華陽(yáng)特大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)初步技術(shù)方案

華陽(yáng)特大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

初步技術(shù)方案

同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系

二零一二年三月

目錄

第1章項(xiàng)目的背景和必要性........................................1

1.1工程概況................................................1

1.2橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)........................................1

1.3橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能..............................2

1.4建立橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目的和意義........................3

第2章系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則與目標(biāo)........................................4

第3章設(shè)計(jì)依據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)............................................4

3.1設(shè)計(jì)依據(jù)................................................4

3.2技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)................................................5

3.3設(shè)計(jì)規(guī)范................................................5

第4章監(jiān)測(cè)內(nèi)容及系統(tǒng)構(gòu)成........................................6

4.1橋梁健康監(jiān)測(cè)內(nèi)容........................................6

4.2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成............................................7

4.3監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)......................................9

第5章傳感器子系統(tǒng).............................................10

5.1傳感器子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則.................................10

5.2傳感器的類型、布設(shè)及技術(shù)要求...........................10

5.2.1雨量傳感器........................................10

5.2.2空氣溫度計(jì).......................................11

5.2.3空氣濕度計(jì).......................................12

5.2.4結(jié)構(gòu)溫度傳感器...................................12

5.2.5加速度傳感器.....................................13

5.2.6應(yīng)變計(jì)...........................................14

5.2.7振弦式應(yīng)變計(jì).....................................14

5.2.8靜力水準(zhǔn)儀.......................................15

529位移傳感器........................................16

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5210激光測(cè)距儀.......................................16

5.2.11振動(dòng)索力計(jì).......................................17

5212橋傳感器匯總.....................................18

5213傳感器布設(shè)位置...................................18

5.3傳感器測(cè)點(diǎn)保護(hù)..........................................24

第6章數(shù)據(jù)采集和傳輸子系統(tǒng).....................................24

6.1數(shù)據(jù)采集和傳輸子系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路.....................24

6.2工作站的組成及功能.....................................26

6.3數(shù)據(jù)采集單元外圍設(shè)備...................................28

6.3.1機(jī)柜.............................................29

6.3.2工業(yè)級(jí)控制機(jī)柜溫度調(diào)節(jié)機(jī).........................29

6.3.3UPS及后備電池...................................29

6.4數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)...................................30

6.4.1底層傳輸網(wǎng)絡(luò).....................................30

6.4.2上層傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)...............................31

第7章數(shù)據(jù)處理及管理子系統(tǒng).....................................31

7.1數(shù)據(jù)處理與管理子系統(tǒng)總體要求...........................31

7.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)原則...........................................32

7.3數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)控制設(shè)計(jì).....................................33

7.4服務(wù)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì).......................................33

7.4.1服務(wù)器系統(tǒng)總體說(shuō)明及設(shè)計(jì)原則.....................33

7.4.2服務(wù)器系統(tǒng)構(gòu)成及邏輯拓?fù)?........................34

7.4.3服務(wù)器技術(shù)參數(shù)要求及設(shè)備選型.....................35

第8章結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估子系統(tǒng).......................................35

8.1橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估子系統(tǒng)總體設(shè)計(jì).........................36

8.1.1橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估子系統(tǒng)總體框架...................36

8.1.2在線評(píng)估方法.....................................37

8.1.3離線評(píng)估方法.....................................37

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8.1.4評(píng)估成果..........................................38

8.2預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)..........................................39

第9章軟件系統(tǒng)集成設(shè)計(jì).........................................40

9.1業(yè)務(wù)功能總體框架描述...................................40

9.2業(yè)務(wù)功能總體數(shù)據(jù)流程描述...............................41

9.3數(shù)據(jù)采集工作站部分?jǐn)?shù)據(jù)流程描述.........................41

9.3.1工作站參數(shù)配置...................................42

9.3.2信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換...................................42

9.3.3數(shù)字信號(hào)處理.....................................43

9.3.4數(shù)據(jù)采樣.........................................43

9.3.5采樣控制.........................................43

9.3.6數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ).....................................44

