TWI754895B

TWI754895B - 無線動態應變之預力混凝土橋梁結構監測系統及監測方法

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Publication number: TWI754895B
Application number: TW109104861A
Authority: TW
Inventors: 林宜清; 童建樺; 李宗翰
Original assignee: 國立中興大學; 財團法人中華顧問工程司
Priority date: 2020-02-15
Filing date: 2020-02-15
Publication date: 2022-02-11
Also published as: TW202132660A

Abstract

本發明係包括無線連結之複數無線動態應變處理部及一警戒判別部。複數無線動態應變處理部分別設於複數橋梁橫跨單元跨度中點底面處；當監測前，警戒判別部之運算部進行一基準測試，使其運算部取得、並以複數即時最大應變量訊號中之最大值為基礎，加上一預定之百分比，其為該複數橋梁橫跨單元警戒值。監測時，運算部即時判斷任一即時最大應變量訊號是否超過相對應之橋梁橫跨單元警戒值，超過則產生一警戒訊號。故，本案兼具可隨時監控橋梁預力損失情況、橋梁結構監測安全可即時異地的預警，配合監視設備可判定通過橋梁之車輛是否超載等優點。

Description

無線動態應變之預力混凝土橋梁結構監測系統及監測方法

本發明係有關一種無線動態應變之預力混凝土橋梁結構監測系統及監測方法，尤指一種可即時感知車載引起之預力混凝土橋梁應變反應，再由應變反應大小研判橋梁結構健康狀態，兼具可隨時監控橋梁預力損失情況、橋梁結構監測安全可即時異地的預警，配合監視設備可判定通過橋梁之車輛是否超載之無線動態應變之預力混凝土橋梁結構監測系統及監測方法。本發明之另一重要特色乃是利用感測器端(亦即該無線動態應變處理部)的邊緣運算，將原本動態量測之龐大資料輸出，大幅減少至只有關鍵數據的輸出，提升整個監測系統之效能。

關於新建與老舊橋梁的結構健康狀態之評估方法，從傳統之目視檢測，發展到非破壞檢測，直至目前，仍屬於較被動的在特定時間點來檢視評估橋梁結構的健康狀態。

目前橋梁養護管理單位乃遵循橋梁檢測規範，執行橋梁之定期檢測或特別檢測，也可依實際需要進行詳細檢測與結構安全評估。但現行的橋梁檢測規範並無法針對預力混凝土橋梁的預力現況與脊背橋的鋼纜力量(外置預力)，提供有效的評估方法，實有必要發展新的監測技術，作為後續此等類型橋梁的安全檢測評估之用。

此外，目前常用的靜態變位監測與應變監測所遭遇之問題簡述如下：

[1]變位監測問題評析：

通常橋梁不是高架橋就是跨河橋，「變位」監測只能將橋墩柱當作基準點，利用每隔一段時間觀測一次(靜態)的方法，來測得橋梁某些特定點與基準點在重力方向之相對變位。但是橋梁的相對變位受季節性的溫度變化所主導如第7圖所示，係為某高架橋中間跨度某一點之歷時相對變位反應。至於每天眾多車輛通過引起之變位幾乎被溫度效應引起之變位所淹沒，如此使原本車輛通過應該可以反映結構劣化(例如地震損傷或是預力損失)造成抗撓能力弱化現象，無法即時呈現出來。故以靜態相對變位當作橋梁結構健康之評估指標，必須藉由觀察橋梁長期溫度變化下之變位走勢來做研判。此種長期變位走勢分析方法，對於橋梁管理單位而言，無法「即時」掌握橋梁的結構健康狀態，進行有效的安全管理。

[2]應變監測問題評析：

相對於變位，應變對外力的反應更為靈敏，故應變監測應可成為結構健康監測更佳之選擇。但傳統採用的靜態應變監測方法，跟橋梁變位一樣，亦受溫度變化影響，因此，應變計量測到之應變算是視應變(apparent strain)，視應變包含溫度變化引起之應變與力學應變。理論上，只要能將溫度引起之應變從視應變中扣除掉，即可得到結構分析所需之力學應變，但是由於目前常用的應變計(電阻式、振弦式與光纖光柵式)都會受到長時間溫度變化影響，所量測到之應變存在漂移(drift)現象，使得訊號分析相當困難，有時甚至無法有效得到合理的力學應變。溫度漂移效應之所以會發生，是因為在無外力作用下，溫度變化與應變變化之間存在非線性關係(如第12圖所示)，亦即，量測到之應變歷經溫度變化過程，即使溫度恢復到原來溫度的時候，量測到之應變並無法回到原應變量測值，經長時間反覆溫度變化，將使所量測到的應變累積偏移現象，即為溫度漂移現象。

