橋梁道路監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)

1、第一章 橋梁道路監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)1.1 系統(tǒng)總體方案1.1.1 系統(tǒng)的總體方案1.1.1.1 系統(tǒng)建立的目的和意義危害橋梁正常承載的主要因素包括：（1）結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)的改變（2）結(jié)構(gòu)損傷（3）兩種因素綜合作用運(yùn)營健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須能夠?qū)ι鲜鲆蛩剡M(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施的目的是：（1）隨時(shí)掌握橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)及損傷情況（2）盡早發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)面臨的危險(xiǎn)狀況（3）為橋梁結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)維修提供依據(jù)除了對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)營狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)外，對(duì)橋梁的日常管理養(yǎng)護(hù)等工作也納入綜合管理系統(tǒng)，以變實(shí)現(xiàn)：管養(yǎng)工作制度化、管養(yǎng)技術(shù)現(xiàn)代化、管養(yǎng)決策科學(xué)化。運(yùn)營健康監(jiān)測(cè)和綜合管理系統(tǒng)實(shí)施的重要意義在于：（1）能夠隨時(shí)掌握橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)

2、力狀態(tài)及損傷情況（2）能夠在橋梁結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)萌芽階段發(fā)出預(yù)警（3）對(duì)保障橋梁安全運(yùn)營具有重要意義（4）能夠盡量長地延長橋梁的運(yùn)營壽命（5）對(duì)降低橋梁總體運(yùn)營成本具有顯著效果1.1.1.2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立的原則健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最主要目的就是發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的病害情況，因此，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立應(yīng)遵循以下邏輯原則：（1）研究橋梁結(jié)構(gòu)的各部分將可能面臨什么樣的病害？這些病害發(fā)生的概率是多少？這些病害將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部破壞還是整體破壞？（2）研究結(jié)構(gòu)構(gòu)件的病害有什么表現(xiàn)？這些表現(xiàn)是否能夠?yàn)楸O(jiān)測(cè)系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)？（3）研究選用何種傳感器來監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)安全？傳感器精度是否滿足安全預(yù)警的要求？傳感器布置位置是否恰當(dāng)，

3、數(shù)量是否合理？（4）研究如何對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理及分析？如何從監(jiān)測(cè)信號(hào)中提取與結(jié)構(gòu)安全直接相關(guān)易于為管理人員所理解的結(jié)構(gòu)安全信息或預(yù)警信息？從這些邏輯原則可以看出，如何定義結(jié)構(gòu)可能遭遇的危險(xiǎn)是整個(gè)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，我們稱這個(gè)過程為“結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)性分析”1.1.1.3 結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)性分析該系統(tǒng)通過危險(xiǎn)性分析來確定監(jiān)測(cè)哪些構(gòu)件及監(jiān)測(cè)方式的方法，避免了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中常見的目的性不強(qiáng)、針對(duì)性不明確的問題。所謂結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)性分析就是系統(tǒng)地分析橋梁中各部分結(jié)構(gòu)所面臨的危險(xiǎn)、各項(xiàng)危險(xiǎn)發(fā)生的概率、危險(xiǎn)所導(dǎo)致后果嚴(yán)重程度以及各項(xiàng)危險(xiǎn)的可監(jiān)測(cè)性等問題。廣雅大橋的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件包括：系桿、吊桿、主梁、拱肋、非通航孔橋和下部結(jié)

4、構(gòu)。應(yīng)根據(jù)這些構(gòu)件的受力特點(diǎn)、材料特性、使用環(huán)境等對(duì)其進(jìn)行充分的危險(xiǎn)性分析才能夠確保健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的針對(duì)性和實(shí)用性。危險(xiǎn)性分析通常需要通過大量類似結(jié)構(gòu)的調(diào)查并綜合考慮本工程的環(huán)境及受力特點(diǎn)同時(shí)結(jié)合必要的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算才能夠得到比較可靠的結(jié)論。通過結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)性分析我們可以非常明確我們需要監(jiān)測(cè)那些構(gòu)件、這些構(gòu)件的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)部位、監(jiān)測(cè)內(nèi)容及監(jiān)測(cè)頻率等。健康監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)手段大體可以分為：力學(xué)指標(biāo)監(jiān)測(cè)，損傷直接檢測(cè)(包括人工目視巡檢及無損監(jiān)測(cè))兩種手段。 在指定各構(gòu)件采用的監(jiān)測(cè)手段一般應(yīng)綜合考慮危險(xiǎn)性的程度、監(jiān)測(cè)的經(jīng)濟(jì)性和有效性等問題。健康監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)手段大體可以分為：傳感器在線監(jiān)測(cè)，人工巡檢(包括人工目視巡檢)兩