9.3.7系統(tǒng)自檢.........................................45

9.3.8數(shù)據(jù)通訊.........................................45

9.4數(shù)據(jù)接收和存儲(chǔ)服務(wù)器...................................46

9.4.1數(shù)據(jù)通訊.........................................46

9.4.2系統(tǒng)維護(hù)及自檢...................................47

9.4.3人工養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)錄入.................................47

9.4.4數(shù)據(jù)庫(kù)流程描述...................................48

9.5數(shù)據(jù)處理和評(píng)估服務(wù)器數(shù)據(jù)流程描述.......................49

9.5.1數(shù)據(jù)處理.........................................50

9.5.2在線評(píng)估.........................................50

第10章系統(tǒng)造價(jià)估算............................................51

10.1系統(tǒng)硬件造價(jià)..........................................51

10.2系統(tǒng)造價(jià)估算..........................................52

3

第1章項(xiàng)目的背景和必要性

1.1工程概況

華陽(yáng)特大橋?qū)儆谌A陽(yáng)路南延線道路工程項(xiàng)目，跨越潭洲水道。該項(xiàng)目為南北

走向，北起佛陳路碧桂花城段，南止于荷岳路，全長(zhǎng)3.118km。華陽(yáng)特大橋位于

東平新城核心區(qū)，連接陳村與樂從兩鎮(zhèn)，是連接禪城區(qū)與東平新城區(qū)的重要紐帶。

橋址位于燈籠沙洲島下游344m處，該處潭洲水道分南北兩個(gè)航道，其中南航道

槽較深，航跡線偏于南側(cè)，較為順直，為其主要航道。橋軸線法線方向與水流主

流向的交角為6°。主橋起點(diǎn)樁號(hào)為K1+696,終點(diǎn)樁號(hào)為K2+082。北側(cè)過(guò)渡墩

位于R=1800m的平曲線上，南側(cè)過(guò)渡墩位于R=1000m的平曲線上，兩主墩位于

直線段內(nèi)?？v面主要位于il=2.3%、i2=-2.5%的凸型曲線(R=3300m,T=79.2m,

E=0.95m)±o主橋?yàn)殡p向8車道，左右幅橋面均為2%的正常橫坡。主橋分為左

右兩幅,上部結(jié)構(gòu)采用(109+168+109)m跨PC連續(xù)梁，由于左右兩幅橋結(jié)構(gòu)相似,

所以健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用相同布置方式。橋梁總體布置圖見圖lo

圖1橋梁總體布置圖

1.2橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是一個(gè)以橋梁結(jié)構(gòu)為平臺(tái)，應(yīng)用現(xiàn)代傳感技術(shù)、通

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信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，優(yōu)化組合結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通監(jiān)測(cè)、設(shè)備監(jiān)測(cè)、

綜合報(bào)警、信息網(wǎng)絡(luò)分析處理各功能子系統(tǒng)為一體的綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。它監(jiān)測(cè)橋梁

在各種環(huán)境、荷載等因素作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并能有效地提供橋梁養(yǎng)護(hù)管理的科

學(xué)依據(jù)，顯著提高橋梁的整體管理水平，從而能夠最大限度地確保橋梁安全運(yùn)營(yíng)、

預(yù)診斷橋梁病害和延長(zhǎng)橋梁使用壽命。

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)旨在探測(cè)結(jié)構(gòu)的性態(tài)變化，揭示結(jié)構(gòu)損傷與結(jié)構(gòu)性能

劣化。理想的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能在結(jié)構(gòu)損傷出現(xiàn)的較早時(shí)期發(fā)現(xiàn)損傷，在傳感器

允許的情況下，結(jié)合損傷識(shí)別技術(shù)確定損傷的位置，評(píng)估損傷程度，預(yù)測(cè)剩余的

有效壽命。要實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)，必須要有完整的橋梁狀態(tài)信息、科學(xué)的

安全分析評(píng)估手段，這就要求橋梁具有感覺神經(jīng)與思維判斷能力，前者就是能獲

取橋梁狀態(tài)的信息采集硬件系統(tǒng)，后者則是數(shù)據(jù)分析評(píng)估的軟件系統(tǒng)。其核心內(nèi)

