健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計09.3.24

1、天津市海河大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)初步設(shè)計方案天津市市政工程研究院2009年3月天津市海河大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)初步設(shè)計方案 天津市市政工程研究院天津市海河大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)初步設(shè)計方案第9頁共9頁1 橋梁健康監(jiān)測的必要性由于氣候、環(huán)境等自然因素的作用和日益增加的交通流量及重車、超重車過橋數(shù)量的不斷增加，大跨度橋梁結(jié)構(gòu)隨著橋齡的不斷增長，結(jié)構(gòu)的安全性和使用性能必然發(fā)生退化。自1940年美國Tacoma懸索橋發(fā)生風(fēng)毀事故以后，橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的重要性就引起人們的注意。但是受科技水平的限制和人們對自然認(rèn)識的局限性，早期的監(jiān)測手段比較落后，在工程應(yīng)用上一直沒有得到很好的發(fā)展。20世紀(jì)80年代以來，在北美

2、、歐洲和亞洲的一些國家和地區(qū)，相繼發(fā)生了橋梁結(jié)構(gòu)的突然性斷裂事件，這些災(zāi)難性事故不僅引起了公眾輿論的嚴(yán)重關(guān)注，也造成國家財產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失，威脅到人民生命安全。國外從20世紀(jì)80年代中后期開始建立各種規(guī)模的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。例如，英國在總長522m米的三跨變高度連續(xù)鋼箱梁橋Foyle橋上布設(shè)傳感器，監(jiān)測大橋運(yùn)營階段在車輛與風(fēng)荷載作用下主梁的振動、撓度和應(yīng)變等響應(yīng)，同時監(jiān)測環(huán)境風(fēng)和結(jié)構(gòu)溫度場。國外建立健康監(jiān)測的典型橋梁還有英國主跨194m米的Flintshire獨(dú)塔斜拉橋、日本主跨為1991m米的明石海峽大橋和主跨1100m的南備贊瀨戶大橋、丹麥主跨1624m的Great Belt East懸索橋、

3、挪威主跨為530m的Skarnsunder斜拉橋、美國主跨為440m的Sunshine Skyway Bridge斜拉橋以及加拿大的Confederatio Bridge橋。中國自20世紀(jì)90年代起也在一些大型重要橋梁上建立了不同規(guī)模的長期監(jiān)測系統(tǒng)，如香港的Lantau Fixed Crossing和青馬大橋、內(nèi)地的虎門大橋、徐浦大橋，江陰長江大橋等在施工階段已安裝健康監(jiān)測用的傳感設(shè)備，以備運(yùn)營期間的實時監(jiān)測。導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞和功能退化的原因是多方面的，有些橋梁的破壞是人為因素造成的，但大多數(shù)橋梁的破壞和功能退化是自然因素造成的。自然原因中，循環(huán)荷載作用下的裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展是造成許多橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)

4、生災(zāi)難性事故的主要原因。近年來，國內(nèi)發(fā)生的幾起大橋坍塌或局部破壞事故在很大程度上是由于構(gòu)件疲勞和監(jiān)測養(yǎng)護(hù)措施不足，從而嚴(yán)重影響構(gòu)件的承重能力和結(jié)構(gòu)的使用，進(jìn)而發(fā)生事故。理論研究和經(jīng)驗都表明，成橋后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)識別和橋梁運(yùn)營過程中的損傷檢測，預(yù)警及適時維修，有助于從根本上消除隱患及避免災(zāi)難性事故的發(fā)生。現(xiàn)代大跨橋梁設(shè)計方向是更長、更輕柔化、結(jié)構(gòu)形式和功能日趨復(fù)雜化。雖然在設(shè)計階段已經(jīng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)性能模擬試驗等科研工作，然而由于大型橋梁的力學(xué)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及所處的特定氣候環(huán)境，要在設(shè)計階段完全掌握和預(yù)測結(jié)構(gòu)在各種復(fù)雜環(huán)境和運(yùn)營條件下的結(jié)構(gòu)特性和行為是非常困難的。為確保橋梁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)安全、實施經(jīng)濟(jì)合理的維

5、修計劃、實現(xiàn)安全經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行及查明不可接受的響應(yīng)原因，建立大跨橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是非常必要的。通過健康監(jiān)測發(fā)現(xiàn)橋梁早期的病害，能大大節(jié)約橋梁的維修費(fèi)用，避免出現(xiàn)因頻繁大修而關(guān)閉交通所引起的重大經(jīng)濟(jì)損失。橋梁健康監(jiān)測就是通過對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損檢測，實時監(jiān)控結(jié)構(gòu)的整體行為，對結(jié)構(gòu)的損傷位置和程度進(jìn)行診斷，對橋梁的服役情況、可靠性、耐久性和承載能力進(jìn)行智能評估，為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁運(yùn)營狀況嚴(yán)重異常時觸發(fā)預(yù)警信號，為橋梁的維修、養(yǎng)護(hù)與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。安裝結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是提高橋梁的養(yǎng)護(hù)管理水平，保證橋梁安全運(yùn)營的高效技術(shù)手段。特別值得一提的是，橋梁的健康監(jiān)測和施工監(jiān)控系統(tǒng)均是通過

