【儀表網(wǎng) 行業(yè)應用】近日，虎門大橋“虎軀一震”給全國人民來了個“深呼吸”。虎門大橋是廣東沿海地區(qū)重要的交通樞紐，始建于1992年，1997年通車至今，大橋一直都十分平穩(wěn)。但在5月5日下午，虎門大橋發(fā)生異常抖動，甚至在5月6日凌晨都有振動。
不過，幸運的是，國內相關領域專家初步認定此次虎門大橋的振動主要是因為沿橋跨邊護欄連續(xù)設置水馬(擋墻)，破壞了大橋的斷面流線型，在特定風環(huán)境條件下，產(chǎn)生了橋梁渦振現(xiàn)象，且表示該次異常抖動不會影響虎門大橋后續(xù)使用的結構安全性和耐久性。
但是，并不是所有的橋梁公路等基建在對抗外力的情況下都那么幸運。關于大橋因外力坍塌著名的例子是1940年塔科馬海峽大橋，同樣是懸索橋，但是在通車4個月后，突然被微風摧毀。
近幾年，由于我國重型汽車數(shù)量增多等因素導致交通壓力越來越大，同時惡劣天氣帶來的腐蝕性也越來越高，對于有一定使用年代的橋梁和基建結構產(chǎn)生了不小的負面影響。所以，橋梁的健康檢測、結構安全評估以及損耗監(jiān)測等顯得尤為重要。
傳統(tǒng)的橋梁安全監(jiān)測，主要以人工巡查為主，并輔之以相應的檢測設備，但是很難做到對橋梁實時、連續(xù)不間斷的監(jiān)控，監(jiān)測方式也不夠智能化。
隨著物聯(lián)網(wǎng)及智慧城市的不斷深入發(fā)展，對橋梁的健康安全監(jiān)測、重要結構部位的養(yǎng)護，都已離不開對傳感器的應用。一些可靠、精確和便宜的新型傳感器的開發(fā)和應用(如位移測量傳感器、應變測量傳感器、振動測量傳感器等)，有力推動了橋梁健康安全監(jiān)測的發(fā)展。
傳感器在橋梁健康監(jiān)測中的應用
據(jù)悉，虎門大橋在設計之初就加入了GPS位移、應變實時、長期形變、超限超載等監(jiān)測系統(tǒng)，通過這些系統(tǒng)的作用，能實時獲取橋梁在各種情況下的受力、工作狀態(tài)，以及抗風和抗震以及繩索的張力、橋面裂痕、承壓力、位移、傾斜度等結構參數(shù)，實現(xiàn)對橋梁的安全監(jiān)測。
橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng) (Bridge Health Monitoring System， 以下簡稱 BHMS)主要包括兩大組成部分：數(shù)據(jù)采集部分(由傳感器和單 片機組成)和數(shù)據(jù)傳輸處理部分(由服務器與客戶機組成)。 其中現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集是關鍵，主要是通過各種類型的傳感器進行數(shù)據(jù)采集。
國內典型橋梁 BHMS 建設情況
在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集過程中會使用用多種傳感器，且會根據(jù)不同的橋梁環(huán)境，選擇不同的傳感器類型，常用的傳感器類型及優(yōu)缺點如下： 橋梁監(jiān)測中使用的多種傳感器
光纖光柵傳感器
光纖光柵傳感器以其對環(huán)境干擾不敏感、輸出線性范圍寬、測量 的分辨率高、可以串聯(lián)，根據(jù)實際情況如測量位置、監(jiān)測對象的需要來 串聯(lián)光纖光柵傳感器，構成傳感器組的獨特優(yōu)點，可以優(yōu)化傳感器布設方案。 在橋梁健康安全監(jiān)測中應用較多，通常用于應變、位移和溫度的監(jiān)測。但光纖光柵傳感器的使用要配以光纖光柵傳感解調儀。
GPS位移監(jiān)測傳感器
GPS 定位系統(tǒng)和智能全站儀的出現(xiàn)讓位移監(jiān)測 在自動化、智能化上得到大幅度提升。GPS 差分定位技術采用多臺單 頻或雙頻 GPS 接收機進行同步觀測， 經(jīng)后臺差分數(shù)據(jù)處理后得出觀 測點間基線向量的高精度解算值。它具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便、應用廣泛等優(yōu)點。
智能全站儀通過測出已知坐標(位 置) 點與被測點之間的距離及三個方向的夾角來確定被測點的位置。 該設備的優(yōu)點是測量精度高、測程遠，適用于不同跨徑橋梁位移的監(jiān) 測，能自動識別目標，該儀器的不足之處是受氣象條件的影響較大，在 有霧、下雨的情況下，儀器的測程、測量精度將會受到影響。
