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研究生:黃國亮
研究生(外文):Guo-Liang Huang
論文名稱:橋梁沖刷感測器的研發與測試
論文名稱(外文):Developments and verifications of bridge scouring sensors
指導教授:黃仲偉黃仲偉引用關係
指導教授(外文):Chang-Wei Huang
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:土木工程研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2014
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:135
中文關鍵詞:希爾伯特-黃轉換簧片感測器沖刷深度沖刷監測
外文關鍵詞:HHTfundamental frequencyscour depthScour sensor
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橋梁沖刷為橋梁破壞的主因之一,且對於橋墩與橋台的安全危害甚大。然而橋梁的沖刷因為隱藏於河流水面以下,因此不容易進行監測。近年來以有相當多的沖刷感測器被提出,但往往有其使用上的限制。本文只在開發一套新型橋墩監測儀器,具有可靠、經濟與耐久性且更換方便等優點。其組成是以微機電加速度計搭配簧片安裝於橋墩的不同高度,透過量測所得之加速度計歷時是否超過門檻值以及訊號平均值是否改變可用於監測水位、沖刷深以及流速。此外,本研究同時採用墩內攝影機、加速度計、雷射測距儀等儀器紀錄實驗過程,用以驗證新式簧片感測器的正確性。另一方面,本研究同時利用橋墩頂部加速度計歷時訊號搭配希爾伯特-黃轉換的時頻分析方式,探討橋墩基本振動頻率與沖刷深的間的關係。實驗結果顯示本文所提的簧片感測器可用於判定水位高、水土交界、回淤後高程與偵測傾倒之情形,且橋墩頻率隨沖刷深度增加而逐漸減少。

Bridge scour is the major cause for many bridge failures and damage to piers and abutments. Scour is not easily discernible since it is hidden under the channel flow. Over the years, a number of sensors have been developed for detection of scour depth. Development, testing, and small-scale field implementation of a new and simple type of scour sensor in a flume are described in this study. The proposed sensor uses a MEMS accelerometer and attached to a reed which is fixed on the considered pier. The scour depth detection concept is based on observing the amplitude of acceleration time history whether reached the threshold or not. In addition, the relationship between the fundamental frequency of the pier and the scour depth is also discussed. The fundamental frequency of the pier is obtained from the acceleration time history, acquisition by the accelerometer on the top of the pier, using Hilbert-Huang Transfer (HHT) method. Experiment results demonstrate that the fundamental frequency decreased with increasing the scour depth. Furthermore, the proposed sensor could be used as a water-level indicator, scour depth sensor, and anemometer.

摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
表目錄 VI
圖目錄 VII
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究目的 4
