實(shí)橋監(jiān)測(cè)方案

1、1 / 30實(shí)橋監(jiān)測(cè)方案2.1項(xiàng)目依托工程2.1.1工程概況重慶馬桑溪長(zhǎng)江大橋西接成渝高速公路，東至渝黔高速公路，是國(guó)道主干線重慶-湛江公路上橋至界石段的一座橫跨長(zhǎng)江的特大橋。是重慶市內(nèi)環(huán)線上的重要樞紐之一。橋梁主跨采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土分離式三角箱形斷面，主橋采用雙塔雙索面飄浮體系斜拉橋。橋跨布置為180m180m + + 360m360m + + 180m180m + + 44m44m + + 8 8 40m40m，主跨360m360m。實(shí)橋和總體布置如圖2.12.1、圖2.22.2。圖2.1馬桑溪大橋Fig. 2.1 MaSa ngxi Bridge圖2.22.2馬桑溪大橋總體布置圖Fig

2、. 2.2 Gen eral layout of MaSa ngxi Bridge高家花園嘉陵江大橋是渝長(zhǎng)高速路上的一座特大型公路橋梁。包括主橋、引橋兩部分，主橋?yàn)?50m+240m+150m150m+240m+150m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，引橋?yàn)? 8孔50m50m 預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T T型梁橋。設(shè)計(jì)荷載為：汽車一超2020級(jí)，掛車一120120級(jí)，人群 3.5KN/m3.5KN/m2。實(shí)橋?yàn)殡p向分離的兩座獨(dú)立橋梁，橋面凈空： 3m3m （人行道）+11.5m+11.5m（車行道）+1.5m+1.5m （分隔帶）+11.5m+11.5m （車行道）+3m+3m （人行道），實(shí)橋和總體布置

3、圖如圖2.32.3、圖2.42.4所示。圖2.3高家花園大橋Fig. 2.3 Gaojia Garde n Bridge3 / 30圖2.4高家花園大橋總體布置圖Fig. 2.4 Gen eral layout of Gaojia Garde n Bridge向家坡立交工程是國(guó)道主干線重慶至湛江公路，重慶童家院子至雷神店段的 一部分，里程區(qū)段K13+000K13+350,K13+000K13+350,為重慶市南岸區(qū)的一項(xiàng)重要交通樞紐工程。 立交工程由四條匝道組成，匝道I為路堤，匝道為多聯(lián)的高架彎、坡 連續(xù)梁橋，各聯(lián)跨徑布置以(17+n(17+n 24+17)m24+17)m為主要形式。根據(jù)各匝

4、道的跨徑特征、 平曲線半徑、橋墩高度等因素，最終選定匝道W中接異形橋的一聯(lián)(WZ6#Z6#墩YXYX 6#6#墩之間)作為遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的對(duì)象。該聯(lián)橋墩高、彎道大、坡度陡，與其關(guān)聯(lián) 的橋墩高度在38384444米之間，且墩底存在滑坡的隱患。實(shí)橋和總體布置如圖2.52.5、 圖2.62.6所示。圖2.5向家坡立交橋Fig. 2.5 Xia ngjiapo overpass圖2.6向家坡立交匝道W總體示意圖Fig.2.6 General arrangement of Xiangjiapo overpass醫(yī) s ramp2.1.2結(jié)構(gòu)及受力特點(diǎn)分析重慶地處長(zhǎng)江、嘉陵江的匯合處，主城為兩江環(huán)抱的丘陵山區(qū)、

5、溝壑縱橫， 因此橋梁在重慶城市交通中扮演著十分重要的角色。據(jù)有關(guān)資料表明，截至20032003年底，重慶建成公路橋梁44004400多座，其中長(zhǎng)江上已建成的特大橋 1111座、在建的 特大橋9 9座，嘉陵江上已建和在建的特大公路橋 1212座。由于特殊的地形地貌，加 上城市的發(fā)展，重慶已經(jīng)成為了名副其實(shí)的中國(guó)橋都。在重慶現(xiàn)有的眾多橋梁中，橋梁種類繁多。有針對(duì)性地從中選擇具有典型性、 代表性的幾種橋型，對(duì)它們進(jìn)行研究并對(duì)其進(jìn)行工程示范，其成果具有普遍意義 并具有很強(qiáng)的推廣性。而大跨度連續(xù)剛構(gòu)梁橋，大跨度鋼筋預(yù)應(yīng)力混泥土斜拉橋， 高橋墩、長(zhǎng)陡坡、彎橋面連續(xù)梁橋，是最具代表性的三類典型橋梁。連續(xù)剛構(gòu)

6、橋保持了 T T形剛構(gòu)和連續(xù)梁的優(yōu)點(diǎn)，適合于高墩、大跨徑的場(chǎng)合。 在設(shè)計(jì)大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁時(shí)，是國(guó)內(nèi)一種具有相當(dāng)代表性的橋型。重慶高 家花園嘉陵江大橋則是這樣的一種典型橋梁。這類橋梁跨度大、且相對(duì)與索橋而 言剛度較大，因此主跨是決定全橋安全的關(guān)鍵，其變形與受力則是監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。由于鋼筋混泥土斜拉橋具有跨度大、成本低、不影響航行等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為 我國(guó)大跨度橋梁中的一種重要橋型。特別是在萬(wàn)里長(zhǎng)江上的數(shù)十座特大橋中，鋼 筋預(yù)應(yīng)力混泥土斜拉橋占據(jù)了相當(dāng)?shù)谋壤?。因此?duì)鋼筋預(yù)應(yīng)力混泥土斜拉橋的安 全性進(jìn)行監(jiān)測(cè)具有重要代表性。重慶馬桑溪長(zhǎng)江大橋則是典型的鋼筋預(yù)應(yīng)力混泥 土斜拉橋，這類橋梁的特點(diǎn)是主跨跨度大

7、、剛度低，主塔的塔身高，主梁、主塔、 斜拉索構(gòu)成了一個(gè)完整的受力體系。因此，主梁、主塔、斜拉索是決定全橋安全 的關(guān)鍵，是監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。在溝壑縱橫、地勢(shì)起伏的山區(qū)公路中，高橋墩、長(zhǎng)陡坡、彎橋面連續(xù)梁橋是適應(yīng)山區(qū)特殊地理?xiàng)l件的一種常見橋型。重慶向家坡立交橋則是典型的高橋墩、 5 / 30長(zhǎng)陡坡、彎橋面連續(xù)梁橋。高墩橋的橋墩穩(wěn)定性本身就是一個(gè)需要監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵參 數(shù)。而對(duì)于長(zhǎng)陡坡、彎橋面的高墩橋，當(dāng)行駛于橋面的車輛在彎道上轉(zhuǎn)彎時(shí)將對(duì) 橋面產(chǎn)生離心力，且車輛在橋面的陡坡下滑時(shí)的制動(dòng)、將對(duì)橋面產(chǎn)生摩擦力。長(zhǎng) 陡坡、彎橋面連續(xù)梁橋的這兩個(gè)荷載作用于橋墩的墩頂時(shí)，共同對(duì)橋墩的墩頂產(chǎn) 生橫向作用力，將使高聳的橋墩產(chǎn)

