斜拉橋健康監(jiān)測(cè)實(shí)施方案

家沱長(zhǎng)江大橋

長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)方案

專業(yè)資料

交通大學(xué)

2009年5月

目錄

一、項(xiàng)目概況及意義...............................................................1

1.1?*???????*???????*???????*???????*???????*???????*???????*???????*???????*???????*???????*???????*???????*???????*?????1

1.1.1工程概況................................................................1

1.2本橋健康監(jiān)測(cè)的意義及必要性...............................4

1.3本橋健康監(jiān)測(cè)的難點(diǎn)7

二、大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì).....................................................7

2.1設(shè)計(jì)原則..................................................................8

2.2系制能總框架............................................................9

2.3系統(tǒng)硬件總框架............................................................9

三、健康監(jiān)測(cè)圍..................................................................10

3.1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圍...............................................................10

3.2定期監(jiān)測(cè)圍...............................................................10

四、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)方法..........................................................11

4.1監(jiān)測(cè)方案的特殊要求.......................................................11

4.2橋梁位移變形監(jiān)測(cè).........................................................12

4.3主梁、索塔控制截面應(yīng)力監(jiān)測(cè)...............................................17

4.4溫度監(jiān)測(cè).................................................................20

4.5大雕構(gòu)動(dòng)力特蠅測(cè).....................................................22

4.6斜拉索索力監(jiān)測(cè)...........................................................25

4.7風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè).............................................................27

4.9全橋傳感器測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況匯總...............................................32

五、數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和控制子系統(tǒng)............................................31

5.1數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)...........................................................31

5.2”...........................................................................................................................33

5.3數(shù)題理和控制子系統(tǒng).....................................................35

六、系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)..............................................................36

6.1數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng).........................................................36

6.2.................................................................................................................37

6.3數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)...........................................................38

七、結(jié)構(gòu)健康評(píng)估...............................................................39

7.1總體設(shè)計(jì)..................................................................39

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7.2家沱長(zhǎng)江大橋評(píng)彳瞬型......................................................40

八、系統(tǒng)運(yùn)行管理及人員培訓(xùn)1.....................................................................................................................45

8.1系統(tǒng)管理.................................................................45

8.2人員培訓(xùn).................................................................45

九、現(xiàn)有工作基礎(chǔ)...............................................................47

十、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益、推廣應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化前景........................................49

10.1技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益分析......................................................49

10.2推廣應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化前景...................................................49

十一、計(jì)劃實(shí)施年限、經(jīng)費(fèi)概算與資金籌措..........................................51

11.1年度................................................................51

11.2人員組成................................................................51

11.3經(jīng)費(fèi)概算................................................................52

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一、項(xiàng)目概況及意義

1.1大橋工程概況及現(xiàn)狀

1.1.1工程概況

家沱長(zhǎng)江大橋位于市西郊九龍坡地區(qū)，大橋南岸為家沱工業(yè)區(qū)，北岸為九龍

坡區(qū)。主孔全長(zhǎng)1288m,跨徑組合為：過(guò)渡孔(53m)+主孔

(169m+444m+169m)+過(guò)渡孑L(53m)+南弓|橋(8x50m)，橋面寬度為4車道(中

間設(shè)置分隔帶),寬24m。

圖家沱長(zhǎng)江大橋全景

該橋結(jié)構(gòu)體系為雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，塔、墩固結(jié)。主梁為縱向

懸浮體系，塔梁交叉處設(shè)置橫向限位裝置，在過(guò)渡孔與北臺(tái)及南引橋結(jié)合處設(shè)置

大位移量伸縮縫。

主梁采用扁平的實(shí)心雙主梁斷面，主梁肋高寬橫梁間距為

2.5m,1.7mo

4.5m,設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力鋼束。主梁在中跨的中間部分及邊跨的部分區(qū)段設(shè)置有

縱向預(yù)應(yīng)力鋼束，采用OVM錨具及高強(qiáng)度低松弛鋼絞線。主塔呈花瓶形，塔全

高141.5m,塔身為矩形空心斷面。拉索采用扇形雙索面布置，梁上索距為9m,

在塔上采用不等距排列，索距每個(gè)索面中有對(duì)斜拉索。錨具采

1.5~1.6mo24

用LM7型冷鑄錨錨具。

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主橋兩個(gè)主墩基礎(chǔ)根據(jù)地形及地質(zhì)條件并結(jié)合施工難易程度作了不同的處

理。2#墩采用①2.6~3.2m的變截面挖孔樁基礎(chǔ)，3#墩采用沉井基礎(chǔ)。

該橋于1991年開(kāi)始施工，1997年建成通車。

1.1.2大橋現(xiàn)狀

1997年建成通車后發(fā)現(xiàn)在中跨主梁和主塔斜拉索錨固區(qū)出現(xiàn)了大量裂縫。

當(dāng)時(shí)，業(yè)主委托西南交通大學(xué)對(duì)全橋的裂縫進(jìn)行了普查及成因分析，得到以下結(jié)

論：

(1)主梁裂縫數(shù)量大。主要集中分布在2號(hào)墩16號(hào)錨箱至3號(hào)墩16號(hào)錨箱

之間約150m長(zhǎng)度的中跨梁段，且主要分布在主梁底面及其側(cè)面上。裂縫走向

以沿橋跨縱向?yàn)橹?。裂縫在側(cè)面上的分布主要集中在自梁底面往上0.20-1.