6、檢測和監(jiān)測手段，測試橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形、環(huán)境和荷載，因此，它們在傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都具有很大的共享性和重復(fù)性。此外，兩個階段在時間順序上具有銜接性，施工監(jiān)控階段的監(jiān)測數(shù)據(jù)是健康監(jiān)測階段的基礎(chǔ)。為了節(jié)約資源、降低工程造價，應(yīng)充分發(fā)揮兩個系統(tǒng)的共享性，對上述兩個系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃和實施，即采取統(tǒng)一設(shè)計、統(tǒng)一施工和統(tǒng)一管理的方式，以實現(xiàn)海河大橋的健康監(jiān)測和施工監(jiān)控兩位一體的工程實施。2 海河大橋工程概況集疏港公路二期中段工程起點(diǎn)于津沽一線立交以北，向北過津沽公路、海河大橋南側(cè)收費(fèi)站，與現(xiàn)狀海河大橋相鄰向北跨越海河后沿現(xiàn)狀臨港路、東海路向北分別跨越進(jìn)港鐵路一線，新港二號路，三號路，

7、進(jìn)港鐵路二線，新港四號路，泰達(dá)大街，會展中心入口，第五大街，第八大街，第九大街，豐田七號路，與疏港二線立交相接。該段樁號范圍K9+342.802K20+419.245，路線全長11.076公里，除起點(diǎn)引路約500米和海河大橋南側(cè)收費(fèi)站前后各約300米為道路外，其余將近9.8公里均為高架橋。從南向北依次有津沽公路支線上跨分離式立交一座，海河特大橋一座，臨港立交、泰達(dá)大街立交、第九大街立交互通式立交三座，其他與現(xiàn)狀及規(guī)劃道路交叉位置為直線上跨。海河特大橋工程為海濱大道工程的一部分，設(shè)計速度V80km/h，雙向八車道。本橋位于海河入海口處，新港船閘和防潮閘內(nèi)側(cè)，現(xiàn)狀建有雙向四車道特大橋一座，橋?qū)?3

8、米，橋梁起點(diǎn)位于海河南岸現(xiàn)狀海河大橋收費(fèi)站處，終點(diǎn)止于新港二號路，與城區(qū)段高架橋相接，橋梁全長2030米，其中跨越海河主橋采用獨(dú)塔斜拉橋，利用河中島嶼布置主塔，主跨為310米，具體跨徑布置為46+3×48+310米，主橋全長500米。兩側(cè)引橋為預(yù)應(yīng)力T梁。新建斜拉橋結(jié)構(gòu)采用與原橋基本相同、主塔與原橋塔對稱布置的單塔斜拉橋，具體跨徑布置為310+2×50+2×40米。該方案在結(jié)構(gòu)上與現(xiàn)狀斜拉橋基本統(tǒng)一，主橋立面圖如圖1所示。圖1 海河大橋立面圖本橋主梁采用混合梁結(jié)構(gòu)，即主跨310米大部分采用鋼梁，全部邊跨以及主跨靠近主塔20.8米長度范圍內(nèi)梁段采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁結(jié)構(gòu)

9、，梁高均為3米，如圖2、圖3所示。鋼箱梁采用單箱閉口斷面形式，梁高3.0米，高跨比為1/103，高寬比為1/7.3。主梁每16米為一段，在索錨點(diǎn)處設(shè)置主橫梁，其他位置每隔3.2米設(shè)置普通橫梁。預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，普通段采用與鋼梁外形一致的單箱閉口斷面形式。梁高3.0米，橫梁間距為4.0米。鋼梁與預(yù)應(yīng)力混凝土梁連接形式，根據(jù)混合梁斜拉橋的受力特點(diǎn)，結(jié)合部位置選擇310米主跨內(nèi)距塔中心15m處，結(jié)合部的作用是平順地將工作應(yīng)力從鋼主梁傳遞到PC梁，本橋利用充填混凝土局部連接方案，即將鋼箱梁的端部改為多室結(jié)構(gòu)填入無收縮的混凝土。為使應(yīng)力有效均勻擴(kuò)散，在鋼室內(nèi)設(shè)置剪力銷，對接合部內(nèi)填充混凝土并施加預(yù)應(yīng)力，

10、以確保鋼箱梁與預(yù)應(yīng)力混凝土梁連成整體。主塔造型與原橋一致，為“鉆石”型。直接坐落在承臺頂面上，塔座以上全高為163.3米，橋面以上為126.9米，見圖4所示。塔身采用矩形空心截面，RC結(jié)構(gòu)，有上下兩道預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁，上橫梁位于拉索錨固區(qū)之下，梁高5米；下橫梁位于主梁之下，高度6米。橋塔主要構(gòu)造與尺寸如下:塔柱順橋向?qū)?8米；橫橋向?qū)?下塔柱為4.57.0米，上塔柱為3.04.5米。橫斷面為箱型斷面，壁厚60150cm不等，箱壁配置橫向預(yù)應(yīng)力鋼束。橋塔采用爬模施工，塔柱內(nèi)配置型鋼焊接而成的勁性骨架。本橋總體上采用塔墩固結(jié)、塔梁分離，主梁在橋塔處設(shè)置0號索的全漂浮體系。在橋塔橫梁和主梁之間設(shè)置縱

