基于橋梁支座脫空病害的AIS定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

摘要：傳統(tǒng)的云計(jì)算診斷方法無法對橋梁支座病害做出精準(zhǔn)判斷，導(dǎo)致無法精準(zhǔn)診斷出橋梁支座脫空病害位置?；诖耍恼绿岢鲈O(shè)計(jì)一種基于橋梁支座脫空病害的身份自動識別（Automatic Identification System，AIS）定位系統(tǒng)，該方法利用AIS定位系統(tǒng)，采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)獲得AIS數(shù)據(jù)作為支撐，結(jié)合橋梁支座病害診斷算法，幫助工作人員精準(zhǔn)判斷橋梁支座脫空病害位置，從而實(shí)現(xiàn)橋梁支座荷載作用下的動力響應(yīng)及對橋梁支座的病害定量。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所提技術(shù)與預(yù)設(shè)的實(shí)際值相比，最大誤差為0.2，最小誤差為0，比云計(jì)算診斷技術(shù)的分析結(jié)果更精確，表明該技術(shù)具有較高的靈敏度，能準(zhǔn)確地識別橋梁支座病害。

關(guān)鍵詞：AIS數(shù)據(jù)；橋梁支座；脫空病害；診斷技術(shù)

中圖分類號：U443.36 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）05-0040-04

0 引言

支座是橋梁的重要組成部分，用于傳遞橋面板和橋墩結(jié)構(gòu)之間的力和承受橋面板帶來的壓力，同時在此過程中會引起橋內(nèi)壓力、橫向力和支座承受力的變化，這類變化有可能對橋梁主體、橋板及橋墩造成一定程度的損害，存在降低橋梁使用壽命的風(fēng)險。為解決此問題，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了一系列研究，并取得一定進(jìn)展。例如，閆宇智等［1］提出基于車激響應(yīng)的橋梁支座脫空病害識別方法，是以模型修正方法為主要技術(shù)手段的橋梁支座脫空病害識別方法，并采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)的方式對所提方法進(jìn)行驗(yàn)證，該方法可實(shí)現(xiàn)支座脫空病害的定位和定量識別。李明哲等［2］開展了基于分步頂升法的橋梁支座更換應(yīng)用研究，利用大型通用有限元軟件Ansys，對采用分步頂升法的支座更換施工進(jìn)行仿真分析及理論研究，有效地解決橋梁橋板因交通流量過大而產(chǎn)生的裂縫問題。但是，上述兩種方法不能對病害部分進(jìn)行精準(zhǔn)定位，延誤了維修時間，而且易受到?jīng)_擊荷載影響，診斷支座病害的靈敏度較低，不能準(zhǔn)確地識別出病害位置。

為解決傳統(tǒng)方法存在的維修時間較慢、位置定位不準(zhǔn)確等問題，本文提出基于橋梁支座脫空病害的AIS定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)獲取AIS數(shù)據(jù)，結(jié)合橋梁支座病害診斷算法，幫助工作人員精準(zhǔn)判斷橋梁支座脫空病害位置，從而實(shí)現(xiàn)橋梁支座荷載作用下的動力響應(yīng)及對橋梁支座的病害定量。

1 工程概況

十堰至天水聯(lián)絡(luò)線（G7011）路段主要施工工程為橋梁，該橋梁的支座為橡膠支座，工作人員在對橋梁進(jìn)行養(yǎng)護(hù)與檢查的過程中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)簡支橋梁存在不同程度的脫空現(xiàn)象。在役橋梁中，大多數(shù)都是通過安裝壓力傳感器對橋梁支座上的壓力變化進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)支座出現(xiàn)脫空病害時，由于支座失去了對橋梁的支撐作用，壓力傳感器也會及時檢測到支座上的壓力變化。通過對壓力傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以及時發(fā)現(xiàn)支座脫空病害，從而采取相應(yīng)的維修措施，保障橋梁安全運(yùn)行。安裝壓力傳感器，必須預(yù)留出安裝施工空間［3］，同時如果安裝過程操作不當(dāng)，會導(dǎo)致橋體出現(xiàn)裂縫。由于采用傳統(tǒng)方法測量時會出現(xiàn)一定的誤差，得到的測試結(jié)果不精準(zhǔn)，很難應(yīng)用到實(shí)際工作當(dāng)中?；谝陨蠁栴}，本文提出將AIS定位系統(tǒng)應(yīng)用于橋梁支座脫空病害的診斷，實(shí)現(xiàn)梁支座脫空病害位置的精準(zhǔn)定位。