8、生更加劇烈的墩頂位移，進(jìn)一步影響橋墩的穩(wěn) 定性。此外山區(qū)公路大多地勢(shì)陡峭，在役許多橋墩存在滑坡威脅，這又增加了橋 墩的不穩(wěn)定性。因此對(duì)于高橋墩、長(zhǎng)陡坡、彎橋面連續(xù)梁橋而言，橋墩的穩(wěn)定性 問(wèn)題更加突出。因此高墩橋的橋墩位移是監(jiān)測(cè)重點(diǎn)。具體結(jié)合三座橋梁各自的特點(diǎn)要求，在有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，確定 三座大橋各自的監(jiān)測(cè)方案如下。2.2馬桑溪大橋監(jiān)測(cè)方案表2.1馬桑溪大橋監(jiān)測(cè)參數(shù)及監(jiān)測(cè)要求匯總表Table 2.1 Mon itori ng parameters and requireme nt summary of Masa ngxi Bridge要求參數(shù)數(shù)量分辨力精度測(cè)量范圍主梁應(yīng)變36361

9、1 ()5 5( )-400+350-400+350 (750750 卩)主塔應(yīng)變8 81 1 ()5 5( )-400+350-400+350 (750750 )主梁撓度18181010 (mmmm)18(18( mmmm) (2%)(2%)-300+600-300+600 (900mm900mm)主梁撓度18182 2 (mmmm)3 3 (mmmm) (1%)(1%)-100+200-100+200 (300mm300mm)主塔位移2 22 2 (mmmm)6 6 (mmmm) (1%)(1%)-300+300-300+300 (600mm600mm加速度4 40.10.1 (HzHz)

10、0.20.2 (HzHz)0.350.35 (HzHz)溫度35351 1C)2 2 (C)-10-10 +70+70 (8080C)濕度4 42%RH2%RH5%RH5%RH1095%RH1095%RH合計(jì)107107表2.12.1為馬桑溪長(zhǎng)江大橋傳感器監(jiān)測(cè)參數(shù)及監(jiān)測(cè)要求統(tǒng)計(jì)匯總表。馬桑溪長(zhǎng)江大橋是一座橫跨長(zhǎng)江的特大型斜拉橋，其中跨長(zhǎng)度為360360米、邊跨長(zhǎng)度為180180米，跨中極限變形量達(dá)到900900毫米。且伴有由主梁扭曲產(chǎn)生的橫向 位移，即主梁變形體現(xiàn)為垂向撓度與橫向位移的組合變形。因現(xiàn)有的手段無(wú)法滿 足主梁撓度的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量要求，而作為一座已成橋，其應(yīng)變監(jiān)測(cè)的傳感方式不 同于施工

11、中埋入傳感器的其它橋梁。針對(duì)這些特點(diǎn)，采用以下監(jiān)測(cè)方案。2.2.1主梁應(yīng)變監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)在橋梁結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，確定設(shè)置馬桑溪大橋主梁應(yīng)變監(jiān)測(cè)子0L1DOBOCUEiCCU0ODC6LLUt.J_L6000EiQOO61J IA 1=o Tin，r斗AOnr計(jì)sr機(jī)A陽(yáng)變 O制度o很度moo11100力系統(tǒng)，用于獲取主梁關(guān)鍵截面、關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)應(yīng)變。要求在-400-400 +350+350微應(yīng)變范圍內(nèi), 達(dá)到1 1微應(yīng)變的分辨力、5 5微應(yīng)變的測(cè)量精度。由于監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性是最為重要的指標(biāo)，目前常規(guī)的應(yīng)變測(cè)量方法難以達(dá) 到此要求，因此采用本項(xiàng)目開發(fā)的表面安裝式光纖法珀應(yīng)變傳感器系統(tǒng)。馬桑溪 大

12、橋主梁關(guān)鍵截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)縱向布置如圖 2.72.7，橫向布置見圖2.82.8。In圖2.7馬桑溪大橋監(jiān)測(cè)參數(shù)及監(jiān)測(cè)位置總體示意圖圖2.9馬桑溪大橋應(yīng)變監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)方案Fig 2.9 Strain site pla n of Masa ngxi bridgeFig. 2.7 Overall mon itori ng parameters and locati ons of Masa ngxi BridgeFig. 2.8 Cross-sect ional stra in points of Masa ngxi Bridge7 / 30如圖2.72.7所示，選擇主跨及邊跨的9 9個(gè)斷面，每個(gè)斷面4 4個(gè)

13、，總共安裝3636個(gè) 表貼式光纖應(yīng)變傳感器，獲取測(cè)點(diǎn)處表面的應(yīng)變值。光纖應(yīng)變傳感器皆通過(guò)多芯 光纜，將信號(hào)傳輸?shù)奖眰?cè)主塔下無(wú)人監(jiān)控室的測(cè)量?jī)x處，如圖2.92.9所示。由于光纖應(yīng)變測(cè)量?jī)x只能測(cè)量一個(gè)傳感器，要完成數(shù)十路傳感器的檢測(cè)，需 要配備多路光纖巡檢開關(guān)。而常規(guī)光通信用光纖開關(guān)價(jià)格昂貴，因此，為尋求降 低成本的新途徑，采用光纖傳感器復(fù)用技術(shù)，將光纖應(yīng)變測(cè)量?jī)x的測(cè)量容量擴(kuò)展 一倍，以降低對(duì)光纖開關(guān)的要求，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。2.2.2主梁變形監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主梁變形監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)用于主梁關(guān)鍵點(diǎn)位移、以及主梁線形監(jiān)測(cè)。要求在 +200+200 -100-100 （即 300300毫米）范圍內(nèi)，達(dá)到2

14、2毫米的分辨力、3 3毫米（即1 1%）的測(cè)量精度； 而在跨中測(cè)點(diǎn)，則要求在+600+600 -300-300 （即900900毫米）的范圍內(nèi)，達(dá)到1010毫米的分 辨力、1818毫米（即2 2%）的測(cè)量精度。由于馬桑溪大橋的變形監(jiān)測(cè)具有變形范圍寬（跨中點(diǎn)可達(dá)900900毫米）、測(cè)量精 度高、存在扭曲產(chǎn)生的橫向變形及傾斜變形、測(cè)量距離遠(yuǎn)（最遠(yuǎn)點(diǎn)大于430430米）、測(cè)量速率要求高（0.10.1秒完成1818個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量）等特點(diǎn)，因此馬桑溪長(zhǎng)江大橋這 類特大型斜拉橋的變形監(jiān)測(cè)極為困難，目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有可以利用的現(xiàn)成方法，只能 自行研制解決，采用本項(xiàng)目開發(fā)的自標(biāo)定、自編碼成像法多點(diǎn)動(dòng)態(tài)撓度傳感器系 統(tǒng)