11、向阻尼裝置和抗震拉索，限制主梁縱向位移，在塔柱和主梁之間設(shè)置限位支座來限制主梁在主塔處的橫向位移。主梁分別在兩端邊墩和輔助墩設(shè)置支座，形成多跨連續(xù)梁體系。斜拉索采用空間扇形布置,索面在主塔上索距為1.52.5米，在主梁上主跨范圍內(nèi)的索距為16m,邊跨范圍內(nèi)設(shè)8m10m的索距。全橋共有37對、合計74根斜拉索。斜拉索采用直徑7mm的低松弛高強(qiáng)平行鍍鋅鋼絲成品束,標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1670PMa。外層防護(hù)采用熱擠雙層高密度PE防護(hù)套,斜拉索兩端采用冷鑄鐓頭錨具,斜拉索采用上端張拉、下端固定方式。圖2 混凝土主梁橫截面圖圖3 鋼主梁橫截面圖圖4 塔柱立面及剖面圖3 系統(tǒng)設(shè)計原則與功能目標(biāo)3.1 系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)

12、(1) "關(guān)于市政公路大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)和管理工作的批復(fù)"，天津市建設(shè)管理委員會 建城2007934號(2) “關(guān)于轉(zhuǎn)發(fā)市建委關(guān)于市政公路大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)和管理工作的批復(fù)的通知”，天津市市政公路管理局，管2007459號(3) 天津市橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)指南，天津市市政公路管理局，2007.9(4) 天津市橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)與管理辦法，天津市市政公路管理局，2007.9(5) 天津市海河大橋設(shè)計圖紙 天津市市政設(shè)計研究院(6) 公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范JTG D60-2004(7) 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范JTG D62-2004(8) 公路斜拉

13、橋設(shè)計規(guī)范（試行）JTJ 027-96(9) 工程測量規(guī)范GB 50026 - 93(10) 工程振動測量儀器和測試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中國計量出版社，1999(11) 電氣裝置安裝工程電纜路施工及驗收規(guī)范 GB50168-1992(12) 建筑與建筑群綜合布線系統(tǒng)工程設(shè)計及驗收規(guī)范 GB/T50311-12(13) 建筑電氣安裝工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn) GBJ 303-883.2 系統(tǒng)設(shè)計原則海河大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)工程設(shè)計原則是：(1) 結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工和運(yùn)營的具體特點(diǎn)和實際情況，遵循適用、經(jīng)濟(jì)、長期、高效的原則進(jìn)行健康監(jiān)測集成共享系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。(2) 采用技術(shù)成熟、性價比高的配套產(chǎn)品，保證系統(tǒng)的精

14、確性、穩(wěn)定性；設(shè)置適度冗余的傳感器及相關(guān)設(shè)備，保證系統(tǒng)的可靠性，并滿足系統(tǒng)改進(jìn)、擴(kuò)展和完善的需求。(3) 采用開放式設(shè)計，保證系統(tǒng)具有良好的升級性、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享性及人工錄入功能；(4) 采用實時監(jiān)測和人工巡檢相結(jié)合的辦法，減少數(shù)據(jù)采集量和后處理難度。(5) 設(shè)計合理、直觀、易用的前后處理模塊，以便有效處理、分析和管理采集的數(shù)據(jù)。(6) 組織專業(yè)化的監(jiān)測、試驗隊伍，貫徹質(zhì)量方針和目標(biāo)，精心組織，科學(xué)實施，嚴(yán)格質(zhì)量控制，確保工程質(zhì)量和施工安全。3.3 功能目標(biāo)橋梁運(yùn)營階段健康監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測大橋的環(huán)境，荷載，主梁的應(yīng)力、變形及振動，斜拉索的索力、橋塔應(yīng)力、變形及振動，對橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)改變及損傷

15、進(jìn)行評估，以保障橋梁在運(yùn)營過程的安全，也可以在結(jié)構(gòu)遭受突發(fā)性荷載、嚴(yán)重超載、損傷，危及結(jié)構(gòu)安全性時及時報警。健康監(jiān)測系統(tǒng)可以較全面系統(tǒng)地把握結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，據(jù)此對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行及時和恰當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)與維修，從而盡量延長結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營的時間，降低橋梁的壽命成本。3.4 修改內(nèi)容 2008年10月23日海濱大道公司組織相關(guān)專家對海河大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)初步設(shè)計方案進(jìn)行評審，根據(jù)專家提出的關(guān)于原方案索力監(jiān)測、線形監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、動力特性監(jiān)測等11個方面的意見和建議，對原設(shè)計方案進(jìn)行修改，編制此文件。4 健康監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計4.1 傳感器子系統(tǒng)根據(jù)海河大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，需要對該橋的以下部位及內(nèi)容進(jìn)行監(jiān)控：(1) 環(huán)境

