高架桥梁应力结构安全监测方法研究

张正伟，袁俊英

(江苏省交通工程集团有限公司，镇江 212100)

由于高架桥梁所处环境复杂，其结构损伤不可避免，且损伤和抗力衰减程度随时间的推移不断增加，严重损伤时会产生安全事故。如何更加准确地结合桥梁应力结构的各项参数变化情况，实现对其运行质量的评估，是当前桥梁结构安全监测领域的主要研究内容之一[1]。同时，合理的监测方式可对特殊天气或交通条件下的高架桥梁安全问题发出预警信号，并为桥梁养护及维修提供更加科学的依据，以此延长高架桥梁的使用寿命。在高架桥梁应力结构变化的监测过程中，需要对载荷压力、应力和应变等多个参数进行监测，因此对监测技术以及监测设备提出了较高要求[2]。无线传感技术由于在输出频率信号时抵抗外界环境干扰能力较强并且具有远程传输和测量的应用优势，特别适用于高架桥梁安全监测中的复杂工作环境，因此本项目针对高架桥梁的监测工作现状，引入无线传感技术，对高架桥梁应力结构安全监测方法进行研究。

1 基于无线传感技术的高架桥梁应力结构安全监测

1.1 高架桥梁应力参数监测传感器选型

为实现高架桥梁的应力结构安全监测，引入无线传感技术，综合单线圈型振弦传感器在传输过程中可高精度、远距离传输且可采用频率信号形式传输等优势，将其作为核心监测装置[3]。单线圈型振弦传感器运行原理如图1所示。

图1 单线圈型振弦传感器运行原理

由图1可知，所采用的单线圈型振弦传感器只有1根线圈在磁性弦的中间，在使用过程中应力结构的作用力主要施加在磁性弦的中间位置，不会受到倍频的影响，进一步提高了传感器数据采集的精度。与普通振弦传感器相比，单线圈型振弦传感器具备信号传输稳定性高、可长期工作运行、适用于远距离传输等优势[4]。工作时开启电源，线圈带电激励钢弦振动，钢弦振动后在磁场中切割磁力线，所产生的感应电动势由接收线圈送入放大器并放大输出，同时将输出信号的一部分反馈到激励线圈，保持钢弦振动，不断反馈循环，从而输出与钢弦张力有关的频率信号。

无线传感技术在信号传输过程中易产生数据丢失，为解决这一问题，在无线传感器节点采集数据之前，将无损压缩编码字典和随机冗余矩阵预先存储在无线传感器节点的静态存储器中；无线传感器节点采集到预定数据后，无线传感器节点的计算核心使用预先存储在静态存储器中的无损压缩编码字典和随机冗余矩阵对数据进行压缩编码、增加冗余，并将数据存储在节点存储器中成为加密数据；当基站回收数据时，节点使用快速传输协议将加密数据发送回基站；基站收集的加密数据将由计算机程序重构，以获得由无线传感器节点收集的预定数据。随机冗余矩阵是一个稀疏矩阵，矩阵元素是随机分布的0和1。矩阵的稀疏性使它在无线传感器部分易于存储和计算，同时它的随机性保障它在数据传输过程中抵消可能出现的任何数据丢失。根据监测需要，监测方法中使用的监测装置采用型号为MLX574-18KDC的单线圈型振弦传感器，采用SMD/SMT(表面贴装器件/表面贴装技术)安装风格，利用Tube(管状包装)完成封装；工作过程中的电源电压为5 V，电源电流为15.2 mA。根据监测现场传感器控制设备所接收的信号,对该型号传感器装置的材质进行选择,一般选择半导体材质。将该型号传感器装置安装在应力结构现场，检测某一时段脉冲振动变化和共振频率变化，并得出传感器的受力情况，利用相关数据表示高架桥梁应力结构内部预应力变化等相关工程量的数值或参数。

1.2 高架桥梁应力结构监测点布置

在选择监测节点时，应当确保相应位置数据具有较强的代表性，且数据方便获取、易于分析。高架桥梁应力结构上的最大扰度和最大应变通常能直接反映其性能。高架桥梁应力结构监测点布置示意如图2所示。

图2 高架桥梁应力结构监测点布置示意

在布置高架桥梁应力结构监测点的过程中，传感器获取的监测信息可能会受到外界环境或相关因素的干扰，因此要在每个监测区域内预留空间，确保得到更高精度的静态监测数据。监测点布置行为应严格遵循《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T 3650—2020)，多个传感器之间的结构间隔应控制在5.0 mm×104 mm以上。

为确保监测及获取的数据更加准确，应做好传感器的对接工作，即连接传感器与计算机通信装置，实时掌握传感器的运行状态，为传感器提供一个相对稳定与安全的运行环境[5]。在此基础上应在监测区域外围做好对测区的保护工作，必要情况下可在测区外围增加显著提示标志，并在测点处安插不同颜色的旗帜(所有旗帜应高出测区至少1.0 m)，根据现场数据采集的需要及时调整传感器的位置与布设高度。此外，测区现场应做好对监测点的接管工作，例如监测人员应计算测点与中心区域的距离、计算测点与高架桥梁应力结构边缘的距离等。为确保测点布置合理，不仅应掌握终端对监测数据的获取需求，同时也要根据区域的地形地势针对性调整传感区域，从而保障传感器所获取的监测信息的价值性与时效性。