5、種手段；一般而言傳感器在線監(jiān)測(cè)具有連續(xù)把握監(jiān)測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)，但其經(jīng)濟(jì)代價(jià)大，且對(duì)諸如鋼材銹蝕、混凝土開裂等病害難以監(jiān)測(cè)到；人工定期巡檢能夠比較容易發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的早期病害造成的外觀變化，且一次性投入相對(duì)較小，但其不具有連續(xù)及實(shí)時(shí)性。1.1.1.3.1 吊桿的危險(xiǎn)性分析及監(jiān)測(cè)策略吊桿銹蝕斷絲是該橋的主要病害，其斷絲隱蔽性強(qiáng)，應(yīng)考慮對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)。吊桿結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)性分析的主要結(jié)論是： （1）大范圍的吊桿斷絲將導(dǎo)致主梁的危險(xiǎn)，應(yīng)對(duì)吊桿的索力進(jìn)行監(jiān)測(cè)；（2）局部吊桿的斷絲甚至整根破壞不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體危險(xiǎn)，通過人工目視定期檢查吊桿PE及錨具并結(jié)合部分吊桿的索力監(jiān)測(cè)等是較為經(jīng)濟(jì)可行的方案；（3）從把握主梁內(nèi)力的角度出

6、發(fā)應(yīng)對(duì)部分吊桿進(jìn)行索力監(jiān)測(cè)。1.1.1.3.2 主梁的危險(xiǎn)性分析及監(jiān)測(cè)策略本橋的加勁梁采用格子梁，其直接承受車輛荷載且為吊桿（拉索）體系柔性支承。因此，對(duì)其安全狀態(tài)的把握不僅在于病害的監(jiān)測(cè)，還在于其內(nèi)力狀態(tài)演變的監(jiān)測(cè)。主梁恒載內(nèi)力的演變主要來源以下幾個(gè)方面：（1）主梁的變形；（2）吊桿剛度（索力）的變化；（3）基礎(chǔ)的沉降。主梁結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)性分析的主要結(jié)論是： （1）主梁內(nèi)力狀態(tài)的改變將有可能導(dǎo)致主梁的整體破壞，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)其的監(jiān)測(cè)；（2）主梁在由于內(nèi)力狀態(tài)改變而發(fā)生危險(xiǎn)前會(huì)產(chǎn)生顯著恒載變形，可以通過變形的監(jiān)測(cè)并輔助吊桿索力的監(jiān)測(cè)來進(jìn)一步確定及明確原因。（3）主梁局部病害的監(jiān)測(cè)可以考慮采用人工目視巡檢及

7、人工無損監(jiān)測(cè)設(shè)備檢查的方式進(jìn)行。1.1.1.3.3 非通航孔的危險(xiǎn)性分析及監(jiān)測(cè)策略非通航孔橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，其病害主要來源于混凝土的劣化、基礎(chǔ)沉降、預(yù)應(yīng)力體系的病害等。上述病害均屬于緩慢發(fā)生過程且均伴隨較為明顯的外觀變化，因此，引橋的監(jiān)測(cè)將采用人工定期目視巡檢的方式進(jìn)行。1.1.1.3.4 下部結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)性分析及監(jiān)測(cè)策略本橋下部結(jié)構(gòu)主要是基礎(chǔ)沉降帶來的危害，因此，可以通過人工定期沉降觀測(cè)就可以避免此類病害的發(fā)生。1.1.1.3.5 非主要結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)性分析及監(jiān)測(cè)策略本橋的非主要結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)主要包括收縮縫、支座、路面等。伸縮縫的破壞設(shè)置堵塞可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)的改變，但考慮到收縮縫破壞、堵

8、塞一般不足以導(dǎo)致其它結(jié)構(gòu)的破壞且能夠比較容易通過人工目視巡檢來加以檢查，因此，不對(duì)其進(jìn)行傳感器監(jiān)測(cè)。本橋支座病害一般情況下不足以導(dǎo)致結(jié)構(gòu)其它部位的破壞，只有當(dāng)支座縱向位移受到意外限制時(shí)可能導(dǎo)致主梁、橋墩的開裂甚至破壞。因此，對(duì)支座可以通過人工巡檢加以檢查。路面的病害屬于局部問題，對(duì)其只需通過人工巡檢加以檢查即可。1.1.1.4 系統(tǒng)建立的總體思路(a)采用傳感器在線監(jiān)測(cè)與人工巡檢的方案；(b)傳感器系統(tǒng)側(cè)重于結(jié)構(gòu)總體內(nèi)力狀態(tài)的把握；(c)人工巡檢側(cè)重于局部損傷的探明；(d)利用綜合評(píng)估系統(tǒng)將二者結(jié)合起來；(e)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)參數(shù)必須進(jìn)行較為完善的后期處理才能夠用于評(píng)估結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)。圖1.1.1 健康