15、。/；丿一 測(cè)量Jt去西蔭輕種攝畛 檔號(hào)斂里畫工機(jī)圖2.10馬桑溪大橋變形監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)示意圖Fig 2.10 Deformatio n mon itori ng subsystem of Masa ngxi bridge如圖2.72.7所示，選擇主跨及邊跨的9 9個(gè)斷面，每個(gè)斷面上下游的各1 1個(gè)測(cè)點(diǎn)、 總共1818個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在這1818個(gè)測(cè)點(diǎn)上，將全天候特種自校準(zhǔn)圖標(biāo)，面向橋 墩處安裝固定；而在橋墩的對(duì)應(yīng)點(diǎn)處、面向圖標(biāo)安裝帶有超長(zhǎng)焦變焦鏡頭的特種電rUP5RS252高速數(shù)字?jǐn)z像頭；并采用特種圖像傳輸線、將高速攝像頭采集到的圖像信息就近 傳輸?shù)焦た貦C(jī)上，由工控機(jī)進(jìn)行高速圖像處理，并通過(guò)局域

16、網(wǎng)的方式將兩個(gè)橋墩 上的工控機(jī)聯(lián)網(wǎng)（圖2.102.10）。馬桑溪大橋的撓度監(jiān)測(cè)使用了圖像傳感器，由于圖像傳感器的采集卡到傳感器間的距離非常近，無(wú)法實(shí)現(xiàn)用一臺(tái)計(jì)算機(jī)來(lái)控制整座橋梁的圖像傳感器，因此,馬桑溪大橋有兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。為使得負(fù)荷均衡，將馬桑溪大橋分成南、北 兩座橋設(shè)計(jì)，兩個(gè)子系統(tǒng)之間通過(guò)光纜局域網(wǎng)進(jìn)行連接，如圖2.112.11所示。2.2.3主塔應(yīng)變和變形監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)馬桑溪大橋索塔測(cè)點(diǎn)布置包括塔頂位移和塔柱應(yīng)變兩個(gè)方面。利用結(jié)構(gòu)的對(duì)圖2.11馬桑溪大橋現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)總體框圖Fig. 2.11 General site framework of Masangxi Bridge* HL S葩o

17、o 字I/I/ ststI BE n9 / 30稱性，塔柱結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置于南塔塔柱根部的分肢上，每肢布設(shè)4 4個(gè)應(yīng)變傳感器，共有8 8個(gè)應(yīng)變傳感器，采用本項(xiàng)目開發(fā)的表貼式光纖法珀應(yīng)變傳感器系統(tǒng)。主塔的溫度傳感器也布設(shè)在相應(yīng)位置處，如圖2.122.12所示。圖2.12主塔應(yīng)變和溫度測(cè)點(diǎn)布置圖Fig. 2.12 Strain and temperature measuri ng poi nts of pylon塔柱變形監(jiān)測(cè)分南塔和北塔兩個(gè)塔，每個(gè)塔的測(cè)點(diǎn)均位于塔柱頂部的中心位 置。要求在600600毫米的測(cè)量范圍內(nèi)，達(dá)到6 6毫米（1%1%）的測(cè)量精度、2 2毫米的測(cè) 量分辨率，采用本項(xiàng)目開發(fā)的

18、大量程高精度激光圖像傳感器二維位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該方法是激光法與圖像法的組合。激光器固定在塔頂上，從激光器發(fā)出的準(zhǔn)直激 光束照射在半透射接收屏上，攝像機(jī)置于接收屏下方。當(dāng)塔頂發(fā)生位移時(shí)，照射 1.平頤如辛汁,圖2.13塔頂位移的二維監(jiān)測(cè)Fig. 2.13 2-D displaceme nt mon itori ng of tower在接收屏上的激光光斑也發(fā)生相應(yīng)的位移，實(shí)現(xiàn)了塔頂位移的二維監(jiān)測(cè)，如圖2.132.13 所示。2.2.4索力監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)馬桑溪大橋索力測(cè)點(diǎn)以大橋主跨為中心，對(duì)稱選取跨中最長(zhǎng)的4 4根斜拉索為監(jiān)測(cè)對(duì)象，南、北塔的上、下游位置各一根共 4 4根。對(duì)于斜拉索的一階振型，要 測(cè)量拉

19、索的基頻，加速度傳感器的最佳位置應(yīng)接近拉索中部。但考慮到工程實(shí)施 的具體難度，傳感器的安裝位置以施工能夠安裝到的最高位置為準(zhǔn)。實(shí)際位置距 橋面5 5米處，采用4 4只超低頻加速度傳感器，如圖2.142.14所示。圖2.14加速度傳感器測(cè)點(diǎn)布置Fig. 2.14 Acceleration sensor measuring points由于拉索的隔振保護(hù)措施和傳感器安裝位置較低等因素的限制，傳感器感受 的振幅非常小。因此要求加速度傳感器具有極好的超低頻響應(yīng)能力和較寬的頻帶， 以及很高的加速度靈敏度。同時(shí)還應(yīng)有很小的安裝質(zhì)量，盡量減少對(duì)拉索振動(dòng)的 影響。加速度傳感器的微弱信號(hào)難以直接遠(yuǎn)距離傳送到橋墩

20、處處理，因此需要專 用信號(hào)調(diào)理器。為此，每只加速度傳感器有一根屏蔽信號(hào)線、一根電源線，與之 對(duì)應(yīng)地需要電源防雷器、信號(hào)防雷器各一只，還需要直流電源一只。所有的電源 線、信號(hào)線都沿斜拉索、橋面、通信管道的路徑，最終進(jìn)入橋墩處的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站。2.2.5環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)用于大橋各處的溫度、濕度監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置如圖2.72.7所示，共有3535個(gè)溫度傳感器和4 4個(gè)濕度傳感器。溫度要求在1010+ 7070C范圍內(nèi)， 達(dá)到2 2C的監(jiān)測(cè)精度，濕度在101095%RH95%RH范圍內(nèi)達(dá)到5%RH5%RH的精度。11 / 30由半導(dǎo)體溫敏元件、數(shù)字處理芯片組成的數(shù)字溫度測(cè)量系統(tǒng)，其原理

21、如圖2.152.15 和圖2.162.16所示。由于傳感器是通過(guò)485485接口，直接將信號(hào)送到計(jì)算機(jī)總線上，因 而可將多個(gè)傳感器組成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，滿足現(xiàn)場(chǎng)多點(diǎn)測(cè)量要求。該系統(tǒng)以前已經(jīng)成功 地應(yīng)用于重慶市大佛寺長(zhǎng)江大橋，故可以直接采用。半導(dǎo)體濕度傳感器也比較成 熟，將其按照數(shù)字溫度傳感器系統(tǒng)相同的方法， 同樣可構(gòu)成數(shù)字濕度傳感器系統(tǒng)。圖2.15數(shù)字溫、濕度系統(tǒng)Fig 2.15 Digital temperature and humidity system溫度傳感器1濕度傳感器圖2.16溫度、濕度傳感器安裝圖Fig 2.16 Temperature and humidity sen sor loca

22、ti ons2.3高家花園大橋監(jiān)測(cè)方案表2.22.2高家花園大橋監(jiān)測(cè)參數(shù)及監(jiān)測(cè)要求Table 2.2 Mon itori ng parameters and requireme nt summary of Gaojia Garde n Bridge要求參數(shù)-數(shù)量分辨力精度測(cè)量范圍應(yīng)變20201 1 ()3 3(6)-130-130 +200+200 (330330)撓度10101 1 (mmmm)2 2 (mmmm)-130+50-130+50 (180mm180mm)溫度15151 1C)2 2 (C)-10-10 +70+70 (8080C)濕度2 22%RH2%RH5%RH5%RH109

