健康監(jiān)測系統(tǒng)設計方案

1、天津市海河大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)初步設計方案天津市市政工程研究院2009年3月1/10天津市海河大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)初步設計方案9/101 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識的局限性，早期的監(jiān)測手段比較落后，在工程應用上一直沒有得到很好的發(fā)展。20世紀80年代以來，在北美、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

2、事件，這些災難性事故不僅引起了公眾輿論的嚴重關(guān)注，也造成國家財產(chǎn)的嚴重損失，威脅到人民生命安全。國外從20世紀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522mM的三跨變高度連續(xù)鋼箱梁橋Foyle橋上布設傳感器，監(jiān)測大橋運營階段在車輛與風荷載作用下主梁的振動、撓度和應變等響應，同時監(jiān)測環(huán)境風和結(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194mM的Flintshire獨塔斜拉橋、日本主跨為1991mM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GreatBeltEast懸索橋、挪威主跨為530m的Skarnsunder斜拉橋、美國主跨為44

3、0m的SunshineSkywayBridge斜拉橋以及加拿大的ConfederatioBridge橋。中國自20世紀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LantauFixedCrossing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)測用的傳感設備，以備運營期間的實時監(jiān)測。導致橋梁結(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)擴展是造成許多橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生災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

4、程度上是由于構(gòu)件疲勞和監(jiān)測養(yǎng)護措施不足，從而嚴重影響構(gòu)件的承重能力和結(jié)構(gòu)的使用，進而發(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)識別和橋梁運營過程中的損傷檢測，預警及適時維修，有助于從根本上消除隱患及避免災難性事故的發(fā)生?，F(xiàn)代大跨橋梁設計方向是更長、更輕柔化、結(jié)構(gòu)形式和功能日趨復雜化。雖然在設計階段已經(jīng)進行了結(jié)構(gòu)性能模擬實驗等科研工作，然而由于大型橋梁的力學和結(jié)構(gòu)特點以及所處的特定氣候環(huán)境，要在設計階段完全掌握和預測結(jié)構(gòu)在各種復雜環(huán)境和運營條件下的結(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)濟合理的維修計劃、實現(xiàn)安全經(jīng)濟的運行及查明不可接受的響應原因，建立大跨橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)

5、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)濟損失。橋梁健康監(jiān)測就是通過對橋梁結(jié)構(gòu)進行無損檢測，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行診斷，對橋梁的服役情況、可靠性、耐久性和承載能力進行智能評估，為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁運營狀況嚴重異常時觸發(fā)預警信號，為橋梁的維修、養(yǎng)護與管理決策提供依據(jù)和指導。安裝結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是提高橋梁的養(yǎng)護管理水平，保證橋梁安全運營的高效技術(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

6、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。為了節(jié)約資源、降低工程造價，應充分發(fā)揮兩個系統(tǒng)的共享性，對上述兩個系統(tǒng)進行統(tǒng)籌規(guī)劃和實施，即采取統(tǒng)一設計、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 海河大橋工程簡況集疏港公路二期中段工程起點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港鐵路一線，新港二號路，三號路，進港鐵路二線，新港四號路，泰達大街，會展中心入口，第五大街，第八大街，第九

7、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，除起點引路約500M和海河大橋南側(cè)收費站前后各約300M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，設計速度V=80km/h，雙向八車道。本橋位于海河入?？谔帲赂鄞l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)?3M,橋梁起點位于海河南岸現(xiàn)狀海河大橋收費站處，終點止于新港二號路，與城區(qū)

8、段高架橋相接，橋梁全長2030M，其中跨越海河主橋采用獨塔斜拉橋，利用河中島嶼布置主塔，主跨為310M，具體跨徑布置為46+3X48+310M，主橋全長500M。兩側(cè)引橋為預應力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+2X50+2X40M。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。本橋主梁采用混合梁結(jié)構(gòu)，即主跨310M大部分采用鋼梁，全部邊跨以及主跨靠近主塔20.8M長度范圍內(nèi)梁段采用預應力混凝土梁結(jié)構(gòu)，梁高均為3M，如圖2、圖3所示。鋼箱梁采用單箱閉口斷面形式，梁高3.0M，高跨比為1/103，高寬比為1/7.3。主梁每

9、16M為一段，在索錨點處設置主橫梁，其他位置每隔3.2M設置普通橫梁。預應力混凝土箱梁，普通段采用與鋼梁外形一致的單箱閉口斷面形式。梁高3.0M,橫梁間距為4.0M。鋼梁與預應力混凝土梁連接形式，根據(jù)混合梁斜拉橋的受力特點，結(jié)合部位置選擇310M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。為使應力有效均勻擴散，在鋼室內(nèi)設置剪力銷，對接合部內(nèi)填充混凝土并施加預應力，以確保鋼箱梁與預應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163.3M,