16、(風(fēng)、濕度、溫度) (2) 交通狀況(3) 結(jié)構(gòu)變形（主塔塔頂變位和主梁撓度、梁端位移）(4) 主梁和橋塔應(yīng)力(5) 斜拉索索力(6) 結(jié)構(gòu)動力特性（主梁、主塔振動）為達(dá)到以上監(jiān)測目的，同時需要結(jié)合環(huán)境的變化情況進(jìn)行分析數(shù)據(jù)。傳感器子系統(tǒng)是由對環(huán)境參數(shù)、應(yīng)力應(yīng)變、結(jié)構(gòu)溫度、主梁撓度和主塔變位、結(jié)構(gòu)動力特性等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測的傳感器組成的模塊。各種傳感器完成監(jiān)測參數(shù)的直接采集任務(wù)，根據(jù)監(jiān)測參數(shù)的不同形成不同的光或電信號供數(shù)據(jù)采集模塊分析處理。傳感器子系統(tǒng)按照監(jiān)測對象不同，劃分為6個子模塊，見表1，測點(diǎn)布置見附圖J-1。表1 傳感器子系統(tǒng)劃分子模塊監(jiān)測對象1環(huán)境監(jiān)測子模塊溫度、濕度、風(fēng)速等2視頻子模塊

17、橋面交通狀況3變形監(jiān)測子模塊橋塔變位、主梁線形4應(yīng)變(應(yīng)力)監(jiān)測子模塊關(guān)鍵截面應(yīng)變(力)及其變化5斜拉索索力監(jiān)測子模塊斜拉索索力及其變化6結(jié)構(gòu)動力特性監(jiān)測子模塊主梁和塔振動4.1.1 環(huán)境監(jiān)測由于橋位處環(huán)境與氣象站差異較大，且橋址位于臨海地區(qū)，受海洋氣候影響，因此應(yīng)在橋位處安裝環(huán)境監(jiān)測設(shè)備。環(huán)境監(jiān)測的主要目的和作用是：通過環(huán)境監(jiān)測選擇合適的監(jiān)測時機(jī)；通過環(huán)境監(jiān)測激活危險狀態(tài)數(shù)據(jù)采集；通過風(fēng)荷載監(jiān)測，把握該橋址處的風(fēng)荷載真實狀況；利用溫度監(jiān)測結(jié)果修正監(jiān)測的應(yīng)力和橋梁的動力特性；通過濕度和溫度監(jiān)測橋梁材料的耐久性。全橋布置9個溫、濕度計，2個風(fēng)速儀，2個梯形陽極腐蝕監(jiān)測儀。風(fēng)速儀安裝于塔頂和主跨跨

18、中，監(jiān)測環(huán)境風(fēng)速、風(fēng)向和風(fēng)攻角；溫濕度計分別安裝于主塔和箱梁內(nèi)，監(jiān)測橋塔和鋼箱梁內(nèi)的溫度和相對濕度，塔柱水位變化位置和主梁內(nèi)埋設(shè)梯形陽極腐蝕監(jiān)測儀，監(jiān)測外部環(huán)境對結(jié)構(gòu)耐久性的影響，測點(diǎn)布置見圖J-2。4.1.2 視頻監(jiān)測系統(tǒng)在本橋上安裝視頻監(jiān)測系統(tǒng)的目的是使結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測子系統(tǒng)與視頻監(jiān)測系統(tǒng)協(xié)同工作，當(dāng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)子系統(tǒng)反映受力指標(biāo)超限時，通過視頻監(jiān)測系統(tǒng)能獲取此刻的橋面荷載信息，便于對照分析，由此也可以用于監(jiān)測超載車在橋上的行駛狀況，并做下紀(jì)錄，以為橋梁監(jiān)控評估提供實證。同時，便于追溯橋面以上的交通事故發(fā)生的原因。根據(jù)監(jiān)測需求，在橋塔上橫梁雙向各架設(shè)1臺監(jiān)測攝像機(jī)，對主塔兩側(cè)交通狀況進(jìn)行監(jiān)控，在主

19、梁下安裝兩臺攝像機(jī)，監(jiān)測橋下通行狀況。因攝像機(jī)24小時在室外工作，所以攝像機(jī)安裝有云臺、風(fēng)扇、防護(hù)罩、加熱器、雨刷等設(shè)施。鋪設(shè)同軸電纜，將視頻信號傳輸?shù)街锌厥业木W(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器。4.1.3 結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(1) 結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測的重點(diǎn)：主梁變形、主塔變形結(jié)構(gòu)變形是結(jié)構(gòu)狀態(tài)改變最靈敏與最精確的反映，因此對結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測能夠更為準(zhǔn)確地把握結(jié)構(gòu)恒載內(nèi)力狀態(tài)的改變；另外，部分的結(jié)構(gòu)損傷也將導(dǎo)致變形情況的異常，通過對變形的監(jiān)測也可識別出這些損傷來；橋面的變形與橋梁線形直接相關(guān)，通過橋梁線形的變化也可以判斷橋梁的適用性。因此，結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測對于內(nèi)力狀態(tài)及損傷識別均有重要的意義。通過變形監(jiān)測能夠達(dá)到以下目的：修正計

