斜拉橋健康監(jiān)測實施方案

重慶李家沱長江大橋

長期健康監(jiān)測方案

重慶交通大學(xué)

2009年5月

目錄

一、項目概況及意義...............................................................1

1.1大橋工程概況及現(xiàn)狀........................................................1

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

1.2本橋健康監(jiān)測的意義及必要性.................................................3

1.3本橋健康監(jiān)測的難點(diǎn).........................................................6

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

2.1設(shè)計原則..................................................................7

2.2系統(tǒng)功能總框架............................................................8

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

三、健康監(jiān)測范圍................................................................10

3.1實時監(jiān)測范圍.............................................................10

3.2定期監(jiān)測范圍.............................................................10

四、監(jiān)測項目及監(jiān)測方法..........................................................11

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

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

4.3主梁、索塔控制截面應(yīng)力監(jiān)測...............................................16

4.4溫度監(jiān)測.................................................................19

4.5大橋結(jié)構(gòu)動力特性監(jiān)測....................................................20

4.6斜拉索索力監(jiān)測............................................................23

4.7風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測..............................................................25

4.8定期監(jiān)測..................................................................26

4.9全橋傳感器測點(diǎn)布設(shè)情況匯總................................................29

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數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)...........................................................33

5.3數(shù)據(jù)處理和控制子系統(tǒng).....................................................34

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

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

6.2結(jié)構(gòu)監(jiān)測信息管理系統(tǒng).....................................................37

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

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

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

7.2李家沱長江大橋評估模型...................................................40

八、系統(tǒng)運(yùn)行管理及人員培訓(xùn)......................................................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、計劃實施年限、經(jīng)費(fèi)概算與資金籌措..........................................51

11.1年度計劃................................................................51

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

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

一、項目概況及意義

1.1大橋工程概況及現(xiàn)狀

1.1.1工程概況

重慶李家沱長江大橋位于重慶市西郊九龍坡地區(qū)，大橋南岸為李家沱工業(yè)

區(qū)，北岸為九龍坡區(qū)。主孔全長1288m,跨徑組合為：過渡孔(53m)+主孔

(169m+444m+169m)+過渡孔(53m)+南弓|橋(8x50m),橋面寬度為4車道(中間設(shè)

置分隔帶)，寬24m。

圖1.1重慶李家沱長江大橋全景

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，在過渡孔與北臺及南引橋結(jié)合處設(shè)置

大位移量伸縮縫。

主梁采用扁平的實心雙主梁斷面，主梁肋高2.5m,寬1.7m。橫梁間距為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1.5?1.6m。每個索面中有24對斜拉索。錨具采用LM7型冷

鑄錨錨具。

主橋兩個主墩基礎(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，業(yè)主委托西南交通大學(xué)對全橋的裂縫進(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號墩16號錨箱至3號墩16號錨箱

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

以沿橋跨縱向為主。裂縫在側(cè)面上的分布主要集中在自梁底面往上0.20~l.20m

的高度范圍內(nèi)，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91mm,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范圍。從裂縫形態(tài)上看，

此類裂縫屬于混凝土收縮裂縫。

(3)橫隔板及頂板裂縫主要集中在中跨2號墩側(cè)C27-C3KC38~C39、

C41-C43和3號墩側(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

向以豎向為主，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0.65mm。橫隔板裂縫長度多數(shù)不超過1m,最長為1.10m。

(4)2號墩上游塔柱裂縫主要集中在17-24號錨箱之間的區(qū)段，其它3個塔

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

下游塔柱24號錨箱上側(cè)，出現(xiàn)最長裂縫約15m。3號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20~40

mm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)既有裂縫不會影響橋梁目前的正常運(yùn)營。

(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

入到主筋以內(nèi)，將會嚴(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)時對橋塔和主梁的裂縫進(jìn)行整治，同時也對塔柱

上封錨險進(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）塔柱碎外觀共發(fā)現(xiàn)裂縫20條，最長的達(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砂脫落；3處碎空洞；鋼筋露筋，個別鋼筋銹蝕嚴(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裂、起殼、脫落。