2 橋梁支座脫空現(xiàn)象成因分析

通過分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)可知，該橋梁支座脫空的原因總結(jié)如下。

（1）橋梁框架的病害與橋梁上部結(jié)構(gòu)位移有密切關(guān)系，支座在橋梁的梁板與橋墩之間起到支撐作用，并將梁板上的荷載力傳遞到墩臺上，板式支座受到梁體橫向與縱向位移的影響，從而發(fā)生剪切變形。

（2）梁體與支座之間產(chǎn)生較大的摩擦力，導(dǎo)致梁體與支座點(diǎn)產(chǎn)生位移。同時，梁體的位移情況還會隨著季節(jié)、溫度的變化而發(fā)生變化。

（3）當(dāng)支座內(nèi)部的水泥砂漿損壞或支座間隙過大時，支座的承載能力會降低，導(dǎo)致支座穩(wěn)定性降低。如果支座失去穩(wěn)定，則會發(fā)生移位或下沉，導(dǎo)致支座與橋面板或橋墩表面接觸不良，降低支座對橋梁的支撐作用，最終導(dǎo)致支座脫空。

3 橋梁支座病害診斷

3.1 診斷設(shè)備

利用AIS數(shù)據(jù)系統(tǒng)獲取橋梁支座信息用于診斷橋梁支座病害的過程需要AIS設(shè)備輔助，其外部結(jié)構(gòu)設(shè)置主要有衛(wèi)星導(dǎo)航儀、航程數(shù)據(jù)計(jì)程儀、轉(zhuǎn)向速度計(jì)向儀、顯示操作終端等［4］。

3.2 診斷流程

橋梁支座脫空病害診斷流程如下。

第一步：拍攝。利用攝影機(jī)對橋梁梁板與支座的各個角度進(jìn)行拍攝，通過調(diào)整透鏡的角度，檢查整個橋梁，如果發(fā)現(xiàn)支架懸空或其他問題，拍下照片傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)。

第二步：檢測邊梁。邊梁的外觀檢查由橋架鏡和檢查器完成，檢查員對舊橋邊梁進(jìn)行外觀質(zhì)量或病害檢查時，必須在橋外進(jìn)行探傷。

第三步：通過傳感器獲取AIS數(shù)據(jù)后，采用聲波檢測法對支座的聲波反射和衰減情況進(jìn)行測量和分析，得到支座病害指數(shù)，用于橋梁支座脫空病害診斷。

3.3 診斷技術(shù)

采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)能夠有效采集橋梁支座數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對橋梁支座狀態(tài)進(jìn)行分析，并將數(shù)據(jù)輸入AIS定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)橋梁支座的病害診斷。AIS定位系統(tǒng)能獲取橋梁支座軌跡數(shù)據(jù)，其主要用來描述橋梁支座中運(yùn)動物體位置信息的空間數(shù)據(jù)。AIS定位設(shè)備終端同時接收周邊AIS信息和近岸岸臺信息，完成航行數(shù)據(jù)交換［5］。在不同的應(yīng)用場景下，軌跡數(shù)據(jù)挖掘有著不同的任務(wù)。在數(shù)據(jù)挖掘過程中，要進(jìn)行序列型模式識別，序列型是指在同一時間間隔內(nèi)，在某一大致位置物體的運(yùn)動規(guī)律。掌握橋梁下支座的運(yùn)動規(guī)律，有助于準(zhǔn)確判斷病害位置，軌跡異常代表橋梁支座可能發(fā)生病害。

3.4 診斷方法

3.4.1 橋梁支座在沖擊荷載情況下的動力響應(yīng)分析

橋梁沖擊荷載可能會對橋梁支座產(chǎn)生較大的動力荷載，通過對支座進(jìn)行動力響應(yīng)分析，可以評估其在沖擊荷載下的穩(wěn)定性和安全性。作用在橋梁上的荷載計(jì)算公式如下：