此外，傳統之橋梁應變計亦無法判斷車輛是否超載。

有鑑於此，必須研發出可解決上述習用缺點之技術。

本發明之目的，在於提供一種無線動態應變之預力混凝土橋梁結構監測系統及監測方法，其兼具可隨時監控橋梁預力損失情況、橋梁結構監測安全可即時異地的預警，配合監視設備可判定通過橋梁之車輛是否超載等優點。特別是，本發明所欲解決之問題係在於公知變位監測裝置無法「即時」掌握橋梁的結構健康狀態，進行有效的安全管理。以及公知應變監測裝置量測到之應變歷經溫度變化過程，即使溫度恢復到原來溫度的時候，量測到之應變並無法回到原應變量測值，經長時間反覆溫度變化，將使所量測到的應變累積偏移現象。再者，傳統之橋梁應變計無法判斷車輛是否超載等問題。

解決上述問題之技術手段係提供一種無線動態應變之預力混凝土橋梁結構監測系統及監測方法，關於監測系統的部分，其包括：複數無線動態應變處理部，用以監測一橋梁結構，該橋梁結構具有複數個橋梁橫跨單元，該每一橋梁橫跨單元具有一跨度中點底面處；該複數無線動態應變處理部係分別設於該複數橋梁橫跨單元之該跨度中點底面處；該每一無線動態應變處理部係具有一應變計、一處理部及一第一無線網路傳輸模組；該應變計係即時偵測該跨度中點底面處而產生複數個應變量訊號，該處理部係連結該應變計及該第一無線網路傳輸模組，該處理部係以取樣頻率至少為100Hz之速度讀取一工作時間內之複數應變量訊號，並取其最大值，而定義為一即時最大應變量訊號，再透過該第一無線網路傳輸模組傳出，該工作時間至少為10秒；該複數無線動態應變處理部每隔該工作時間，即傳出該複數即時最大應變量訊號，其係分別對應複數橋梁橫跨單元之即時應變狀態；一警戒判別部，係無線連結該複數個無線動態應變處理部，該警戒判別部係具有一第二無線網路傳輸模組及一運算部；該第二無線網路傳輸模組連結該第一無線網路傳輸模組及該運算部，用以接收該複數即時最大應變量訊號；又，該運算部內建複數橋梁橫跨單元警戒值，其分別對應該複數橋梁橫跨單元；該運算部係用以將該每一即時最大應變量訊號，分別與相對應之該橋梁橫跨單元警戒值相比較，作為發送一警戒訊號之依據；至少一基地台，係用以無線連結該複數無線動態應變處理部及該警戒判別部；一網際網路單元，係用以無線連結該基地台及該警戒判別部；至少一行動裝置，係無線連結該網際網路單元，用以行動接收該複數即時最大應變量訊號、該警戒訊號其中至少一者。