20、算結(jié)構(gòu)內(nèi)力的有限元模型；根據(jù)監(jiān)測結(jié)果直接判斷橋梁的適用性。 結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測傳感器布設(shè)及實施方案主梁標(biāo)高變化的監(jiān)測采用液壓連通測壓管監(jiān)測主梁靜態(tài)線形，斜拉橋一側(cè)布置1套(1個基站+9個傳感器)，其工作原理如圖5所示。主橋變形安裝12套GPS進(jìn)行監(jiān)測，其中GPS基站建立在津沽公路側(cè)固定處，GPS監(jiān)測點(diǎn)安裝在橋塔頂部和主跨撓度最大部位。在梁端伸縮縫位置布設(shè)位移傳感器，監(jiān)測伸縮縫變形。各測點(diǎn)傳感器布置見附圖J-3。圖5 連通測壓管工作原理4.1.4 應(yīng)變(應(yīng)力)及溫度場監(jiān)測(1) 應(yīng)力監(jiān)測重點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力是判斷結(jié)構(gòu)安全最直接的指標(biāo)，結(jié)構(gòu)亞健康狀態(tài)往往將導(dǎo)致應(yīng)力超限或應(yīng)力異常重分布，所以對于應(yīng)力的異常變化應(yīng)給

21、予足夠的重視，并結(jié)合環(huán)境、變形等其它監(jiān)測結(jié)果來綜合判定結(jié)構(gòu)狀態(tài)是否處在安全及可控的范圍。結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測主要目的在于：直接判斷測試位置應(yīng)力是否處于安全水平；校核結(jié)構(gòu)模型修正及損傷識別的結(jié)果。結(jié)構(gòu)溫度場對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形具有顯著的影響。結(jié)構(gòu)溫度場監(jiān)測的主要目的：將溫度場作為參數(shù)作用于結(jié)構(gòu)有限元模型，研究溫度應(yīng)力及溫度導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形變化；完成應(yīng)變傳感器的補(bǔ)償。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測要求傳感器應(yīng)具有較好的長期穩(wěn)定性和耐久性。因此，在健康監(jiān)測系統(tǒng)中，應(yīng)變監(jiān)測選用光纖光柵傳感器，因為其精度滿足要求、測試通道容量大、長期工作性能穩(wěn)定、不受電磁干擾，盡管溫漂大，但通過在應(yīng)變測點(diǎn)布設(shè)的光纖溫度傳感器對溫漂進(jìn)行修正后可以基本

22、上消除溫度影響。 應(yīng)變監(jiān)測傳感器布設(shè)及實施方案共布置13個應(yīng)變監(jiān)測斷面，測點(diǎn)布置見附圖J-4。1) 在主梁邊跨、主跨、鋼箱梁與預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁結(jié)合處布設(shè)9個斷面，每個斷面布設(shè)78個光纖光柵應(yīng)變傳感器，共67個應(yīng)變傳感器。2) 在下塔柱、中塔柱底部各布設(shè)1個斷面，每個斷面8個光纖光柵應(yīng)變傳感器。3) 在塔柱上橫梁中部布設(shè)2個斷面，共8個光纖光柵應(yīng)變傳感器。4) 為了對光纖光柵應(yīng)變傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，在主梁各截面每個截面應(yīng)變傳感器相同位置布設(shè)光纖光柵溫度傳感器。同時在主塔上布置8個光纖光柵溫度傳感器，橫梁上布置4個光纖光柵溫度傳感器，在對光纖光柵應(yīng)變傳感器進(jìn)行補(bǔ)償?shù)耐瑫r，監(jiān)測主塔兩側(cè)及橫梁頂?shù)酌?/p>

23、的日照溫差變化。4.1.5 斜拉索索力監(jiān)測海河大橋的主梁自重及汽車荷載均由拉索承擔(dān)，拉索是特別容易產(chǎn)生疲勞和腐蝕損傷的構(gòu)件，其壽命往往比橋梁其它構(gòu)件的壽命都短，但拉索是橋梁中的重要構(gòu)件，起著牽一發(fā)動全身的作用，因此準(zhǔn)確及時掌握拉索的內(nèi)力及其變化特征至關(guān)重要。為了監(jiān)測索力的變化，以及在斜拉索發(fā)生損傷時，能夠及時通過安裝索力監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器監(jiān)測其變化，系統(tǒng)中對長、中、短索，都選擇部分斜拉索進(jìn)行監(jiān)測。拉索的索力可以采用基于動力法索力測試、光纖光柵智能索和磁通量傳感器等方法測試，其中振動法測索力技術(shù)應(yīng)用比較廣泛，該方法對長索具有較好的精度，但對短索誤差較大；磁通量技術(shù)測試精度高，但其造價較高、數(shù)據(jù)采集

24、系統(tǒng)較復(fù)雜，對傳輸線的要求較高；光纖光柵智能索可以較準(zhǔn)確地測量拉索的應(yīng)變，但是成品索的制作和運(yùn)輸要求較高，本方案采用磁通量傳感器監(jiān)測斜拉索索力，從而直接進(jìn)行拉索的安全評定。全橋共計74根斜拉索，在其中24根索內(nèi)布置傳感器，測點(diǎn)布置見附圖J-5。4.1.6 結(jié)構(gòu)動力性能監(jiān)測(1) 結(jié)構(gòu)動力特性監(jiān)測重點(diǎn)：主梁、主塔振動結(jié)構(gòu)損傷實質(zhì)上是結(jié)構(gòu)局部剛度、質(zhì)量的損失，反映在結(jié)構(gòu)動力特性上是結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)，如固有頻率和振型的變化。本系統(tǒng)利用結(jié)構(gòu)動力特性的變化來對結(jié)構(gòu)的整體性能進(jìn)行損傷監(jiān)測，即將結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的實測結(jié)構(gòu)模態(tài)特性與健康結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性進(jìn)行比較, 判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷；進(jìn)一步對有限元模型進(jìn)行修正，從而可以進(jìn)

