橋梁道路監(jiān)測管理系統(tǒng).doc

1、第一章 橋梁道路監(jiān)測管理系統(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)測系統(tǒng)必須能夠?qū)ι鲜鲆蛩剡M(jìn)行監(jiān)測，因此，健康監(jiān)測系統(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)除了對結(jié)構(gòu)運(yùn)營狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測外，對橋梁的日常管理養(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)測和綜合管理系統(tǒng)實(shí)施的重要意義在于：（ 1

2、）能夠隨時(shí)掌握橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)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)測系統(tǒng)建立的原則健康監(jiān)測系統(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)測系統(tǒng)所監(jiān)測？（ 3）研究選用何種傳感器來監(jiān)測結(jié)構(gòu)安全？傳感器精度是

3、否滿足安全預(yù)警的要求？傳感器布置位置是否恰當(dāng)，數(shù)量是否合理？（ 4）研究如何對監(jiān)測信號進(jìn)行信號處理及分析？如何從監(jiān)測信號中提取與結(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)測哪些構(gòu)件及監(jiān)測方式的方法，避免了健康監(jiān)測系統(tǒng)中常見的目的性不強(qiáng)、針對性不明確的問題。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)測性等問題。廣雅大橋的主要結(jié)

4、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)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)境等對其進(jìn)行充分的危險(xiǎn)性分析才能夠確保健康監(jiān)測系統(tǒng)的針對性和實(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)測那些構(gòu)件、這些構(gòu)件的重點(diǎn)監(jiān)測部位、監(jiān)測內(nèi)容及監(jiān)測頻率等。健康監(jiān)測的監(jiān)測手段大體可以分為：力學(xué)指標(biāo)監(jiān)測，損傷直接檢測(包括人工目視巡檢及無損監(jiān)測 )兩種手段。在指定各構(gòu)件采用的監(jiān)測手段一般應(yīng)綜合考慮危險(xiǎn)性的程度、監(jiān)測的經(jīng)濟(jì)性和有效性等問題。健康監(jiān)測的監(jiān)測手段大體

5、可以分為：傳感器在線監(jiān)測，人工巡檢(包括人工目視巡檢)兩種手段； 一般而言傳感器在線監(jiān)測具有連續(xù)把握監(jiān)測對象的特點(diǎn)，但其經(jīng)濟(jì)代價(jià)大，且對諸如鋼材銹蝕、 混凝土開裂等病害難以監(jiān)測到；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)考慮對其進(jìn)行監(jiān)測。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)對吊桿的索力進(jìn)行監(jiān)測；（ 2）局部吊桿的斷絲甚至整根破壞不會導(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

6、結(jié)合部分吊桿的索力監(jiān)測等是較為經(jīng)濟(jì)可行的方案；（ 3）從把握主梁內(nèi)力的角度出發(fā)應(yīng)對部分吊桿進(jìn)行索力監(jiān)測。1. 1. 1. 3. 2 主梁的危險(xiǎn)性分析及監(jiān)測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，對其安全狀態(tài)的把握不僅在于病害的監(jiān)測，還在于其內(nèi)力狀態(tài)演變的監(jiān)測。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)對其的監(jiān)測；（ 2）主梁在由于內(nèi)力狀態(tài)改變而發(fā)生危險(xiǎn)前會產(chǎn)生顯著恒載變形，可以通過變形的

7、監(jiān)測并輔助吊桿索力的監(jiān)測來進(jìn)一步確定及明確原因。（ 3）主梁局部病害的監(jiān)測可以考慮采用人工目視巡檢及人工無損監(jiān)測設(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、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，基礎(chǔ)沉降、 預(yù)因此， 引橋的監(jiān)測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

8、策略本橋的非主要結(jié)構(gòu)的監(jiān)測主要包括收縮縫、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，不對其進(jìn)行傳感器監(jiān)測。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

9、傷的探明；(d) 利用綜合評估系統(tǒng)將二者結(jié)合起來；(e)各項(xiàng)監(jiān)測參數(shù)必須進(jìn)行較為完善的后期處理才能夠用于評估結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)。健康監(jiān)測系統(tǒng)傳感器在線監(jiān)測人工巡檢狀損無模態(tài)傷型損傷記錄、分析識識預(yù)別別案綜合評估圖 1.1.1 健康監(jiān)測系統(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1.2.1 所示。橋梁結(jié)構(gòu)健康及監(jiān)測系統(tǒng)傳感器子系統(tǒng)（SS）數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)（DATS ）人工巡檢養(yǎng)護(hù)管理數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)子系統(tǒng)（DPCS）（IMS ）結(jié)構(gòu)健康評估子系統(tǒng)（ SHES)結(jié)構(gòu)健康綜合評估結(jié)構(gòu)狀態(tài)與損傷識別模塊模塊（ SHIEM ）（SSDAM ）數(shù)據(jù)