關於監測方法的部分，係包括下列步驟：一．準備步驟；二．基準測試步驟；及三．監測步驟。

本發明之上述目的與優點，不難從下述所選用實施例之詳細說明與附圖中，獲得深入瞭解。

茲以下列實施例並配合圖式詳細說明本發明於後：

10:無線動態應變處理部

11:應變計

12:處理部

13:第一無線網路傳輸模組

20:警戒判別部

21:第二無線網路傳輸模組

22:運算部

30:基地台

40:網際網路單元

50:行動裝置

91:橋梁橫跨單元

911:跨度中點底面處

92:車輛

93:監視設備

S1:準備步驟

S2:基準測試步驟

S3:監測步驟

Q6:第6跨

Q7:第7跨

Q8:第8跨

Q9:第9跨

第1圖係本發明之示意圖

第2圖係第1圖之應用例之局部示意圖

第3圖係第1圖之第6跨之動態應變量測之曲線圖

第4圖係第1圖之第7跨之動態應變量測之曲線圖

第5圖係第1圖之第8跨之動態應變量測之曲線圖

第6圖係第1圖之第9跨之動態應變量測之曲線圖

第7圖係某高架橋中間跨度某一點之歷時相對變位反應之曲線圖

第8圖係某一橋梁之其中一跨在某一段時間所讀取到之即時動態應變量訊號之曲線圖

第9圖係本發明之第一、第二與第三工作時間之曲線圖

第10圖係本發明之第四工作時間之曲線圖

第11圖係本發明之方法之流程圖

第12圖係公知溫度變化與應變變化之非線性對應關係之示意圖

參閱第1及第2圖，本發明係為一無線動態應變之預力混凝土橋梁結構監測系統及監測方法，關於監測系統的部分，其包括：

複數無線動態應變處理部10，用以監測一橋梁結構，該橋梁結構具有複數個橋梁橫跨單元91，該每一橋梁橫跨單元91具有一跨度中點底面處911；該複數無線動態應變處理部10係分別設於該複數橋梁橫跨單元91之該跨度中點底面處911；該每一無線動態應變處理部10係具有一應變計11、一處理部12及一第一無線網路傳輸模組13；該應變計11係即時偵測該跨度中點底面處911而產生複數個應變量訊號；該處理部12係連結該應變計11及該第一無線網路傳輸模組13，該處理部12係以取樣頻率至少為100Hz之速度，讀取一工作時間內之複數應變量訊號，並取其最大值，而定義為一即時最大應變量訊號，再透過該第一無線網路傳輸模組13傳出，該工作時間至少為10秒(例如可為1分鐘)；該複數無線動態應變處理部10每隔該工作時間，即傳出該複數即時最大應變量訊號，其係分別對應複數橋梁橫跨單元91之即時應變狀態。

一警戒判別部20，係無線連結該複數個無線動態應變處理部10，該警戒判別部20係具有一第二無線網路傳輸模組21及一運算部22；該第二無線網路傳輸模組21連結該第一無線網路傳輸模組13及該運算部22，用以接收該複數即時最大應變量訊號。又，該運算部22內建複數橋梁橫跨單元警戒值，其分別對應該複數橋梁橫跨單元91。該運算部22係用以將該每一即時最大應變量訊號，分別與相對應之該橋梁橫跨單元警戒值相比較，作為發送一警戒訊號之依據。

至少一基地台30，係用以無線連結該複數無線動態應變處理部10及該警戒判別部20。

一網際網路單元40，係用以無線連結該基地台30及該警戒判別部20。

至少一行動裝置50，係無線連結該網際網路單元40，用以行動接收該複數即時最大應變量訊號、該警戒訊號其中至少一者。

實務上，該警戒判別部20用於對該複數個橋梁橫跨單元91監測前，係預先進行一基準測試，使該運算部22取得、並以該複數即時最大應變量訊號中之最大值為基礎，加上一預定之百分比，其為該複數橋梁橫跨單元警戒值，該複數橋梁橫跨單元警戒值係同一數值。

此外，本發明可再增設一監視設備93，係設於該橋梁結構上，用以監視而輔助判斷在某一時間點時，通過之車輛92之數量(是一輛或是多輛)。以排除剛好在同一時間點，複數之該車輛92同時經過某一該橋梁橫跨單元91之該跨度中點，進而造成相對應之該即時最大應變量訊號，超過相對應之該橋梁橫跨單元警戒值的例外狀況。

