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第二章

长期结构健康无线监测系统性能评估设计：电报路桥示范工程

2.1介绍

本文工作的目标之一是实现永久性的无线传感器网络结构性能监测。该系统应经过强化，以适应寒冷阴天的北方气候，并作为一个试验台，用于开发基于性能和可靠性的传感策略以及能够改善无线系统固有的功率和带宽限制的信号处理技术。该系统需要一种自上而下的传感策略，以典型的损坏模式和桥梁所有者的主要关注点为目标。该系统是多功能的，使用加速计、应变计和热敏电阻进行局部和全局行为监测。除了传感系统外，还设计了一个服务器基站，用来进行互联网连接和自主数据处理（能够揭示管理人员未知的结构性能细节）。太阳能电池板和商用充电控制器用于为大约40个无线传感器提供全部电力需求，为大约80个传感器通道供电，以及在单板计算机上运行的基站。Narada无线传感器节点的节能操作技术及其低功耗硬件设计使得传感系统能够在没有太阳能充电的情况下在单个8V 3.2Ah密封铅酸蓄电池上运行两周。尽管电力的深度储备足够多，但密歇根州阴冷的冬天对监测系统的持续运行构成了挑战。基于加速度的监控有助于性能监控的整体工作，本章将其作为长期数据采集和自动处理结果的演示。然而，自上而下的传感器策略是基于应变的，只使用加速度作为补充信息（以及温度）。应变传感器的布置是根据局部系统行为而不是全局或点的行为来定制的。具体来说，应变计阵列用于评估甲板段复合作用的长期性能，吊杆细节中的连接板弯曲和锁定，以及由于热膨胀引起的梁端接触。

本章描述了一个部署在密歇根州门罗市电报路桥（TRB）上的永久性无线SHM系统。TRB作为NIST技术创新计划（NIST-TIP）的一部分，旨在推进基础设施健康管理的SHM技术。五年的实施过程揭示了对设计、部署和数据收集实践的一些见解。该系统的独特之处在于其在短跨距公路桥梁上长期运行的无线传感器网络，以及其仪表策略。本文提出的系统是由MDOT对连接板桥的主要需求驱动的，以及先前展示的更为通用的健康监测技术，为钢梁桥梁的评估提供有意义的信息，如组合作用评估的中性轴识别。

2.2电报路桥

（TRB）由密歇根交通部（MDOT）拥有和管理，建于1973年，位于密歇根州门罗市（图2-1）。该桥有两条北行I-275公路交通线（南行交通有一座单独的桥），由于靠近底特律（密歇根州）、托莱多（俄亥俄州）和温莎（安大略省）等大型制造业城市，该桥交通量大，重载较多。TRB是一座斜交（33°）钢桁梁桥，由三个跨度组成，由两个端部桥台结构和两个内部桥墩支撑。每个跨度由七根54英寸（1.37米）深的组合钢梁组成，其中心线相距99英寸（2.51米）。南北跨度分别为46.5英尺（14.17米）长。这些跨度的一端由桥台结构支撑，另一端通过混凝土桥墩支撑的摇杆支座悬挑6英尺（1.83米）。主中心跨度为128英尺（39.01米），通过销和吊板连接从北部和南部跨度悬挂。在中心跨度大梁的每一端有两块钢吊板，总共有28块板支撑中心跨度。每个吊板长42英寸（1.07米），宽10英寸（25.4厘米），厚1.25英寸（3.18厘米）；吊板通过两个直径为5英寸（12.7厘米）的钢销连接到大梁上。桥梁包含一个8英寸（20.32厘米）厚的混凝土桥面，由于存在沿中跨梁顶部翼缘焊接的剪力钉，桥面与中跨完全复合作用。而两个边跨没有剪力钉，因此预计它们不会与大梁完全复合作用。

选择TRB有两个原因。首先，该桥在NBI和MDOT清单中都代表了一种非常典型的桥。如前所述，在NBI中约41%（248284）桥的被归类为纵梁/多梁或梁式桥梁。在MDOT库存中，约44%（4876）的库存是纵梁/多梁或大梁类型。尽管MDOT在1980年代中期停止在新桥梁设计中使用销和吊杆细节，但许多销和吊杆桥梁仍保留在MDOT库存中。MDOT拥有的2914座钢梁桥中，约35%采用销挂式设计。销桥和吊桥使用连接板组件连接相邻跨度，目的是在梁连接处创造铰链条件，从而使设计计算和无应力热膨胀更容易。

