結構健康監(jiān)測

1、工程結構健康監(jiān)測與診斷 沈 圣姓 名： 查 忍 指 導教 師： 170527005學 號： 建筑與土木工程專 業(yè)： 瑯岐大橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)初步設計方案目錄1 橋梁健康監(jiān)測的必要性22瑯岐閩江大橋工程概況33系統(tǒng)設計原則與功能目標73.1 系統(tǒng)設計依據(jù)73.2 系統(tǒng)設計原則83.3 功能目標84 健康監(jiān)測系統(tǒng)方案設計94.1 傳感器子系統(tǒng)9 環(huán)境監(jiān)測10 視頻監(jiān)測系統(tǒng)10 結構變形監(jiān)測10 應變(應力)及溫度場監(jiān)測11 斜拉索索力監(jiān)測12 結構動力性能監(jiān)測13 監(jiān)測傳感器統(tǒng)計134.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)14 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計14 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件系統(tǒng)154.3 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)164.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2、與結構安全評定及預警子系統(tǒng)164.5 健康監(jiān)測網(wǎng)絡化集成技術和用戶界面子系統(tǒng)174.6 中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)174.7 系統(tǒng)后期維護、升級和服務等要求184.8 施工注意事項184.9 其它181 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，大跨度橋梁結構隨著橋齡的不斷增長，結構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，橋梁結構安全監(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

3、洲和亞洲的一些國家和地區(qū)，相繼發(fā)生了橋梁結構的突然性斷裂事件，這些災難性事故不僅引起了公眾輿論的嚴重關注，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522m米的三跨變高度連續(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)境風和結構溫度場。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、挪威

4、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。導致橋梁結構發(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構發(fā)生災

5、難性事故的主要原因。近年來，國內發(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件疲勞和監(jiān)測養(yǎng)護措施不足，從而嚴重影響構件的承重能力和結構的使用，進而發(fā)生事故。理論研究和經(jīng)驗都表明，成橋后的結構狀態(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、結構形式和功能日趨復雜化。雖然在設計階段已經(jīng)進行了結構性能模擬試驗等科研工作，然而由于大型橋梁的力學和結構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構在各種復雜環(huán)境和運營條件下的結構特性和行為是非常困難的。為確保橋梁結構的結構安全、實施經(jīng)濟合理的維修計

6、劃、實現(xiàn)安全經(jīng)濟的運行及查明不可接受的響應原因，建立大跨橋梁結構健康監(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)約橋梁的維修費用，避免出現(xiàn)因頻繁大修而關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構進行無損檢測，實時監(jiān)控結構的整體行為，對結構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。安裝結構健康監(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

7、和監(jiān)測手段，測試橋梁結構的內力、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瑯岐閩江大橋工程概況福州瑯岐閩江大橋見圖1。該橋為雙塔七跨連續(xù)半漂浮體系鋼箱梁斜拉橋，主橋全長1280m，主跨680m ，起止里程K3+023.000 K4+303.000，跨徑布置為（60901506

8、801509060）m，墩號07 號，除亭江側02 號橋墩位于岸上外，其余各墩均位于水中。該橋在兩岸各設引橋一座?，樒鐐纫龢蛴伤幸龢蚺c岸上引橋兩部分組成。水中引橋為60m跨徑的等高度預應力混凝土連續(xù)梁橋，整幅布置，共一聯(lián)9孔，全長540m。岸上引橋為45m跨徑的等高度預應力混凝土連續(xù)梁橋，整幅布置，共兩聯(lián)11（6+5）孔，全長495m。引橋橋面寬25.5m，設雙向2橫坡。主梁采用等高度預應力混凝土連續(xù)箱梁，單箱雙室結構，梁高2.6m；墩身為空心板式結構，基礎采用鉆孔灌注樁。各墩頂豎向均設有隔震支座。該橋設計基準期100 年，大橋主線按雙向四車道一級公路同時兼具城市I級主干道標準進行設計，橋梁

9、橫斷面兩側各布置3.5米緊急停車帶（遠期可以改為雙向六車道），主橋的橋面寬28.7米，引橋橋面寬25.5米。設計行車速度60 公里/小時,設計荷載等級為公路級，工程場地50 年超越概率10%、4%和100 年超越概率10%、4%的基巖水平峰值加速度分別為34gal、66gal 和93gal、138gal；而100年超越概率4%的地表面水平峰值加速度為152gal。 圖1 瑯岐閩江大橋橋型總體布置圖本橋主梁采用的支承體系為：橋塔處采用豎向支撐體系。主梁塔處設置兩個活動支座，橫向設置抗風支座，約束豎向及水平位移；在塔處設置縱向阻尼裝置。輔助墩及邊墩均設置豎向支座，并設置橫向抗風支座?，樶}江大橋主