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

現(xiàn)網(wǎng)狀裂縫及橫、縱、斜向裂縫并同時有洞穴、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號墩邊跨，3號墩下游中跨處出現(xiàn)了穿透型裂縫和瀝

青竹脫落的現(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)

象。

4）橫系梁出現(xiàn)了斜裂縫，在3號墩上游中跨20號索出現(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)計值的8.06%（3#墩2008年6月中跨下游）。

1.2本橋健康監(jiān)測的意義及必要性

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

許多國家都在一些已建和在建的大跨橋梁上進(jìn)行了有益的嘗試：丹麥曾對總

長1726m的Faroe跨海斜拉橋進(jìn)行施工階段及通車首年的監(jiān)測，另外，他們在主

跨1624m的GreatBeltEast懸索橋上也開始了相關(guān)的嘗試；泰國與韓國目前也已

開始在重要橋梁上安裝永久性的實時結(jié)構(gòu)整體與安全性報警設(shè)備；香港的青馬大

橋、內(nèi)地的虎門大橋、徐浦大橋、江陰大橋等在施工階段也已開始傳感器的安裝,

以備將來運(yùn)營期間的實時監(jiān)測。這些健康監(jiān)測技術(shù)的成功開發(fā)與應(yīng)用將起到確保

橋梁安全運(yùn)營、延長橋梁使用壽命的作用。同時通過早期橋梁病害的發(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，國內(nèi)外已經(jīng)采用了健康監(jiān)測系統(tǒng)的部分橋梁見表1.1。

表L1安裝了健康監(jiān)測系統(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

GreatBelt懸索橋535+1624+535丹麥

江陰橋懸索橋1388中國

青馬橋懸索橋1375中國香港

Namhae懸索橋128+404+128韓國

SeohaeBridge斜拉橋60+200+470+200+60韓國

Sharsundet斜拉橋240+530+240挪威

RamaIX斜拉橋166+450+166泰國

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

濱州黃河大橋斜拉橋84+300+300+84中國

松花江大橋斜拉橋主跨365中國

重慶大佛寺長江大橋斜拉橋198+450+198中國

蕪湖長江大橋斜拉橋180+312+180中國

東營黃河大橋斜拉橋60.5+136.5+288+136.5+60.5中國

柳州三門江大橋斜拉橋100+160+100=360中國

潤揚(yáng)大橋斜拉橋175.4+406+175.4中國

淮安大橋斜拉橋152+370+152中國

汀九橋斜拉橋127+448+475+127中國香港

汲水門橋斜拉橋160+430+160中國香港

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測不只是對傳統(tǒng)橋梁檢測技術(shù)的簡單改進(jìn)，而是運(yùn)用現(xiàn)代的

傳感與通訊技術(shù)，實時監(jiān)測橋梁運(yùn)營階段在各種環(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)。對于具體的一座橋梁，由于

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

段及監(jiān)測效果也各不相同。

橋梁健康檢測的基本內(nèi)涵是通過對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評估，從而為橋梁

工程在特殊氣候、交通條件下或運(yùn)營狀況嚴(yán)重異常時發(fā)出預(yù)警信號,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)目前國內(nèi)外最新的發(fā)展，現(xiàn)代橋梁健康監(jiān)

測診斷的主要內(nèi)容可概括為3個方面：結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的識別、定位與標(biāo)定；有損

橋梁結(jié)構(gòu)的功能定量評估；有損橋梁結(jié)構(gòu)的使用風(fēng)險趨勢預(yù)測。由于運(yùn)營中的橋

梁結(jié)構(gòu)及其環(huán)境所獲得信息不僅是理論研究和實驗室調(diào)查的補(bǔ)充，而且可以提供

有關(guān)結(jié)構(gòu)行為與環(huán)境規(guī)律的最真實的信息，因此橋梁健康監(jiān)測帶來的將不僅是監(jiān)