關於本發明之監測方法的部分，參閱第11圖，於開始後包括下列步驟：

一．準備步驟S1：預先準備複數無線動態應變處理部10、一警戒判別部20、至少一基地台30、一網際網路單元40及一至少一行動裝置50。該複數無線動態應變處理部10用以監測一橋梁結構，該橋梁結構具有複數個橋梁橫跨單元91，該每一橋梁橫跨單元91具有一跨度中點底面處911；該複數無線動態應變處理部10係分別設於該複數橋梁橫跨單元91之該跨度中點底面處911；該每一無線動態應變處理部10係具有一應變計11、一處理部12及一第一無線網路傳輸模組13；該應變計11係即時偵測該跨度中點底面處911而產生複數個應變量訊號；該處理部12係連結該應變計11及該第一無線網路傳輸模組13，該處理部12係以取樣頻率至少為100Hz之速度，讀取一工作時間內之複數應變量訊號，並取其最大值，而定義為一即時最大應變量訊號，再透過該第一無線網路傳輸模組13傳出，該工作時間至少為10秒(例如可為1分鐘)；該複數無線動態應變處理部10每隔該工作時間，即傳出該複數即時最大應變量訊號，其係分別對應複數橋梁橫跨單元91之即時應變狀態。該警戒判別部20係無線連結該複數個無線動態應變處理部10，該警戒判別部20係具有一第二無線網路傳輸模組21及一運算部22；該第二無線網路傳輸模組21連結該第一無線網路傳輸模組13及該運算部22，用以接收該複數即時最大應變量訊號。又，該運算部22內建複數橋梁橫跨單元警戒值，其分別對應該複數橋梁橫跨單元91。該運算部22係用以將該每一即時最大應變量訊號，分別與相對應之該橋梁橫跨單元警戒值相比較，作為發送一警戒訊號之依據。該至少一基地台30，係用以無線連結該複數無線動態應變處理部10及該警戒判別部20。該網際網路單元40係用以無線連結該基地台30及該警戒判別部20；該至少一行動裝置50，係無線連結該網際網路單元40，用以行動接收該複數即時最大應變量訊號、該警戒訊號其中至少一者。

二．基準測試步驟S2：當監測前，以該複數個橋梁橫跨單元91進行一基準測試，該運算部22係取得、並以該複數即時最大應變量訊號中之最大值為基礎，加上一預定之百分比，作為該複數橋梁橫跨單元警戒值。亦即，該複數橋梁橫跨單元警戒值係同一數值。

三．監測步驟S3：當監測時，該運算部22係即時判斷該任一即時最大應變量訊號是否超過相對應之該橋梁橫跨單元警戒值，若超過，則該運算部22產生該警戒訊號。

當然，該監測方法可再增設一監視設備93，係設於該橋梁結構上，用以監視而輔助判斷在某一時間點時，通過之車輛92之數量(是一輛或是多輛)。以排除剛好在同一時間點，複數之該車輛92同時經過某一該橋梁橫跨單元91之該跨度中點，進而造成相對應之該即時最大應變量訊號，超過相對應之該橋梁橫跨單元警戒值的例外狀況。

本案將應用「無線動態應變」監測技術作為定量且即時的橋梁老、劣化演變監控之用，動態應變量測之優點有：

(1)不受溫度變化影響。

(2)可直接感應各類型車輛通過引起之動態應變。

(3)經由感測器端(亦即該無線動態應變處理部10)的邊緣運算(Edge computing)只輸出關鍵數據。

(4)可使橋梁安全管理值定量化。

(5)可隨時監控橋梁預力損失情況。

依本案現場實測資料案例來說明動態應變在橋梁結構健康監測上之應用，此案例橋梁為台灣中部之某橋梁。該橋梁為預力I型梁(PCI)，有套管與鋼鍵腐蝕情形，經研判應該有明顯的預力損失。本座橋北上線橋梁第7跨於某一日期已更換完成新設計之大梁。

為了初步評估其他大梁之劣化程度，於另一日期，利用動態應變量測技術，在總重25噸之車輛92在定速(25km/h)通過本橋梁的情況下，量測預力梁中點底面(亦即本案之該跨度中點底面處911)最大應變反應，作為評估大梁相對劣化程度之依據(此即為一基準測試)，如第2圖所示。

茲將第3、第4、第5及第6圖之曲線數據之峰值，簡化為下表一，其中列出(參閱第1圖)第6跨(Q6)、第7跨(Q7)、第8跨(Q8)及第9跨(Q9)之數值，其他跨之數值未列出。下表一之最大應變反應越大，就代表其現況預力狀況越差。

由表一可知，其中之第9跨之峰值最大，代表此跨之預力狀況最差，以最差者為基礎，再加上一預定之百分比(例如加10%、20%，或是其他之百分比)，而做為各跨之警戒值(亦即本案之該複數橋梁橫跨單元警戒值。該複數橋梁橫跨單元警戒值係同一數值)。亦即，23.49x1.1=25.84，則複數橋梁橫跨單元警戒值可簡化為下表二，其中只列出第6~9跨部份，他跨之數值未列出。