25、行多荷載和復(fù)雜環(huán)境條件下橋梁結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)深入計算分析并進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的安全評定和預(yù)警。 結(jié)構(gòu)動力特性監(jiān)測傳感器布設(shè)及實施方案為監(jiān)測斜拉橋主梁的動力特性，對斜拉橋主梁選定9個斷面對稱布置18個加速度傳感器，其中12個豎向單軸加速度傳感器，為了監(jiān)測主梁的橫向振動，在布設(shè)6個橫向+豎向雙向加速度傳感器；在塔頂布置1個三向加速度傳感器，橫橋向在每個橫梁位置各布設(shè)2個單向加速度傳感器，測點(diǎn)布置見附圖J-6。全橋共布置16個單軸加速度傳感器，6個雙軸加速度傳感器，1個三向加速度傳感器。4.1.7 監(jiān)測傳感器統(tǒng)計海河大橋健康監(jiān)測采用傳感器數(shù)量如表2所示，括號內(nèi)數(shù)值為采用磁通量傳感器測索力方案。表2 海河大橋健康

26、監(jiān)測系統(tǒng)傳感器數(shù)量統(tǒng)計監(jiān)測項目測點(diǎn)選擇傳感器選擇數(shù)量備注環(huán)境與外荷載風(fēng)荷載塔頂風(fēng)速儀2監(jiān)測風(fēng)速和風(fēng)向(兼具測溫度)溫濕度斜拉橋主梁光纖光柵溫度傳感器67溫度補(bǔ)償和溫度場橋塔光纖光柵溫度傳感器12塔內(nèi)溫濕度計6環(huán)境溫度和相對濕度主跨鋼箱梁溫濕度計12環(huán)境溫度和相對濕度腐蝕橋塔、主梁梯形陽極腐蝕監(jiān)測儀2環(huán)境腐蝕視頻橋塔/橋面視頻系統(tǒng)4視頻監(jiān)測結(jié)構(gòu)性態(tài)響應(yīng)加速度橋 面單向加速度傳感器12采用差容式力平衡加速度傳感器橋 塔單向加速度傳感器4橋 面雙向加速度傳感器6橋 塔三向加速度傳感器1位移橋 塔GPS系統(tǒng)1塔頂位移岸邊基準(zhǔn)點(diǎn)GPS系統(tǒng)1橋面GPS系統(tǒng)1主梁線形斜拉橋主梁線形液壓連通管10伸縮縫位移位

27、移傳感器4應(yīng)變斜拉橋主梁光纖光柵應(yīng)變傳感器67應(yīng)力監(jiān)測橋塔光纖光柵應(yīng)變傳感器24斜拉索磁通量傳感器24錨下測力計2合 計2624.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集制度需采用閾值和定時兩種方式，本次設(shè)計為：在橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)行的初期，采取24小時連續(xù)采集的策略；運(yùn)行30天后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，揭示橋梁結(jié)構(gòu)實際受力特點(diǎn)和規(guī)律，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的實際受力特點(diǎn)和規(guī)律，確定觸發(fā)采集系統(tǒng)的閾值和確定定時采集的具體時間段。4.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計考慮數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體構(gòu)架、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件、硬件、數(shù)據(jù)采集策略等幾個方面。該橋不是很長，信號衰減不明顯，因此，采用一個數(shù)據(jù)采集站進(jìn)行數(shù)據(jù)的集中采集。數(shù)據(jù)采集站

28、塔梁結(jié)合部位主梁橋面上，見附圖J-7，為保證監(jiān)測儀器正常工作，必須保持24小時連續(xù)供電。數(shù)據(jù)采集策略將分為動態(tài)數(shù)據(jù)采集和靜態(tài)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集制度需采用閾值和定時兩種方式，采樣頻率將根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果確定，但需保證數(shù)據(jù)具有間隔實時對應(yīng)關(guān)系。數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的校驗、結(jié)構(gòu)化存儲、管理、可視化以及對監(jiān)測采樣的控制等工作。數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)在整個系統(tǒng)中起到承前啟后的重要作用，其具有以下幾個功能：監(jiān)測數(shù)據(jù)的校驗；數(shù)據(jù)的初步分析；數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化以及存儲、查詢、可視化；能夠響應(yīng)后續(xù)功能模塊對數(shù)據(jù)的請求；能夠控制傳感器子系統(tǒng)的采樣。數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)總體構(gòu)成見圖6。圖6 數(shù)據(jù)處理與控制子