20m的高度圍，梁體底面裂縫分布主要集中在錨箱兩側(cè)。主梁側(cè)面裂縫深度大

多在30-60mm之間，最大深度97mm，間距大多在0.15-0.45m之間，

最大寬度0.90mm;主梁底面裂縫深度大多在20-40mm之間，最大深度91

mm，間距大多在0.10~0.35mm之間，最大寬度0.56mm。

(2)少數(shù)主梁節(jié)段梁底面的側(cè)面上存在橫向和豎向裂縫。裂縫寬度多在0.10

mm以下，最大為0.13mm;裂縫深度一般在20-50mm圍。從裂縫形態(tài)上看,

此類裂縫屬于混凝土收縮裂縫。

⑶橫隔板及頂板裂縫主要集中在中跨2號(hào)墩側(cè)C27-C31,C38?C39、

C41-C43和3號(hào)墩側(cè)C39-C41橫隔板及其附近頂板上。裂縫多分布在橫隔板

與頂板之間的梗肋部位，并沿梗肋向頂板延伸。其它部位裂縫較少。橫隔板裂縫

方向以豎向?yàn)橹?，在橫隔板與主梁結(jié)合部位有一些呈45度走向的斜裂縫；而頂

板上的裂縫多為順橋縱向裂縫，橫向裂縫很少。裂縫寬度多數(shù)在0.10?0.30mm

之間，最大為。橫隔板裂縫長(zhǎng)度多數(shù)不超過(guò)最長(zhǎng)為

0.65mm1m,1.10mo

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(4)2號(hào)墩上游塔柱裂縫主要集中在17-24號(hào)錨箱之間的區(qū)段，其它3個(gè)塔

柱裂縫主要集中在20?24號(hào)錨箱之間的區(qū)段，裂縫基本上呈水平走向。在3號(hào)

墩下游塔柱24號(hào)錨箱上側(cè)，出現(xiàn)最長(zhǎng)裂縫約15m。3號(hào)墩下游塔柱西南角南面

裂縫深度多在30-60mm之間，最大深度64mm;其它位置的裂縫深度多在

20-40mm之間。

(5)主梁和橋塔混凝土裂縫為非結(jié)構(gòu)性受力裂縫。

(6)既有裂縫不會(huì)影響橋梁目前的正常運(yùn)營(yíng)。

(7)考慮到梁體混凝土裂縫的數(shù)量、寬度、深度等均較大，部分裂縫已經(jīng)深

入到主筋以，將會(huì)嚴(yán)重影響到橋梁的耐久性。

根據(jù)裂縫成因綜合結(jié)論，當(dāng)時(shí)對(duì)橋塔和主梁的裂縫進(jìn)行整治，同時(shí)也對(duì)塔柱

上封錨碎進(jìn)行整治，以達(dá)到封閉裂縫、防止裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展的目的。

2008年底進(jìn)行的橋梁外觀檢查，反映出該橋目前主要缺陷有：

1)塔柱已外觀共發(fā)現(xiàn)裂縫20條，最長(zhǎng)的達(dá)8m,裂縫寬度最寬達(dá)0.25cm;

多處由于鋼筋銹蝕膨脹引起的碎脫落；3處碎空洞；鋼筋露筋，個(gè)別鋼筋銹蝕嚴(yán)

重；23處預(yù)埋鋼板外露并有不同程度的銹蝕；約80%的拉桿位置鋼管頭外露銹

蝕；塔柱外觀涂裝多處大面積開(kāi)裂、起殼、脫落。

2)主橋車行道部分出現(xiàn)原修補(bǔ)處的瀝青硅鋪裝層周邊冒漿，瀝青碎路面出

現(xiàn)網(wǎng)狀裂縫及橫、縱、斜向裂縫并同時(shí)有洞穴、坑函等現(xiàn)象，部分瀝青混凝土碎

裂和空鼓，在主橋車行道2號(hào)墩邊跨，3號(hào)墩下游中跨處出現(xiàn)了穿透型裂縫和瀝

青碎脫落的現(xiàn)象。

3)主引橋鋼護(hù)欄和立柱出現(xiàn)點(diǎn)狀銹蝕，在交接處銹蝕嚴(yán)重，主梁底部已銹

穿。伸縮縫錨固混凝土開(kāi)裂，出現(xiàn)裂縫，主橋主梁底板部分出現(xiàn)了滲水和露筋現(xiàn)

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象。

4）橫系梁出現(xiàn)了斜裂縫，在3號(hào)墩上游中跨20號(hào)索出現(xiàn)了3處滲水。

5）拉索邊中跨總索力差值最大變化至成橋索力值的4.15%（2#墩2008

年6月中跨下游）,設(shè)計(jì)值的8.06%（3#墩2008年6月中跨下游X

1.2本橋健康監(jiān)測(cè)的意義及必要性

1.2.1橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展

許多都在一些已建和在建的大跨橋梁上進(jìn)行了有益的嘗試：丹麥曾對(duì)總長(zhǎng)