9、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體思路1.1.2 系統(tǒng)集成及流程的方案1.1.2.1 系統(tǒng)集成該方案的總體系統(tǒng)集成框圖如圖所示。圖1.2.1 運(yùn)營監(jiān)測(cè)和綜合管理系統(tǒng)集成總體框架圖在上述系統(tǒng)總體框架中各部分的主要工作內(nèi)容及關(guān)聯(lián)關(guān)系分述如下：1傳感器子系統(tǒng)完成應(yīng)變、結(jié)構(gòu)溫度、索力、幾何變形環(huán)境等參數(shù)的參數(shù)采集工作。2數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)傳感器信號(hào)的采集、調(diào)理、預(yù)處理、傳輸?shù)取?數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)將采集系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后提交給后續(xù)子系統(tǒng)使用。4由傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)共同構(gòu)成了橋梁智能健康監(jiān)測(cè)中的信息自動(dòng)采集系統(tǒng)。5結(jié)構(gòu)健康評(píng)估子系統(tǒng)主要對(duì)獲取的各類信息進(jìn)行相應(yīng)的信息處理（

10、包括進(jìn)行有模型的數(shù)據(jù)分析與和無模型的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)）從而獲得結(jié)構(gòu)健康的信息，并且將這些信息以直觀的形式向橋梁的管理者提供。結(jié)構(gòu)健康評(píng)估子系統(tǒng)包括：結(jié)構(gòu)狀態(tài)與損傷識(shí)別模塊，結(jié)構(gòu)健康綜合評(píng)估模塊。結(jié)構(gòu)狀態(tài)與損傷識(shí)別模塊主要完成基于靜力測(cè)試數(shù)據(jù)的內(nèi)力狀態(tài)的識(shí)別、基于靜力測(cè)試數(shù)據(jù)的損傷識(shí)別以及基于動(dòng)力測(cè)試數(shù)據(jù)的損傷識(shí)別等工作。結(jié)構(gòu)健康綜合評(píng)估模塊主要根據(jù)監(jiān)測(cè)信息（來源于信息自動(dòng)采集系統(tǒng)）以及巡檢信息（來源于養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)）并結(jié)合狀態(tài)與損傷識(shí)別模塊的分析工作來對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合的健康狀態(tài)的評(píng)估并對(duì)危險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警。6中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)：由于結(jié)構(gòu)健康安全監(jiān)測(cè)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(gè)系統(tǒng)共享數(shù)

11、據(jù)信息，同時(shí)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(chǔ)平臺(tái)，方便開發(fā)與使用。7戶界面子系統(tǒng)：安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由諸多子系統(tǒng)及功能模塊組成，若各子系統(tǒng)及功能模塊均采用各自的用戶界面系統(tǒng)，用戶操作就極為不便，因此必須建立統(tǒng)一的用戶界面系統(tǒng)。用戶界面子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)諸如向用戶提供操作及管理界面、向用戶提供數(shù)據(jù)展示、提供系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問接口、向用戶提供報(bào)告等功能。8人工巡檢養(yǎng)護(hù)管理子系統(tǒng)：由于用于總體結(jié)構(gòu)狀態(tài)判別的方法無法發(fā)現(xiàn)一些局部損傷，為了盡早

12、檢測(cè)到基于傳感器監(jiān)測(cè)識(shí)別系統(tǒng)無法發(fā)現(xiàn)的局部損傷并適時(shí)加以維修，根據(jù)前面的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，將巡檢養(yǎng)護(hù)管理子系統(tǒng)與常規(guī)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)融合，可形成更為實(shí)用的橋梁智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)本項(xiàng)目的情況，應(yīng)專門編制針對(duì)本橋的人工巡檢養(yǎng)護(hù)手冊(cè)。1.2 2傳感器子系統(tǒng)1.2.1 傳感器布設(shè)原則和總體方案分析1.2.1.1 索力監(jiān)測(cè)傳感器的選擇拉索構(gòu)件索力長期在線監(jiān)測(cè)的傳感器必須滿足以下基本要求。（1）在螺母及錨墊板具別一定粗糙度及不平整的情況下保證足夠的精度；（2）在螺母與傳感器接觸部分尺寸加工存在較大誤差時(shí)保證足夠的精度；（3）在承受偏心荷載時(shí)保證足夠的精度；（4）高度盡量小，重量盡量輕，安裝方便；（5）結(jié)構(gòu)堅(jiān)固