10、橋面以上為126.9M，見圖4所示。塔身采用矩形空心截面，RC結(jié)構(gòu)，有上下兩道預應力混凝土橫梁，上橫梁位于拉索錨固區(qū)之下，梁高5M；下橫梁位于主梁之下，高度6M。橋塔主要構(gòu)造與尺寸如下：塔柱順橋向?qū)?8M；橫橋向?qū)挘合滤鶠?.57.0M，上塔柱為3.04.5M。橫斷面為箱型斷面，壁厚60150cm不等，箱壁配置橫向預應力鋼束。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，主梁在橋塔處設置0號索的全漂浮體系。在橋塔橫梁和主梁之間設置縱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

11、墩設置支座，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1.52.5M,在主梁上主跨范圍內(nèi)的索距為16m,邊跨范圍內(nèi)設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的低松弛高強平行鍍鋅鋼絲成品束，標準強度為1670PMa。外層防護采用熱擠雙層高密度PE防護套，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11-rHII里.n圖3鋼主梁橫截面圖圖4塔柱立面及剖面圖3 系統(tǒng)設計原則與功能目標3.1系統(tǒng)設計依據(jù)(1>"關(guān)于市政公路大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)建設和管理工作的批復"，天津市建設管理委員會

12、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)建設和管理工作的批復的通知”，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>天津市海河大橋設計圖紙?zhí)旖蚴惺姓O計研究院(6>公路橋涵設計通用規(guī)范JTGD60-2004(7>公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范JTGD62-2004(8>公路斜拉橋設計規(guī)范<試行)JTJ027-96(9>工程測量規(guī)范GB50026-93

13、(10>工程振動測量儀器和測試技術(shù)標準中國計量出版社，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)量檢驗評定標準GBJ303-883.2 系統(tǒng)設計原則海河大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)工程設計原則是：(1>結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)的設計、施工和運營的具體特點和實際情況，遵循適用、經(jīng)濟、長期、高效的原則進行健康監(jiān)測集成共享系統(tǒng)的優(yōu)化設計。(2>采用技術(shù)成熟、性價比高的配套產(chǎn)品，保證系統(tǒng)的精確性、穩(wěn)定性；設置適度冗余的傳感器及相關(guān)設備，保證系統(tǒng)的可靠性，并滿

14、足系統(tǒng)改進、擴展和完善的需求。(3>采用開放式設計，保證系統(tǒng)具有良好的升級性、遠程數(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、實驗隊伍，貫徹質(zhì)量方針和目標，精心組織，科學實施，嚴格質(zhì)量控制，確保工程質(zhì)量和施工安全。3.3 功能目標橋梁運營階段健康監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測大橋的環(huán)境，荷載，主梁的應力、變形及振動，斜拉索的索力、橋塔應力、變形及振動，對橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)改變及損傷進行評估，以保障橋梁在運營過程的安全，也可以在結(jié)構(gòu)遭

15、受突發(fā)性荷載、嚴重超載、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)進行及時和恰當?shù)酿B(yǎng)護與維修，從而盡量延長結(jié)構(gòu)安全運營的時間，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)初步設計方案進行評審，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，對原設計方案進行修改，編制此文件。4 健康監(jiān)測系統(tǒng)方案設計4.1傳感器子系統(tǒng)根據(jù)海河大橋的結(jié)構(gòu)特點，需要對該橋的以下部位及內(nèi)容進行監(jiān)控：（1環(huán)境（風、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

16、、梁端位移）（4主梁和橋塔應力（5斜拉索索力（6結(jié)構(gòu)動力特性主梁、主塔振動）為達到以上監(jiān)測目的，同時需要結(jié)合環(huán)境的變化情況進行分析數(shù)據(jù)。傳感器子系統(tǒng)是由對環(huán)境參數(shù)、應力應變、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，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、風速等2視頻子模塊橋面交通狀況3變形監(jiān)測子模塊橋塔變位、主梁線形4應變（應力監(jiān)測子模塊關(guān)鍵截面應變（力及其變化

17、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，因此應在橋位處安裝環(huán)境監(jiān)測設備。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；通過環(huán)境監(jiān)測激活危險狀態(tài)數(shù)據(jù)采集；通過風荷載監(jiān)測，把握該橋址處的風荷載真實狀況；利用溫度監(jiān)測結(jié)果修正監(jiān)測的應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。的溫度和相對濕度，塔柱水位變化位置和主梁內(nèi)埋設梯形陽極腐蝕監(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