29、系統(tǒng)構(gòu)成示意圖4.2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件系統(tǒng)基于PCBASED的DA&C(數(shù)據(jù)采集和控制)系統(tǒng)，與基于PLC的順序邏輯控制系統(tǒng)和基于DCS的大型控制系統(tǒng)相比，硬件價格低、易使用、開放性強(qiáng)、運(yùn)算能力強(qiáng)、通訊能力強(qiáng)、開發(fā)成本低廉。因此，基于PCBASED的DA&C系統(tǒng)在中小型的非專屬測控系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用?；赑CBASED的DA&C系統(tǒng)通常有以下兩種形式：(1)基于板卡的集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)其基本方式是采用數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。主要做法是將一塊基于ISA或PCI的板卡插入工業(yè)計算機(jī)上，將外部信號通過導(dǎo)線引至數(shù)據(jù)采集卡的外部端子板上，然后通過屏蔽電纜接入數(shù)據(jù)采集卡。在

30、計算機(jī)上，通過定制的軟件就可以進(jìn)行信號采集。其優(yōu)點(diǎn)是成本較低，速度塊，如1MHz數(shù)據(jù)采集等，缺點(diǎn)是可靠性一般，同時布線費(fèi)用較高。(2)基于分布式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本方式是采用基于現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)采集智能模塊，流行的現(xiàn)場總線如RS-485(非嚴(yán)格)、CAN總線、Profibus總線等。這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本做法是通過現(xiàn)場總線將智能模塊引入計算機(jī)，上位機(jī)通過定制的軟件和智能模塊通訊。優(yōu)點(diǎn)是易維護(hù)、布線簡單、可靠性高，缺點(diǎn)是采樣速度低、成本較高。在橋梁監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集和傳輸設(shè)計中，我們遵循的是與傳感器性能以及監(jiān)測信號匹配設(shè)計原則，即對于靜態(tài)信號，采用基于分布式的輸入/輸出(I/O)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；對于動態(tài)信

31、號，采用基于板卡的集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該橋監(jiān)測傳感器的信號包括電信號和光信號、靜態(tài)信號和動態(tài)信號，因此，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用PCI總線技術(shù)。數(shù)據(jù)采集軟件采用美國NI公司的Labwindows軟件平臺開發(fā)，這樣易于整體系統(tǒng)的集成。數(shù)據(jù)采集硬件包括光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)(包括解調(diào)儀和相應(yīng)的配件)、靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)、PCI機(jī)箱。4.3 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸和傳輸距離的要求，本系統(tǒng)采用兩類傳輸系統(tǒng)。(1) 現(xiàn)場有線傳輸系統(tǒng)(注意請加上護(hù)線槽、走線布置圖、數(shù)據(jù)采集站)。(2) 遠(yuǎn)程無線傳輸系統(tǒng)4.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與結(jié)構(gòu)安全評定及預(yù)警子系統(tǒng)本子系統(tǒng)包括以下內(nèi)容：監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，結(jié)構(gòu)有限元模型修正

32、方法，多種結(jié)構(gòu)安全評定方法，多級結(jié)構(gòu)預(yù)警水平和預(yù)警系統(tǒng)。風(fēng)荷載的統(tǒng)計分析，包括平均風(fēng)速、極值風(fēng)速、風(fēng)向及其聯(lián)合概率分布、脈動風(fēng)速譜、疲勞風(fēng)速譜。溫濕度分析：給出溫濕度實時變化的曲線。應(yīng)變和應(yīng)力分析：剔除徐變的應(yīng)變和應(yīng)力分析，應(yīng)變和應(yīng)力的分布范圍統(tǒng)計分析，應(yīng)變和應(yīng)力的趨勢變化分析和極值分析，應(yīng)變和應(yīng)力與溫濕度之間的關(guān)系分析，應(yīng)變和應(yīng)力與車輛荷載之間的相關(guān)性分析，應(yīng)變和應(yīng)力與風(fēng)荷載之間的相關(guān)性分析。對危險狀況進(jìn)行預(yù)警。變形分析：橋梁的靜力變形趨勢和極值分析，橋梁靜力變形與溫度和濕度之間的關(guān)系，根據(jù)橋梁靜力變形趨勢和極值進(jìn)行預(yù)警。拉索索力分析：主要包括基于振動法的斜拉索索力識別，基于斜拉索索力和應(yīng)變

33、監(jiān)測的斜拉索索力極值分析和疲勞損傷分析。根據(jù)斜拉索索力極值和疲勞損傷進(jìn)行預(yù)警。模態(tài)分析：根據(jù)加速度傳感器、GPS和應(yīng)變傳感器的測試結(jié)果，采用多種方法，進(jìn)行模態(tài)分析，獲得海河大橋的頻率、振型和阻尼比。進(jìn)一步分析海河大橋的頻率、振型和阻尼比與溫濕度、車輛荷載以及風(fēng)荷載之間的相關(guān)性，并采用主成分分析方法剔除溫濕度和風(fēng)及車輛荷載對海河大橋模態(tài)參數(shù)的影響，獲得真實的模態(tài)參數(shù)。模型修正：在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，對海河大橋的有限元模型進(jìn)行修正；結(jié)合損傷識別的結(jié)果，以及耐久性分析理論，對有限元模型的局部單元進(jìn)行深入分析；采用修正的有限元模型，將監(jiān)測的車輛、風(fēng)、溫濕度等荷載和環(huán)境施加在有限元模型上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)反應(yīng)分析