10、庫子系統(tǒng)（ DBS）用戶界面子系統(tǒng)（IS）圖 1.2.1 運(yùn)營監(jiān)測和綜合管理系統(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)傳感器信號的采集、調(diào)理、預(yù)處理、傳輸?shù)取?3 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)測中的信息自動采集系統(tǒng)。 5 結(jié)構(gòu)健康評估子系統(tǒng)主要對獲取的各類信息進(jìn)行相應(yīng)的信息處理（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)

11、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)健康評估子系統(tǒng)包括：結(jié)構(gòu)狀態(tài)與損傷識別模塊，結(jié)構(gòu)健康綜合評估模塊。結(jié)構(gòu)狀態(tài)與損傷識別模塊主要完成基于靜力測試數(shù)據(jù)的內(nèi)力狀態(tài)的識別、 基于靜力測試數(shù)據(jù)的損傷識別以及基于動力測試數(shù)據(jù)的損傷識別等工作。結(jié)構(gòu)健康綜合評估模塊主要根據(jù)監(jiān)測信息 （來源于信息自動采集系統(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)與損傷識別模塊的分析工作來對結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合的健康狀態(tài)的評估并對危險(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)據(jù)信息， 同時(shí)要支持分布式的

12、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)交換與存儲平臺，方便開發(fā)與使用。 7 戶界面子系統(tǒng)：安全監(jiān)測系統(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，為了盡早檢測到

13、基于傳感器監(jiān)測識別系統(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)測系統(tǒng)融合， 可形成更為實(shí)用的橋梁智能健康監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)本項(xiàng)目的情況，應(yīng)專門編制針對本橋的人工巡檢養(yǎng)護(hù)手冊。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)測傳感器的選擇拉索構(gòu)件索力長期在線監(jiān)測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

14、裝方便；（ 5）結(jié)構(gòu)堅(jiān)固耐久，不對主體結(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?。唬?8）便于更換。通常能夠進(jìn)行拉索索力長期在線監(jiān)測的傳感器類型很多，大抵有圖2.1.1 所示的幾種類型。斜拉橋測力長期在線測試設(shè)備附著式傳感器壓力環(huán)式傳感器磁彈傳感器附著式光纖傳感器應(yīng)變式傳感器油壓式傳感器鋼弦式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器光纖應(yīng)變式傳感器圖 2.1.1 索力長期在線測試設(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)變量從而獲得測試索力。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于光纖的長期穩(wěn)定性好，

15、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的南京長江二橋和后期采用交流激勵的湛江海灣橋。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、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，

16、 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，并對其承力進(jìn)行測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彈性體進(jìn)行應(yīng)變測試，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

17、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（優(yōu)于 0.3）而且沒有隨時(shí)間發(fā)散的趨勢；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。表 2.1.1 各類傳感器在豎向預(yù)應(yīng)力測試中的應(yīng)用對比類型參考綜合誤綜合費(fèi)

18、抗力學(xué)干擾標(biāo)定代表大約壽時(shí)間漂可更換差用能力性命移性附著式光高強(qiáng)不詳30 年小不可纖磁彈儀3 5%較高強(qiáng)差20 年較小好電阻應(yīng)變0.5 1%低較強(qiáng)好20 年小較好式光纖應(yīng)變1 3%高一般較好30 年小較好式鋼弦應(yīng)變2 5%較高差差20 年小困難式油壓傳感3 5%低較強(qiáng)較好10 年較小困難器首選纜索體系索力監(jiān)測方案應(yīng)該是電阻應(yīng)變式壓力環(huán)。1. 2. 1. 2 結(jié)構(gòu)振動傳感器的選擇結(jié)構(gòu)振動特性的監(jiān)測通過安裝振動傳感器進(jìn)行監(jiān)測，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)測的內(nèi)容。對其進(jìn)行監(jiān)測一方面可以及時(shí)對災(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)啟動預(yù)警系統(tǒng)及時(shí)限制車輛

19、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)測通過空氣溫濕度的監(jiān)測，可以分析環(huán)境溫度對結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)的影響，以使基于靜力測試的識別方法能更準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)狀態(tài)；可以分析環(huán)境溫度對振動特性的影響，以使基于振動測試的損傷檢測方法能更準(zhǔn)確；可以預(yù)測可能出現(xiàn)的極限環(huán)境溫度荷載。環(huán)境溫濕度監(jiān)測采用溫濕度傳感器進(jìn)行。選用溫濕度傳感器為連續(xù)模擬信號輸出。1. 2. 1. 4 風(fēng)荷載的監(jiān)測從結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)性分析的結(jié)果看，風(fēng)荷載的監(jiān)測對于研究本橋的氣動性能，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)測還可以用于大風(fēng)作用下的交通控制。監(jiān)測采用超聲波風(fēng)速儀或者螺旋槳式風(fēng)速儀。選用超聲波風(fēng)