13、耐久，不對(duì)主體結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響；（6）能夠長期可靠工作；（7）溫度漂移、時(shí)間漂移??；（8）便于更換。通常能夠進(jìn)行拉索索力長期在線監(jiān)測(cè)的傳感器類型很多，大抵有圖所示的幾種類型。圖2.1.1 索力長期在線測(cè)試設(shè)備分類附著式光纖傳感器從90年代開始在加拿大采用，其原理將鎧裝光纖當(dāng)成一根鋼絲來制造斜拉索，一根拉索內(nèi)包含若干光纖，拉索索力改變時(shí)光纖感受其應(yīng)變量從而獲得測(cè)試索力。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于光纖的長期穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)在于制造工藝復(fù)雜，無法更換，采集設(shè)備價(jià)格昂貴，且目前尚未見其精度的相關(guān)資料，因此，本次方案不予考慮。磁彈式索力儀國內(nèi)從2000年開始應(yīng)用，典型的有早期采用直流激勵(lì)的南京長江二橋和后期采用交

14、流激勵(lì)的湛江海灣橋。磁彈式傳感器的主要原理是導(dǎo)磁材料在不同應(yīng)力水平下其磁通量是不同的。磁彈式索力儀需要數(shù)百伏的高壓交流激勵(lì)、采集設(shè)備也非常復(fù)雜昂貴、采集速度也較低。另外，在考察過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)我們將磁彈儀從標(biāo)定位置滑移到索體的另外一個(gè)位置時(shí)，標(biāo)定結(jié)果發(fā)生了至少5%的變化，根據(jù)磁彈儀的測(cè)試原理，其讀數(shù)受拉索截面積影響最大，因此，這種變化可能是由于拉索截面積不均勻造成。實(shí)際工程中這種現(xiàn)象不可避免。因此，我們認(rèn)為磁彈儀的使用必須在其安裝結(jié)束后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，即使如此，其誤差也可能超過5%。壓力環(huán)式傳感器式指將傳感器參與吊桿或系桿的承力，并對(duì)其承力進(jìn)行測(cè)試來反映吊桿或系桿的索力。其通常是安裝在錨固螺母與錨

15、墊板之間，承受與吊桿或系桿相同的荷載。壓力環(huán)式傳感器由于是直接對(duì)彈性體進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試，而彈性體可以在出廠前進(jìn)行熱處理、時(shí)效處理等以消除其殘余應(yīng)力從而增加其穩(wěn)定性，因此，壓力環(huán)式傳感器精度可以做得很高（優(yōu)于0.1）。電阻應(yīng)變式壓力環(huán)采用電阻應(yīng)變片作為應(yīng)變敏感元件，其大約有數(shù)十年的使用歷史，目前計(jì)量標(biāo)定機(jī)構(gòu)換用電子式標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力計(jì)大部分采用這種形式的壓力環(huán)，應(yīng)用的典型橋梁有南京長江三橋。電阻應(yīng)變片已經(jīng)有近50年的應(yīng)用實(shí)踐，近十余年應(yīng)變片在封裝、應(yīng)變膠及保護(hù)膠等方面進(jìn)行了大量的改進(jìn)，使得其過去長期穩(wěn)定性不好的缺點(diǎn)不復(fù)存在。根據(jù)日本TOKYOSOKKI公司的試驗(yàn)，在進(jìn)行試驗(yàn)的13年內(nèi)其始終保持非常好的穩(wěn)定性

16、（優(yōu)于0.3）而且沒有隨時(shí)間發(fā)散的趨勢(shì)；在南京三橋安裝的電阻應(yīng)變式壓力環(huán)也在安裝的2年多時(shí)間內(nèi)保持了非常好的穩(wěn)定性。另外，由于電阻應(yīng)變片具有很高的形狀靈活性，因此其便于傳感器的定制，經(jīng)過優(yōu)化的電阻應(yīng)變式壓力環(huán)專門其長期穩(wěn)定性、抗力學(xué)干擾能力（偏心、接觸面影響等）、溫度補(bǔ)償?shù)确矫婢哂休^為明顯的優(yōu)勢(shì)。表2.1.1 各類傳感器在豎向預(yù)應(yīng)力測(cè)試中的應(yīng)用對(duì)比類型參考綜合誤差綜合費(fèi)用抗力學(xué)干擾能力標(biāo)定代表性大約壽命時(shí)間漂移可更換性附著式光纖高強(qiáng)不詳30年小不可磁彈儀35%較高強(qiáng)差20年較小好電阻應(yīng)變式0.51%低較強(qiáng)好20年小較好光纖應(yīng)變式13%高一般較好30年小較好鋼弦應(yīng)變式25%較高差差20年小困難