34、，與測試結(jié)果進(jìn)行比較，并對未安裝傳感器但結(jié)構(gòu)反應(yīng)較大的部位進(jìn)行提示性預(yù)警；同時根據(jù)耐久性理論，計算結(jié)構(gòu)的時變承載力，調(diào)整預(yù)警閾值。安全評定：斜拉索強(qiáng)度和疲勞損傷安全評定分析，橋梁整體極限承載力分析，橋梁可靠度分析。4.5 健康監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)化集成技術(shù)和用戶界面子系統(tǒng)健康監(jiān)測系統(tǒng)包括許多分模塊和子系統(tǒng)，涉及不同的軟件和硬件，因此，必須采用系統(tǒng)集成技術(shù)將所有的不同的軟硬件進(jìn)行集成，使系統(tǒng)自動運(yùn)行，并可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。用戶界面子系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及綜合管理系統(tǒng)最終面向用戶的產(chǎn)品，是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)以及其它邊界子系統(tǒng)的集成界面，為用戶提供一個友好的、一致的、易學(xué)的、易

35、用的、美觀的、分布式的操作平臺，把整個系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來。本子系統(tǒng)主要集成各子系統(tǒng)的功能，為用戶提供統(tǒng)一的操作界面，通過圖形的方式向用戶展示需求分析中列舉的信息，實現(xiàn)分布式、遠(yuǎn)程訪問的方法與功能。本子系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：分布式的操作平臺，提供本地用戶及遠(yuǎn)程移動用戶的訪問；用戶操作的友好的、一致性、易學(xué)性、易用性、美觀性；分級別或權(quán)限的展示界面。4.6 中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及綜合管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)量龐大，數(shù)據(jù)信息的種類繁多，有多個系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)信息，同時要支持分布式的處理與訪問，也要支持多并發(fā)用戶的操作，并且數(shù)據(jù)的安全性極為重要。通過建立系統(tǒng)的中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)，統(tǒng)一管理與組織數(shù)據(jù)信息，給系統(tǒng)的

36、維護(hù)與管理提供便利，也為各應(yīng)用子系統(tǒng)提供可靠的分布式數(shù)據(jù)交換與存儲平臺，方便開發(fā)與使用。獨(dú)立橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫采用Oracle開發(fā)。4.7 系統(tǒng)后期維護(hù)、升級和服務(wù)等要求建成后的系統(tǒng)將及時、自動直觀地通過報表、屏幕顯示或報警的形式向用戶提供以下信息：月、季、年度結(jié)構(gòu)安全評價信息、結(jié)構(gòu)實時安全信息、結(jié)構(gòu)維護(hù)及維修計劃信息。系統(tǒng)建成并試運(yùn)行后2年為系統(tǒng)后期維護(hù)及服務(wù)周期，在此周期內(nèi)系統(tǒng)承擔(dān)單位將無償為用戶提供系統(tǒng)非人為損壞的維修更換等工作。4.8 施工注意事項(1) 每種傳感器必須經(jīng)過標(biāo)定合格后，方可安裝使用，保證傳感器的安裝牢固、長效，安裝過程中注意對傳感器的保護(hù)，嚴(yán)格按照各自的施工說明進(jìn)

37、行。(2) 保證數(shù)據(jù)采集站室內(nèi)干燥；(3) 健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的基本步驟：a) 光纖傳感器安裝與施工同時進(jìn)行；b) 走線管的安裝；c) GPS基站、監(jiān)測站安裝和數(shù)據(jù)線的布設(shè)；d) 各種傳感器系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集調(diào)試；e) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的集成；f) 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和監(jiān)控中心的建設(shè)及服務(wù)器的調(diào)試；g) 數(shù)據(jù)采集與分析；健康監(jiān)測系統(tǒng)的施工進(jìn)度配合結(jié)構(gòu)施工同步進(jìn)行。4.9 其它 (1) 為保證監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集站、傳感器及數(shù)據(jù)線的安全，需要進(jìn)行妥善管理，避免造成人為破壞。(2) GPS基站和數(shù)據(jù)采集站建設(shè)請甲方負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)，健康監(jiān)測系統(tǒng)實施單位與橋梁施工方配合完成，在保證系統(tǒng)完全正常的情況下，系統(tǒng)整體的維護(hù)費(fèi)用主要為硬件設(shè)備的維修與更換，具體費(fèi)用按各子系統(tǒng)硬件的壽命確定。 在現(xiàn)場傳感器安裝和系統(tǒng)建設(shè)時期，需甲方給予全力配合，保護(hù)好成品、提供安裝平臺等。 數(shù)據(jù)采集站需提供220V交流電源，24小時連續(xù)供電。5 工程費(fèi)用海河大橋橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)造價為595.57萬元，各項費(fèi)用明細(xì)詳見表3。表3 海河大橋橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)費(fèi)用表序號產(chǎn)品名稱單位數(shù)量單價（元）總額（萬元）一、傳感器部分1光纖光柵應(yīng)變傳感器個911600 14.562光纖光柵溫度傳感器個791300 10.273磁通量傳感器個24900021.604錨下測力計個2140002.805加速度傳感器（單向）