測系統(tǒng)和某種特定橋梁設(shè)計的反思，它還可能并成為橋梁研究的現(xiàn)場實驗室。

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

性的大橋建造高質(zhì)量的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是必要的，因為他們提供了高水平

的研究實驗平臺。有了高質(zhì)量的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，就可以隨時做足尺全橋

實驗，從而大大加速我過橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)整個領(lǐng)域的研究。

1.2.2本橋健康監(jiān)測意義

近年來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，對已建成的橋梁建立長期的安全健康監(jiān)測、振動和損傷控制系統(tǒng)，將會越來

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

橋梁使用壽命的作用，同時通過早期橋梁病害的發(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。在橋梁的建造和長期服

役過程中，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)

等內(nèi)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)測及安全評估尤為重要。

李家沱長江大橋已建成運(yùn)營12年，經(jīng)檢測發(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系統(tǒng)與新建橋梁的健康檢測系統(tǒng)有較大的不同，必須考慮

橋梁結(jié)構(gòu)損傷的影響。可借鑒的成橋監(jiān)測技術(shù)較少，也不完善。相比橋梁設(shè)計理

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

橋梁的長期在線健康監(jiān)測技術(shù)逐漸發(fā)展起來。對橋梁進(jìn)行長期在線健康監(jiān)測，不

但可以驗證橋梁的設(shè)計理論和建設(shè)技術(shù)，還可以在營運(yùn)期內(nèi)對橋梁進(jìn)行觀測，研

究橋梁在正常狀態(tài)下的行為。

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

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)計時

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

這不僅會影響安全行車，更會縮短橋梁的使用壽命。因此，為確保橋梁的使用安

全，有必要針對本橋特點(diǎn)，建立和發(fā)展一個長期健康監(jiān)測系統(tǒng)，利用現(xiàn)代化的診

斷量測手段，通過對大橋關(guān)鍵部位的空間位置、力學(xué)性能及其變化的長期和定期

監(jiān)測、分析，長期積累數(shù)據(jù)，用來監(jiān)測和評估大橋在運(yùn)營期間結(jié)構(gòu)的承載能力、

運(yùn)營狀態(tài)和耐久能力，從而確保橋梁的使用安全與延長壽命，便于實現(xiàn)防患于未

然，實現(xiàn)實時或準(zhǔn)實時的損傷監(jiān)測，對大橋結(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)測不只是傳統(tǒng)的橋梁檢測加

結(jié)構(gòu)評估新技術(shù)，而是被賦予了結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)控與評估、設(shè)計理論驗證和設(shè)計規(guī)范

的研究與發(fā)展三方面的意義。

1.3本橋健康監(jiān)測的難點(diǎn)

1）李家沱長江大橋?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)實際狀

態(tài)較難確定；

2）結(jié)構(gòu)的損傷識別存在較多問題；

3）斜拉索索力的監(jiān)測手段及評估方法需進(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)測信息的結(jié)構(gòu)有限元模型修正方法有待進(jìn)一步研究。

6）實現(xiàn)將橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)與管理養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合。

二、大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

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

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

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

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

行運(yùn)作，缺乏對長遠(yuǎn)的考慮。

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

立總體的監(jiān)測系統(tǒng)框架，根據(jù)項目時間、資金配比等等，成熟一個，實施一個，

逐步實現(xiàn)主城區(qū)大型過江橋梁的集中健康監(jiān)測系統(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)計過程中引入健康監(jiān)測理念，結(jié)合施工監(jiān)測中的數(shù)據(jù)，在通

車前完成健康監(jiān)測系統(tǒng)的安裝調(diào)試工作；

原有橋梁：通過體檢，對橋梁的健康狀況進(jìn)行評估，然后根據(jù)橋梁的特征和

現(xiàn)狀，實施健康監(jiān)測系統(tǒng)的安裝。

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

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

圖2.1多座大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)集成示意圖

目前本建議書中僅針對運(yùn)營的李家沱長江大橋，根據(jù)以上思路，提出相應(yīng)的

系統(tǒng)方案。

2.1設(shè)計原則

李家沱長江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)是一個集結(jié)構(gòu)分析計算、計算機(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。為使李家沱長江