應變監(jiān)測傳感器
目前常用的應變監(jiān)測傳感器有電阻式應變計和振弦式應變計。
電阻式應變計敏感性好，但穩(wěn)定性差，長時間測量會產(chǎn)生漂移，適用于短時間的靜力或動力試驗；振弦式應變計穩(wěn)定性好，但由于其尺寸不 能做得很小，對應力梯度大的部位難以測出某一點的應變，適用于靜 態(tài)應變或應變變化較慢的長期監(jiān)測。
拉索索力、吊桿張力監(jiān)測
常用監(jiān)測方法是頻率法，采用加速度傳 感器測量索的振動頻率，并用頻率法來推算索力或吊桿張力，該法已 經(jīng)能滿足斜拉橋索力測量高精度的要求。
一些新型傳感器，如磁彈儀 和光纖光柵壓力傳感器也逐步在工程實踐中得到應用。 磁彈儀開始較 多地應用于索力監(jiān)測，它是利用磁通量的變化與拉索應力的改變有關 這一特性研制而成的，內設溫度補償。 磁彈儀及其組件可以直接安裝 在索股上，對索股無損傷。 技術先進、安裝方便、實時性好，適用于拉索 的長期監(jiān)測，不足之處是對不同的材料必須標定調試，儀器的抗干擾 性和穩(wěn)定性還不夠好。
振動監(jiān)測傳感器
振動監(jiān)測應用較普遍的還是加速度傳感器，常用壓電式、 壓阻式、電容式、力平衡式等。 壓電式加速度計壓電元件的敏感性較高，與之相匹配的是電荷放大器；壓阻式加速度計的敏感元件是固定 在懸臂梁上的應變計，與之匹配的放大器是動態(tài)應變儀；電容式加速 度計低頻響應好、阻尼穩(wěn)定且過載能力強，適用于低頻、微振等振動測 量；力平衡式加速度計更加小巧，適用于直流與低頻振動測量。
工作環(huán)境監(jiān)測傳感器
橋梁工作環(huán)境監(jiān)測包括：
①風速、風向，常 用風速儀。
②溫度荷載，采用電子溫度計或應變式溫度計。
③車輛荷 載，基本采用動態(tài)地秤、車速車軸儀對公路、鐵路荷載進行監(jiān)測。
④偶 然荷載，如地震或船舶撞擊等荷載，采用三向加速度傳感器。
物聯(lián)網(wǎng)在橋梁監(jiān)測中的應用
顯然，在橋梁監(jiān)測的過程僅靠人力是不可能的——費時費力費成本不說，還無法做到監(jiān)測的實時性，因此，物聯(lián)網(wǎng)技術在遠程橋梁結構健康監(jiān)測中，成為一個不可缺少的重要環(huán)節(jié)。
物聯(lián)網(wǎng)技術應用于橋梁監(jiān)測主要體現(xiàn)在兩個方面：
一方面，是對超限超載的監(jiān)測。
在高架橋兩端加裝路面壓力傳感器，通過物聯(lián)網(wǎng)進行車輛載重和類型識別，和攝像頭聯(lián)接獲取違規(guī)車輛的車牌信息，在進行分級實時告警的同時，還可以統(tǒng)計路面總體載荷。
另一方面，是對橋梁健康狀況進行日常監(jiān)測。
在大橋中植入若干個不同種類的傳感設備，另設立匯集節(jié)點/網(wǎng)關和實時監(jiān)測平臺，利用低功耗廣域網(wǎng)等技術無線傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)并發(fā)送數(shù)據(jù)至匯集節(jié)點，再將數(shù)據(jù)傳入平臺層進行儲存、處理與分析，并根據(jù)分析結果及時采取應對措施，比如當橋梁極限承載力損失嚴重時，考慮將其拆除。
結語：
據(jù)相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計，目前，我國已有200到300座大橋采取了加裝傳感器的方式來加強對橋梁健康的監(jiān)測，費用從百萬元到千萬元不等。據(jù)業(yè)內人士預測，我國橋梁等基礎設施養(yǎng)護，未來將是一個每年數(shù)千億元的大市場。
此次，虎門大橋“振動”事件給全國橋梁安全防護敲響了警鐘，相關部門在加強對過往車輛監(jiān)管的同時，也應充分意識到橋梁運維管理信息化的必要性。橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)在很大程度上方便了橋梁檢測工作，能夠做到實時在線監(jiān)測。相信未來，將會更多地運用現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術，對橋梁健康進行更精準的監(jiān)測，進一步確保橋梁的安全，保障人類的生活。
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