17、油壓傳感器35%低較強(qiáng)較好10年較小困難首選纜索體系索力監(jiān)測(cè)方案應(yīng)該是電阻應(yīng)變式壓力環(huán)。1.2.1.2 結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳感器的選擇結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的監(jiān)測(cè)通過安裝振動(dòng)傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，地震和船撞是橋梁運(yùn)營期間重要的災(zāi)害性荷載源，是必須監(jiān)測(cè)的內(nèi)容。對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)一方面可以及時(shí)對(duì)災(zāi)害可能造成的損傷進(jìn)行分析并進(jìn)行檢查，另外一方面可以及時(shí)啟動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)及時(shí)限制車輛通過受損結(jié)構(gòu)以避免災(zāi)害的發(fā)生。1.2.1.3 空氣溫濕度的監(jiān)測(cè)通過空氣溫濕度的監(jiān)測(cè)，可以分析環(huán)境溫度對(duì)結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)的影響，以使基于靜力測(cè)試的識(shí)別方法能更準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)狀態(tài)；可以分析環(huán)境溫度對(duì)振動(dòng)特性的影響，以使基于振動(dòng)測(cè)試的損傷檢測(cè)方法能更準(zhǔn)確；可以預(yù)測(cè)可

18、能出現(xiàn)的極限環(huán)境溫度荷載。環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)采用溫濕度傳感器進(jìn)行。選用溫濕度傳感器為連續(xù)模擬信號(hào)輸出。1.2.1.4 風(fēng)荷載的監(jiān)測(cè)從結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)性分析的結(jié)果看，風(fēng)荷載的監(jiān)測(cè)對(duì)于研究本橋的氣動(dòng)性能，改進(jìn)或增加減振隔振設(shè)施等具有重要意義。另外，風(fēng)荷載的監(jiān)測(cè)還可以用于大風(fēng)作用下的交通控制。監(jiān)測(cè)采用超聲波風(fēng)速儀或者螺旋槳式風(fēng)速儀。選用超聲波風(fēng)速儀最高采樣頻率可達(dá)60Hz，選用機(jī)械風(fēng)速儀持續(xù)輸出模擬信號(hào)。一般情況下超聲波風(fēng)速儀采樣頻率采用10Hz，機(jī)械風(fēng)速儀采樣周期采用60s。1.2.2 傳感器布設(shè)方案?jìng)鞲衅鞑荚O(shè)方案見圖。1.2.3 傳感器自身安全性的識(shí)別及對(duì)策傳感器在使用過程中可能會(huì)面臨各種故障。這些故障包括

19、：無法工作，受到強(qiáng)電場(chǎng)的干擾，溫度漂移過大，時(shí)間漂移過大等等。因此，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)ι鲜銮闆r進(jìn)行識(shí)別并發(fā)出傳感器故障報(bào)警，并在傳感器選型及安裝過程中避免上述故障的發(fā)生。傳感器無法工作通常由于傳感器本身質(zhì)量，安裝工藝不過關(guān)，人為破壞或遭遇雷擊或其它強(qiáng)電脈沖。解決這個(gè)問題的主要辦法是選擇質(zhì)量可靠的傳感器生產(chǎn)廠家，嚴(yán)格按照規(guī)定的安裝工藝施工，安裝傳感器的機(jī)械保護(hù)裝置及防雷設(shè)備等。某些傳感器輸出微弱信號(hào)容易受到強(qiáng)電場(chǎng)干擾，應(yīng)對(duì)這些傳感器加裝屏蔽保護(hù)裝置。在選擇傳感器的時(shí)候同時(shí)應(yīng)重復(fù)注意傳感器的溫度漂移及時(shí)間漂移，并應(yīng)采購傳感器樣品進(jìn)行上述兩項(xiàng)測(cè)試。另外，在數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)中利用傳感器

20、的統(tǒng)計(jì)信息以及各傳感器的相關(guān)信息能夠分析得到傳感器的部分故障情況。本方案采用的所有傳感器除錨索計(jì)外均為表面安裝，對(duì)拉索傳感器則采用表的方案進(jìn)行更換表2.3.1 拉索傳感器更換流程（未繪制撐腳）步驟示意圖說明受力部位1安裝千斤頂，張拉千斤頂至螺母初動(dòng)，即實(shí)際索力千斤頂2退掉螺母，安裝哈佛型螺母千斤頂3千斤頂卸壓，取掉千斤頂，取出螺母哈佛型螺母4安裝拉索傳感器，安裝傳感器墊環(huán)，套上螺母哈佛型螺母5安裝千斤頂，張拉千斤頂至螺母初動(dòng)，即實(shí)際索力千斤頂6拆除哈佛型螺母，轉(zhuǎn)動(dòng)螺母到位千斤頂7千斤頂卸壓，取掉千斤頂，更換工作完成螺母?jìng)渥⒄f明中“螺母”指實(shí)際安裝于些拉索上的螺母，“哈佛型螺母”指更換過程中用于