1.3 文獻回顧 5
1.4 本文內容 14
第二章 訊號處理 15
2.1 前言 15
2.2 經驗模態分離 16
2.3 希爾伯特頻譜 ( Hilbert Spectrum ) 21
2.4 總體經驗模態分離 24
2.5 建物反應放大因子 .26
第三章 實驗規劃 29
3.1 前言 29
3.2 儀器簡介 31
3.3 流水實驗 37
3.4 沖刷實驗 38
3.5 回填實驗 41
3.6 傾倒實驗 44
3.7 靜載實驗 46
第四章 實驗結果 51
4.1 前言 51
4.2 流水實驗 52
4.3 沖刷實驗 71
4.4 回填實驗 84
4.5 傾倒實驗 93
4.6 靜載實驗 104
4.7 綜合討論 110
第五章 結論與展望 117
5.1 結論 117
5.2 未來展望 119
參考文獻 121


表1.1 現有各種橋墩局部沖刷監測計之比較(侯鈞哲,2011) 13
表4.1 不同馬達頻率的各簧片感測器門檻值與同簧片感測器中心之水位高
時間差(s) 69
表4.2 不同馬達頻率的各簧片感測器門檻值與同簧片感測器中心之水位高
度差(s) 70
表4.3 不同感測器與不同方法所推估的橋墩傾倒時間(s) 103
表4.4 水平靜載實驗雙線性化後不同深度與初始勁度關係 107
表4.5 不同埋深所對應的水平向極限側向載重與水平向極限位移 107


圖1.1 國道1號中沙大橋P30橋墩基礎裸露情形(李維峰,2007) 2
圖1.2 台13線后豐大橋斷落事件(范文綱,2009) 3
圖1.3 雙園大橋斷橋事件(財團法人中華顧問工程,2009) 3
圖1.4 橋墩周圍局部沖刷之流場示意圖(張忠潔,2002) 6
圖2.1 經驗模態分離之篩選示意圖 17
圖2.2 沖刷實驗中橋墩頂部加速度計歷時資料 19
圖2.3 沖刷實驗中橋墩頂部加速度計歷時資料之固有模態圖 20
圖2.4 沖刷實驗中橋墩頂部加速度計歷時資料之Hilbert-Huang spectrum
部資料 23
圖2.5 沖刷實驗中橋墩頂部加速度計歷時資料之之富利葉頻譜與邊際頻譜
部資料 23
圖2.6 EMD之模態混雜示意(取自Wu and Huang 2005) 24
圖2.7 沖刷實驗中橋墩頂部加速度計歷時資料正規化之希爾伯特-黃頻譜部資料 27
圖3.1 實驗水槽及配置 31
圖3.2 混凝土橋墩 33
圖3.3 橋墩內置攝影機 33
圖3.4 金屬簧片尺寸 33
圖3.5 感測器外殼尺寸 34
圖3.6 簧片感測器 35
圖3.7 壓力計 35
圖3.8 水位計(壓力計加工後) 35
圖3.9 速度計及水平儀 35

圖3.10 微震儀與擴充組 35
圖3.11 三軸加速度計 36
圖3.12 雷射測距儀 36
圖3.13 動靜態資料擷取分析系統與電源供應器 36
圖3.14 雙軸傾斜感測器 36
圖3.15 流速計 37
圖3.16 沖水實驗 38
圖3.17 回填至指定高程 39
圖3.18 天車下架設雷射測距儀所用之鐵架 40
圖3.19 壓克力擋流板(30×60 cm) 40
圖3.20 質量塊進行壓密一小時 41
圖3.21 實驗開始前 41
圖3.22 回填實驗 43
圖3.23 傾倒實驗埋置深度 45
圖3.24 試體傾倒 46
圖3.25靜載實驗相關設備 49
圖3.26 挖砂坑並將試體放置其中 49
圖3.27 水平側向靜載實驗過程圖 50
圖4.1 壓力計校正 52
圖4.2 流水實驗(馬達50Hz,尾水板開度0,穩定水位30.6cm) 53
圖4.3 流水實驗(馬達60Hz,尾水板開度0,穩定水位44.4cm) 54
圖4.4 流水實驗(馬達70Hz,尾水板開度0,穩定水位55.2cm) 55
圖4.5水位上升過程,第二顆簧片感測器(ACC2)為例 56
圖4.6 流水實驗(馬達50 Hz,水位高、ACC1與ACC2) 59
圖4.7 流水實驗(馬達60 Hz,水位高、ACC1與ACC2) 60

圖4.8 流水實驗(馬達70 Hz,水位高、ACC1與ACC2) 61
圖4.9 流水實驗(馬達50 Hz,水位高與ACC3) 62
圖4.10 流水實驗(馬達50 Hz,水位高與ACC4) 63
圖4.11 流水實驗(馬達60 Hz,水位高、ACC3與ACC4) 64
圖4.12 流水實驗(馬達70 Hz,水位高、ACC3與ACC4) 65
圖4.13 流水實驗(馬達60 Hz,水位高與ACC5) 66
圖4.14 流水實驗(馬達70 Hz,水位高與ACC5) 67
圖4.15 流水實驗(馬達50 Hz,簧片感測器門檻值與水位時間關係圖) 68
圖4.16 流水實驗(馬達60 Hz,簧片感測器門檻值與水位時間關係圖) 68
圖4.17 流水實驗(馬達70 Hz,簧片感測器門檻值與水位時間關係圖) 69
圖4.18 沖刷實驗(馬達50 Hz,尾水板開度5400,穩定水位14.4 cm) 73
圖4.19 沖刷實驗(馬達60 Hz,尾水板開度5400,穩定水位17.8 cm) 74
圖4.20 沖刷實驗(馬達50 Hz,ACC4) 75