[P=Mx..+Cx.+KX]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

公式（1）中，橋梁位移的響應(yīng)數(shù)值為[X]；橋梁的整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣為[M]；橋梁支座約束剛度結(jié)構(gòu)矩陣為[K]；參數(shù)[C]為結(jié)構(gòu)阻尼矩陣；橋梁的加速度與加速響應(yīng)分別為[x.]和[x..]；[P]為橋梁節(jié)點(diǎn)垂直方向上的沖擊力。

在瑞利（Rayleight）阻尼模型中，矩陣質(zhì)量[M]與剛度矩陣[K]的線性組合可以用橋梁阻尼矩陣[C]表示，計(jì)算公式如下：

[C=αM+βK]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

其中：

[α=4πξ1f1f22-ξ2f12f2f22-f12]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

[β=1πξ2f2-ξ1f1f22-f12]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

公式（3）和公式（4）中，[f1]與[f2]分別代表橋梁在第1階段與第2階段的自振頻率，[ξ1]與[ξ2]分別代表相對應(yīng)的阻尼比。

3.4.2 支座病害定量分析

動力響應(yīng)分析主要是通過數(shù)學(xué)建模方法，分析結(jié)構(gòu)在受到動力荷載時的響應(yīng)情況，用于評估結(jié)構(gòu)的動力性能和安全性。假設(shè)質(zhì)量矩陣不會改變，則運(yùn)動方程（5）中第[j]節(jié)的為橋梁兩端點(diǎn)支座病害指數(shù)為[θj]，所求得的1階導(dǎo)數(shù)能夠得到：

[M?x..?θj+C?x.?θj+K?x.?θj=-?k?θj（βx.+X）]? ? ? ? （5）

公式（5）中，[X]為橋梁沖擊力作用下的位移響應(yīng)，[x]為加速度響應(yīng)，[k]為第[k]迭代步。

第[k]迭代步的損傷指數(shù)向量[Ak]更新為橋梁的有限元模型剛度矩陣[Kk]，橋梁剛度矩陣的靈敏程度矩陣為[?k/?θjk]。對公式（5）進(jìn)行求解后，得到橋梁位移響應(yīng)[xk]、響應(yīng)速度[x?k]及支座病害的靈敏度指數(shù)。

假設(shè)橋梁上設(shè)置有[NP]個測點(diǎn)，那么第[n（n=1，2，…，NP）]個測點(diǎn)的加速度響應(yīng)構(gòu)造的靈敏度矩陣如下：

[（Sn）k=?a（t1）?θ1?a（t1）?θ2…?a（t1）?θm?a（t2）?θ1?a（t2）?θ2…?a（t2）?θm??…??a（ti）?θ1?a（t1）?θ2…?a（ti）?θm?????a（ttotal）?θ1?a（ttotal）?θ2…?a（ttotal）?θmk]（6）

共計(jì)進(jìn)行k次迭代試驗(yàn)，是針對橋梁支座的響應(yīng)與實(shí)際損傷狀態(tài)進(jìn)行差值向量的測量：

[（ΔUn）k=a（t1）-a∧（t1），…，a（ttotal）-a∧（ttotal）tk]? ?（7）

公式（7）中，[total]代表時域相應(yīng)的總點(diǎn)數(shù)。

應(yīng)用罰函數(shù)法構(gòu)造靈敏度方程：

[（Sn）k×（ΔA）k=（Δun）k]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（8）

公式（8）中，[（ΔA）k]代表病害指數(shù)在第[K]步的攝動量。

對公式（7）進(jìn)行求解后，可以確定公式（8）為最小值。

通過計(jì)算，更新橋梁病害指數(shù)向量。不斷重復(fù)最小值求解過程，直至得到符合橋梁安全承受范圍的結(jié)果。

3.4.3 支座狀態(tài)評估標(biāo)準(zhǔn)的確定

參考以上計(jì)算過程，確定橋梁支座的相關(guān)參數(shù)（見表1）。

表1中，支座病害指數(shù)控制在-0.5～0.5范圍內(nèi)，該范圍為安全警戒限值。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