大橋健康監(jiān)控系統(tǒng)成為一個功能強(qiáng)大并能真正長期用于結(jié)構(gòu)損傷和狀態(tài)評估，滿

足橋梁養(yǎng)護(hù)管理和運(yùn)營的需要，同時又具經(jīng)濟(jì)效益的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)，遵循如

下設(shè)計原則：

1）遵循總體設(shè)計，分步實施的指導(dǎo)思想；

2）遵循簡潔、實用、性能可靠、經(jīng)濟(jì)合理的原則；

3）系統(tǒng)設(shè)置首先需滿足李家沱長江大橋養(yǎng)護(hù)管理和運(yùn)營的需要，立足實用

性原則第一，兼顧考慮科學(xué)試驗和設(shè)計驗證等方面因素。

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)測點(diǎn)的布設(shè)。

5）易損性分析原則考慮以下方面：

。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)計時不同類型結(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；

令結(jié)構(gòu)受外部環(huán)境及荷載影響后最易損傷部位；

＜基于既有同類型結(jié)構(gòu)已發(fā)生的損傷部位；

令目前階段尚未有足夠資料驗證的關(guān)鍵部位。

6）監(jiān)測與結(jié)構(gòu)安全性密切相關(guān)內(nèi)容，主要監(jiān)測一些有代表性的結(jié)構(gòu)、必須

進(jìn)行監(jiān)測的重要結(jié)構(gòu)以及日常養(yǎng)護(hù)無法檢查或檢查非常困難的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

7）從動力、靜力、耐久性對結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，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

'傳感潴系統(tǒng):數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)

?風(fēng)

度信號調(diào)理

?溫數(shù)據(jù)通訊數(shù)據(jù)處理

變

?應(yīng)?信號放大?數(shù)據(jù)排收控制?數(shù)據(jù)預(yù)處理

?信號過濾x

速

加f?數(shù)據(jù)9次處理

?度?信號發(fā)送

度

?撓?模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換?數(shù)據(jù)壽依

勿

?索

?數(shù)據(jù)融合處理

斜

?假

儀

段

?梁

位

移收據(jù)?栗保

?數(shù)據(jù)采樣數(shù)據(jù)顯示

?數(shù)據(jù)存儲￡編檔）?原始數(shù)據(jù)

?數(shù)據(jù)預(yù)處理處理后數(shù)據(jù)

?采樣控制橋梁變形狀況在線評估

系統(tǒng)工作狀態(tài)?分級預(yù)警

各類資料及參?「.作曲態(tài)評級

?日常報表

數(shù)據(jù)通訊

?數(shù)據(jù)傳輸x

?控制信號接收局域網(wǎng)

離線評估

?各分項監(jiān)測內(nèi)容

?安全、耐久？使用性

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)總體框架?蹤合評估

結(jié)構(gòu)健康狀況評估

圖2.2系統(tǒng)功能總框架圖

2.3系統(tǒng)硬件總框架

李家沱長江大橋\

傳感

外場檢玳M.段橋梁結(jié)椅檢洪區(qū)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)

各類傳監(jiān)圖

子

於

機(jī)柜

數(shù)

據(jù)調(diào)理采謝理采

集線黯

采集設(shè)備集設(shè)備

集

子專用傳感器調(diào)傳感器調(diào)理采專用傳感器調(diào)傳感器V

理采集設(shè)等桀設(shè)備理采集設(shè)備集設(shè)備

系

防

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

操作系統(tǒng)）操作系統(tǒng)）

數(shù)

結(jié)點(diǎn)交換機(jī)站點(diǎn)交換機(jī)

遠(yuǎn)程電據(jù)

傳箱梁內(nèi)工作站機(jī)柜

源監(jiān)控箱梁內(nèi)匚作站機(jī)柜

輸

子

系

UPS統(tǒng)