1726m的Faroe跨海斜拉橋進(jìn)行施工階段及通車首年的監(jiān)測(cè)，另外，他們?cè)谥?/p>

跨1624m的GreatBeltEast懸索橋上也開(kāi)始了相關(guān)的嘗試；泰國(guó)與韓國(guó)目前

也已開(kāi)始在重要橋梁上安裝永久性的實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)整體與安全性報(bào)警設(shè)備;香港的青

馬大橋、地的虎門大橋、徐浦大橋、江陰大橋等在施工階段也已開(kāi)始傳感器的安

裝，以備將來(lái)運(yùn)營(yíng)期間的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這些健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的成功開(kāi)發(fā)與應(yīng)用將起到

確保橋梁安全運(yùn)營(yíng)、延長(zhǎng)橋梁使用壽命的作用。同時(shí)通過(guò)早期橋梁病害的發(fā)現(xiàn)能

大大節(jié)約橋梁的維修費(fèi)用，可以避免最終頻繁大修關(guān)閉交通所引起的重大損失。

目前，國(guó)外已經(jīng)采用了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的部分橋梁見(jiàn)表

表1.1安裝了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的部分橋梁

橋名結(jié)構(gòu)類型跨度（m）位置

明石海峽大橋懸索橋960+1990+960日本

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GreatBelt懸索橋535+1624+535丹麥

江陰橋懸索橋1388中國(guó)

青馬橋懸索橋1375中國(guó)香港

Namhae懸索橋128+404+128韓國(guó)

SeohaeBridge斜拉橋60+200+470+200+60韓國(guó)

Sharsundet斜拉橋240+530+240挪威

RamalX斜拉橋166+450+166泰國(guó)

距石.島橋斜拉橋700日本

Storck'sBridge斜拉橋63+61瑞士

徐浦大橋斜拉橋590中國(guó)

濱州黃河大橋斜拉橋84+300+300+84中國(guó)

松花江大橋斜拉橋主跨365中國(guó)

大佛寺長(zhǎng)江大橋斜拉橋198+450+198中國(guó)

長(zhǎng)江大橋斜拉橋+312+中國(guó)

東營(yíng)黃河大橋斜拉橋60.5+136.5+288+136.5+6中國(guó)

0.5

三門江大橋斜拉橋100+160+100=360中國(guó)

潤(rùn)揚(yáng)大橋斜拉橋175.4+406+175.4中國(guó)

大橋斜拉橋152+370+152中國(guó)

汀九橋斜拉橋127+448+475+127中國(guó)香港

汲水門橋斜拉橋160+430+160中國(guó)香港

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)不只是對(duì)傳統(tǒng)橋梁檢測(cè)技術(shù)的簡(jiǎn)單改進(jìn)，而是運(yùn)用現(xiàn)代的

傳感與通訊技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁運(yùn)營(yíng)階段在各種環(huán)境荷載條件下的結(jié)構(gòu)相應(yīng)與行

為，獲取反映結(jié)構(gòu)狀態(tài)和環(huán)境因素的各種信息，由此分析結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)、評(píng)估

結(jié)構(gòu)的可靠性，為橋梁的管理與維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。對(duì)于具體的一座橋梁，由于

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其本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和監(jiān)測(cè)重點(diǎn)的不同，因此其相應(yīng)的監(jiān)測(cè)容、規(guī)模、方式和手段

及監(jiān)測(cè)效果也各不相同。

橋梁健康檢測(cè)的基本涵是通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評(píng)估,從而為橋梁工

程在特殊氣候、交通條件下或運(yùn)營(yíng)狀況嚴(yán)重異常時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，為橋梁維護(hù)、

維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。根據(jù)目前國(guó)外最新的發(fā)展，現(xiàn)代橋梁健康監(jiān)測(cè)

診斷的主要容可概括為3個(gè)方面：結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的識(shí)別、定位與標(biāo)定；有損橋梁

結(jié)構(gòu)的功能定量評(píng)估，?有損橋梁結(jié)構(gòu)的使用風(fēng)險(xiǎn)趨勢(shì)預(yù)測(cè)。由于運(yùn)營(yíng)中的橋梁結(jié)

構(gòu)及其環(huán)境所獲得信息不僅是理論研究和實(shí)驗(yàn)室調(diào)杳的補(bǔ)充，而且可以提供有關(guān)

結(jié)構(gòu)行為與環(huán)境規(guī)律的最真實(shí)的信息,因此橋梁健康監(jiān)測(cè)帶來(lái)的將不僅是監(jiān)測(cè)系

統(tǒng)和某種特定橋梁設(shè)計(jì)的反思，它還可能并成為橋梁研究的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室。

在目前階段我國(guó)不宜普遍建造橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但精選個(gè)別幾座代表

性的大橋建造高質(zhì)量的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是必要的，因?yàn)樗麄兲峁┝烁咚?/p>

的研究實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。有了高質(zhì)量的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，就可以隨時(shí)做足尺全橋

實(shí)驗(yàn)，從而大大加速我過(guò)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整個(gè)領(lǐng)域的研究。

1.2.2本橋健康監(jiān)測(cè)意義

近年來(lái)隨著大跨徑橋梁的輕柔化及形式與功能的復(fù)雜化，車流量的持續(xù)增

加，對(duì)已建成的橋梁建立長(zhǎng)期的安全健康監(jiān)測(cè)、振動(dòng)和損傷控制系統(tǒng)，將會(huì)越來(lái)