假設(shè)橋梁梁體支架脫空，進(jìn)行動力分析時，采集的數(shù)據(jù)頻率為1 024 Hz。通過檢測高速鐵路橋梁的梁體高度，驗(yàn)證基于AIS數(shù)據(jù)的橋梁支座脫空病害診斷技術(shù)的可行性。

4.2 實(shí)驗(yàn)過程

采用空間梁單元進(jìn)行模擬，高速鐵路雙線32 m跨度的簡支單箱梁橋，選取若干個單元，長度為2.2 m，橫截面面積為9.235 m2，垂直彎曲慣性矩為11.343 mm4，質(zhì)量密度為2 500 kg/m3。橋梁的兩端、節(jié)點(diǎn)和跨中位置可以被視為剛體臂，臂的寬度相同，符合模擬橋梁在空間中扭轉(zhuǎn)的特性。

橋梁支座的簡單模型如圖1所示。

圖1中的沖擊荷載作用于橋梁的不同位置，其響應(yīng)測點(diǎn)位置不斷變化。

4.3 測試方法

為檢查軸承在最不利的載荷下是否松脫，在上軸承的底部和下軸承的頂部之間安裝百分表，檢測兩者之間的接觸面是否嚴(yán)密，并將百分表的負(fù)載分成若干級，分別進(jìn)行記錄。

在測試過程中，橋梁的位移算法測試是由2組不同的結(jié)構(gòu)組成。在對支座的脫空施加理論支反力時，橋梁的支座與梁體的接觸面未發(fā)生變化；如果支座的上接觸面出現(xiàn)位移，則表明支座出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將AIS數(shù)據(jù)診斷技術(shù)和云計(jì)算診斷技術(shù)對病害指數(shù)分析結(jié)果的精準(zhǔn)度進(jìn)行對比，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，基于云計(jì)算的橋梁支座脫空病害診斷技術(shù)的支座診斷穩(wěn)定結(jié)果時間為7.5 s，實(shí)際支座病害診斷設(shè)置值為6 s，基于AIS數(shù)據(jù)的支座診斷技術(shù)的支座診斷穩(wěn)定結(jié)果時間接近6 s?；谠朴?jì)算的橋梁支座脫空病害診斷技術(shù)的診斷結(jié)果與預(yù)先設(shè)定的實(shí)際值在不同時間下的誤差分別是0.2、0.4、0.15、0.1、0.2、0.3、0.6；而基于AIS數(shù)據(jù)的支座診斷技術(shù)的診斷結(jié)果與預(yù)先設(shè)定的實(shí)際值在不同時間下的誤差分別是0.2、0、0.05、0、0.15、0.1、0.05。由此可知，針對支座上響應(yīng)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的靈敏度，AIS數(shù)據(jù)診斷技術(shù)的靈敏度比云計(jì)算診斷技術(shù)高。

5 總結(jié)

為精準(zhǔn)診斷橋梁支座脫空病害位置，本文研究了基于橋梁支座脫空病害的AIS定位系統(tǒng)，該方法利用AIS定位系統(tǒng)，采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)獲得AIS數(shù)據(jù)，結(jié)合橋梁支座病害診斷算法，精準(zhǔn)地判斷橋梁支座脫空病害位置，實(shí)現(xiàn)在橋梁支座荷載作用下的動力響應(yīng)及對橋梁支座的病害定量，并對此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所提技術(shù)與預(yù)設(shè)的實(shí)際值相比，最大誤差為0.2，最小誤差為0，比云計(jì)算診斷技術(shù)的分析結(jié)果更精確，表明該技術(shù)具有較高的靈敏度，能準(zhǔn)確地識別橋梁支座病害。未來，為進(jìn)一步提升識別的準(zhǔn)確性，可結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化處理，以提高診斷效率和準(zhǔn)確率。

6 參考文獻(xiàn)

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【作者簡介】劉浪，男，廣西藤縣人，任職于廣西交科工程咨詢有限公司，工程師，研究方向：道路橋梁工程。

【引用本文】劉浪.基于橋梁支座脫空病害的AIS定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2023（5）：40-43.