本案之實際監測之方法如下：

在基準測試後，已得到複數橋梁橫跨單元警戒值；之後進行即時動態監測，以其中的第9跨為例，如第9圖所示，工作時間設為每一分鐘(當然也可增減)，所以在第60秒至第120秒間兩個峰值(在第一時間T1為16.75、在第二時間T2為20.03)，代表兩輛不同重量之車通過，其中之最大的峰值是20.03，所以此工作時間僅上傳20.03。同理，在第120秒至第180秒之間的第三時間T3有一個峰值為13.25，所以下一個工作時間僅上傳13.25，依此類推。故，以第9跨為例，該警戒判別部20收到之該即時最大應變量訊號如第10圖所示，其為即時監測之每分鐘收到之最大應變數據波動趨勢，當在第四時間T4為27.47，超過第9跨之橋梁橫跨單元警戒值25.49，所以將發出一警戒訊號。另外，也可利用觀察連續數月的數據，雖然都沒有達到警戒值，但是數據波動趨勢若看出某一橋跨之即時最大應變量訊號有持續上升之趨勢，則表示該橋跨之結構健康狀態有變差現象，可作為隨時瞭解橋梁預力損失之另一輔助參考指標。

在此要特別說明的部分是，邊緣運算(Edge computing)是一種分散式運算的架構，將應用程式、數據資料與服務的運算，由網路中心節點(雲端伺服器)，移往邊緣節點(感測器端，亦即本案之該無線動態應變處理部10)來處理，其最大優點為減輕網路和伺服器上的負荷。本案亦採用「邊緣運算」之技術。舉例而言，本案之該無線動態應變處理部10每秒擷取100筆資料(當然也可修改成更多)，則一分鐘有6000筆資料，一天則有8640000筆。就傳統之作法而言，單一感測器端一天需由無線網路上傳8640000筆至雲端伺服器後再進行運算處理，故其網路傳輸量、網路傳輸費用與雲端伺服器處理量均相對較大。反觀本案採用「邊緣運算」之技術，一分鐘之6000筆資料中僅取出最大值1筆，所以一天也只有1440筆，與傳統方式相差6000倍，本案能夠大幅節省網路傳輸量、網路傳輸費用與雲端伺服器處理量。當本案採用取樣頻率至少為100Hz之速度，且該工作時間至少為10秒時，其與傳統方式相差至少1000倍，確實具有可大幅節省網路傳輸量、網路傳輸費用與雲端伺服器處理量之效益。

本發明之優點及功效係如下所述：

[1]可隨時監控橋梁預力損失情況。由於本案之複數個無線動態應變感測部，可即時監測每一橋跨之即時最大應變量訊號，亦即可瞭解橋梁預力損失情況。故，可隨時監控橋梁預力損失情況。

[2]橋梁結構監測安全可即時異地的預警。本發明可以將最差一跨之基準加上預定之允許應變量為各跨之橋梁橫跨單元警戒值，一旦任一跨之即時最大應變量訊號超過該橋梁橫跨單元警戒值，將發出一警戒訊。並配合設有行動裝置，可隨時在他處進行異地之動態即時監測；大幅提高橋梁之安全性。故，橋梁結構監測安全可即時異地的預警。

[3]配合監視設備可判定通過橋梁之車輛是否超載。請參閱第8圖，其係某一橋梁之其中一跨在某一段時間內所讀取到之即時動態應變量訊號。其中，可以看出，不同重量之車輛行駛過會產生不同應變量，特別是在大約第76秒時有一較高之峰值。假設此路段之限重是25噸，且之前已預存有25噸測試用車輛通過時所產生之超載值。此時在76秒時之峰值超過此超載值，再搭配橋梁上之監視設備，即可輔助判斷此車輛是單一車輛或是恰好兩車同時通過之例外狀態。故，配合監視設備可判定通過橋梁之車輛是否超載。

以上僅是藉由較佳實施例詳細說明本發明，對於該實施例所做的任何簡單修改與變化，皆不脫離本發明之精神與範圍。