越必要和迫切。健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的成功開(kāi)發(fā)與應(yīng)用將起到確保橋梁安全運(yùn)營(yíng)、延長(zhǎng)

橋梁使用壽命的作用，同時(shí)通過(guò)早期橋梁病害的發(fā)現(xiàn)能大大節(jié)約橋梁的維修費(fèi)

用，可以避免最終頻繁大修關(guān)閉交通所引起的重大損失。在橋梁的建造和長(zhǎng)期服

役過(guò)程中，由于受到車輛、風(fēng)、人為等外部因素以及材料性能的退化、疲勞效應(yīng)

等部因素的影響，橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性有很大的降低，因此，橋

梁健康監(jiān)測(cè)及安全評(píng)估尤為重要。

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家沱長(zhǎng)江大橋已建成運(yùn)營(yíng)12年，經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)橋梁中存在一定程度的病害,

該類型橋梁的健康檢測(cè)系統(tǒng)與新建橋梁的健康檢測(cè)系統(tǒng)有較大的不同，必須考慮

橋梁結(jié)構(gòu)損傷的影響?？山梃b的成橋監(jiān)測(cè)技術(shù)較少，也不完善。相比橋梁設(shè)計(jì)理

論和建設(shè)技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的橋梁測(cè)試技術(shù)相對(duì)落后；為了適應(yīng)上述發(fā)展，

橋梁的長(zhǎng)期在線健康監(jiān)測(cè)技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái)。對(duì)橋梁進(jìn)行長(zhǎng)期在線健康監(jiān)測(cè)，不

但可以驗(yàn)證橋梁的設(shè)計(jì)理論和建設(shè)技術(shù),還可以在營(yíng)運(yùn)期對(duì)橋梁進(jìn)行觀測(cè)，研究

橋梁在正常狀態(tài)下的行為。

考慮到大橋在運(yùn)營(yíng)階段，由于受氣候、氧化、腐蝕和老化等因素影響，在長(zhǎng)

期靜載和活載的作用下容易遭受損壞，尤其是其超載情況嚴(yán)重，大大超出設(shè)計(jì)時(shí)

所預(yù)計(jì)的車流量及超重荷載，從而導(dǎo)致橋梁強(qiáng)度和剛度隨著時(shí)間的增加而降低，

這不僅會(huì)影響安全行車，更會(huì)縮短橋梁的使用壽命。因此，為確保橋梁的使用安

全，有必要針對(duì)本橋特點(diǎn)，建立和發(fā)展一個(gè)長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用現(xiàn)代化的診

斷量測(cè)手段，通過(guò)對(duì)大橋關(guān)鍵部位的空間位置、力學(xué)性能及其變化的長(zhǎng)期和定期

監(jiān)測(cè)、分析，長(zhǎng)期積累數(shù)據(jù)，用來(lái)監(jiān)測(cè)和評(píng)估大橋在運(yùn)營(yíng)期間結(jié)構(gòu)的承載能力、

運(yùn)營(yíng)狀態(tài)和耐久能力，從而確保橋梁的使用安全與延長(zhǎng)壽命，便于實(shí)現(xiàn)防患于未

然，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)的損傷監(jiān)測(cè)，對(duì)大橋結(jié)構(gòu)服役期間出現(xiàn)的損傷進(jìn)行定性、

定位和定量分析，分析其病害狀況及病害成因，為今后進(jìn)一步的橋梁病害防治及

維修加固決策提供科學(xué)可靠的依據(jù)。因此橋梁健康監(jiān)測(cè)不只是傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)加

結(jié)構(gòu)評(píng)估新技術(shù),而是被賦予了結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)控與評(píng)估、設(shè)計(jì)理論驗(yàn)證和設(shè)計(jì)規(guī)的

研究與發(fā)展三方面的意義。

1.3本橋健康監(jiān)測(cè)的難點(diǎn)

1）家沱長(zhǎng)江大橋?qū)儆诮ǔ啥嗄甑念A(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，當(dāng)前結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)

較難確定；

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2）結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別存在較多問(wèn)題；

3）斜拉索索力的監(jiān)測(cè)手段及評(píng)估方法需進(jìn)一步完善；

4）需考慮多類型傳感器的數(shù)據(jù)采集及處理；

5）基于健康監(jiān)測(cè)信息的結(jié)構(gòu)有限元模型修法有待進(jìn)一步研究。

6）實(shí)現(xiàn)將橋梁的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與管理養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合。

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二、大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了更好的了解橋梁的運(yùn)行狀態(tài)，有關(guān)單位定期對(duì)相關(guān)的橋梁進(jìn)行了病害檢

測(cè)，并給出了相應(yīng)的維護(hù)解決方案。對(duì)于新建橋梁，在考慮在施工過(guò)程中就引入

健康檢測(cè)理念，并根據(jù)大橋施工進(jìn)度進(jìn)行安裝調(diào)試。但現(xiàn)有橋梁的健康檢測(cè)系統(tǒng),

由于缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，在設(shè)計(jì)、實(shí)派維護(hù)等過(guò)程中，一般都以各自獨(dú)立的方式進(jìn)