交換機(jī)及其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

II數(shù)據(jù)接收，1據(jù)處理，數(shù)11應(yīng)用服］I蔗合監(jiān)商

綜合INTERNET^^

據(jù)庫服務(wù)罌（WINDOWS|務(wù)器||網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

布線數(shù)據(jù)處&曲I_姓型」

理與控監(jiān)控終端

制子系監(jiān)控終端監(jiān)控終端

輔助支監(jiān)控中心局域網(wǎng)

統(tǒng)監(jiān)控終端

持系統(tǒng)

圖

圖2.3系統(tǒng)硬件總框架圖

三、健康監(jiān)測范圍

監(jiān)測范圍的選取應(yīng)遵循傳感器實時監(jiān)測和人工定期監(jiān)（檢）測相結(jié)合的原則,

監(jiān)測內(nèi)容能覆蓋結(jié)構(gòu)評估的要求。根據(jù)以上原則，考慮到本橋建設(shè)過程中的特點(diǎn)

并結(jié)合大橋近期實際運(yùn)營狀況，本橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測范圍如下：

3.1實時監(jiān)測范圍

表3.1實時監(jiān)測范圍表

序號實時監(jiān)測內(nèi)容監(jiān)測目的

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變形實時位移掌握主梁撓度變形及主塔偏位實時情況

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

溫度

4大氣溫度掌握大橋塔內(nèi)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動力振動掌握大橋梁部、塔部結(jié)構(gòu)實時振動響應(yīng)，用以計算結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)

7應(yīng)變掌握大橋動靜荷載作用下的結(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時位移

位移

3.2定期監(jiān)測范圍

表3.2定期監(jiān)測范圍

一

序

號定期監(jiān)測內(nèi)容監(jiān)測目的

一

1主墩沉降定期對主橋橋墩進(jìn)行沉降測量

2斜拉索索力定期對未進(jìn)行長期監(jiān)測的斜拉索索力進(jìn)行測試

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

4混凝土強(qiáng)度定期對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度測量，評估大橋的安全性

5混凝土裂縫定期對混凝土裂縫進(jìn)行觀測，評估大橋的安全性

4氯離子含量定期對塔部混凝土進(jìn)行混凝土氯離子含量測量，評估大橋的耐

耐久性久性

5碳化深度定期對塔部混凝土進(jìn)行混凝土碳化深度測量，評估大橋耐久性

6橋面線形定期進(jìn)行橋面線形測量，評估大橋的適用性

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、

杏照明設(shè)施狀況、其它狀況

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

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

入分析評估橋梁狀態(tài)的重要依據(jù)。

四、監(jiān)測項目及監(jiān)測方法

4.1監(jiān)測方案的特殊要求

李家沱長江大橋為大跨徑雙索面混凝土斜拉橋，建成時間較長，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)測系統(tǒng)，為制定適合該

橋的健康監(jiān)測方案，需采取以下具體措施：

1、結(jié)構(gòu)靜動力分析計算：本橋自建成已運(yùn)營多年，相比于橋梁的設(shè)計狀態(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，在對橋梁進(jìn)行

理論計算分析時，應(yīng)充分考慮到結(jié)構(gòu)退化對計算模型、計算方法和計算結(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：由于全部的傳感器均為后安裝方式，監(jiān)測的數(shù)值多為相

對量的概念，雖然不影響對結(jié)構(gòu)健康長期趨勢的把握，但無法獲得可以和設(shè)計值

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

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

度上轉(zhuǎn)換成絕對值；

3、主梁橫隔板應(yīng)力監(jiān)測：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橫隔板受力的影響,

觀察裂縫的發(fā)展趨勢，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，建立橫隔板的長期監(jiān)測機(jī)制；

4、索力監(jiān)測：根據(jù)索力長期健康監(jiān)測的需要，需要對關(guān)鍵索布設(shè)索力傳感

器進(jìn)行實時監(jiān)測，但在大橋長期運(yùn)營過程中，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)測系統(tǒng)應(yīng)具有適應(yīng)索力測點(diǎn)位置改變或索力測點(diǎn)數(shù)量增加

