原琨　李杨

摘要：指出了桥梁健康监测系统中的传感器数据处理存在的问题，提出了超声波在桥梁监测中的使用及数据处理方法。通过超声波技术在相关工业领域的应用现状，分析验证了超声波传感器在桥梁监测中的可行性、抗噪声干扰的优势以及数据处理的可靠性，为桥梁内部钢筋健康状况提供一种新的无损监测方法。

关键词：桥梁；健康监测；超声波；传感器；钢筋；多源识别

中图分类号：TU112.7 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2016）06-0143-04

1 前言

一直以来政府和公众都对桥梁的健康安全状况给予高度关注，如今无论国内还是国外的诸多桥梁都存在不同的安全隐患。在中国，桥梁的建设速度受到质量控制滞后的制约，每年均有桥梁倒塌事故的发生，造成难以挽回的重大的人员伤亡和经济损失。自1985年起，不同规模的桥梁健康监测系统开始在国外出现并运行。20世纪90年代起我国也开始在某些大型的桥梁上安装规模各异的桥梁安全监测系统，例如香港汲水门大桥，青马大桥和汀九大桥，内地的江阴长江大桥和上海徐浦大桥等。

2 桥梁健康监测技术现状分析

针对振动模态分析技术，当前国内外在桥梁健康监测系统的提出和应用方面获得的主要成果是：通过进行强迫桥梁振动的试验，判断出局部结构发展对模态参数的影响。根据可变荷载、恒荷载，以及支承地基对桥梁健康状态的影响，验证了在桥梁健康自动监测中使用环境振动法的可行性；通过获取数据对计算模型进行修正，根据振型、频率、振型曲率、应变振型等改变量，开发出不同类型的定位技术和损伤检测技术；在数据处理上主要有MAC法、COMAC法、柔度矩阵法、矩阵摄动修正法、非线性迭代法以及神经元网络法等。这些方法在一定范围内能够发挥较为积极的效果，但随着桥梁健康监测系统的不断研发存在一系列问题：如未能实现最优点传感器的铺设，且抗干扰性差，易受外界环境的影响；噪声、风雨的干扰导致收集到的数据存在较大误差，从而使数据处理的难度大大提高；未能实现桥梁病害的自动识别。

笔者针对这些问题，提出了超声波传感器在桥梁监测中的应用，解决了传感器铺设时寻求最优点的问题，提高了传感器的成活率，同时针对超声波传感器收集到的数据建立了简单易行的数据处理及多源识别系统。

3 超声波传感器的工作原理及监测可行性

应用超声波技术监测桥梁内部的钢筋健康状况的超声波监测法属于无损监测。超声波监测法对桥梁构件进行宏观缺陷检测并进而就构件的变形损伤进行评价。桥梁服役期间，由于荷载风雨雪等的影响所有结构构件都会面临程度不同的累积损伤，通过无损检测技术方法的应用可以获得桥梁结构构件的内部钢筋的健康状态信息，从而与原始状态的钢筋进行对比，以判断累积损伤对钢筋结构的改变。

超声波监测法是一种不受光照温度电磁场的非接触式测量方法，已被广泛用于医学监测、高精密仪器的监测、军事导航等领域。超声波是一种高于20kHz的机械振动，能量集中，指向性好，有较强的穿透本领，在遇到两种介质的分界面时会产生类似光波的反射折射现象。因此对钢筋混凝土构件发射超声波，收集对面接收器收集的时间数据，经过数据处理可形成构件内部钢筋的立体形态，从而分析其破坏程度，监测其服役情况，及时做好防御，整治工作。

超声波监测系统由超声波发射器，超声波接收器，数据采集控制站，数据处理模块组成。超声波发射器即超生波电源，其功能是用来制造超声频电能同时为超声换能器装置提供电源。超声波接收器的工作原理是指传感器接收声信号，传感器一般都是压电陶瓷，声波信号达到压电陶瓷上，一旦有机械振动，压电陶瓷能灵敏的将这一机械振动转换为电信号，这样就能实现了超声信号的监测。压电陶瓷通过特殊的工艺和切割，有一固定的谐振频率和带宽，也就是每一片压电陶瓷都有其对某一频率最为敏感，且有一定的带宽，所以能制作出不同峰值频率和带宽的传感器，以适应不同的监测要求。

桥梁的主要材料为钢筋混凝土，在钢筋混凝土结构构件中，钢筋达到屈服时会产生很大的塑性变形，构件会出现较大的变形和过宽的裂缝，以致无法满足正常使用的要求。钢筋按其力学性能的不同可分为有明显屈服点的钢筋即软钢和没有明显屈服点的钢筋即硬钢，其应力一应变关系如图1所示。