10、橋采用半漂浮體系，索塔處設豎向支座和橫向抗風支座。由于本橋地震荷載較大，因此塔梁間設8臺縱向阻尼限位裝置，過渡墩和輔助墩設橫橋向阻尼限位裝置。 圖 2 支承體系示意圖主橋的鋼箱梁長1280米，鋼箱梁全寬30.6米，橋面寬28.7米，頂面設2%的橫坡，兩側配有風嘴，橋梁中線處梁高3.50米，呈流線型閉合式橫截面，能減小該地區(qū)強大的風荷載阻力。鋼箱梁采用流線型扁平整體鋼箱，單箱三室結構。箱梁頂板厚16mm，在拉索錨固區(qū)局部加厚至24mm，底板厚12mm，在主塔附近及邊跨壓重區(qū)局部加厚至16mm；頂板U 肋高280mm，板厚8mm，間距600mm；底板U 肋高210mm，板厚6mm，間距720mm。

11、箱內設內、外腹板各兩道，兩道外腹板間距27.4m，板厚24mm，兩道內腹板間距11.96m，板厚12mm。采用單箱三室結構以增強鋼箱梁的剛度并保證鋼梁制造時橫斷面的幾何形狀和鋼梁節(jié)段安裝時能準確定位。橫隔板縱橋向間距3m，拉索斷面及壓重區(qū)段為實腹式橫隔板，其余斷面為空腹式橫隔板。鋼箱梁材質采用Q370qD鋼。圖3鋼箱梁標準橫斷面本橋斜拉索設計采用平行鋼絞線拉索。斜拉索上端分別錨固于塔柱上，下端錨固于主梁錨拉板上，全橋共168根索。根據(jù)受力大小共分八類，鋼絞線股數(shù)分別為27、31、37、43、49、55六種類型。斜拉索梁上錨固采用錨拉板形式。塔上錨固采用預應力錨固形式。 圖 4 錨拉板示意圖主塔

12、為鋼筋混凝土結構，分別由下、中、上塔柱及下橫梁四部分組成。塔高（從塔座頂面算起，不含塔頂裝飾段）為196m，主塔在縱向寬度為8m13m；塔座高為3m。下塔柱高48.6m，橫橋向寬6m10m，采用單箱雙室截面；中塔柱高67.4m，橫橋向等寬6m，采用單箱單室截面；上塔柱高80m，橫橋向寬4m6m，采用單箱單室截面，兩塔柱在頂端微合,中間刻槽修飾。塔頂以燈塔形式裝飾。主塔采用C50級混凝土。圖5主塔結構圖按安評報告，擬建場地位于福州閩江入?？?，擬建大橋北岸位于馬尾亭江鎮(zhèn)英嶼村104國道旁，南岸位于瑯歧島西面，在瑯歧輪渡南側約800米的位置。場地地貌單元主要為海積平原地貌，工程地質分區(qū)為淤積沖積區(qū)。

13、根據(jù)福州市勘測院福州瑯歧亭江大橋工程預可階段巖土工程勘察報告，兩岸橋臺在勘察控制深度范圍內地基土層為雜填、沖淤積成因類型，基底為花崗巖。場地巖土層按其成因、力學強度不同劃分工程地質層，場地各巖土層自上而下分別為：雜填土、粘土、淤泥、淤泥質土、含泥粉砂、粘土、卵石、淤泥質土、粉質粘土、淤泥質土、粗砂、卵石、殘積砂質粘性土、-1強風化花崗巖（砂土狀）、-2強風化花崗巖（碎塊狀）、中微風化花崗巖。依據(jù)公路橋梁抗震設計細則（JTG/TB02-01-2008）的規(guī)定，橋梁工程場地類別的劃分，應以土層平均剪切波速和場地覆蓋層厚度為準。依場地各土層的類型、當?shù)亟?jīng)驗，估計的各土層剪切波速，可得瑯岐閩江大橋MC