行運(yùn)作，缺乏對(duì)長(zhǎng)遠(yuǎn)的考慮。

鑒于此，對(duì)于主城區(qū)的大型橋梁，考慮按照統(tǒng)一規(guī)劃、分步實(shí)施的原則，建

立總體的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架，根據(jù)項(xiàng)目時(shí)間、資金配比等等，成熟一個(gè)，實(shí)施一個(gè)，

逐步實(shí)現(xiàn)主城區(qū)大型過(guò)江橋梁的集中健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為橋梁的維修、養(yǎng)護(hù)與管理

決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。

新建橋梁：在設(shè)計(jì)過(guò)程中引入健康監(jiān)測(cè)理念，結(jié)合施工監(jiān)測(cè)中的數(shù)據(jù)，在通

車前完成健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝調(diào)試工作；

原有橋梁：通過(guò)體檢，對(duì)橋梁的健康狀況進(jìn)行評(píng)估，然后根據(jù)橋梁的特征和

現(xiàn)狀，實(shí)施健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝。

各個(gè)橋梁的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，既可獨(dú)立運(yùn)行，又能夠提供向上的接口，集成到

上級(jí)監(jiān)控中心的系統(tǒng)里面，最終實(shí)現(xiàn)集中、分權(quán)、分域管理的模式。

專業(yè)資料

圖2.1多座大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成示意圖

目前本建議書(shū)中僅針對(duì)運(yùn)營(yíng)的家沱長(zhǎng)江大橋，根據(jù)以上思路，提出相應(yīng)的系

統(tǒng)方案。

2.1設(shè)計(jì)原則

家沱長(zhǎng)江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)集結(jié)構(gòu)分析計(jì)算、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)等高新技術(shù)于一體的綜合系統(tǒng)工程。為使家沱長(zhǎng)江大橋健

康監(jiān)控系統(tǒng)成為一個(gè)功能強(qiáng)大并能真正長(zhǎng)期用于結(jié)構(gòu)損傷和狀態(tài)評(píng)估，滿足橋梁

養(yǎng)護(hù)管理和運(yùn)營(yíng)的需要，同時(shí)又具經(jīng)濟(jì)效益的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)，遵循如下設(shè)計(jì)

原則：

1）遵循總體設(shè)計(jì)，分步實(shí)施的指導(dǎo)思想；

2）遵循簡(jiǎn)潔、實(shí)用、性能可靠、經(jīng)濟(jì)合理的原則；

3）系統(tǒng)設(shè)置首先需滿足家沱長(zhǎng)江大橋養(yǎng)護(hù)管理和運(yùn)營(yíng)的需要，立足實(shí)用性

原則第一，兼顧考慮科學(xué)試驗(yàn)和設(shè)計(jì)驗(yàn)證等方面因素。

4）根據(jù)結(jié)構(gòu)易損性分析的結(jié)果及養(yǎng)護(hù)管理的需求進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)。

5）易損性分析原則考慮以下方面：

令不同類型的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)、構(gòu)件的工作特征；

令設(shè)計(jì)時(shí)不同類型結(jié)構(gòu)的控制斷面、控制點(diǎn)；

令結(jié)構(gòu)不同類型材料的材料特性、使用特性；

。結(jié)構(gòu)受外部環(huán)境及荷載影響后最易損傷部位；

?；诩扔型愋徒Y(jié)構(gòu)已發(fā)生的損傷部位；

＜目前階段尚未有足夠資料驗(yàn)證的關(guān)鍵部位。

6）監(jiān)測(cè)與結(jié)構(gòu)安全性密切相關(guān)容，主要監(jiān)測(cè)一些有代表性的結(jié)構(gòu)、必須進(jìn)

行監(jiān)測(cè)的重要結(jié)構(gòu)以及日常養(yǎng)護(hù)無(wú)法檢查或檢查非常困難的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

專業(yè)資料

7）從動(dòng)力、靜力、耐久性對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，力求用最少的傳感器和最小的

數(shù)據(jù)量完成工作；

8）以結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測(cè)為主，以力、應(yīng)力、模態(tài)分析為輔助。

9）系統(tǒng)應(yīng)具有可擴(kuò)展性。

2.2系統(tǒng)功能總框架

'傳感涔系統(tǒng)

數(shù)據(jù)妥集系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)

?風(fēng)

信號(hào)調(diào)理

度

?溫?cái)?shù)據(jù)通訊數(shù)據(jù)處理

變

?及?信號(hào)放大,?數(shù)據(jù),收控制?數(shù)據(jù)預(yù)處理

‘?信號(hào)過(guò)渡x

速

加?信號(hào)或送f數(shù)據(jù)次處理

?度?9

度

?撓?模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換?數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

為

:索?數(shù)據(jù)融合處理

斜

傾

儀

段

梁

?位

移敗黑采集

?數(shù)據(jù)采樣數(shù)據(jù)此示

?數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（編檔）?原始數(shù)據(jù)

?數(shù)據(jù)預(yù)處理

?處理后數(shù)據(jù)

?取樣控制?橋梁變形狀況在戰(zhàn)評(píng)估

?系統(tǒng)，作狀態(tài)?分級(jí)預(yù)警

?各類費(fèi)料及參?T作柒態(tài)評(píng)級(jí)