23、5%RH1095%RH合計(jì)4747表2.22.2為高家花園大橋傳感器監(jiān)測(cè)參數(shù)及監(jiān)測(cè)要求統(tǒng)計(jì)匯總表。高家花園嘉陵江大橋是一座橫跨嘉陵江的大型連續(xù)剛構(gòu)橋，主跨長(zhǎng)度為240240米、邊跨長(zhǎng)度為150150米，如圖2.42.4所示。相對(duì)于馬桑溪大橋而言，其剛度較大， 主梁的變形較小，跨中極限變形量為 100100毫米，且基本不存在橫向變形。與馬桑 溪大橋一樣，也是已成橋梁監(jiān)測(cè)，且全部測(cè)點(diǎn)都集中在主梁上。針對(duì)這些特點(diǎn)， 采用以下的監(jiān)測(cè)方案。2.3.1主梁應(yīng)變監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主梁應(yīng)變監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)用于獲取主梁關(guān)鍵截面、關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變，要求在-130-130 +200+200微應(yīng)變范圍內(nèi)，達(dá)到1 1微應(yīng)變的分辨力、3

24、 3微應(yīng)變的測(cè)量精度。在橋梁結(jié)構(gòu) 內(nèi)力分析的基礎(chǔ)上，確定主梁沿縱向 5 5個(gè)截面布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，全橋測(cè)點(diǎn)布置如圖 2.172.17，采用本項(xiàng)目開發(fā)的表貼式光纖法珀應(yīng)變傳感器系統(tǒng)。圖2.17高家花園大橋全橋布點(diǎn)圖Fig. 2.17 Overall mon itori ng parameters and locati ons of Gaojia Garde n Bridge1/300)/2/3501201205Q1PHI上酣幅JMt下瞬幅比野桂感零一先型也曲堡儀圖2.18高家花園大橋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)縱向布置Fig 2.18 Lon gitud in al layout of stra in measuri

25、ng points in Gaojia Garde n bridge13 / 30如圖2.182.18所示，在上游幅主跨及邊跨的 5 5個(gè)斷面處，總共安裝1818只光纖應(yīng) 變傳感器。其中，南側(cè)邊跨根部、中跨南側(cè)根部、中跨1/21/2處、北側(cè)邊跨1/31/3處的每個(gè)斷面頂板、底板各裝2 2只，如圖2.19;2.19;南側(cè)邊跨1/31/3處在底板安裝2 2只； 在下游幅的跨中底板上，安裝2 2只傳感器。所有2020只光纖應(yīng)變傳感器通過(guò)多芯光 纜，將信號(hào)傳輸?shù)侥蟼?cè)0 0號(hào)塊內(nèi)的測(cè)量?jī)x處。2.3.2主梁變形監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主梁變形監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)用于主梁關(guān)鍵點(diǎn)位移、以及主梁線形監(jiān)測(cè)。要求在-130-130+50+

26、50毫米的變形范圍內(nèi)，達(dá)到2 2毫米的監(jiān)測(cè)精度、1 1毫米的監(jiān)測(cè)分辨力，且采樣 速率優(yōu)于1010赫茲。采用本項(xiàng)目開發(fā)的自標(biāo)定、自編碼式圖像位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。選擇下游幅中跨及 邊跨的9 9個(gè)斷面，跨中斷面設(shè)置2 2個(gè)測(cè)點(diǎn)，其余斷面設(shè)置1 1個(gè)測(cè)點(diǎn)，總共1010測(cè)點(diǎn) 進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖2.202.20所示。南隔離帶J-u撓醴禹?yè)隙蕊|撓屋皿 需度2 圖2.20高家花園大橋變形監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig. 2.20 Deformati on mon itori ng poi nts of Gaojia Garde n BridgeFig 2.19 Vertical layout of strain measuri

27、ng poi nts in Gaojia Garde n bridge在這1010個(gè)測(cè)點(diǎn)上，將全天候自校準(zhǔn)圖標(biāo)，面向南側(cè)橋墩安裝固定；而在橋墩 的對(duì)應(yīng)點(diǎn)處、面向圖標(biāo)安裝帶有超長(zhǎng)焦變焦鏡頭的特種高速數(shù)字?jǐn)z像頭；并采用 特種圖像傳輸線、將高速攝像頭采集到的圖像信息就近傳輸?shù)焦た貦C(jī)上，由工控 機(jī)進(jìn)行高速圖像處理。rt電圖2.21高家花園大橋現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖Fig 2.21 Gen eral site framework of Gaojia Garde n bridge高家花園大橋的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與馬桑溪大橋相同地采用了圖像方式進(jìn)行撓度 的監(jiān)測(cè)，同樣分成2 2個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，如圖2.212.21。這樣

28、的布置，能獲取下游幅 靠隔離帶一側(cè)的完整線形，同時(shí)兼顧了跨中斷面的監(jiān)測(cè)和項(xiàng)目總費(fèi)用的限制，為 以后的擴(kuò)容留下空間。2.3.3環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)用于大橋各處的溫度、濕度監(jiān)測(cè)，采用與馬桑溪大橋類似的方法，安裝1515個(gè)溫度傳感器和2 2個(gè)濕度傳感器。溫度要求在-1010+ 7070C15 / 30范圍內(nèi)，達(dá)到2 2C的監(jiān)測(cè)精度，濕度在101095%RH95%RH范圍內(nèi)達(dá)到5 5% RHRH的精度 測(cè)點(diǎn)布置如圖2.222.22所示上游北溫度21 .溫度20溫度11 溫度31.隔離帶.溫度30溫度62.溫度61溫度4心溫度51.溫度53濕度7 （箱梁外）濕度1 （箱梁內(nèi)）溫度63

29、.溫度60溫度40.溫度50.甬溫度52南墩北墩?qǐng)D2.22高家花園大橋溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig. 2.22 Temperature and humidity system of Gaojia Garde n Bridge2.4向家坡立交橋監(jiān)測(cè)方案表2.32.3向家坡立交橋監(jiān)測(cè)參數(shù)及監(jiān)測(cè)要求Table 2.3 Mon itori ng parameters and requireme nt summary of Xia ngjiapo overpass5要求參數(shù)數(shù)量分辨力精度測(cè)量范圍墩頂位移4 41 1 (mmmm)2 2 (mmmm)400mm400mm墩梁錯(cuò)位2 21 1 (mmmm)2 2 (

30、mmmm)(180mm180mm)溫度8 81 1C)2 2 (C)-10+70-10+70 (8080C)總數(shù)1414表2.32.3為向家坡立交橋監(jiān)測(cè)參數(shù)及監(jiān)測(cè)要求匯總表。向家坡立交橋作為典型的滑坡地帶的高墩、彎道、斜坡橋，其監(jiān)測(cè)重點(diǎn)是橋 墩位移。其中匝道W中接異形橋的一聯(lián)（WZ6#Z6#墩YXYX 6#6#墩之間）是處于橋墩最高、彎道最大、坡度最陡的一段，其橋墩所受橫向作用力最大。而該段的1010#、1212#橋墩位列其中最高的幾座墩（墩高 38384444米），既在墩頂受到橫向力作用、 又在墩底存在滑坡的隱患。因此分別監(jiān)測(cè)1010#、1212#橋墩的墩頂位移和墩梁錯(cuò)位。2.4.1墩頂位移