的功能；

5、索力計算：由于李家沱長江大橋斜拉索使用阻尼器，會影響使用振動法

測得的絕對索力數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為此，有必要專項分析成橋后的索力計算公式，

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

力數(shù)據(jù)做比對分析；

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

此本系統(tǒng)中將該項作為定期監(jiān)測項目，但其監(jiān)測數(shù)據(jù)仍作為重要的狀態(tài)評估指

標(biāo)。

4.2橋梁位移變形監(jiān)測

橋梁位移變形監(jiān)測是利用測量手段，對橋梁各控制斷面的位移變形進(jìn)行監(jiān)

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

而為總體評估大橋的承載能力、營運(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

1、主梁豎向撓度監(jiān)測

根據(jù)大橋的受力控制斷面，主梁的變形測量主要選擇了以下幾個項目。

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

儀，沿重慶李家沱長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個精密液位計(不動點(diǎn)1個，布置在交接墩主梁跨中處)。液位計布置情況見

圖4.1-4.3所示。

圖4.2主梁撓度監(jiān)測液位計橫截面布置示意圖

圖4.3主梁測試斷面、連通液位沉降計及采集系統(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、液位罐和連通管組成。

適用于建筑物多點(diǎn)沉降精密測量，適應(yīng)長期監(jiān)測和自動化測量。安裝時將精密液

位計設(shè)置在被測點(diǎn)，液位罐設(shè)置在不動點(diǎn)（水平基點(diǎn)），并用連通管連接。其原

理是通過液位的變化測量被測點(diǎn)相對水平基點(diǎn)的沉降變形。溫度變化蒸發(fā)的因素

引起的液位變化對基準(zhǔn)和各個測點(diǎn)有相同的影響，可以通過相減抵消，而撓度引

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

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

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

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)測網(wǎng)。其儀器主要技術(shù)

圖4.4SEN-HOR光纖光柵靜力水準(zhǔn)儀

參數(shù)見下表:

表4.1靜力水準(zhǔn)儀參數(shù)表

項目參數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)量程0-100mm

測量精度1%OF.S.

分辨率0.01mm（在與SEN-01解調(diào)儀配套情況下）

波長范圍1525nm?1565nm

尺寸中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：主梁縱向位移監(jiān)測也是對大橋伸縮縫伸縮量的實

時監(jiān)測，是大橋健康監(jiān)測的一項重要內(nèi)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，由于溫度使橋梁內(nèi)部溫度分布不均勻會

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

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

目前還難以把握，在設(shè)計系統(tǒng)時一般不予考慮。本項目通過測量主橋主梁梁端與

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

2個測點(diǎn)，共計4個測點(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

項目參數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)量程0-1m

測量精度5%oF.S.

分辨率1mm（在與SEN-O1解調(diào)儀配套情況下）

波長范圍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點(diǎn)布置如圖4.5所示:

圖4.5主梁縱向位移監(jiān)測位移傳感器布置示意圖

4.2.2索塔位移監(jiān)測

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裂；塔身混凝土的徐

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

主塔側(cè)移監(jiān)測：采用傾斜計進(jìn)行測量。SEN-TILT光纖光柵傾斜計可用于對

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

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

時動態(tài)監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)，可與其他類型的光纖光柵傳感器組成全光監(jiān)測網(wǎng)。