圖4.21 沖刷實驗(馬達60 Hz,ACC4) 75
圖4.22 沖刷實驗(馬達60 Hz,ACC3) 76
圖4.23 內置攝影機沖刷過程之影像 77
圖4.24 沖刷實驗(馬達50 Hz,洩水後) 78
圖4.25 沖刷實驗(馬達50 Hz)中沖刷深度與時間關係 78
圖4.26 沖刷實驗(馬達60 Hz)中沖刷深度與時間關係 79
圖4.27 沖刷實驗(馬達50 Hz,HHT正規化之頻譜圖0~2000 s) 80
圖4.28 沖刷實驗(馬達50 Hz,HHT之邊際頻譜圖0~2000 s) 80
圖4.29 沖刷實驗(馬達50 Hz,HHT正規化之頻譜圖10000~12000 s) 81
圖4.30 沖刷實驗(馬達50 Hz,HHT之邊際頻譜圖10000~12000 s) 81
圖4.31 沖刷實驗(馬達60 Hz,HHT正規化之頻譜圖0~2000 s) 82
圖4.32 沖刷實驗(馬達60 Hz,HHT之邊際頻譜圖0~2000 s) 82
圖4.33 沖刷實驗(馬達60 Hz,HHT正規化之頻譜圖10000~12000 s) 83
圖4.34 沖刷實驗(馬達60 Hz,HHT之邊際頻譜圖10000~12000 s) 83
圖4.35 回填實驗(馬達70 Hz,尾水板開度6729,穩定水位19.2 cm) 86
圖4.36 回填實驗(馬達70 Hz,ACC4) 87
圖4.37 回填實驗(馬達70 Hz,ACC3) 87
圖4.38 回填實驗(馬達70 Hz,ACC3回填期間) 88
圖4.39 回填實驗(馬達70 Hz)中沖刷深度與時間關係 88
圖4.40 回填實驗(馬達70 Hz,HHT正規化之頻譜圖0~2000 s) 90
圖4.41 回填實驗(馬達70 Hz,HHT之邊際頻譜圖0~2000 s) 90
圖4.42 回填實驗(馬達70 Hz,HHT正規化之頻譜圖6500~8500 s) 91
圖4.43 回填實驗(馬達70 Hz,HHT之邊際頻譜圖6500~8500 s) 91
圖4.44 回填實驗(馬達70 Hz,HHT正規化之頻譜圖12000~14000 s) 92
圖4.45 回填實驗(馬達70 Hz,HHT之邊際頻譜圖12000~14000 s) 92
圖4.46 傾倒實驗(馬達60 Hz,埋置深度10 cm) 95
圖4.47 傾倒實驗(馬達70 Hz,埋置深度10 cm) 96
圖4.48 傾倒實驗(馬達60 Hz,埋置深度15 cm) 97
圖4.49 傾倒實驗(馬達70 Hz,埋置深度15 cm) 98
圖4.50 傾倒時間(馬達60 Hz,埋置深度10 cm) 99
圖4.51 傾倒時間(馬達70 Hz,埋置深度10 cm) 99
圖4.52傾倒時間(馬達60 Hz,埋置深度15 cm) 100
圖4.53 傾倒時間(馬達70 Hz,埋置深度15 cm) 100
圖4.54 傾倒實驗(馬達60 Hz,埋置深度10 cm,HHT正規化之頻譜圖)
部資料 101
圖4.55 傾倒實驗(馬達70 Hz,埋置深度10 cm,HHT正規化之頻譜圖)
部資料 101
圖4.56 傾倒實驗(馬達60 Hz,埋置深度15 cm,HHT正規化之頻譜圖)
部資料 102
圖4.57 傾倒實驗(馬達70 Hz,埋置深度15 cm,HHT正規化之頻譜圖)
部資料 102
圖4.58 橋墩試體不同埋設深度的載荷位移關係 105
圖4.59 橋墩試體不同埋設深度的載荷位移關係(局部放大) 105
圖4.60 靜載實驗雙線性化 106
圖4.61 靜載實驗雙線性化(局部放大) 106
圖4.62 水平靜載實驗初始勁度與土壤埋深之關係 107
圖4.63 雷射測距儀量測範圍(斜線處8×3 cm) 108
圖4.64 不同埋設深度與極限載荷關係 108
圖4.65 不同埋設深度與極限位移關係 109
圖4.66 垂直向載荷與位移關係 109
圖4.67 加速度計X向之HHT正規化之頻譜圖 110
圖4.68 加速度計Y向之HHT正規化之頻譜圖 111
圖4.69 速度計X向之HHT正規化之頻譜圖 111
圖4.70 速度計Y向之HHT正規化之頻譜圖 112
圖4.71 第三顆簧片感測器之HHT正規化之頻譜圖(流速14.51 cm/s) 113
圖4.72 第三顆簧片感測器之HHT邊際頻譜圖(流速14.51 cm/s) 114
圖4.73 第三顆簧片感測器之HHT正規化之頻譜圖(流速46.03 cm/s) 114
圖4.74 第三顆簧片感測器之HHT邊際頻譜圖(流速46.03 cm/s) 115
圖4.75 簧片感測器加速度值與流速關係 115
圖4.76 簧片感測器加速度值與流速關係(帶狀) 116
圖4.77 埋置深度與主頻關係 116


Bergmeister, K. and Santa, U., (2001), “Global monitoring concepts for bridges,” Structural Concrete, 2(1), pp. 29-39.