31、監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)以10#10#墩為對(duì)象，選取墩頂截面及離墩頂6 6米的截面布置傳感器，在每個(gè)截面上布置2 2個(gè)測(cè)點(diǎn)，用以監(jiān)測(cè)10#10#墩在交通荷載作用下，沿橋面圓弧的切向T T、法向R R的墩頂位移，如圖2.232.23所示。要求達(dá)到400400毫米的監(jiān)測(cè)范圍、2 2毫米的精隔離帶隔離帶隔離帶度、1 1毫米的分辨力。由于該測(cè)點(diǎn)處于滑坡地帶，難以設(shè)置位移監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)，因此采用本項(xiàng)目開發(fā)的新型傾斜傳感器注；+ -為尊劃傳感討口交化刁祠圖2.23向家坡立交10#橋墩傾斜傳感器布置圖Fig. 2.23 Rotation sensor layout of Xiangjiapo overpass pier 10#

32、2.4.2墩梁錯(cuò)位監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)墩梁錯(cuò)位的監(jiān)測(cè)對(duì)象為12#12#橋墩。該處為滑動(dòng)支座，以橋墩和主梁互為基準(zhǔn) 設(shè)置錯(cuò)位傳感器，用以監(jiān)測(cè)12#12#墩在交通荷載作用下，沿法向 R R和切向T T的墩梁 錯(cuò)位位移，如圖2.242.24所示。要求達(dá)到180180毫米的監(jiān)測(cè)范圍、2 2毫米的精度、1 1毫 米的分辨力。圖2.24向家坡立交12#橋墩墩梁錯(cuò)位傳感器布置圖Fig. 2.24 Beam-pier dislocation sensor of Xiangjiapo overpass pier 12#（3）倍感器布査佚視固憐側(cè)I?點(diǎn)立獻(xiàn)規(guī)圖TR MRIT為切向+ 為裁*1冇向G 磁噴感4Sax：IHJ也

33、&樸=*“）傳野稔布點(diǎn)丈憂劇示17 / 30243環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)采用與馬桑溪大橋和高家花園大橋相同的溫度傳感器，總共安裝8 8只。用于監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度，以及對(duì)傾斜傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。安裝于傾斜傳感器和錯(cuò)位傳感 器附近，如圖2.232.23、2.242.24所示。2.5三橋新型傳感器2.5.1表貼式光纖應(yīng)變傳感器對(duì)于已成橋的應(yīng)變監(jiān)測(cè)，相比于施工中的應(yīng)變監(jiān)測(cè)有不同的特點(diǎn)。馬桑溪大 橋和高家花園大橋是已經(jīng)建成使用多年的已成橋，不能將應(yīng)變傳感器埋入大橋主 梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，只能將應(yīng)變傳感器安裝在主梁外部。安裝在外部的應(yīng)變傳感器， 既要能準(zhǔn)確傳遞結(jié)構(gòu)的應(yīng)變，又要能耐受外部環(huán)境的影響，還要能保證數(shù)據(jù)采集 的

34、長(zhǎng)期穩(wěn)定性。為此，本項(xiàng)目采用特殊的不銹鋼專用安裝夾具，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)電焊技 術(shù)，開發(fā)出表貼式光纖應(yīng)變傳感器。圖2.25光纖應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)Fig. 2.25 Structure of optical fiber strain sensor圖2.26表貼式光纖應(yīng)變傳感器Fig. 2.26 Surface moun ted optical fiber strain sen sor光纖法珀干涉應(yīng)變傳感器主要是基于白光多光束干涉的原理39，其結(jié)構(gòu)如圖2.252.25所示。將兩根單模光纖的端面加工為鏡面反射面，裝入一個(gè)密封玻璃管內(nèi)， 并使它們嚴(yán)格平行、同軸，形成一個(gè)腔長(zhǎng)為 t t的光纖F-PF-P腔。當(dāng)一束光通

35、過(guò)光纖 入射到光纖F-PF-P腔內(nèi)時(shí)，就會(huì)在腔內(nèi)形成多光束的干涉輸出。光纖法珀傳感器原理簡(jiǎn)單、制造容易，其使用成本也低。此類傳感器是以光 的波長(zhǎng)為最小計(jì)量單位，具有測(cè)量靈敏度高的特點(diǎn)，且采用相位解調(diào)方法時(shí)，輸 出結(jié)果穩(wěn)定可靠、不受電源、光源波動(dòng)影響。法珀腔是完全密封的，防水、耐腐 蝕，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，可以在混凝土結(jié)構(gòu)的高濕度、高堿性的施工及營(yíng)運(yùn)期等惡劣 環(huán)境中保持長(zhǎng)期穩(wěn)定性。它是在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中最早得到應(yīng)用的光纖傳感器。要將纖細(xì)的光纖傳感器實(shí)際應(yīng)用到結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)， 必須解決傳感器保護(hù)問(wèn)題， 以達(dá)到應(yīng)有的存活率。要保證傳感器應(yīng)變測(cè)量的準(zhǔn)確性，必須保證結(jié)構(gòu)與傳感器 之間有良好的力傳遞與耦合。對(duì)于已成

36、橋而言，傳感器只能安裝在結(jié)構(gòu)表面。為 了避免纖細(xì)的光纖傳感器在現(xiàn)場(chǎng)施工中遭到損害，提高傳感器的存活率，必須給 光纖應(yīng)變傳感器增加外部保護(hù)結(jié)構(gòu)。玄裝坯嗨_1O033K ，I支缺圖2.27傳感器安裝專用夾具Fig. 2.27 Special sensor installation fixture通過(guò)受力分析，傳感器要準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)變形，必須滿足剛度匹配原則，即傳 感器的剛度應(yīng)遠(yuǎn)低于被測(cè)結(jié)構(gòu)剛度。據(jù)此，設(shè)計(jì)出圖2.262.26所示的表貼式光纖應(yīng)變傳感器和圖2.272.27所示的傳感器專用安裝基座。利用基座的支撐作用，消除安裝引 入的初始應(yīng)變，提高測(cè)量精度。通過(guò)這樣的安裝工藝，能較好地解決表貼式光纖應(yīng)變