14、K2、MCK4、MCK5、MCK6孔覆蓋層厚度在（Vs500m/s）36.4-79.4m之間，其有效剪切波速值Vse在109-192m/s之間，如表2-1所示，依據(jù)表2-2確定其橋梁工程場地類別為類（表2-3）。本橋為A類抗震設防橋梁，工程場地地震動峰值加速度位于0.05g分區(qū)，對應的地震基本烈度為度，100年超越概率4%（E2水準）地表面水平地震動加速度峰值為152gal，按VII度設防。表-1 各孔覆蓋層厚度與平均剪切波速值Vse場地鉆孔覆蓋層厚度(m)Vse(m/s)瑯岐閩江大橋MCK236.4109MCK464.7192MCK579.6142MCK676.0115表2 橋梁工程場地類別

15、（m）平均剪切波速（m/s）場地類別Vse5000500Vse25055250Vse14033，5050Vse14033，1515，8080表-3 大橋工程場地類別評判結果表橋段鉆孔覆蓋層厚度(m)Vse(m/s)橋梁工程場地類別瑯岐閩江大橋MCK236.4109MCK464.7192MCK579.6142MCK676.01153系統(tǒng)設計原則與功能目標1233.1 系統(tǒng)設計依據(jù)(1) "關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"，福州市建設管理委員會 建城2009934號(2) “關于轉發(fā)市建委關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”，福州市

16、市政公路管理局，管2009459號(3) 福州市橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)技術指南，福州市市政公路管理局，2009.9(4) 福州市橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)建設與管理辦法，福州市市政公路管理局，2009.9(5) 福州市瑯岐大橋設計圖紙 中鐵大橋勘測設計研究院(6) 公路橋涵設計通用規(guī)范JTG D60-2004(7) 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范JTG D62-2004(8) 公路斜拉橋設計規(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 GB50168-199

17、2(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量檢驗評定標準 GBJ 303-883.2 系統(tǒng)設計原則瑯岐大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)工程設計原則是：(1) 結合橋梁結構的設計、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設備，保證系統(tǒng)的可靠性，并滿足系統(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)測和人工巡檢相結合的辦

18、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、試驗隊伍，貫徹質量方針和目標，精心組織，科學實施，嚴格質量控制，確保工程質量和施工安全。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，對橋梁結構的內力狀態(tài)改變及損傷進行評估，以保障橋梁在運營過程的安全，也可以在結構遭受突發(fā)性荷載、嚴重超載、損傷，危及結構安全性時及時報警。健康監(jiān)測系統(tǒng)可以較全面系統(tǒng)地把握結構的健康狀態(tài)，據(jù)此對橋梁結構進行及時和恰當?shù)酿B(yǎng)護與維修，從而盡量延長結構安全

19、運營的時間，降低橋梁的壽命成本。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)瑯岐大橋的結構特點，需要對該橋的以下部位及內容進行監(jiān)控：(1) 環(huán)境(風、濕度、溫度) (2) 交通狀況(3) 結構變形（主塔塔頂變位和主梁撓度、梁端位移）(4) 主梁和橋塔應力(5) 斜拉索索力(6) 結構動力特性（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、結構溫度、主梁撓度和主塔變位、結構動力特性等參數(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)

20、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)測子模塊關鍵截面應變(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結構動力特性監(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)測結果修正

21、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。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，監(jiān)測橋塔和鋼箱梁內的溫度和相對濕度，塔柱水位變化位置和主梁內埋設梯形陽極腐蝕監(jiān)測儀，監(jiān)測外部環(huán)境對結構耐久性的影響，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)的目的是使結構響應監(jiān)測子系統(tǒng)與視頻監(jiān)測系統(tǒng)協(xié)同工作，當結構響應子系統(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

22、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 結構變形監(jiān)測(1) 結構變形監(jiān)測的重點：主梁變形、主塔變形結構變形是結構狀態(tài)改變最靈敏與最精確的反映，因此對結構變形的監(jiān)測能夠更為準確地把握結構恒載內力狀態(tài)的改變；另外，部分的結構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

23、形直接相關，通過橋梁線形的變化也可以判斷橋梁的適用性。因此，結構變形的監(jiān)測對于內力狀態(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：修正計算結構內力的有限元模型；根據(jù)監(jiān)測結果直接判斷橋梁的適用性。 結構變形監(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進行監(jiān)測，其中GPS基站建立在津沽公路側固定處，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6 連通測壓管工作原理4.1.4 應變(應

24、力)及溫度場監(jiān)測(1) 應力監(jiān)測重點結構應力是判斷結構安全最直接的指標，結構亞健康狀態(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，并結合環(huán)境、變形等其它監(jiān)測結果來綜合判定結構狀態(tài)是否處在安全及可控的范圍。結構應力監(jiān)測主要目的在于：直接判斷測試位置應力是否處于安全水平；校核結構模型修正及損傷識別的結果。結構溫度場對結構的應力和變形具有顯著的影響。結構溫度場監(jiān)測的主要目的：將溫度場作為參數(shù)作用于結構有限元模型，研究溫度應力及溫度導致的結構變形變化；完成應變傳感器的補償。結構健康監(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