數(shù)?日常報(bào)表

數(shù)據(jù)通訊

?數(shù)據(jù)傳輸X

?控制信號(hào)接收T局域網(wǎng)

離線評(píng)估

?各分項(xiàng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容

?安全、耐久/使用性

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架?綜合評(píng)估

結(jié)構(gòu)健康狀況評(píng)估

圖2.2系統(tǒng)功能總框架圖

2.3系統(tǒng)硬件總框架

專業(yè)資料

李家沱長(zhǎng)江大橋

檢測(cè)區(qū)段橋梁結(jié)構(gòu)各類傳感器檢海區(qū)段橋梁豺構(gòu)

傳感器各美傳想器

子系紛

數(shù)

「集線器集線器|謝印柬

據(jù)為殳魚(yú)柒設(shè)備

采

集專用傳感器調(diào)傳感器調(diào)理采專用傳感器調(diào)11傳晟黯調(diào)理采

子理采集設(shè)備集設(shè)備理采集設(shè)備集設(shè)備

系

統(tǒng)采集計(jì)算機(jī)（WINDOWS采集計(jì)算機(jī)（WINDOWS

操作系統(tǒng)）操作系統(tǒng)》

數(shù)

結(jié)點(diǎn)交換機(jī)|結(jié)點(diǎn)交換機(jī)

據(jù)

傳箱梁內(nèi)工作站機(jī)柜箱梁內(nèi)工作站機(jī)柜

輸

子

系

統(tǒng)

段哀機(jī)及其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備"

數(shù)據(jù)接收，數(shù)據(jù)處理，數(shù):應(yīng)再眼綜介控INTERNETg

數(shù)

據(jù)處Im

據(jù)庫(kù)服務(wù)器（WINDOWS,務(wù)器I網(wǎng)絡(luò)設(shè)備?？?/p>

理

控

與操作系統(tǒng)）監(jiān)控終端

系

制

子

監(jiān)控終端監(jiān)控終端

統(tǒng)

監(jiān)控中心局域網(wǎng)

監(jiān)控終端

圖2.3系統(tǒng)硬件總框架圖

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三、健康監(jiān)測(cè)圍

監(jiān)測(cè)圍的選取應(yīng)遵循傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和人工定期監(jiān)（檢）測(cè)相結(jié)合的原則,

監(jiān)測(cè)容能覆蓋結(jié)構(gòu)評(píng)估的要求。根據(jù)以上原則，考慮到本橋建設(shè)過(guò)程中的特點(diǎn)并

結(jié)合大橋近期實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀況，本橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)圍如下：

3.1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圍

表3.1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圍表

序號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)容監(jiān)測(cè)目的

1索力斜拉索索掌握主要索的索力及加速度振幅情況

力及振幅

2變形實(shí)時(shí)位移掌握主梁撓度變形及主塔偏位實(shí)時(shí)情況

3結(jié)構(gòu)掌握大橋梁部、塔部主要結(jié)構(gòu)斷面的結(jié)構(gòu)溫度情況

4大氣溫度掌握大橋塔外的大氣溫度

環(huán)境

5風(fēng)速風(fēng)向掌握大橋風(fēng)速風(fēng)向，用以推算大橋結(jié)構(gòu)所受到的風(fēng)荷載

6動(dòng)力振動(dòng)掌握大橋梁部、塔部結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)振動(dòng)響應(yīng)，用以計(jì)算結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)

7應(yīng)變掌握大橋動(dòng)靜荷載作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變情況，用以設(shè)置響應(yīng)預(yù)

警閾值

8梁端掌握大橋伸縮縫位置梁端實(shí)時(shí)位移

位移

3.2定期監(jiān)測(cè)圍

表3.2定期監(jiān)測(cè)圍

序定期監(jiān)測(cè)容監(jiān)測(cè)目的

號(hào)

1主墩沉降定期對(duì)主橋橋墩進(jìn)行沉降測(cè)量

2斜拉索索力定期對(duì)未進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的斜拉索索力進(jìn)行測(cè)試

3安全性斜拉索探傷定期對(duì)全部斜拉索的防護(hù)套、錨固系統(tǒng)、減震器進(jìn)行探傷

4混凝土強(qiáng)度定期對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)量，評(píng)估大橋的安全性

5混凝土裂縫定期對(duì)混凝土裂縫進(jìn)行觀測(cè)，評(píng)估大橋的安全性

專業(yè)資料

4氯離子含量定期對(duì)塔部混凝土進(jìn)行混凝土氯離子含量測(cè)量，評(píng)估大橋的耐

耐久性久性

5碳化深度定期對(duì)塔部混凝土進(jìn)行混凝土碳化深度測(cè)量，評(píng)估大橋耐久性

6橋面線形定期進(jìn)行橋面線形測(cè)量，評(píng)估大橋的適用性

適用性

7其它外觀檢橋面狀況、伸縮縫狀況、支座狀況、護(hù)欄狀況、排水設(shè)置狀況、

§照明設(shè)施狀況、其它狀況

定期對(duì)車流量進(jìn)行調(diào)查，為評(píng)估車輛荷載對(duì)大橋健康狀況的影

8其它車流量數(shù)據(jù)響提供依據(jù)。車流量作為影響橋梁工作狀況的重要因素，是深

入分析評(píng)估橋梁狀態(tài)的重要依據(jù)。

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四、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)方法