37、傳感器的存活率、高靈 敏度的矛盾。在光纖傳感器與被測(cè)結(jié)構(gòu)之間的力學(xué)聯(lián)系被保護(hù)結(jié)構(gòu)隔絕的條件下， 保證結(jié)構(gòu)的應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞給傳感器。19 / 302.5.2自標(biāo)定、自編碼成像法多點(diǎn)動(dòng)態(tài)撓度傳感器特大型懸索橋、斜拉橋的主梁具有跨度大、剛度低的特點(diǎn)，因此它的主梁變形量特別大。對(duì)于這種大跨度、大變形監(jiān)測(cè)問(wèn)題，現(xiàn)有的常規(guī)方法是GPSGPS與全站儀。但GPSGPS只有2020毫米的測(cè)量精度、達(dá)不到一般斜拉橋毫米級(jí)的精度要求，且 價(jià)格昂貴。而全站儀雖然能達(dá)到所需精度，但其需要人工現(xiàn)場(chǎng)操作，一般不適 應(yīng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的要求。圖像監(jiān)測(cè)法將預(yù)定目標(biāo)成像在攝像機(jī)像面上，通過(guò)監(jiān)視目標(biāo)在像面上的變化 量、計(jì)算出結(jié)構(gòu)變形46，

38、能夠適應(yīng)遠(yuǎn)距離大范圍變形監(jiān)測(cè)，達(dá)到預(yù)定精度，實(shí)現(xiàn) 自動(dòng)監(jiān)測(cè)。但將像面上的變化量折算為目標(biāo)的位移時(shí)，對(duì)于不同距離的目標(biāo)、不 同的氣候條件，其折算系數(shù)是不一樣的，常規(guī)的圖像監(jiān)測(cè)法難以達(dá)到較高的監(jiān)測(cè) 精度。此外，常規(guī)圖像監(jiān)測(cè)法中目標(biāo)與攝像機(jī)一一對(duì)應(yīng)的布局，使其不能實(shí)現(xiàn)多 點(diǎn)動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)。本項(xiàng)目在常規(guī)圖像監(jiān)測(cè)法的基礎(chǔ)上發(fā)明了自標(biāo)定、自編碼成像 法多點(diǎn)動(dòng)態(tài)撓度測(cè)量方法，從根本上解決了這個(gè)問(wèn)題。自標(biāo)定、自編碼Fig 2.28 Self-calibration principle indication圖2.29自編碼原理示意Fig 2.29 Self-coding principle indication2

39、1 / 30：T-=V|L |UM分配放大器EE叵叵-EW7 i亦 1TTT(MFTTWouwtT-aTTCT-iId.CAMERA-4自標(biāo)定、自編碼多點(diǎn)動(dòng)態(tài)撓度測(cè)量方法的核心是帶有自標(biāo)定和自編碼功能的 靶標(biāo)以及相應(yīng)的圖像處理算法。如圖2.282.28所示，帶有自標(biāo)定和自編碼功能 H H的靶 標(biāo)1 1安裝在結(jié)構(gòu)2 2處，經(jīng)過(guò)攝像機(jī)3 3成像到攝像機(jī)的像面上3-23-2處，通過(guò)圖像處圖2.30多點(diǎn)動(dòng)態(tài)撓度監(jiān)測(cè)示意圖Fig 2.30 Multi point dynamic deflection monitoring schematic diagram理軟件，利用H H的固定參數(shù)特性，即可對(duì)h h進(jìn)

40、行自標(biāo)定，得出折算系數(shù)。當(dāng)結(jié)構(gòu) 從2 2變形到22時(shí)，利用自標(biāo)定系數(shù)h h，可由像面變形dd計(jì)算出結(jié)構(gòu)的精確變形量 d do當(dāng)不同的靶標(biāo)采用不同的固定參數(shù)特性值HnHn時(shí)，利用專用圖像處理軟件，得到不同的自標(biāo)定系數(shù)hnhn,從而區(qū)分出不同的目標(biāo)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)自編碼，如圖2.292.29所示。在兼顧測(cè)量范圍與測(cè)量精度的情況下， 每個(gè)攝像機(jī)可以同時(shí)監(jiān)測(cè)2 23 3個(gè)測(cè) 點(diǎn)。(2)(2)多點(diǎn)動(dòng)態(tài)撓度測(cè)量由于攝像機(jī)一般具有2525幀/ /秒以上的圖像采集速率，而上述自編碼圖像處理 軟件的處理時(shí)間是十毫秒數(shù)量級(jí)，因此它本身是一個(gè)具有2020赫茲以上采集頻率的 多點(diǎn)動(dòng)態(tài)撓度測(cè)量系統(tǒng)。將多個(gè)這樣的系統(tǒng)并聯(lián)，采用

41、高速數(shù)據(jù)采集卡，可達(dá)到 5 5赫茲以上的速率，實(shí)現(xiàn)1212個(gè)測(cè)點(diǎn)的同步動(dòng)態(tài)撓度監(jiān)測(cè)，如圖 2.302.30所示。2.5.3大量程高精度激光圖像傳感器自標(biāo)定、自編碼成像法的監(jiān)測(cè)精度在1 15 5毫米，主要適用于一維監(jiān)測(cè)。當(dāng)要 將監(jiān)測(cè)精度提高到1 1毫米以內(nèi)、或要監(jiān)測(cè)二維位移時(shí)，該方法有一定的局限。為此，可采用激光圖像傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)是激光法與圖像法的組合45。其原理如圖2.312.31所示。激光器固定在被 測(cè)結(jié)構(gòu)上，從激光器發(fā)出的準(zhǔn)直激光束照射在遠(yuǎn)處固定的半透射接收屏上形成一 CAMERA-2-HF? 5-1fjn-., II IMF 1個(gè)圓形光斑。攝像機(jī)置于接收屏正后方不遠(yuǎn)處，根據(jù)光斑的直徑大

42、小和測(cè)量的范 圍要求，可適當(dāng)調(diào)整接收屏至攝像機(jī)之間的距離，但兩者之間的距離一般限制在 5 5米以內(nèi)。通過(guò)選擇合適的鏡頭，根據(jù)成像公式，測(cè)量的精度能得到保證。當(dāng)激 光器發(fā)生位移時(shí)，照射在接收屏上的激光光斑也發(fā)生相應(yīng)的位移，通過(guò)采集處理 前后兩次的圖片，比較中心位置的變化，能獲得被測(cè)結(jié)構(gòu)的位移大小。圖2.31激光圖像位移測(cè)量系統(tǒng)Fig 2.31 Laser image displaceme nt measuri ng system該方法利用了激光光束良好的方向性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)遠(yuǎn)點(diǎn)位移信息的傳輸。在接 收端設(shè)置接收屏，遠(yuǎn)處激光器發(fā)出的光照在接收屏上形成光斑，然后再用成像法 測(cè)量激光光斑在屏上的移動(dòng)。接收

43、屏的大小可以根據(jù)測(cè)量要求制作，擴(kuò)大了原來(lái) 激光法的量程，實(shí)現(xiàn)二維測(cè)量。接收屏和攝像機(jī)的距離很短且固定，解決了原成 像法分辨力低和分辨力隨著物距改變變化的問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)恒定分辨力的動(dòng)態(tài)大 量程二維位移測(cè)量。2.5.4墩頂位移的傾斜傳感器向家坡立交橋，是全國(guó)少有的墩高、坡陡、彎急的特殊結(jié)構(gòu)。高聳的橋墩墩 頂具有較大的位移，不能以鄰近的橋墩作為測(cè)量基準(zhǔn)。橋墩地基附近的地質(zhì)松軟、 土壤隨雨水沖刷、滑移嚴(yán)重，不可能在塔根部設(shè)置永久性測(cè)量基準(zhǔn)。即使設(shè)置地 面基準(zhǔn)，也由于其敞露于曠野、易于受到人為破壞。任何需要在現(xiàn)場(chǎng)選取固定不 變測(cè)量基準(zhǔn)的方案都不適用，上述的兩種監(jiān)測(cè)位移的方法，都不適合于向家坡立 交橋?？?/p>