21、轉(zhuǎn)換受力部位的特制螺母。1.3 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng) 該方案采用基于工業(yè)以太網(wǎng)的光纖環(huán)網(wǎng)的組網(wǎng)方式，具有如下顯著特點(diǎn)：（1）采用分布式測(cè)控技術(shù)并結(jié)合集中式數(shù)據(jù)采集的優(yōu)勢(shì)，在智能調(diào)理器上采用了數(shù)據(jù)緩沖技術(shù)解決了分布式采集速度慢的問題；（2）通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)理器（網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)）將傳感器模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行傳輸，避免了模擬信號(hào)長距離傳輸易受干擾的問題。（3）每個(gè)傳感器均與智能調(diào)理器連接后形成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，將傳感器型號(hào)調(diào)理成為符合國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的數(shù)字型號(hào)；（4）利用以太網(wǎng)供電技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器到數(shù)據(jù)采集站的通訊及供電；（5）將各數(shù)據(jù)采集站與控制中心采集服務(wù)器連接成為測(cè)控局域網(wǎng)，采用FDDI自愈雙環(huán)光纖網(wǎng)絡(luò)。圖3.

22、1.1 基于光纖環(huán)網(wǎng)的采集系統(tǒng)示意圖液壓撓度儀軸重檢測(cè)片調(diào)理器軸重檢測(cè)片調(diào)理器交換機(jī)軸重檢測(cè)片調(diào)理器軸重檢測(cè)片調(diào)理器軸重檢測(cè)片調(diào)理器軸重檢測(cè)片調(diào)理器軸重檢測(cè)片調(diào)理器軸重檢測(cè)片調(diào)理器軸重檢測(cè)片調(diào)理器交換機(jī)軸重檢測(cè)片調(diào)理器軸重檢測(cè)片調(diào)理器軸重檢測(cè)片調(diào)理器軸重檢測(cè)片調(diào)理器軸重檢測(cè)片調(diào)理器軸重檢測(cè)片調(diào)理器軸重檢測(cè)片調(diào)理器交換機(jī)軸重檢測(cè)片調(diào)理器軸重檢測(cè)片調(diào)理器軸重檢測(cè)片調(diào)理器軸重檢測(cè)片調(diào)理器軸重檢測(cè)片調(diào)理器軸重檢測(cè)片調(diào)理器軸重檢測(cè)片調(diào)理器交換機(jī)軸重檢測(cè)片調(diào)理器軸重檢測(cè)片調(diào)理器軸重檢測(cè)片調(diào)理器軸重檢測(cè)片調(diào)理器軸重檢測(cè)片調(diào)理器軸重檢測(cè)片調(diào)理器軸重檢測(cè)片調(diào)理器交換機(jī)軸重檢測(cè)片調(diào)理器軸重檢測(cè)片調(diào)理器雙光口管理型

23、交換機(jī)GPS調(diào)理器交換機(jī)調(diào)理器調(diào)理器調(diào)理器調(diào)理器溫濕度儀液壓撓度儀液壓撓度儀液壓撓度儀光纖光纖圖3.1.2 給予網(wǎng)絡(luò)調(diào)理器的采集站組網(wǎng)示意圖1.4 數(shù)據(jù)處理及控制子系統(tǒng)采集系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理方能夠提交給后續(xù)子系統(tǒng)使用。其主要實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)目刂疲唬?）數(shù)據(jù)庫的建立及相關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、格式化、查詢、可視化等工作；（3）數(shù)據(jù)優(yōu)劣的評(píng)估與優(yōu)良數(shù)據(jù)的抽??；（4）建立數(shù)據(jù)處理與控制的用戶界面，響應(yīng)用戶對(duì)已存數(shù)據(jù)的查詢請(qǐng)求及采集數(shù)據(jù)的控制請(qǐng)求。（5）建立與Internet的連接。（6）自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與刪除操作，保留分析后的數(shù)據(jù)及部