由图1可知当钢筋承受较大的应力发生破坏时会产生较大的变形，钢筋铺设在混凝土内部，钢筋的密度与混凝土的密度差很大，超声波在其中传播的速度会发生改变，从而导致接收到超声波的时间发生变化。故可通过超声波传感器监测桥梁中钢筋的变形来实现对桥梁钢筋混凝土结构构件的健康监测。

4 超声波健康监测工作流程

4.1 传感器的工作程序及安装方式

根据监测的需要设计安装沟槽。读取图纸中钢筋混凝土中的受力钢筋的位置，在其平行部位预留沟槽。桥梁跨度较大时，分段进行。沟槽的宽度根据超声波发射器及超声波接收器的大小设计。沟槽要求光滑平整不影响传感器的正常工作。健康监测系统传感器工作程序如图2。

在桥梁上的沟槽上安装滑轮小车（自动化且能远程指挥），将超声波传感器分别安装在每一段上的滑轮小车上，使其在沟槽内能够按照已经设计好的运行轨道移动，从而用较少的传感器实现对桥梁内部钢筋结构的全面监测。对小车及所监测的钢筋及所在轨道进行编号（表1），并根据实际情况与要求设定各个小车的运行周期。

图3中，M′、N′、M″、N″分别为所设沟槽；P是安装超声波发射器的遥控小车所在位置；Q是安装超声波接收器的遥控小车所在位置，在仪器运行阶段PQ的连线必须与钢筋所在直线MN保持垂直。将接收到的数据传送到数据存储器中，并进行数据处理。

4.2 数据存储

采用二元数组的形式对数据进行存储（表2和表3）。

4.3 数据处理及多源识别

在进行调试时，根据钢筋混凝土试件的不同，桥梁所处的不同环境，选择不同峰值频率和带宽的传感器，以适应不同的监测要求。

采集到的数据均是超声波的传递时间（t1，t2，t3，…，tn），分别就理想状态与试验状态的数据模型进行分析。

（1）理想状态（假设钢筋混凝土构件内部的混凝土搅拌绝对均匀，1dm²验小块的密度能够保持一致性）。

桥梁建成未运营时：采集原始数据组（t1，t2，t3，…，fn）则有（t1=t2=t3=…=tn），安装超声波接收器的遥控小车从M′运行到N′视为一个运行周期，通过一元一次方程模拟的钢筋状态示意图（图4）。

钢筋发生一定程度的弯折时：采集数据组（t1，t2，t3，……tn……）则有（t1=t2=t3，t34不等于t35但连续变化……），并与原始数据组进行比较，通过一元一次方程模拟的钢筋状态示意图（图5）。

由图4、5可知，有一段钢筋发生了弯折，且根据小车在第t3，t4时刻所在的位置，估测出钢筋的形变位置。

（2）试验状态（钢筋混凝土构件内部的混凝土搅拌达不到绝对均匀，1dm³的试验小块的密度有轻微差别）。桥梁建成未运营时：采集原始数据组（t1，t2，t3，……tn……）则有（t1，t2，t3，……tn……不相等但呈现连续性变化），装超声波接收器的遥控小车从M′运行到N′视为一个运行周期，通过一元一次方程模拟的钢筋变形状态如图6。

将基础数据保存在数据库中，同时监测各种破坏的破坏形式从而形成图像，建立破坏时的数据库形成各种破坏模型。监测运营后的桥梁情况与真实的初始数据进行比较，建立如图7的比较图像。

当监测识别存在偏差时，与各种破坏的破坏图像比较，寻求相似度接近度最高的模型，从而分析桥梁的实际变形，做出正确的损伤判断。

上述方法仅能监测钢筋的上下变形，通过安装多传感器即在构件的上下位置同时安装一套仪器，实现对钢筋的前后变形监测，通过对两组数据的合成，实现钢筋的三维立体实测图像，如图8、9所示。

与单一超声波系统比较，采用多传感器监测的健康系统能够实现更加立体和全方位的监测视角，提高健康诊断的准确性和可靠性，得到精确的目标距离方位信息。

4.4 超声波健康监测系统的优势

主要优势体现在以下几点：铺设在桥梁结构的外部，便于安装维修；不用寻求一般传感器的最优铺设位置，通过沟槽的设计，能够实现对桥梁内部钢筋的全面监测。且对混凝土结构无损伤；使用时受外界噪声影响较小，得到的数据精确度更高，提高了数据的利用率，降低了数据处理的难度；超声波技术基于传感器原理，可以进行多源数据的扩充和信息系统处理能力的进一步提高，为桥梁健康监测提供了基础技术支撑平台。

5 结语

以超声波作为桥梁健康监测的传感设备还处于初级阶段，一方面要投入专用检测设备的研发，同时要加大数据处理系统的软件开发工作。超声波传感器的快速发展，对大型工程结构的无损监测与信息技术的结合，提出了一种新的监测技术和数据收集形式。