Altera公司出品的EP4CE10E22C8N可編程邏輯控制器作為橋梁測量控制端[6]。在該系統中，本文還搭建了掃頻信號模塊、測頻信號模塊和處理信號模塊，以進一步優化信號采集傳輸性能。掃頻信號模塊主要起到控制無線信號發射時序的作用，并將控制命令發送給測頻信號模塊和處理信號模塊[7]。測頻信號模塊根據設定的基本數據和掃頻增量，持續發送不同頻率的掃頻信號，而掃頻增量則由ARM處理器STM32F407控制[8]。處理信號模塊負責接收測量信號并進行轉換處理。為了實現橋梁荷載數據、服務器和物與物之間的互通互聯，本文通過串口連接無線傳感器和移動的OneNET物聯網平臺。通過上述設計，傳感器采集的橋梁受力信號就可被發送到服務器上，為后續橋梁荷載數據的分析提供基礎。

2 建立公路橋梁有限元模型

為分析公路橋梁荷載變化，根據公路橋梁實際情況，采用有限元技術建立橋梁荷載有限元數學模型，模擬橋梁運營階段的整體荷載情況[9]。統計橋梁主梁節段、邊中跨合攏段等數量以及橋梁外形輪廓數據信息，將統計數據上傳到有限元軟件Midas Civil中，建立橋梁概念模型，再根據橋梁材料實際情況（彈性模量、抗壓強度、抗彎強度等）對橋梁概念模型參數進行設定，以每一個節點作為一個有限元單元，將橋梁節點模型進行組合形成橋梁有限元數學模型。為通過仿真分析橋梁荷載情況，對建立的數學模型進行約束，設定邊界條件。

3 公路橋梁荷載監測

將測量的公路橋梁受力數據導入公路橋梁有限元數學模型中，對公路橋梁荷載進行有限元分析。為保證荷載有限元分析精度，對測量的橋梁荷載數據進行標準化處理。由于測量數據來源于多個傳感器，數據間單位存在差異，因此通過對測量數據進行標準化處理，將數據規范到0～1區間，其用公式表示為：

（2）

式中：y表示標準化后的橋梁受力測量數據；max y、min y分別表示橋梁測量數據最大值與最小值；y表示原始數據[10]。在數據標準化處理基礎上分析橋梁靜荷載與動荷載，結合橋梁應力和應變值、沉降與位移值，分析公路橋梁靜荷載，其計算公式為：

（3）

式中：Nc表示公路橋梁靜荷載；K表示橋梁自重；e表示橋梁主梁應力值；a表示橋梁位移值；m表示橋梁沉降；s表示橋梁承載力。基于加速度測量數據分析橋梁車輛荷載，其計算公式為：

（4）

式中：Nd表示橋梁動荷載，即車輛荷載；μ表示車輛沖擊系數；Z表示橋梁結構功能函數；S表示永久荷載效應；ε表示車輛加速度。將橋梁靜荷載與動荷載相加，即可得到橋梁荷載：

（5）

式中：N表示公路橋梁荷載。通過以上對橋梁數學模型的有限元分析，得到橋梁荷載監測結果，實現基于物聯網技術的公路橋梁荷載在線監測。

4 實驗論證

4.1 橋梁概況及實驗過程

在完成以上監測方法設計后，以檢驗方法在實際應用中的可行性與適用性為目的，對一座公路橋梁進行監測部署，以監測整座橋梁的荷載情況。橋梁橋跨布置為2×75.55 m的T構+（80+165+80） m連續鋼構+連續T梁，橋梁全長為1 085.15 m。橋梁主體采用預應力混凝土變截面懸澆箱梁，主梁上部分采用C30混凝土，下部分是1.25次拋物線變化，梁段長度為355 cm，體積為75.45 cm3，重量為245.62 t，高為654.75 cm，箱梁頂板厚度為25 cm，底板厚度為74.86 cm，腹板厚度為45.45 cm；橋梁墩柱采用C35混凝土，橋墩基礎采用承臺樁基礎，橋墩長度為750 cm，寬度為350 cm，混凝土厚度為65 cm，橋墩承臺厚度為350 cm，寬度為550 cm。該公路橋梁車流量較大，為保證橋梁運營期間的安全與穩定，對其采用本文方法進行荷載在線監測。根據該公路橋梁實際情況，共布設40個監測點，其中應力應變監測點15個，加速度監測點15個，位移監測點5個，沉降監測點5個，準備位移傳感器和沉降傳感器各5臺、應力應變傳感器和加速度傳感器各15臺，監測時間總計800 s，共采集測量數據1.25 GB，通過對數據進行處理和有限元分析，監測公路橋梁荷載情況。