24、分重要的原始數(shù)據(jù)，定期刪除不再使用的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理與控制模塊總體構(gòu)成見圖4.1。圖4.1 數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)構(gòu)成方案示意圖1.5 養(yǎng)護(hù)管理子系統(tǒng)在危險(xiǎn)性分析中我們發(fā)現(xiàn)基于傳感器的自動(dòng)采集系統(tǒng)無法發(fā)現(xiàn)以下的損傷：鋼材的早期銹蝕、疲勞裂縫、混凝土的劣化以及螺栓的斷裂等；為了進(jìn)行這類損傷的監(jiān)測(cè)，應(yīng)采用人工巡檢的方式。通過建立一個(gè)完善的人工巡檢子系統(tǒng)可以達(dá)到以下目的：l 能夠早于其它子系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的早期損傷，將維護(hù)或維修的費(fèi)用降至最低l 能夠發(fā)現(xiàn)其它子系統(tǒng)無法發(fā)現(xiàn)的損傷，避免結(jié)構(gòu)發(fā)生危險(xiǎn)l 能夠?qū)p傷的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比分析及預(yù)測(cè)，評(píng)估損傷的危險(xiǎn)程度l 能夠根據(jù)損傷的程度及發(fā)展趨勢(shì)制定經(jīng)濟(jì)合理的維護(hù)及維

25、修計(jì)劃l 能夠向用戶提供損傷情況及損傷發(fā)展的報(bào)告人工巡檢子系統(tǒng)作為采集子系統(tǒng)的必要的補(bǔ)充和完善需要具備以下幾個(gè)方面的功能：l 對(duì)銹蝕、裂縫、砼的劣化以及螺栓破壞的人工目測(cè)巡檢及無損檢測(cè)l 損傷記錄l 損傷趨勢(shì)分析l 維護(hù)及維修計(jì)劃l 損傷報(bào)告生成1.6 結(jié)構(gòu)狀態(tài)識(shí)別子系統(tǒng)橋梁結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)直接由其內(nèi)力狀態(tài)和損傷狀態(tài)決定，因此，狀態(tài)識(shí)別及損失識(shí)別子系統(tǒng)是進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評(píng)估的基礎(chǔ)，是橋梁結(jié)構(gòu)安全綜合管理系統(tǒng)的核心內(nèi)容之一。橋梁狀態(tài)識(shí)別子系統(tǒng)的中心任務(wù)是將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息轉(zhuǎn)化為反映結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的信息，在此基礎(chǔ)上對(duì)安全狀態(tài)信息進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)即可獲得結(jié)構(gòu)在特定時(shí)刻的安全程度及其健康狀況，為

26、橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營及維護(hù)決策提高科學(xué)依據(jù)。通俗地講，結(jié)構(gòu)狀態(tài)識(shí)別子系統(tǒng)起到了“解碼器”的作用，即對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息進(jìn)行“解碼”，將其轉(zhuǎn)化為明確的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)信息。在缺乏結(jié)構(gòu)狀態(tài)和損傷識(shí)別子系統(tǒng)的情況下，無論結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)信息多么全面和準(zhǔn)確，都無法根據(jù)這些信息把握結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，因而無法進(jìn)行科學(xué)的運(yùn)營和養(yǎng)護(hù)決策。因此，對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營監(jiān)測(cè)綜合管理系統(tǒng)而言，狀態(tài)識(shí)別子系統(tǒng)至關(guān)重要，是評(píng)價(jià)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否成功、對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)營維護(hù)能否提供依據(jù)的重要指標(biāo)之一。由于結(jié)構(gòu)狀態(tài)識(shí)別和損傷識(shí)別是由結(jié)構(gòu)響應(yīng)反演結(jié)構(gòu)狀態(tài)的問題，屬于系統(tǒng)辨識(shí)問題。該類問題理論上非常復(fù)雜，對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)更是如此。因此，應(yīng)在深入系統(tǒng)地研究其相關(guān)

27、理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性及損傷特性確定適當(dāng)?shù)淖R(shí)別解決方案，即確定科學(xué)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)信息“解碼”機(jī)制。為基于結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的準(zhǔn)確識(shí)別，首先根據(jù)結(jié)構(gòu)狀態(tài)識(shí)別的功能要求將結(jié)構(gòu)狀態(tài)識(shí)別子系統(tǒng)分為內(nèi)力狀態(tài)識(shí)別模塊和損傷識(shí)別模塊兩個(gè)模塊。其中，內(nèi)力狀態(tài)識(shí)別模塊側(cè)重于結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)的反演；而損傷識(shí)別模塊則側(cè)重于根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)靜力響應(yīng)獲得結(jié)構(gòu)的整體損傷信息。兩個(gè)模塊相輔相成，聯(lián)合應(yīng)用兩個(gè)模塊的信息即可把握結(jié)構(gòu)的整體安全狀況。其中，內(nèi)力狀態(tài)識(shí)別模塊主要識(shí)別結(jié)構(gòu)的恒載內(nèi)力狀態(tài)。結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)識(shí)別和損傷狀態(tài)識(shí)別均基于結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)有限元模型進(jìn)行，基準(zhǔn)有限元模型的建立是關(guān)鍵。首先根據(jù)結(jié)構(gòu)的施工監(jiān)控等信息建立結(jié)