选择TRB的第二个原因是它的寿命（42岁）和基于寿命的恶化情况。具体地说，最近对真相与和解委员会的检查历史接连地列举出了桥梁检查员密切关注的几个问题。北边桥台靠近西角的一个大截面发生了破坏，如图2-2a所示，并由钢梁临时支撑。桥面顶面（图2-2b）和底侧加强梁翼缘界面出现开裂和剥落。值得注意的是，北部和南部桥跨的桥面比中部桥跨的桥面退化更严重。在2011年的一份检查报告中，发现销和吊架连接处（图2-2c）有严重生锈的区域，表明板销接口可能冻结，这意味着它们可能不会由于板、销和可能的大梁之间的腐蚀而旋转。在钢梁腹板与横向支撑连接处出现疲劳裂纹（图2-2d）。2011年（就在系统安装之前），TRB进行了一次重大翻新，包括修复失效的北部桥台、对桥面顶面进行液压拆除、修复腹板疲劳裂纹，以及对可能腐蚀的钢表面进行清洗和喷漆。桥面板的液压拆除修复包括将顶面板拆除至顶部和底部钢筋层之间的高度。用硅粉改性混凝土（SFMC）代替原混凝土层。SFMC的混凝土圆柱体试验显示其抗压强度在6.4ksi（44.1Mpa）和7.4ksi（51.0Mpa）之间。桥梁图纸中注明原始混凝土层的设计抗压强度为3ksi（20.7mpa）。

2.3监测系统设计

结构监测是一种很有效的管理工具，只要监测数据能够用于改善桥梁业主的决策。结构健康监测领域的大多数研究都集中在建立分析框架，该框架可应用于广泛的结构类别，以根据结构振动识别损伤（包括存在、位置、类型和严重程度）。虽然基于振动的SHM方法显示出巨大的潜力，但这项工作提供了一种与桥梁业主的决策过程（如MDOT）更紧密结合的替代监测策略以及一种自顶向下的设计策略，该策略将仪表策略明显地映射到桥梁所有者主要关心的特定桥梁性能问题上。在TRB的情况下，桥梁所有者主要关注销和吊架连接的行为。鉴于密歇根州桁条桥上销钉和吊架连接问题的历史，监控系统特别关注这些连接的性能。对于销和吊架连接，业主在过去的33次目视检查中提出的具体问题包括：1）吊架板是否因腐蚀而锁定；2）吊架板的一般应力状态是什么；3）应力状态，相对于设计寿命阈值，板中的疲劳累积量是多少？根据过去北部桥台结构失效和桥面严重开裂的历史，业主也有兴趣了解这些劣化机制的潜在根源。具体而言，以下问题值得关注：1）桥梁是否经历了限制性热膨胀（例如，翼梁和中跨梁之间的梁端接触）；2）桥面劣化是否与每个跨度中桥面和梁之间的复合作用程度相耦合？

为了开始回答这些问题，TRB监测系统的目标是安装传感器，在很长一段时间内跟踪特定的响应机制，以便建立桥梁的正常（即健康）基线行为。监测系统（及其信息输出）旨在为桥梁所有人提供一种可量化的方法，以识别桥梁何时从其基线健康状态转移到具有损坏潜力的状态。为了提供正常桥梁性能的可靠基线，还必须同时监测桥梁的环境和运行条件（EOC），包括热荷载和车辆荷载。首先，应变计和热敏电阻阵列被设计用来监测两个位置的悬挂板的性能。安装在悬挂板上的应变计的位置可以区分销和悬挂组件中腐蚀产生的轴向应变和弯曲应变。其次，还设计了应变片阵列，在六个位置测量通过桥梁横截面的应变剖面。三个应变计测量钢梁中的纵向应变，一个应变传感器测量加强梁界面处的底部甲板应变。为了量化复合作用的程度，提取了截面的中性轴和钢-混凝土界面上的应变连续性。桥面中的应变传感器和热敏电阻还提供了评估桥面膨胀的方法，以确保梁端不会发生接触，因为接触可能导致桥面开裂、过度摇杆支座位移和桥台墙损坏。

TRB监测系统从2011年9月开始安装，历时9个月，于2012年6月完成；自最初部署以来，对系统进行了一些小的修改。监测系统主要由两部分组成：1）基于Narada无线传感平台的低成本无线传感器网络[51]；2）用于安全存储、管理和自动分析监测数据的网络基础设施框架。在传统的有线监控系统上选择了无线传感器网络，以相对较低的部署成本进行密集的监控系统配置。总的来说，部署在TRB上的监测系统将使用包括39个Narada无线传感器节点收集的总共79个传感信道（118个信道包括电池监测）。现场无线监控系统旨在通过支持互联网的基站将传感器数据推送到密歇根大学托管SenStore数据管理系统的安全服务器上[109，110]。TRB无线监控系统的一个重要特性是，它已经被加固，可在极端冬季气候（冬季低温和冰雪）下长期（不确定）运行，这是密歇根州等北方气候所共有的。

2.3.1监控系统组件

TRB无线监控系统基站，如图2-3a和图23b所示，是监控系统架构的公共通信点。监测系统基站采用运行Linux的PC-104单板机。它通过工作在2.4 GHz上的Chipcon CC2420射频收发器命令所有Narada感应操作开放的工业、科学和医疗（ISM）无线信道。为了提高基站与部署在桥上的Narada节点的通信性能，基站收发器使用Hawking Hi-Gain全向9dBi室外天线，并将其安装在北桥墩的正面（梁线下方）。此外，Sprint 3G Sierra无线250U蜂窝调制解调器通过USB端口连接到PC-104计算机，以提供互联网接入。蜂窝调制解调器有一个安装在基站外壳顶部的外部天线。太阳能通过使用UL Solar 110W 12V多晶太阳能电池板提供基站消耗的所有电力。Sunsaver10L充电控制器用于将太阳能电池板产生的太阳能转换为电能，为动力电池PS-12350NB12V 35Ah密封铅酸蓄电池充电。铅酸电池是为数不多的能在远低于冰点的冬季低温下工作（包括充电）的电池化学物质之一。此外，基站设计中还包括一个12V-5V DC/DC转换器，用来降低太阳能充电系统的电压，供PC-104计算机直接使用。整个系统被密封在一个安装在桥南面面板上的防水柜中。