表4.3光纖光柵傾斜計技術(shù)參數(shù)表

項目參數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)量程±5°

測量精度±0.05°

分辨率0.005°（在與SEN-01解調(diào)儀配套情況下）

波長范圍1525nm?1565nm

尺寸113X32X50mm

連接方式FC/PC或熔接

溫度補(bǔ)償形式自補(bǔ)償

使用溫度-30C?85c

重慶李家沱長江大橋上共需安裝8套這光纖光柵傾斜計，4個塔柱各安裝2

套，分別對主塔橫橋向和縱橋向進(jìn)行側(cè)移監(jiān)測（圖4.7）。

圖4.7主塔側(cè)移監(jiān)測傾斜計傳感器布置示意圖

4.3主梁、索塔控制截面應(yīng)力監(jiān)測

4.3.1主梁應(yīng)力監(jiān)測

運(yùn)營狀態(tài)中的預(yù)應(yīng)力混凝土梁的應(yīng)力、應(yīng)變的變化是由于梁結(jié)構(gòu)的外部條件

和內(nèi)部狀態(tài)變化引起的，外部條件主要有斜拉索索力、支座的變化及車輛荷載的

作用等，而內(nèi)部狀態(tài)有混凝土的收縮徐變、溫度變化及預(yù)應(yīng)力損失等。監(jiān)測主梁

應(yīng)力的目的在于通過對主梁結(jié)構(gòu)的控制部位和重點(diǎn)部位內(nèi)力的監(jiān)測，研究主梁

結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布、局部結(jié)構(gòu)及連結(jié)處在各種載荷下的響應(yīng)，為結(jié)構(gòu)損傷識別、疲

勞損傷壽命評估和結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估提供依據(jù)。同時，通過控制點(diǎn)上的應(yīng)力和應(yīng)變狀

態(tài)的變異,檢查結(jié)構(gòu)是否有損壞或潛在損壞的狀態(tài)。一般的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測采用電

阻應(yīng)變傳感器，但電阻式應(yīng)變儀的零漂、接觸電阻變化以及溫漂等給系統(tǒng)帶來一

定的誤差。且電阻式應(yīng)變傳感器的壽命較短，故從長期監(jiān)測和信號傳輸?shù)确矫婵?/p>

慮，宜采用（或部分采用）適合長期監(jiān)測用的SEN-S1表面安裝式光纖光柵應(yīng)變傳

感器。

本橋應(yīng)力監(jiān)測截面包括兩邊跨和主跨的跨中截面、主跨1/4截面和墩頂附近

的主梁截面共7個截面。每個截面上布置5個正應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)。同時，在主墩附近

的橫隔板梗肋處增設(shè)應(yīng)變傳感器8個，全橋共計43個應(yīng)力應(yīng)變傳感器，測點(diǎn)布

置情況如圖4.8、4.9所示。

圖4.8主梁應(yīng)力監(jiān)測應(yīng)變傳感器布置示意圖

（?橫隔板應(yīng)力測點(diǎn)）

圖4.9主梁截面應(yīng)力測點(diǎn)布置圖

4.3.2索塔應(yīng)力監(jiān)測

索塔在施工過程中將承擔(dān)巨大的軸向壓力，同時對于施工中可能出現(xiàn)的荷載

不對稱情況，將使索塔產(chǎn)生附加彎矩，這對索塔的受力是不利的，因此應(yīng)對主塔

截面進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測。觀測元件同樣采用SEN-S1表面安裝式光纖光柵應(yīng)變傳感器,

索塔應(yīng)力監(jiān)測截面為主梁附近的塔體截面和塔身拉索錨固區(qū)中部截面，各塔柱截

面共布置6個應(yīng)變傳感器，共計24個。其測點(diǎn)布置情況如圖4.10所示。

圖4.10主塔應(yīng)力監(jiān)測應(yīng)變傳感器布置示意圖

4.3.3系統(tǒng)主要配置

應(yīng)變傳感器——SEN-S1表面安裝式光纖光柵應(yīng)變傳感器。

SEN-S1表面安裝式光纖光柵應(yīng)變傳感器主要用于測試主梁及主塔的應(yīng)變,

既可以進(jìn)行長期監(jiān)測，又可以在短期監(jiān)測完成后重復(fù)使用?，F(xiàn)場安裝時先將底座

固定在混凝土表面，然后通過螺母將傳感器方便地固定在底座上，也可以采用焊

接的方式實現(xiàn)對主梁表面的非膠封裝工藝，與同類產(chǎn)