Ciang, C. C., Lee, J. R., and Bang, H. J., (2008), “Structural health monitoring for a wind turbine system: a review of damage detection methods,” Measurement Science and Technology, 19(12), pp. 1-20.
Farrar, C. R. and Worden, K., (2007), “An introduction to structural health monitoring,” Philosophical Transactions of the Royal Society A, 365 (1851), pp 303-315.
Huang, N. E., Shen, Z., Long, S. R., Wu, M. C., Shih, H. H., Zheng, Q., Yen, N. C., Tung, C. C., and Liu, H. H., (1998), “The empirical mode decomposition and the Hilbert spectrum for nonlinear and non-stationary time series analysis,” Proceedings of the Royal Society of London A, 454, pp. 903-995.
Huang, N. E., Shen, Z., Long, S. R., (1999), “A new view of nonlinear water waves: the Hilbert spectrum,” Annual Review of Fluid Mechanics, 31, pp. 417-457.
Huang, N. E., Wu, M. C., Long, S. R., Shen, S. S. P., Qu, W., Gloersem P., Fan, K. L., (2003), “A confidence limit for the empirical mode decomposition and Hilbert spectral analysis,” Proceedings of the Royal Society of London A, 459(2307), pp. 2317-2345.
Ko, J. M. and Ni, Y. Q., (2005), “Technology developments in structural health monitoring of large-scale bridges,” Engineering Structures, 27(12), pp. 1715-1725.
Kulcu, E., Qin, X., Barrish, Jr. R. A., and Aktan, A. M., (2000), “Information technology and data management issue for healthmonitoring of the Commodore Barry bridge,” Proc. SPIE 3995, Nondestructive Evaluation of Highways, Utilities, and Pipelines IV, pp. 98-111.
Lin, Yung-Bin, Chang, Kuo-Chun, (2005), “Real-time monitoring of local scour by usingfiber Bragg grating sensors,”Smart Materials and Structures, Institute of Physics Publishing, Nov. 14, Washington DC.
Lagasse, P.F., Richardson, E.V., Schall, J.D., and Price, G.R., (1997), “Instrumentation for measuring scour at bridge piers and abutments,” NCHRP Report 396, Washington DC, U.S.A (1997).
Lynch, J. P., (2007), “An overview of wireless structural health monitoring for civil structures,” Philosophical Transactions of the Royal Society A, 365 (1851), pp 345-372.
Prendergast, L. J., and Gavin, K., (2014), “A review of bridge scour monitoring techniques,” Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 6(2), pp 138-149.