44、察向家坡立交橋橋面的受力情況，當(dāng)車輛行駛到橋面時(shí)，一邊轉(zhuǎn)彎、一邊 制動(dòng)，同時(shí)存在轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)兩個(gè)動(dòng)作。車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)給橋面施加一個(gè)沿橋面弧線法 向的離心力，車輛制動(dòng)時(shí)給橋面施加一個(gè)沿橋面弧線切向的制動(dòng)力。這兩個(gè)力傳23 / 30遞到橋墩上，使橋墩的墩頂產(chǎn)生沿橋面弧線法線和切向的兩個(gè)位移分量。假設(shè)橋墩為一勻質(zhì)、等截面、根部固定的理想桿件，如圖2.322.32和圖2.332.33所示 當(dāng)墩頂發(fā)生橫向位移d d時(shí)，在偏離鉛垂線上產(chǎn)生傾斜角B。將傾斜傳感器分別安 裝在墩頂?shù)姆ㄏ蚝颓邢蛭恢蒙?，測(cè)量出墩頂法向和切向傾斜角的變化，從而可求 出墩頂沿法向和切向的位移。圖2.32傾角傳感器原理圖Fig 2.32 Ro

45、tati on sen sor schematic diagram圖2.33頂端位移簡(jiǎn)化模型示意圖Fig 2.33 Simplified model diagram of pier top displaceme nt利用傾角傳感器測(cè)量位移的方法，是通過(guò)測(cè)量測(cè)點(diǎn)前后產(chǎn)生的傾斜角變化， 推導(dǎo)出傾斜角和位移的關(guān)系，從而計(jì)算獲得測(cè)點(diǎn)的位移。這種方案將線位移的測(cè) 量轉(zhuǎn)換為角位移測(cè)量。該方法是利用絕對(duì)重力方向?yàn)閰⒄辗较?，在具體實(shí)施時(shí)不 需要另設(shè)基準(zhǔn)，解決了現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法選擇測(cè)量基準(zhǔn)的問(wèn)題。因此非常適合于高墩橋墩 頂位移的監(jiān)測(cè)。傾斜傳感器全密封，不懼灰塵、水霧、陽(yáng)光等環(huán)境影響，已有國(guó)外實(shí)際應(yīng)用 的先例，成功的把握

46、性大。傾斜傳感器有多種商用產(chǎn)品，挑選余地較大，成熟度 高。通過(guò)比較，從液體擺式、振弦式以及力平衡式三種傾斜傳感器中選擇了能夠 長(zhǎng)期工作于野外、接口簡(jiǎn)單、性能可靠的液體擺式，另購(gòu)置了傾角傳感器核心部 件，按照實(shí)際監(jiān)測(cè)要求進(jìn)行了傳感器的設(shè)計(jì)并進(jìn)行了相應(yīng)的溫度補(bǔ)償，并在實(shí)驗(yàn) 室進(jìn)行了穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，解決了外界溫度對(duì)測(cè)量精度影響的實(shí)際問(wèn)題。2.6系統(tǒng)集群261總體要求“橋梁安全遠(yuǎn)程智能集群監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”由馬桑溪長(zhǎng)江大橋監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、高家花 園嘉陵江大橋監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、向家坡立交橋監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，以及一個(gè)集群監(jiān)測(cè)中心組 成。三個(gè)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)分別由各自的傳感器系統(tǒng)以及本地計(jì)算機(jī)組成，三個(gè)監(jiān)測(cè)子 系統(tǒng)與集群監(jiān)測(cè)中心之間，以局域

47、網(wǎng)的方式組成集群監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。三座橋各自的傳 感器系統(tǒng)，在本地計(jì)算機(jī)的控制下，實(shí)時(shí)采集橋梁的狀態(tài)參數(shù)，經(jīng)各自的本地計(jì) 算機(jī)預(yù)處理之后，將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至集群監(jiān)測(cè)中心，并在集群監(jiān)測(cè)中心內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù) 進(jìn)行自動(dòng)分析處理，從而完成安全評(píng)價(jià)與預(yù)警38。圖2.34馬桑溪大橋現(xiàn)場(chǎng)硬件系統(tǒng)總體示意Fig 2.34 Gen eral in dicatio n of Masa ngxi Bridge hardware system馬桑溪長(zhǎng)江大橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，其硬件系統(tǒng)包含主梁應(yīng)變 監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、主梁撓度監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、主塔塔頂位移監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、拉索索力監(jiān)測(cè)子 系統(tǒng)、環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)等，還包含數(shù)據(jù)自動(dòng)采集及控制子

48、系統(tǒng)、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程 傳輸子系統(tǒng)（如圖2.342.34所示）o而其軟件包含傳感器子系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集與處 理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)炔糠郑ㄈ鐖D2.352.35所示）o圖2.35現(xiàn)場(chǎng)軟件系統(tǒng)總體示意Fig 2.35 Gen eral in dicati on of site software system高家花園嘉陵江大橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，其硬件系統(tǒng)包含主梁25 / 30應(yīng)變監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、主梁撓度監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)等。還包含數(shù)據(jù) 自動(dòng)采集及控制子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸子系統(tǒng)（如圖 2.362.36所示）。而其軟件包含 傳感器子系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)?/p>

49、部分，與馬 桑溪大橋類似。圖2.36高家花園大橋硬件系統(tǒng)Fig2.36 Hardware system of Gaojia Garde n bridge2.37向家坡立交橋硬件系統(tǒng)Fig2.37 Hardware system of Xia ngjiapo overpass集群中心互聯(lián)網(wǎng)馬桑高家向家溪花園坡圖2.38集群系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig2.38 Structure in dicati on of cluster system向家坡立交橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)，包含主墩側(cè)移監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、溫度監(jiān)測(cè)子 系統(tǒng)、墩梁錯(cuò)位監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)等。還包含數(shù)據(jù)自動(dòng)采集及控制子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳 輸子系統(tǒng)（如圖2.372.37

50、所示）。而其軟件包含傳感器子系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)炔糠郑c馬桑溪大橋類似。集群監(jiān)測(cè)中心是將三座橋梁獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯集后，自動(dòng)進(jìn)行分析處理、集 中計(jì)算（如圖2.382.38所示），從而判斷各橋的安全狀態(tài)，并對(duì)可能發(fā)生的安全事故 進(jìn)行預(yù)警。其硬件包含數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)、中心主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、結(jié)果顯示與報(bào)警 系統(tǒng)；而軟件則包含分析計(jì)算、安全評(píng)估、數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)庫(kù)管理、系統(tǒng)管理、 結(jié)果顯示與預(yù)警預(yù)報(bào)。集群中心遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，要有一個(gè)恰當(dāng)?shù)奈恢门c建筑，由統(tǒng)一的主監(jiān)控計(jì)算 機(jī)工作站，對(duì)各橋的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程收集、集中分析，并統(tǒng)一顯示結(jié)果，實(shí)現(xiàn) 三座橋的集群監(jiān)測(cè)。此外還通過(guò)統(tǒng)一的服務(wù)器