28、構(gòu)的初始有限元模型，隨著結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的運(yùn)營，不斷引入結(jié)構(gòu)的響應(yīng)信息及結(jié)構(gòu)的損傷信息修正有限元模型，獲得能夠充分反映結(jié)構(gòu)自身特性的有限元基準(zhǔn)模型。由于結(jié)構(gòu)的功能退化、結(jié)構(gòu)損傷、結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布等因素，結(jié)構(gòu)有限元基準(zhǔn)模型是時(shí)變模型。當(dāng)前時(shí)刻的有限元基準(zhǔn)模型是基于前一時(shí)刻的結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)識(shí)別結(jié)果及結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)信息得到，基于當(dāng)前時(shí)刻的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息和前一時(shí)刻有限元基準(zhǔn)模型進(jìn)行當(dāng)前時(shí)刻的內(nèi)力狀態(tài)損傷狀態(tài)識(shí)別，根據(jù)兩種信息建立新的有限元基準(zhǔn)模型。上述流程如圖6.1所示。圖6.1 結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別和內(nèi)力狀態(tài)識(shí)別流程示意圖由于結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜力測(cè)試數(shù)據(jù)不可避免地含有觀測(cè)噪聲，因此不確定性是結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)識(shí)別和損傷狀態(tài)識(shí)別的本質(zhì)

29、屬性。為避免結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)識(shí)別和損傷識(shí)別的誤判問題，引入概率參數(shù)結(jié)構(gòu)理論和蒙特卡羅隨機(jī)有限元理論，將正則化方法引入?yún)?shù)識(shí)別過程抑制其不適定性，采用蒙特卡羅法獲得待識(shí)別參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征。首先采用概率參數(shù)結(jié)構(gòu)的思想建立有限元基準(zhǔn)模型，在此基礎(chǔ)上基于概率可靠度理論實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)狀態(tài)即損傷狀態(tài)的自動(dòng)識(shí)別。結(jié)構(gòu)初始概率參數(shù)結(jié)構(gòu)根據(jù)結(jié)構(gòu)的施工監(jiān)控及由成橋荷載試驗(yàn)獲得的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息獲得。概率參數(shù)基準(zhǔn)有限元模型建立的流程圖如圖6.2所示。在概率參數(shù)結(jié)構(gòu)的建立過程中，利用了蒙特卡羅法的基本思想，即根據(jù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差水平對(duì)當(dāng)前結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)響應(yīng)進(jìn)行多次攝動(dòng)，基于每次攝動(dòng)結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)的各關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，對(duì)于結(jié)構(gòu)的每個(gè)

30、關(guān)鍵參數(shù)均能夠獲得多個(gè)識(shí)別結(jié)果。對(duì)所有的參數(shù)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，即可獲得其主要的統(tǒng)計(jì)特征。這一統(tǒng)計(jì)特征中不僅充分反映的結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，而且充分體現(xiàn)了觀測(cè)誤差的影響。依據(jù)識(shí)別結(jié)果，即可建立概率參數(shù)結(jié)構(gòu)。以此流程為藍(lán)本，可以建立任意時(shí)刻的概率參數(shù)結(jié)構(gòu)模型?；谠撃Ｐ停鶕?jù)概率統(tǒng)計(jì)理論的基本思想進(jìn)行結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)和損傷狀態(tài)識(shí)別，可以有效避免由觀測(cè)噪聲、模型不確定性引起的誤判問題。圖6.2 概率參數(shù)基準(zhǔn)有限元模型建立的流程圖1.7 結(jié)構(gòu)安全綜合評(píng)估子系統(tǒng)1.7.1 綜合評(píng)估子系統(tǒng)總體方案該方案提出了綜合人工巡檢與傳感器監(jiān)測(cè)的綜合評(píng)估子系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)總體方案參見圖。該子系統(tǒng)除了涉及對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性、適用性以及耐久性三個(gè)方面的評(píng)估和利用外，增加了對(duì)人工巡檢結(jié)果的評(píng)估過程，以實(shí)現(xiàn)基于對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)信息和人工巡檢信息的綜合利用。圖7.1.1 綜合評(píng)估子系統(tǒng)總體方案圖1.8 用戶界面子系統(tǒng) 1.8.1 用戶界面主應(yīng)用框架主應(yīng)用框架提供了一個(gè)基礎(chǔ)應(yīng)用框架，實(shí)現(xiàn)對(duì)功能模塊的初始化和調(diào)用管理，動(dòng)態(tài)加載擴(kuò)展模塊并實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展模塊的用戶界面部分的調(diào)用接口，主應(yīng)用框架提供基礎(chǔ)的GIS模型加載和管理功能，并通過工具欄、菜單、右鍵菜單等用戶界面實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展模塊的功