TRB无线监控系统的组成部分是Narada无线传感器节点。Narada无线传感节点如图2-4a所示，是密歇根大学（University of Michigan）[51]专门为结构监测应用开发的。Narada使用Atmel Atmega128微处理器，工作频率为8MHz，内部闪存容量为128KB，用于存储嵌入式软件。此外，Narada还额外设计了128kb的外部SRAM，以确保节点具有相当大的数据存储空间。无线通信由Chipcon CC2420 IEEE 802.15.4无线电台处理，该无线电台包含在连接到Narada主板的单独子板上。为了确保节点能够在长距离上可靠地通信，无线电板包含一个功率放大器，该功率放大器为节点提供2300英尺（700米）以上的视距通信范围。Narada采用四通道16位德州仪器ADS8341模数转换器（ADC）从任何输出0至5V电压范围的传感器进行高质量数据采集。Narada节点在8mhz工作时，发送时消耗60mA，唤醒但不发送时消耗30ma，睡眠时消耗2ma。在部署到现场之前，Narada节点（a）（b）如图2-4所示。Narada无线传感器节点：（a）关键部件突出显示的标准节点；（b）密封在防水塑料外壳中的完整Narada节点。与可充电密封铅酸电池、电池充电器和与每种传感器类型相关的信号调节电路（如应变计用放大惠斯通电桥电路、抗混叠滤波器）一起放置在塑料防水外壳中，如图2-4b所示。每个Narada外壳由一个UL太阳能供电10W 12V多晶太阳能电池板安装在大桥南北面板上。密封铅酸蓄电池由太阳能电池板使用外壳内的蓄电池充电器连续充电。为了便于将外壳安装在桥钢表面上，四块Kamp;J磁性钕铁硼（42级）稀土磁铁固定在外壳的底面上，提供62.5 lb（0.61 N）的接触力。

监测系统的最后一个组成部分是促进远程数据存储和管理的网络基础设施。尤其是，无线监控系统采用了一个名为SenStore的数据管理系统，该系统由SC Solutions（加利福尼亚州森尼维尔）和密歇根大学（University of Michigan）共同开发。SenStore的一个实例是在密歇根大学的Linux服务器上为TRB创建的。Narada节点将数据传送到现场基站，该基站反过来利用其与互联网的蜂窝连接来安全地将传感器数据传送到SenStore。SenStore通过在同一个数据服务器中组合三种数据存储方法，提供了一个可扩展的数据管理平台：1）用于桥接元数据的关系数据库；2）用于传感器数据的分层数据格式（HDF5）存储库；3）用于存储文件（如图片、检查员报告）的平面文件系统。PostgreSQL关系数据库负责管理桥梁元数据，包括桥梁几何、材料类型、组件定义、传感器位置和传感器类型等。虽然关系数据库非常适合于关系数据，但它不适合存储大量的时程数据。为了提高数据服务器的查询性能，传感器数据存储在链接到关系数据库的HDF5存储库中。数据库包含在使用因特网通信引擎（ICE）技术实现的服务器-客户端模型中。ICE通过灵活的应用程序编程接口（API）提供服务器访问，该接口可以用各种编程语言（包括Python、Java和C）定义。

2.3.2传感模式和配置

安装在TRB上的无线监控系统包括不同数量的传感器，用于跟踪外部荷载的各种桥梁行为。所选择的特定传感器及其安装位置是由上述自上而下的系统设计策略驱动的。图2-5包含部署在TRB上的传感器及其位置。一般来说，监测系统包含三种主要传感器类型：1）用于测量整体振动的加速度计；2）用于测量局部应变响应的应变计；3）用于测量外部热负荷引起的结构温度的热敏电阻。使用39个Narada节点（包括电池监测在内的118个通道）总共收集了79个通道的数据。在本论文中，加速度计仅作为荷载大小的代理测量。在TRB监测系统中，Narada每隔2-4小时采样1分钟的时间历程。加速度计和应变计分别在200hz和100hz采样；热敏电阻响应和电池电压在1hz采样。

桥梁业主的主要管理问题是TRB销和吊架连接的性能和健康。特别是有四个主要问题与销和吊架连接相关。首先是疲劳，意外的极端载荷可能导致悬挂板过早疲劳。其次，腐蚀是另一个可能导致销板连接锁定的问题。如果发生锁定，构件将不再表现为纯轴向构件，并且将由于销周长上的力矩而经历平面内弯曲。第三，腐蚀可能发生在板后面。腐蚀副产物的积聚会对板产生压力，导致板平面外弯曲，并使板脱离销。最后，连接板会腐蚀，导致板横截面损失。为了解

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