25、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、鋼箱梁與預應力鋼筋混凝土梁結合處布設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

26、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)測主塔兩側及橫梁頂?shù)酌娴娜照諟夭钭兓?.1.5 斜拉索索力監(jiān)測瑯岐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件，其壽命往往比橋梁其它構件的壽命都短，但拉索是橋梁中的重要構件，起著牽一發(fā)動全身的作用，因此準確及時掌握拉索的內力及其變化特征至關重要。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

27、磁通量傳感器等方法測試，其中振動法測索力技術應用比較廣泛，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，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根索內布置傳感器，測點布置見附圖J-5。4.1.6 結構動力性能監(jiān)測(1) 結構動力特性監(jiān)測重點：主梁、主塔振動結構損傷實質上是結構局部剛度、質量的損失，反映在結構動力特性上是結構模態(tài)參數(shù)，如固有頻率和振型的變化。本系統(tǒng)利用結構動力特性的變化來對結

28、構的整體性能進行損傷監(jiān)測，即將結構系統(tǒng)的實測結構模態(tài)特性與健康結構的模態(tài)特性進行比較, 判斷結構是否發(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)境條件下橋梁結構的系統(tǒng)深入計算分析并進行橋梁結構的安全評定和預警。 結構動力特性監(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。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，

29、1個三向加速度傳感器。4.1.7 監(jiān)測傳感器統(tǒng)計瑯岐大橋健康監(jiān)測采用傳感器數(shù)量如表2所示，括號內數(shù)值為采用磁通量傳感器測索力方案。表2 瑯岐大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)傳感器數(shù)量統(tǒng)計監(jiān)測項目測點選擇傳感器選擇數(shù)量備注環(huán)境與外荷載風荷載塔頂風速儀2監(jiān)測風速和風向(兼具測溫度)溫濕度斜拉橋主梁光纖光柵溫度傳感器67溫度補償和溫度場橋塔光纖光柵溫度傳感器12塔內溫濕度計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)測結構性態(tài)響應加速度橋 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

30、傳感器6橋 塔三向加速度傳感器1位移橋 塔GPS系統(tǒng)1塔頂位移岸邊基準點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伸縮縫位移位移傳感器4應變斜拉橋主梁光纖光柵應變傳感器67應力監(jiān)測橋塔光纖光柵應變傳感器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，本次設計為：在橋梁結構運行的初期，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，揭示橋梁結構實際受力特點和規(guī)律，根據(jù)橋梁結構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。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

31、統(tǒng)的總體構架、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)采集站進行數(shù)據(jù)的集中采集。數(shù)據(jù)采集站塔梁結合部位主梁橋面上，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)橋梁結構的計算結果確定，但需保證數(shù)據(jù)具有間隔實時對應關系。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、結構化存儲、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

32、構化以及存儲、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)總體構成見圖6。圖6 數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)構成示意圖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、運算能力強、通訊能力強、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)中得到了廣泛的應用。基于PCBASED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)

33、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

34、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。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系統(tǒng)(包括解調儀和相應的配件)、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

35、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)分析與結構安全評定及預警子系統(tǒng)本子系統(tǒng)包括以下內容：監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，結構有限元模型修正方法，多種結構安全評定方法，多級結構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系分析，應變和應力與車輛荷載之間的相關性分析，應變和應力與風荷載之間的相關性分析。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

36、分析，橋梁靜力變形與溫度和濕度之間的關系，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果，采用多種方法，進行模態(tài)分析，獲得瑯岐大橋的頻率、振型和阻尼比。進一步分析瑯岐大橋的頻率、振型和阻尼比與溫濕度、車輛荷載以及風荷載之間的相關性，并采用主成分分析方法剔除溫濕度和風及車輛荷載對瑯岐大橋模態(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，對瑯岐大橋的有限元模型進行修正；結合損傷識別的結果，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、溫濕度等荷載和環(huán)境施加在有限元模型上，進行結構反應分析，與測試結果進行比較，并對未安裝傳感器但結構反應較大的部位進行提示性預警；同時根據(jù)耐久性理論，計算結構的時變承載力，調整預警閾值。安全評定：斜拉索強度和疲勞損