4.2 實驗結果與討論

為驗證方法的性能，并且使實驗結果具有一定的說明性，選擇兩種現行方法與本文所提方法進行對比。公路橋梁理論荷載和荷載在線監測結果見表1。

在表1中，本文所提方法荷載監測值與理論荷載值基本相符，最大誤差僅為0.06 kN，而現行方法1的最大監測誤差為31.01 kN，現行方法2的最大監測誤差為30.02 kN，表明本文所提方法監測誤差遠低于現行方法。

為了進一步驗證本文方法的可行性，依據統計數據測評3種方法的置信度水平。在統計學中，置信度用于表示在多次抽樣中，假設被正確拒絕或被接受的概率。表2為公路橋梁荷載在線監測結果置信度。

對比表2中的數據得出實驗結論：本文設計方法監測結果置信度水平超過97%，比現行方法1高出近17個百分點，比現行方法2高出將近22個百分點，遠遠高于當前兩種現行方法。因此實驗證明了本文所提方法具有較高的監測精度，在公路橋梁荷載在線監測方面應用效果較好。

5 結 語

為提高公路橋梁荷載在線監測效果，本文基于物聯網技術提出了一種公路橋梁荷載在線監測方法。實驗結果表明，本文設計方法可對公路橋梁荷載進行準確監測，最大誤差僅為0.06 kN，監測置信度水平超過97%，優于對比方法，應用效果較好。該方法可被應用于公路橋梁、鐵路橋梁、大跨度橋梁等各類橋梁的荷載監測。通過實時監測和預警，該方法可以提高橋梁的安全性和可靠性，保障交通的順暢和人民的生命財產安全。

參考文獻

[1]陳摯.貝雷梁非彈性變形對裝配式公路鋼橋橋梁檢測的影響[J].價值工程，2023，42（32）：69-72.

[2]祁朝相.火燒橋梁荷載試驗檢測與加固維修方案研究[J].北方交通，2023（10）：10-12.

[3]封偉，郭強，樊澤.極端荷載作用下公路橋梁荷載概率模型研究[J].城市道橋與防洪，2023（8）：266-269.

[4]姚慰.基于橋梁承載能力與工程質量為導向的橋梁荷載試驗檢測要點研究[J].中國新技術新產品，2023（13）：105-107.

[5]蔣平平，馮凱，朱薇娜，等.基于物聯網的超高支撐體系施工中風致響應分析[J].施工技術（中英文），2023，52（2）：95-99.

[6]鄭國和.基于物聯網的拱橋動靜力分析與實時監測技術研究—以福建金溪大橋為例[J].北部灣大學學報，2022，37（6）：31-38.

[7]陳斌.梁格法在大寬跨比連續箱梁橋荷載試驗中的應用[J].福建建材，2022（12）：94-96.

[8]劉仁，李光運，何博，等.北非阿爾及利亞高速公路橋梁荷載試驗應用分析[J].交通世界，2022（35）：145-148.

[9]周德，王燦，雒明波，等.混凝土橋梁荷載試驗短期黏彈性力學行為研究[J].中南大學學報（自然科學版），2022，53（6）：2155-2166.

[10]張國平，張欽宇，朱洲洲.基于靜載試驗的Ⅰ型鋼-混組合梁橋的荷載橫向分布研究[J].工程與建設，2022，36（2）：485-489.

作者簡介：郭太帥（1998—），男，河北邢臺人，初級工程師，研究方向為道路橋梁工程。

收稿日期：2024-01-31 修回日期：2024-03-08