51、，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、與外界進(jìn)行通信， 提供整個(gè)系統(tǒng)對(duì)外的訪問(wèn)服務(wù)，以能在集群中心以外的任意地點(diǎn)、通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)隨 時(shí)了解任一座橋梁、任一個(gè)參數(shù)的狀態(tài)。另外還能根據(jù)需要、對(duì)各橋的現(xiàn)場(chǎng)子系 統(tǒng)遠(yuǎn)程發(fā)送指令。為了為成果后續(xù)的推廣、發(fā)展留出空間，集群系統(tǒng)必須具有通 用性、先進(jìn)性、開發(fā)性、 可擴(kuò)展性，并在主服務(wù)器與工作站中都留出足夠的硬件、 軟件接口與空間，以利于擴(kuò)展集群的規(guī)模。使之不僅適應(yīng)于此三座橋，還可以在 完全不改變系統(tǒng)硬件的條件下，根據(jù)具體情況增加所監(jiān)測(cè)橋梁的數(shù)目(即擴(kuò)大集 群系統(tǒng)的容量)，更具有在其他橋上推廣、擴(kuò)展的空間。因此，集群中心的設(shè)計(jì)，應(yīng)該滿足以下的要求：(1)(1)系統(tǒng)能夠在遠(yuǎn)離橋梁的地方對(duì)多

52、座不同橋梁的狀態(tài)進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)；(2)(2)系統(tǒng)能夠在遠(yuǎn)離橋梁的任意地點(diǎn)隨時(shí)了解、 控制橋梁及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作 狀態(tài)；(3)(3)系統(tǒng)能夠?qū)Χ喾N狀態(tài)參量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)， 能對(duì)動(dòng)、靜態(tài)參量進(jìn)行選擇性 測(cè)量；(4)(4)橋梁的靜態(tài)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集周期可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置；(5)(5)能夠完整保留橋梁的歷史數(shù)據(jù)，以作為健康評(píng)價(jià)的依據(jù)；(6)(6)具有無(wú)人職守功能， 能夠作到市電停電時(shí)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行關(guān)閉系統(tǒng)處 理，來(lái)電時(shí)則系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)；(7)(7)具有相應(yīng)的保護(hù)電路， 防止過(guò)流、過(guò)壓和雷擊，確保系統(tǒng)能夠正常工作；(8)(8)能夠?qū)τ脩舻臋?quán)限進(jìn)行分配， 不同權(quán)限的用戶操作該系統(tǒng)的不同功能模 塊；(9)(9

53、)能夠按照用戶的要求進(jìn)行數(shù)據(jù)備份、 報(bào)表生成以及相應(yīng)的圖形生成、顯 示、打印等功能；(10)(10) 具有一定的先進(jìn)性、可擴(kuò)展性。2.6.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟硬件方案根據(jù)上述方案。 橋梁現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)具有圖 2.392.39 所示的硬件結(jié)構(gòu)。 其中，現(xiàn) 場(chǎng)計(jì)算機(jī)通過(guò)開關(guān)電路控制各傳感器及讀出設(shè)備的電源，在需要采集的時(shí)候打開 電源，采集完成則關(guān)閉電源，這樣可以極大地增加傳感器及其讀出設(shè)備的壽命。27 / 30規(guī)場(chǎng)討算機(jī)輸出USB陽(yáng)絡(luò)按口RS-48? 接口電源防畝器/電源:韶度數(shù)據(jù)防另外，為了保證采集系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間工作，滿足野外惡劣環(huán)境下正常工作的要求， 因此在各傳感器及讀出設(shè)備的電源及信號(hào)線上均連

54、接了防雷器等保護(hù)設(shè)施，能夠 保證系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下正常工作。為了達(dá)到集群監(jiān)測(cè)的功能，現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)還通過(guò) 網(wǎng)絡(luò)接口與集群中心系統(tǒng)相連接，實(shí)現(xiàn)集群監(jiān)測(cè)。以馬桑溪大橋?yàn)槔?，其現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制子系統(tǒng)能自動(dòng)控制現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)傳感器子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)等，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程傳輸給集群中心。馬桑溪大橋現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)配備光纖、PCIPCI、Camera-LinkCamera-Link、RS485RS485四套總線系統(tǒng)。與之相應(yīng)，配備4848路光纖接口、9696路動(dòng)態(tài)信號(hào)接口、2626路圖像信號(hào)接口、4 4路 RS485RS485接口，如圖2.402.40所示。為保證系統(tǒng)正常工作，采用 1212路D/AD/A控制卡、

55、配 合4848只繼電器，通過(guò)軟件控制各個(gè)傳感器系統(tǒng)的工作。同時(shí)，采用3000VA3000VA的專用大功率UPSUPS、電源隔離器、避雷器，還在所有部件上設(shè)計(jì)防止短路、防止雷擊 的輔助電路，以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)突然的斷電、短路，電源的波動(dòng)與沖擊，雷擊等意外事 故。由于傳感器種類或型號(hào)不同，傳感器與采集設(shè)備之間的接口也各不相同，因 此傳感器種類數(shù)量的不同會(huì)帶來(lái)采集策略的變化以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的差異。如果分別 針對(duì)這些傳感器、接口設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)采集軟件，那么就需要設(shè)計(jì)多個(gè)子系 統(tǒng)，其開發(fā)效率很低。因此項(xiàng)目組提出了編制一個(gè)系統(tǒng)的通用控制及數(shù)據(jù)采集軟 件平臺(tái)系統(tǒng)。具體在設(shè)計(jì)中，用“虛擬橋梁監(jiān)測(cè)類”來(lái)定義橋梁狀態(tài)監(jiān)測(cè)

56、，用“虛擬橋梁 監(jiān)測(cè)類”的屬性定義傳感器數(shù)量和種類，用“虛擬橋梁監(jiān)測(cè)類”的方法來(lái)定義采 垠場(chǎng)監(jiān)制站I圖2.39現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體硬件框圖Fig.2.39 Overall hardware framework of site mon itori ng system中芒子耒統(tǒng)市電甘制WS/IPS被控電調(diào)多 路A/D遠(yuǎn)程收發(fā)BUH BSU DDSU串口串口儀量測(cè)儀量測(cè) 變應(yīng)纖光變應(yīng)纖光集策略和傳感器的訪問(wèn)方法，通過(guò)利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，管理“虛擬橋梁監(jiān)測(cè)類”的 方法和屬性?！疤摂M橋梁監(jiān)測(cè)類”的派生類即為一座具體橋梁的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。若需針 對(duì)某一具體橋梁進(jìn)行監(jiān)測(cè)，只需修改數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的配置，指明傳感器的數(shù)量、 種類和訪問(wèn)方式，實(shí)現(xiàn)通用性監(jiān)測(cè)。其實(shí)際軟件框圖如圖2.412.41所示。|