18、監(jiān)測子系統(tǒng)與視頻監(jiān)測系統(tǒng)協(xié)同工作，當結(jié)構(gòu)響應子系統(tǒng)反映受力指標超限時，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1臺監(jiān)測攝像機，對主塔兩側(cè)交通狀況進行監(jiān)控，在主梁下安裝兩臺攝像機，監(jiān)測橋下通行狀況。因攝像機24小時在室外工作，所以攝像機安裝有云臺、風扇、防護罩、加熱器、雨刷等設施。鋪設同軸電纜，將視頻信號傳輸?shù)街锌厥业木W(wǎng)絡視頻服務器。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：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

19、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)測能夠達到以下目的：修正計算結(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)測傳感器布設及實施方案主梁標高變化的監(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。全橋布置9個溫、濕度計，2個風速儀，2個梯形陽極腐蝕監(jiān)測儀。風速

20、儀安裝于塔頂和主跨跨中，監(jiān)測環(huán)境風速、風向和風攻角；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)主橋變形安裝1+2套GPS進行監(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位移傳感器，監(jiān)測伸縮縫變形。各測點傳感器布置見附圖J-3。圖5連通測壓管工作原理4.1.4應變(應力及溫度場監(jiān)測(1應力監(jiān)測重點結(jié)構(gòu)應力是判斷結(jié)構(gòu)安全最直接的指標，結(jié)構(gòu)亞健康狀態(tài)往往將導致應力超限或應力異常重分布，所以對于應力的異常變化應給予足夠的重視，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)應力監(jiān)測主要目的在于：直接

21、判斷測試位置應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，研究溫度應力及溫度導致的結(jié)構(gòu)變形變化；完成應變傳感器的補結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測要求傳感器應具有較好的長期穩(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，但通過在應變測點布設的光纖溫度傳感器對溫漂進行修正后可以基本上消除溫度影響。應變監(jiān)測傳感器布設及實施方案共布置13個應變監(jiān)測斷面，測點布置見附圖J-4。1在主梁邊跨、主跨、鋼箱梁與預

22、應力鋼筋混凝土梁結(jié)合處布設9個斷面，每個斷面布設78個光纖光柵應變傳感器，共67個應變傳感器。2在下塔柱、中塔柱底部各布設1個斷面，每個斷面8個光纖光柵應變傳感器。3在塔柱上橫梁中部布設2個斷面，共8個光纖光柵應變傳感器。4為了對光纖光柵應變傳感器進行溫度補償，在主梁各截面每個截面應變傳感器相同位置布設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，在對光纖光柵應變傳感器進行補償?shù)耐瑫r，監(jiān)測主塔兩側(cè)及橫梁頂?shù)酌娴娜照諟夭钭兓?.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，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

23、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)采集系統(tǒng)較復雜，對傳輸線的要求較高；光纖光柵智能索可以較準確地測量拉索的應變，但是成品索的制作和運輸要求較高，本方案采用磁通量傳感器監(jiān)測斜拉索索力

24、，從而直接進行拉索的安全評定。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：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)特性進行比較,判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷；進一步對有限元模型進行修正，從而可以進行多荷載和復雜環(huán)境條件下橋梁結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)深入計算分析并進行橋梁結(jié)構(gòu)的安全評定和預警。結(jié)構(gòu)動力特性監(jiān)測傳感器布設及實施方案為監(jiān)測斜拉橋主梁的動力特性，對斜

25、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2個單向加速度傳感器，測點布置見附圖J-6。梁結(jié)構(gòu)的實際受力特點和規(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。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4.2.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計考慮數(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

26、測索力方策略等幾個方面。案。該橋不是很長，信號衰減不明顯，因此，采用一個數(shù)據(jù)采集站進行數(shù)據(jù)的集中采集。數(shù)據(jù)采表2海河大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)傳感器數(shù)量統(tǒng)計程工測監(jiān)EE注備環(huán)境與外荷載載荷風儀速風2向>風陵和溫速測皿具測兼監(jiān)<度U0梁溫柵光纖光66場度溫和償、溫溫柵光纖光2內(nèi)塔計度濕溫6溫境環(huán)計度濕溫2溫境環(huán)梁主橋儀測監(jiān)蝕極陽形APP梯2i4測監(jiān)頻視結(jié)構(gòu)性態(tài)響應度速加面橋2刊器力感式傳容塔橋4面橋6塔橋一一塔橋面橋管O41梁光66測監(jiān)力應光24索拉斜器感倚量通磁242計合262集站塔梁結(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)

27、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)4.2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，本次設計為：在

28、橋梁結(jié)構(gòu)運行的初期，采取24小時連續(xù)采集的策略；運行30天后，對數(shù)據(jù)進行分析，揭示橋梁結(jié)構(gòu)實際受力特點和規(guī)律，根據(jù)橋基于PC-BASED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、運算能力強、通訊能力強、開發(fā)成本低廉。因此，基于PC-BASED的DA&C系統(tǒng)在中小型的非專屬測控系統(tǒng)中得到了廣泛的應用?；赑C-BASED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)計算機上，將外部信號