20、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。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)方案傳感器布設(shè)方案見圖2.2.1 。1. 2. 3 傳感器自身安全性的識別及對策傳感器在使用過程中可能會面臨各種故障。這些故障包括： 無法工作， 受到強(qiáng)電場的干擾，溫度漂移過大，時(shí)間漂移過大等等。因此，健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)ι鲜銮闆r進(jìn)行識別并發(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

21、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容易受到強(qiáng)電場干擾，應(yīng)對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，對拉索傳感器則采用表2.3.1 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）步示意圖說明受力部位驟1安裝千斤頂，張拉千斤頂至螺母初動，即實(shí)際索力千斤頂2退掉螺母，安裝哈佛型螺

22、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，張拉千斤頂千斤頂至螺母初動，即實(shí)際索力6拆除哈佛型螺母，轉(zhuǎn)動螺千斤頂母到位7千斤頂卸壓，取掉千斤螺母頂，更換工作完成備說明中“螺母”指實(shí)際安裝于些拉索上的螺母，“哈佛型螺母”指更換過注程中用于轉(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）采用分布式測控技術(shù)并結(jié)合集中式數(shù)據(jù)采集的優(yōu)勢，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)）將傳感器模擬信號轉(zhuǎn)換為

23、數(shù)字信號后進(jìn)行傳輸，避免了模擬信號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)，將傳感器型號調(diào)理成為符合國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的數(shù)字型號；（ 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)器連接成為測控局域網(wǎng)，采用FDDI 自愈雙環(huán)光纖網(wǎng)絡(luò)。圖 3.1.1基于光纖環(huán)網(wǎng)的采集系統(tǒng)示意圖軸重檢軸重檢調(diào)理器調(diào)理器測片軸重檢測片調(diào)理器測片軸重檢軸重檢調(diào)理器調(diào)理器軸重檢測片調(diào)理器測片測片軸重檢軸重檢調(diào)理器調(diào)理器軸重檢測片調(diào)理器測片測片交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)軸重檢軸重檢調(diào)理器調(diào)理器軸重檢測片測片調(diào)理器測片軸重檢軸重檢調(diào)理器調(diào)理器軸重檢測

24、片測片調(diào)理器測片軸重檢軸重檢調(diào)理器調(diào)理器測片軸重檢測片調(diào)理器測片軸重檢軸重檢調(diào)理器調(diào)理器軸重檢測片測片調(diào)理器測片纖纖光光雙光口管理型交換機(jī)軸重檢調(diào)理器軸重檢調(diào)理器測片測片GPS軸重檢軸重檢調(diào)理器調(diào)理器測片調(diào)理器測片溫濕度儀軸重檢軸重檢調(diào)理器調(diào)理器測片調(diào)理器測片度儀交換機(jī)液壓撓交換機(jī)交換機(jī)軸重檢軸重檢調(diào)理器調(diào)理器調(diào)理器測片液壓撓測片度儀軸重檢調(diào)理器調(diào)理器測片 液壓撓度儀軸重檢調(diào)理器調(diào)理器液壓撓測片度儀調(diào)理器軸測重片檢圖 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

25、能：（ 1）數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)目刂?；?2）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、格式化、查詢、可視化等工作；（ 3）數(shù)據(jù)優(yōu)劣的評估與優(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)用戶對已存數(shù)據(jù)的查詢請求及采集數(shù)據(jù)的控制請求。（ 5）建立與 Internet 的連接。（ 6）自動進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲與刪除操作，保留分析后的數(shù)據(jù)及部分重要的原始數(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。數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)以太網(wǎng)接口控制流數(shù)據(jù)采集與控存儲制模塊數(shù)據(jù)采集與傳存儲模塊輸模塊數(shù)據(jù)分類顯示及用戶界數(shù)據(jù)流面模塊抽取模塊健康安全評估子系統(tǒng)圖 4.1 數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)構(gòu)成方

26、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，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：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)能夠?qū)p傷的發(fā)展趨勢進(jìn)行對比分析及預(yù)測，評估損傷的危險(xiǎn)程度能夠根據(jù)損傷的程度及發(fā)展趨勢制定經(jīng)濟(jì)合理的維護(hù)及維修計(jì)劃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：對銹蝕、

27、裂縫、砼的劣化以及螺栓破壞的人工目測巡檢及無損檢測損傷記錄損傷趨勢分析維護(hù)及維修計(jì)劃損傷報(bào)告生成1. 6 結(jié)構(gòu)狀態(tài)識別子系統(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)識別及損失識別子系統(tǒng)是進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評估的基礎(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)上對安全狀態(tài)信息進(jìn)行綜合評價(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)識別子系統(tǒng)起到了“解碼器”的作用，即對結(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