1.3 基于无线传感技术的应力结构现场数据采集

为实现更高精度的应力结构现场数据采集[6]，引入无线传感技术以减小监测误差。首先将传感器装置安装在高架桥梁应力结构上，并在应力结构上布置传感器节点，采集现场数据，数据经A/D转换器转换后通过串口发送到数据处理模块。数据处理模块选择LPC2210微处理器作为无线传感网络节点处理器，借助LPC2210微处理器强大的数据处理和丰富的引脚功能，对数据进行处理和协议封装后，经SPI(串行外设接口)将数据传输至射频模块，并进行无线发送。

结合理论分析，当高架桥梁应力结构的内部预应力没有发生改变时，传感器装置的输出应当基本保持为0，根据实际情况对传感器采集数据的基本运算公式进行修正，得到式(1)。

ε=k1+ΔTα-ΔT1β

(1)

式中，ε为传感器现场输出参数，即高架桥梁应力结构的内部预应力；k1为传感器系数；ΔT为传感器本身温度变化数值；ΔT1为高架桥梁应力结构的表现温度变化数值[7]；α为传感器振弦金属材料结构的热膨胀系数；β为高架桥梁应力结构的热膨胀系数[8]。ΔT1与ΔT的取值不同，将传感器安装在各个监测点时应按式(1)进行计算，但无法准确判断高架桥梁应力结构的热膨胀系数β，因此本项目选择在传感器安装后，确保没有任何荷载施加在应力结构上时进行读数，此时式(1)中ε数值应为0，β的计算公式如式(2)所示。

(2)

按照式(2)确定高架桥梁应力结构的热膨胀系数β，将准确的数值代入式(1)，并对传感器显示的数据结果进行记录，完成对应力结构的现场数据采集。

2 试验论证分析

2.1 试验准备

通过引入无线传感技术，已在理论上针对高架桥梁应力结构安全监测方法进行设计，为进一步验证该方法在实际应用中是否能够达到理论中的预期效果[9]，将其与传统方法同时应用于03省道萧山东复线高架主线桥梁监测中，传统方法为文献[5]提出的基于振弦式传感器的桥梁应力结构监测方法。该桥梁为标准高架桥梁结构，主线桥梁宽度为26 m，桥梁上部结构为预应力混凝土箱形梁结构，标准跨径为30 m。高架桥梁现场局部如图3所示。

图3 高架桥梁现场局部

为确保试验结果的客观性，两种监测方法在应用中按照相同的监测点布置方案进行，将所有监测点布置在高架桥梁断面上，并对监测点分别标号为SE-01、SE-02、SE-03、SE-04和SE-05，共5个不同监测点。选择在不同工况条件下，对高架桥梁的梁顶应力和梁底应力进行监测，并将监测数据汇总，与实际测量结果进行对比，从而完成对比试验。

2.2 试验结果及分析

对试验所得出的结果进行对比，并按照相应工况对5种不同工况下的实测应力和两种监测方法的监测结果进行分类。采用监测仪器对受力结构的应力变化数值进行采集，以高架桥梁的梁顶和梁底位置的结构应力变化数据作为对比数据，将两种监测方法得出的结果与实际测量结果进行对比，两种监测方法的应力监测结果对比如表1所示，其中实测应力为负值压应力，最大支点剪力为梁端位置的正应力。

表1 两种监测方法的应力监测结果对比 (MPa)

由表1可知，本项目监测方法得出的应力监测结果与传统监测方法相比，更加接近实测应力，并且监测误差均在0.01～0.03 MPa范围内，而传统监测方法的误差最大达到0.98 MPa，说明传统监测方法不符合高架桥梁应力结构的监测精度要求。同时试验中所引入的单线圈型振弦传感器具备重量轻、体积小以及耐腐蚀性强等应用优势，因此在监测过程中受外界干扰因素的影响可忽略不计，而传统监测方法中采用的三维激光扫描设备在雨季或阳光照射不足的条件下都会影响到扫描结果的精准度，表1中传统监测方法所产生的误差一部分来源于扫描设备的影响。通过对比试验证明，本项目提出的基于无线传感技术的高架桥梁应力结构安全监测方法在实际应用中能够有效提高监测结果的精准度，更符合相关施工规范中对高架桥梁应力结构控制的要求，可确保高架桥梁的使用安全。

3 结语

针对传统桥梁安全监测方法中存在的不足，本研究引入无线传感技术，提出一种全新的监测方法，通过试验进一步证明高架桥梁实际监测时应用该监测方法可精准监测应力结构的参数变化情况，得出的监测结果能为高架桥梁建设施工和后期运营维护提供数据支撑。