4.1監(jiān)測(cè)方案的特殊要求

家沱長(zhǎng)江大橋?yàn)榇罂鐝诫p索面混凝土斜拉橋，建成時(shí)間較長(zhǎng)，在多種因素作

用下出現(xiàn)了部分病害。作為在舊有橋梁上建立的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為制定適合該橋

的健康監(jiān)測(cè)方案，需采取以下具體措施：

1、結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力分析計(jì)算：本橋自建成已運(yùn)營(yíng)多年，相比于橋梁的設(shè)計(jì)狀態(tài)

而言，結(jié)構(gòu)剛度、橋梁線形、拉索索力等方面均有所改變，因此，在對(duì)橋梁進(jìn)行

理論計(jì)算分析時(shí)，應(yīng)充分考慮到結(jié)構(gòu)退化對(duì)計(jì)算模型、計(jì)算方法和計(jì)算結(jié)果的影

響，并據(jù)此提出合理的傳感器布設(shè)方式；

2、結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)：由于全部的傳感器均為后安裝方式，監(jiān)測(cè)的數(shù)值多為相

對(duì)量的概念，雖然不影響對(duì)結(jié)構(gòu)健康長(zhǎng)期趨勢(shì)的把握，但無(wú)法獲得可以和設(shè)計(jì)值

直接比較的絕對(duì)值，一定程度上影響了結(jié)構(gòu)健康評(píng)估，為此，需建立結(jié)構(gòu)健康監(jiān)

測(cè)數(shù)據(jù)與施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、成橋試驗(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)系，使結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能在一定程

度上轉(zhuǎn)換成絕對(duì)值；

3、主梁橫隔板應(yīng)力監(jiān)測(cè)：本橋中跨主墩附近的主梁橫隔板出現(xiàn)了豎向及斜

向裂縫，為確定造成裂縫的原因，研究混凝土徐變和剪力滯對(duì)橫隔板受力的影響,

觀察裂縫的發(fā)展趨勢(shì)，指導(dǎo)橋梁管理養(yǎng)護(hù)工作，可在出現(xiàn)病害的橫隔板處布置應(yīng)

變傳感器，建立橫隔板的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)機(jī)制；

4、索力監(jiān)測(cè)：根據(jù)索力長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)的需要，需要對(duì)關(guān)鍵索布設(shè)索力傳感

器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但在大橋長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，可能存在其它拉索也出現(xiàn)索力變化

較大的病害，因此，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具有適應(yīng)索力測(cè)點(diǎn)位置改變或索力測(cè)點(diǎn)數(shù)量增加

的功能；

5、索力計(jì)算：由于家沱長(zhǎng)江大橋斜拉索使用阻尼器，會(huì)影響使用振動(dòng)法測(cè)

得的絕對(duì)索力數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為此，有必要專項(xiàng)分析成橋后的索力計(jì)算公式，并

需收集施工階段、成橋試驗(yàn)、定期檢測(cè)的索力數(shù)據(jù)，以與健康監(jiān)測(cè)所測(cè)得的索力

數(shù)據(jù)做比對(duì)分析；

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6、主墩沉降監(jiān)測(cè)：分析近3年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，主橋橋墩沉降已趨于穩(wěn)定，因

此本系統(tǒng)中將該項(xiàng)作為定期監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，但其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)仍作為重要的狀態(tài)評(píng)估指

標(biāo)。

4.2橋梁位移變形監(jiān)測(cè)

橋梁位移變形監(jiān)測(cè)是利用測(cè)量手段，對(duì)橋梁各控制斷面的位移變形進(jìn)行監(jiān)

測(cè)，并繪編相應(yīng)的位移變形影響線和影響面以檢測(cè)各控制部位位移變形狀態(tài)，從

而為總體評(píng)估大橋的承載能力、營(yíng)運(yùn)狀態(tài)和耐久能力提供依據(jù)。

4.2.1主梁位移變形監(jiān)測(cè)

1、主梁豎向撓度監(jiān)測(cè)

根據(jù)大橋的受力控制斷面，主梁的變形測(cè)量主要選擇了以下幾個(gè)項(xiàng)目。

(1)主梁豎向撓度變形觀測(cè)：采用了基于連通管液位測(cè)量原理的靜力水準(zhǔn)

儀，沿家沱長(zhǎng)江大橋的主梁安裝連通管，并在關(guān)鍵位置引出支管，安裝11個(gè)精

密液位比不動(dòng)點(diǎn)1個(gè)布置在交接墩主梁跨中處)。液位計(jì)布置情況見(jiàn)圖4.1?4.3

所示。

圖4.1主梁撓度監(jiān)測(cè)液位計(jì)布置示意圖

圖4.2主梁撓度監(jiān)測(cè)液位計(jì)橫截面布置示意圖

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系統(tǒng)測(cè)量原珅示意圖

圖4.3主梁測(cè)試斷面、連通液位沉降計(jì)及采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

靜力水準(zhǔn)儀是一種智能型位移傳感器，由精密液位計(jì)、液位罐和連通管組成。

適用于建筑物多點(diǎn)沉降精密測(cè)量，適應(yīng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化測(cè)量。安裝時(shí)將精密液