29、通過導線引至數(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。在計算機上，通過定制的軟件就可以進行信號采集。其優(yōu)點是成本較低，速度塊，如1MHz數(shù)據(jù)采集等，缺點是可靠性一般，同時布線費用較高。(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，上位機通過定制的軟件和智能模塊通訊。優(yōu)點是易維護、布線簡單、可靠性高，缺點是采樣速度低、成本較高。在橋梁監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集和傳輸設計中，我們遵循的是與傳感器性能以及監(jiān)測信號匹配設計原則，即對于靜

30、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)儀和相應的配件、靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)采集卡、工控機、PCI機箱。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)(注意請加上護線槽、走線布置圖、數(shù)據(jù)采集站。(2遠程無線傳輸系統(tǒng)4.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與結(jié)構(gòu)安全評定及預警子系統(tǒng)本子系

31、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)有限元模型修正方法，多種結(jié)構(gòu)安全評定方法，多級結(jié)構(gòu)預警水平和預警系統(tǒng)。風荷載的統(tǒng)計分析，包括平均風速、極值風速、風向及其聯(lián)合概率分布、脈動風速譜、疲勞風速譜。溫濕度分析：給出溫濕度實時變化的曲線。應變和應力分析：剔除徐變的應變和應力分析，應變和應力的分布范圍統(tǒng)計分析，應變和應力的趨勢變化分析和極值分析，應變和應力與溫濕度之間的關(guān)系分析，應變和應力與車輛荷載之間的相關(guān)性分析，應變和應力與風荷載之間的相關(guān)性分析。對危險狀況進行預警。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行預警。拉索索力分析：主

32、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變監(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行預警。模態(tài)分析：根據(jù)加速度傳感器、GPS和應變傳感器的測試結(jié)果，采用多種方法，進行模態(tài)分析，獲得海河大橋的頻率、振型和阻尼比。進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)分析的基礎上，對海河大橋的有限元模型進行修正；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行深入分析；采用修正的有限元模型，將監(jiān)測的車輛、風、

33、溫濕度等荷載和環(huán)境施加在有限元模型上，進行結(jié)構(gòu)反應分析，與測試結(jié)果進行比較，并對未安裝傳感器但結(jié)構(gòu)反應較大的部位進行提示性預警；同時根據(jù)耐久性理論，計算結(jié)構(gòu)的時變承載力，調(diào)整預警閾值。安全評定：斜拉索強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行集成，使系統(tǒng)自動運行，并可以通過網(wǎng)絡進行遠程控制。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

34、統(tǒng)的集成界面，為用戶提供一個友好的、一致的、易學的、易用的、美觀的、分布式的操作平臺，把整個系統(tǒng)有機地結(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、遠程訪問的方法與功能。本子系統(tǒng)具有以下特點：分布式的操作平臺，提供本地用戶及遠程移動用戶的訪問；用戶操作的友好的、一致性、易學性、易人為破壞。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。

35、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)的維護與管理提供便利，也為各應用子系統(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、升級和服務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)維護及維修計劃信息。系統(tǒng)建成并試運行后2年為系統(tǒng)后期維護及服務周期，在此周期內(nèi)系統(tǒng)承擔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)過標定合格后，方可安裝使用，保證傳感器的安

36、裝牢固、長效，安裝過程中注意對傳感器的保護，嚴格按照各自的施工說明進行。(2>保證數(shù)據(jù)采集站室內(nèi)干燥；(3>健康監(jiān)測系統(tǒng)建設的基本步驟：a>光纖傳感器安裝與施工同時進行；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；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)控中心的建設及服務器的調(diào)試；g>數(shù)據(jù)采集與分析；健康監(jiān)測系統(tǒng)的施工進度配合結(jié)構(gòu)施工同步進行。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，需要進行妥善管理，避免造成(2>GPS基站和數(shù)據(jù)采集站建設請甲方負責協(xié)

37、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)整體的維護費用主要為硬件設備的維修與更換，具體費用按各子系統(tǒng)硬件的壽命確定。在現(xiàn)場傳感器安裝和系統(tǒng)建設時期，需甲方給予全力配合，保護好成品、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，各項費用明細詳見表3。表3海河大橋橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)費用表序號產(chǎn)品名稱單位數(shù)量單價V元)總額V萬兀)一、傳感器部分1光纖光柵應變傳感器個91160014.562光纖光柵溫度傳感器個79130010.273磁通量傳感器個24900021.604錨下測力計個2140002