28、狀態(tài)信息。 在缺乏結(jié)構(gòu)狀態(tài)和損傷識別子系統(tǒng)的情況下，無論結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測信息多么全面和準(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，對于橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營監(jiān)測綜合管理系統(tǒng)而言，狀態(tài)識別子系統(tǒng)至關(guān)重要，是評價(jià)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否成功、對結(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)識別和損傷識別是由結(jié)構(gòu)響應(yīng)反演結(jié)構(gòu)狀態(tài)的問題，屬于系統(tǒng)辨識問題。該類問題理論上非常復(fù)雜，對于大型復(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)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別解決方案，即確定科學(xué)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測信息 “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)

29、狀態(tài)的準(zhǔn)確識別，首先根據(jù)結(jié)構(gòu)狀態(tài)識別的功能要求將結(jié)構(gòu)狀態(tài)識別子系統(tǒng)分為內(nèi)力狀態(tài)識別模塊和損傷識別模塊兩個(gè)模塊。 其中，內(nèi)力狀態(tài)識別模塊側(cè)重于結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)的反演；而損傷識別模塊則側(cè)重于根據(jù)結(jié)構(gòu)動靜力響應(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)識別模塊主要識別結(jié)構(gòu)的恒載內(nèi)力狀態(tài)。結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)識別和損傷狀態(tài)識別均基于結(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)構(gòu)的初始有限元模型，隨著結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的運(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

30、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)識別結(jié)果及結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測信息得到，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。養(yǎng)護(hù)管理子系統(tǒng)損傷識別模塊結(jié)構(gòu)損傷人工監(jiān)測結(jié)構(gòu)損傷識別新的結(jié)構(gòu)損傷信息初始基準(zhǔn)有限元模型結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)歷史 損傷信息舊的有限元基準(zhǔn)模型有限元基準(zhǔn)模型結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜力響應(yīng)結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)識別高頻濾波器當(dāng)前結(jié)構(gòu)的恒載內(nèi)力狀態(tài)安全評估子系統(tǒng)新的有限元基準(zhǔn)模型圖 6.1 結(jié)構(gòu)損

31、傷識別和內(nèi)力狀態(tài)識別流程示意圖由于結(jié)構(gòu)的動靜力測試數(shù)據(jù)不可避免地含有觀測噪聲，因此不確定性是結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)識別和損傷狀態(tài)識別的本質(zhì)屬性。為避免結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)識別和損傷識別的誤判問題，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)識別過程抑制其不適定性，采用蒙特卡羅法獲得待識別參數(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)的自動識別。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

32、，即根據(jù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的誤差水平對當(dāng)前結(jié)構(gòu)的實(shí)測響應(yīng)進(jìn)行多次攝動， 基于每次攝動結(jié)果對結(jié)構(gòu)的各關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行參數(shù)識別，對于結(jié)構(gòu)的每個(gè)關(guān)鍵參數(shù)均能夠獲得多個(gè)識別結(jié)果。對所有的參數(shù)識別結(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)了觀測誤差的影響。依據(jù)識別結(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?，根據(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)識別，可以有效避免由觀測噪聲、模型不確定性引起的誤判問題。建立結(jié)構(gòu)關(guān)于待識別參數(shù)的靈敏度矩陣結(jié)構(gòu)加載和激勵方法實(shí)際結(jié)構(gòu)初始結(jié)構(gòu)分析模型傳感器及

33、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)行為研究結(jié)構(gòu)響應(yīng)測試向量確定結(jié)構(gòu)待識別參數(shù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析待修正概率參數(shù)結(jié)構(gòu)確定數(shù)據(jù)攝動水平及攝動次數(shù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析數(shù)據(jù)攝動數(shù)據(jù)組集結(jié)構(gòu)響應(yīng)殘差系統(tǒng)辨識問題求解攝動次數(shù)滿否足要求？識別結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析基準(zhǔn)概率參數(shù)結(jié)構(gòu)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)安全綜合評估子系統(tǒng)1. 7. 1 綜合評估子系統(tǒng)總體方案該方案提出了綜合人工巡檢與傳感器監(jiān)測的綜合評估子系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)總體方案參見圖7.1.1。該子系統(tǒng)除了涉及對結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性、適用性以及耐久性三個(gè)方面的評估和利用外，增加了對人工巡檢結(jié)果的評估過程，以實(shí)現(xiàn)基于對自動監(jiān)測信息和人工巡檢信息的綜合利用。結(jié)構(gòu)安全綜合評估子系統(tǒng)巡檢巡檢結(jié)果評估信息提取評承載力評估估評估結(jié)論預(yù)警模塊決策建議模結(jié)構(gòu)塊適用性評估監(jiān)測信息提取耐久性評估其它監(jiān)測信息提取圖 7.1.1 綜合評估子系統(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)對功能模塊的初始化和調(diào)用管理，動態(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