基于智能铁磁性标签石块的桥梁冲刷监测

重大桥梁结构的冲刷具有隐蔽性高、影响因素多、随机性强、破坏后修复难度大等特征，目前还没有可靠的桥梁在线冲刷监测手段。本项目本项目提出了基于智能磁性石块的桥墩冲刷监测方法。研究基于智能磁性石块的桥墩冲刷位移场监测方法，分析智能磁性石块的动态冲刷监测机理，对于冲刷导致的桥墩结构体系的安全水平降低给出计算公式，并分析桩墩刚度比、桥墩高度、承台质量和滑动橡胶支座等对桥墩结构体系稳定的影响。主要研究内容和研究成果包括：（1） 基于智能磁性石块的桥墩冲刷监测系统由磁性智能石块和磁力梯度仪构成，智能磁性石块可由电磁铁或钕铁硼永磁铁构造。考虑智能石块的磁矩、全张量磁力梯度仪的精度和地球磁场的情况下，分析了冲刷位移监测系统的有效监测距离。（2） 分别采用基于LM-遗传算法的磁场梯度定位和基于磁场梯度缩并定位的算法实现智能磁性石块的冲刷位移场监测。在实际桥梁工程的冲刷监测中，考虑到磁力梯度仪的实测误差，变形监测的精度可通过增大智能石块的磁矩、改变全张量磁力梯度仪的位置进行调整。（3） 智能磁性石块的动态冲刷监测机理研究。对于桥墩局部冲刷防护的石块起动，在已有研究基础上以圆柱形桥墩为例分析了桥墩局部的流速，通过赫兹接触理论分析给出了智能石块兼具监测和防护性能时的直径与行近流速的关系。在简化冲刷坑和冲刷坑内流场的基础上，分析了冲刷坑中智能石块的受力和不同运动模式，得到了智能石块可动态监测冲刷坑深度时的直径与行近水流的关系。（4） 对于桥墩结构体系的冲刷问题，采用桥墩-群桩的等效结构体系简化分析土-桩-桥墩结构的相互作用，并考虑了上部桥面结构的滑动橡胶支座和承台质量对结构体系的屈曲性能的影响。桩墩刚度比、桥墩长度和橡胶支座等对群桩-桥墩结构体系的稳定有较重要的影响。在实际工程中，可优化桥墩和群桩的刚度比、长度比，使得结构体系拥有合理的刚度分布，从而在冲刷作用下可在一定程度上减缓桥墩-群桩结构体系的屈曲性能的降低。（5） 智能磁性石块不需要布线，不受雨水、泥石流、撞击等环境影响，也不需要维护，可广泛用于桥墩冲刷监测、岩土工程的变形监测等领域。本文中提出的基于智能石块的桥墩局部冲刷监测方法，其中智能石块可扩展到射频识别定位技术、ZigBee等诸多穿透水、岩土的非接触式三维定位技术。 2100433B

重大桥梁结构的冲刷往往发生在大规模的洪水期间，具有隐蔽性高、影响因素多、随机性强、破坏后修复难度大等特征，目前还没有可靠的桥梁在线冲刷监测手段。本项目提出基于智能铁磁性标签石块的冲刷监测方法，针对桥梁冲刷环境、传感器长期服役以及目前磁法探测技术的磁异常测试精度等问题，考虑成本因素，研究开发智能铁磁性标签石块的封装技术，发展智能石块定位的磁法探测技术；研究智能石块的水动力学特征，通过智能石块的位置变化反演桥梁冲刷状态。在此基础上，选取有代表性的桥梁结构，研究桥梁冲刷的智能石块布设方法，研究基于监测信息的桥梁冲刷演化规律，发展桥梁冲刷的快速评定与抛石防护方法与技术。.通过上述研究，发展一套基于智能石块的桥梁冲刷监测技术，揭示桥梁长期冲刷演化规律，为桥梁冲刷难题提供一套监测和防护一体化安全保障技术。

本标准规定了基于物联网的桥梁安全数字化监测规范的总体设计、平台要求、数据库要求、传输及接口要求、监测要求、系统集成与运维等技术要求。

我国桥梁结构正面临复杂服役环境和多灾害荷载共同作用所导致的损伤加速演化的进程，应该 治结构之未病、防患于未然。本课题试图将桥梁健康监测和结构多尺度损伤预后结合起来，研究桥梁结构多尺度损伤预后过程中环境因素和结构参数的不确定性描述，研究桥梁结构多尺度损伤模拟、损伤模型修正及模型确认方法，建立基于模型的桥梁结构多尺度损伤预后方法；进一步地，研究基于小波神经网络技术的数据驱动损伤预后方法，建立联合基于模型和数据驱动的桥梁结构多尺度损伤预后综合方法；以独塔斜拉桥模型的地震模拟振动台试验和实桥健康监测系统验证平台，来验证上述多尺度损伤预后方法的有效性和可靠性。本课题研究成果可用于预测预报桥梁结构的安全可靠性和潜在损伤的危害，指导桥梁预防性养护决策，对桥梁健康监测和安全评估具有重要的理论意义和实用价值。