位計(jì)設(shè)置在被測(cè)點(diǎn)，液位罐設(shè)置在不動(dòng)點(diǎn)（水平基點(diǎn)），并用連通管連接。其原

理是通過(guò)液位的變化測(cè)量被測(cè)點(diǎn)相對(duì)水平基點(diǎn)的沉降變形。溫度變化蒸發(fā)的因素

引起的液位變化對(duì)基準(zhǔn)和各個(gè)測(cè)點(diǎn)有相同的影響，可以通過(guò)相減抵消，而撓度引

起的液位變化對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)和測(cè)點(diǎn)的影響不同，相減后則保留下來(lái)，因而這一系統(tǒng)測(cè)

量不受溫度和液體蒸發(fā)的影響。數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、處理采用SEN-HOR光纖光

柵靜力水準(zhǔn)儀，該系統(tǒng)具有測(cè)試精度高，可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，組網(wǎng)能力強(qiáng)，自帶溫度補(bǔ)

償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，可與其他類型的光纖光柵傳感器組成全光監(jiān)測(cè)網(wǎng)。其儀器主要技術(shù)

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圖4.4SEN-HOR光纖光柵靜力水準(zhǔn)儀

參數(shù)見(jiàn)下表：

表4.1靜力水準(zhǔn)儀參數(shù)表

項(xiàng)目參數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)量程0-100mm

測(cè)量精度l%0F.S.

分辨率0.01mm(在與SEN-01解調(diào)儀配套情況下)

波長(zhǎng)圍1525nm~1565nm

尺寸<J)90x200mm

連接方式FC/PC或熔接

外封裝不銹鋼外殼鎧裝引線

安裝方式打孔或焊接安裝

溫度補(bǔ)償形式自補(bǔ)償

使用溫度-30℃~85℃

(2)主梁縱向位移監(jiān)測(cè)：主梁縱向位移監(jiān)測(cè)也是對(duì)大橋伸縮縫伸縮量的實(shí)

時(shí)監(jiān)測(cè)，是大橋健康監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)重要容。影響伸縮縫伸縮量的基本因素較多，首

先溫度變化是影響伸縮量的主要因素，由于溫度使橋梁部溫度分布不均勻會(huì)引起

大跨徑橋梁端部產(chǎn)生角變位。其次，活載、恒載等會(huì)使橋梁端部發(fā)生角變位，而

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使伸縮裝置產(chǎn)生垂直、水平及角變位。地震對(duì)伸縮裝置的變位影響比較復(fù)雜，目

前還難以把握，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)一般不予考慮。本項(xiàng)目通過(guò)測(cè)量主橋主梁梁端與相

鄰引橋梁端上固定點(diǎn)之間的距離變化來(lái)測(cè)定主梁縱向位移變化規(guī)律，梁端各設(shè)2

個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)4個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用SEN-D2拉線式位移傳感器，其主要技術(shù)參數(shù)為：

表4.2拉線式位移傳感器參數(shù)表

項(xiàng)目參數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)量程0-1m

測(cè)量精度5%oF.S.

分辨率1mm（在與SEN-01解調(diào)儀配套情況下）

波長(zhǎng)圍1525nm~1565nm

尺寸221.5x103x30mm

連接方式FC/PC或熔接

溫度補(bǔ)償形式自補(bǔ)償

使用溫度-30℃~85℃

本橋主梁縱向位移測(cè)點(diǎn)布置如圖4.5所示:

圖4.5主梁縱向位移監(jiān)測(cè)位移傳感器布置示意圖

4.2.2索塔位移監(jiān)測(cè)

索塔作為索支承橋梁的主要承重構(gòu)件，其剛度遠(yuǎn)大于柔性的斜拉索和橋面主

梁。涉及索塔結(jié)構(gòu)安全的主要問(wèn)題有：塔身在強(qiáng)風(fēng)、地震等荷載作用下的穩(wěn)定性;

在縱向不平衡荷載作用下可能導(dǎo)致的橫梁與塔身連接部的開(kāi)裂;塔身混凝土的徐

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變收縮導(dǎo)致的斜拉索下垂和相應(yīng)的索力的變化。

圖4.6傾斜計(jì)

主塔側(cè)移監(jiān)測(cè)：采用傾斜計(jì)進(jìn)行測(cè)量。SEN-TILT光纖光柵傾斜計(jì)可用于對(duì)

本橋主塔整體傾斜進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。傳感器底座通過(guò)焊接或打孔安裝，此系統(tǒng)具有

自動(dòng)溫度補(bǔ)償功能。光纖光柵傾斜計(jì)具有精度高、靈敏度高，自動(dòng)溫度補(bǔ)償，實(shí)

時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，可與其他類型的光纖光柵傳感器組成全光監(jiān)測(cè)網(wǎng)。

表4.3光纖光柵傾斜計(jì)技術(shù)參數(shù)表

項(xiàng)目參數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)量程±5°

測(cè)量精度±0.05°

分辨率0.005°（在與SEN-01解調(diào)儀配套情況下）

波長(zhǎng)圍1525nm?1565nm

尺寸113x32x50mm

連接方式FC/PC