结构健康监测桥梁结构

在本文中,我们将简要回顾的基础结构健康监测桥梁结构。桥梁和交通基础设施遭受极端环境荷载条件,如雪,雨,风暴,和酷热。这可能会导致加速恶化过程的建筑材料,如混凝土和钢。此外,物理负荷(由于流量增加,重载,和影响通过移动卡车,可以加速老化和恶化过程。这可能产生负面影响这些结构的负荷承载能力(董et al . 2010)。

声明的问题

20世纪桥的崩溃在意大利是一种最新的灾难发生在2018年,造成43人死亡,数十人受伤维基百科]。除了戏剧性后果桥的崩溃,中断在每一个国家的交通系统,特别是在主要通道,有一个巨大的影响经济增长和公民的日常生活。

明尼苏达交通部(Mn /点)报道1 - 35大桥的失败导致了1700万美元的经济损失在2007年和4300万年的2008美元。根据这项研究,道路使用者成本由于绕路而行,不可用穿越河流的估计为4000美元/天(源]。

我们理解桥梁响应和如何应对不同的操作和环境要求可能让我们保存这两个结构的安全性和可服务性。最近的进展结构健康监测(SHM)和计算技术促使智能桥梁监测系统的部署积极的维护和管理。

结构健康监测桥梁结构

结构健康监测(SHM)桥梁结构通常是指的过程设计、开发和实现损伤检测或表征策略的结构状态的实时评估。一个典型的单孔位微吹气扰动系统包括三个主要组件:

• 一个传感器网络,

• 数据处理系统(包括数据采集、传输和存储),

• 和健康评价决策支持系统(Housner et al . 1997]。

单孔位微吹气扰动的过程通常涉及监测结构在一定时期内,无论短期还是长期,使用适当的一系列传感器和设备,提取damage-sensitive特性从传感器获取的测量数据,分析数据来确定结构的当前状态(谭et al . 2009]。

单孔位微吹气扰动的优点

单孔位微吹气扰动传感器可以无缝与自动化分析系统集成提供24/7连续远程在线监测桥梁结构的不同组件。收集的数据结构被传回现场采集和分析系统,执行所有必要的分析;记录异常反应时,将创建和警告信息发送到人负责桥梁养护和监控。

桥所有者和经营者可以通过自动提醒潜在的缺陷和异常分析和连续的报警系统。在一个非常基本的SHM的设置中,警告潜在缺陷的类型和位置将发布和沟通从桥上桥所有者/经理。在一个更高级的设置中,排名等信息条件,实时损伤位置和故障的早期迹象可以从数据中提取。

大多数桥所有者的主要问题是关注关于假警报。然而,最近的事态发展在信号处理和数据处理、自校准系统和自我测试功能消除或减少昂贵的假警报和不必要的网站访问。一般来说,一个设计良好的单孔位微吹气扰动系统有潜力:

• 主动监控结构操作和环境变化条件下的性能
• 延长桥梁的剩余寿命,减少由于早期检测失败
• 优化检查预算的实时状态数据
• 减少不必要的维护和生命周期成本
• 增加对结构完整性和公共安全的信心
• 避免闭包和停机时间例行检查

结构健康监测的实践

最近的传感器技术的发展和无线通讯,各种结构健康监测系统已经开发出来。下面描述了三个主要的解决方案可用于桥梁结构的实时监控。

Vibration-based监控

vibration-based监测技术是最早提出了桥梁状态评估方法。这些技术都是基于物理特性的概念,任何改变一座桥,本地或分布式的,是否会被进化的动态属性。在结构工程,典型的动态属性指模态参数如固有频率、模态形状,等。自模态参数与结构动态性能密切相关,位置和结构缺陷的严重程度可以由模态的变化特征。研究桥的动态属性,结构的振动响应应该测量或控制环境激励。大多数vibration-based监测方法主要使用数据从加速计监测桥梁响应在全球水平。加速度计是常用的测量垂直和/或水平加速度桥组件的特定位置。根据传感器仪表的设计布局,从这些传感器获得的信息可以用于检测和定位的异常事件。

以监测

虽然vibration-based监控方法适用于桥梁结构行为在全球层面上,其效率在本地监控轻微结构动态属性的变化是有问题的。因此,最近的趋势是使用本地监控方法注意到桥组件的机械性能的变化可忽略不计。

因为损伤通常发生在地方层面、应变监测方法可以用作意味着本地监控关键桥梁元素在关键的位置。光纤传感器和应变仪是最受欢迎的传感器用于应变监测。放置一个应变传感器网络可以帮助确定桥组件受到过度应力或变形由于桥梁超载等异常事件。

声发射

声发射(AE)技术也用于桥组件压力的实时检测。AE波所产生的压力波,被迅速释放应变能由于材料的微观结构变化,可以通过结构。这些波从局部源(s)在材料和有能力找到源启动。不同负载条件下,存在于桥组件如钢铁和混凝土能使这些元素发射的能量以弹性波的形式将各种有关损伤机制。这些波可以通过捕获AE传感器放置在桥接组件的表面。分析接收到的信号的发射的传感器提供的信息来源。

声发射远程传感器不断听特定的声波或排放的材料;AE系统可以定制时发送警报和通知桥算子:

• 裂缝发起或生长
• 悬丝或电缆断裂
• 意外发生影响
• 位错发生或恶化
• 活跃的腐蚀传播

现实的挑战

结构健康监测桥梁结构有可能收集大量的信息损失的各种结构组件在全球和元素水平。这个庞大的数据可以作为源的性能历史知识的结构,对决策者有价值的东西。

现代单孔位微吹气扰动系统完全集成的统计模型似乎是一个有前途的民用基础设施解决方案,将减少停机时间,降低维修成本,提高工人安全通过消除高危活动(即绳访问目视检查,工作高度,辐射,在密闭空间工作)。然而,实现可靠的传感器网络,了解收集到的数据仍然是具有挑战性的。

在硬件方面,主要的挑战之一是设计一个高效的结构传感器网络能够收集足够的和可靠的信息损失的状态。在这个阶段,仪表工程师面临三个主要问题,类型,位置和数量的传感器插装的结构的兴趣。所有权、安全性和管理的数据是另一个挑战。

在分析方面,做出有意义的实时数据的解释,并将它们集成到决策协议将是一个挑战。虽然有各种各样的单孔位微吹气扰动传感器市场,则较少受到关注算法开发数据驱动的决策支持。客观的决策工具并深入了解大数据,帮助提醒桥的所有者任何明显的变化的当前状态结构。大数据和云计算的兴起将有助于工程师有更好看的实时数据,有效地将这些转化为决策结果和维护所有者经理。