Schall, J.D., Price, G.R., Fisher, G.A., Lagasse, P.F., and Richardson, E.V., (1997a), “Sonar scour monitor – installation, operation, and fabrication manual,” NCHRP Report 397A, Washington DC, U.S.A.
Schall, J.D., Price, G.R., Fisher, G.A., Lagasse, P.F., and Richardson, E.V., (1997b), “Magnetic sliding collar scour monitor - installation, operation, and fabrication manual,” NCHRP Report 397B, Washington DC, U.S.A.
Schall, James D., Price, G.R. , (2004), “Portable Scour Monitoring Equipment,” NCHRP Report 515, Washington DC.
Staszewski, W. J. and Robertson, A. N., (2007), “Time-frequency and time-scale analyses for structural health monitoring,” Philosophical Transactions of the Royal Society A, 365(1851), pp 449-477.
Su, S. C., Wen, K. L., and Huang, N. E., (2014), “A new dynamic building health monitoring method based on the Hilbert-Huang transform,” Terrestrial, Atmospheric and Oceanic Sciences, 25(3), pp. 289-318.
Wu, Z. and Huang, N. E., (2005), "Ensemble empirical mode decomposition: A noise assisted data analysis method," Center for Ocean-Land-Atmosphere Studies, Technical Report series, pp. 1-51.
Wu, Z. and Huang, N. E. (2009), "Ensemble empirical mode decomposition: A noise assisted data analysis method," Advances in Adaptive Data Analysis, 1(1), pp. 1-49.
Wu, Z., Huang, N. E., and Chen, X., (2009), "The multi-dimensional ensemble empirical mode decomposition method," Advances in Adaptive Data Analysis, 1(3), pp. 339-372.
Yu, Bill X., Yu Xinbao, (2007), “Real-Time Bridge Scour Monitoring: Recent Technological Development,”Ohio Transportation Engineering Conference, OH.
王顥霖,2011,橋梁健康診斷量測技術之研究,國立中央大學土木工程學研究所博士論文。
台灣營建研究院,2004,高速公路橋梁延壽評估及案例分析,交通部台灣區國道高速公路局。
李昊翰,2014,「墩前淤積對橋墩穩定性影響之研究」,中原大學土木工程學系碩士論文。
李維峰,2007,「鐵路橋梁過河沖刷斷橋墩與基礎結構系統檢測技術之研究」,交通部高速鐵路工程局研究報告。
林其穎,2011,橋梁沖刷監測預警系統建置之試驗研究,國立台灣大學土木工程學系碩士論文。
林呈等,2007,「橋基沖刷災害與相關之維護管理(2)-橋梁沖刷監測預警系統及其功能評析」,交通部公路總局研究報告。
范文綱,2009,「橋梁基礎局部沖刷監測與安全預警系統」,國立中央大學土木工程學系碩士論文。
洪曉慧、陳筱安、黃仲偉,2012,河川橋梁之洪水下穩定性能研究(II),財團法人國家實驗研究院,國家地震工程研究中心,報告編號NCREE-12-023。
侯鈞哲,2011,「重力式壓電片沖刷監測預警系統」,國立中央大學土木工程學系碩士論文。
財團法人中華顧問工程司,2009,「2009 莫拉克颱風八八水災橋梁勘災紀實」,科技圖書。
張忠潔,2002,跌水沖刷與橋墩沖刷互動關係試驗之研究,國立成功大學水利及海洋工程碩士論文。
張國鎮、羅俊雄、林詠彬、鍾昇財,2003,「橋梁監測技術手冊」,交通部公路總局研究報告,第5-1~5-19 頁。
張國鎮、羅俊雄,2003,「光纖與光柵用於橋梁監測之研究」,交通部公路總局研究報告,第3-20~3-32 頁。
陳振川、蔡益超、張國鎮,2006,「橋梁監測預警系統及沖刷保護措施及補強等策略之研究」,交通部公路總局研究報告,第7-3~7-5 頁。
陳俊仲,2011,「高科技橋梁沖刷監測系統開發與技術整合應用研究」,國立台灣大學土木工程學系博士論文。
蔡鎮安,2012,以結構振動訊號診斷橋梁受沖刷之安全性研究,國立台灣大學土木工程學研究所碩士論文。

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