容包括：

令智能傳感元件：需要對(duì)橋梁進(jìn)行監(jiān)測(cè)的主要為風(fēng)、浪、冰、車輛荷載等的環(huán)

境量；應(yīng)力、變形、裂紋、疲勞損傷、反力等的局部量；動(dòng)力特性和狀態(tài)反

應(yīng)等的整體量。根據(jù)監(jiān)測(cè)量的需要，開發(fā)滿足穩(wěn)定性與耐久性、可埋設(shè)或表

面附著、大規(guī)模分布式的傳感元件是這一部分的核心內(nèi)容。

令數(shù)據(jù)采集與智能處理：數(shù)據(jù)采集的主要內(nèi)容是各種智能傳感元件的信號(hào)轉(zhuǎn)換

接口和采集軟件的開發(fā)。信號(hào)處理的核心內(nèi)容是提取結(jié)構(gòu)損傷特征信息，充

分利用現(xiàn)代信號(hào)處理方法，如高階譜分析、時(shí)頻分析、小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

等方法，對(duì)傳感器傳輸來(lái)的信息進(jìn)行智能處理，通過(guò)數(shù)據(jù)融合理論表征結(jié)構(gòu)

特征損傷信息，便于對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全與損傷評(píng)估。

令健康診斷與安全評(píng)估：健康診斷與安全評(píng)估主要包括損傷識(shí)別、定位與模型

修正和安全評(píng)估系統(tǒng)與預(yù)警系統(tǒng)。

1.3橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常有如下目標(biāo)：

令全面獲取橋梁運(yùn)營(yíng)狀況的信息，用來(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和使用性;

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令對(duì)設(shè)計(jì)假定和設(shè)計(jì)荷載進(jìn)行驗(yàn)證，為完善設(shè)計(jì)規(guī)范提供依據(jù)；

令為橋梁養(yǎng)護(hù)、維修和管理的決策提供依據(jù)。

令能夠自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境條件和橋梁結(jié)構(gòu)的物理及兒何狀態(tài)，如荷載和關(guān)鍵構(gòu)

件的物理特性等，向管理部門傳送監(jiān)測(cè)結(jié)果的數(shù)據(jù)和圖表，提供定期的在線

評(píng)估報(bào)告；

令能夠跟蹤監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)并對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的異常反應(yīng)做出緊急警報(bào)；

令基于實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估結(jié)構(gòu)的靜力和動(dòng)力安全性、耐久性和使用性，并對(duì)結(jié)

構(gòu)異常進(jìn)行識(shí)別，為大橋的維護(hù)管理決策提供依據(jù)。

1.4建立橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目的和意義

傳統(tǒng)上，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的評(píng)估通過(guò)人工目測(cè)檢查或借助于便攜式儀器測(cè)量得到

的信息進(jìn)行。人工橋梁檢查分為經(jīng)常檢查、定期檢查和特殊檢查。但是人工橋梁

檢查方法在實(shí)際應(yīng)用中有很大的局限性。傳統(tǒng)檢測(cè)方式的不足之處主要表現(xiàn)在：

令需要大量人力、物力并有諸多檢查盲點(diǎn)；

令主觀性強(qiáng)，難于量化：經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，雖然橋梁的分析設(shè)計(jì)與施工

技術(shù)己日趨完善，但對(duì)某些響應(yīng)現(xiàn)象，尤其是損傷的發(fā)展過(guò)程，尚處于經(jīng)驗(yàn)

積累中，因此定量化的描述是很重要的；

令缺少整體性：人工檢查以單一構(gòu)件為對(duì)象，只能提供局部的檢測(cè)和診斷信息，

而不能提供整體全面的結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)和評(píng)估信息；

令影響正常交通運(yùn)行：傳統(tǒng)的人工檢測(cè)需要中斷交通或者封閉部分車道從而影

響橋上車輛的行駛；

令周期長(zhǎng)，時(shí)效性差，在突發(fā)事件時(shí)不能向決策者和公眾提供即時(shí)信息。

與傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)方法不同，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)重在診斷可能發(fā)生結(jié)構(gòu)

損傷或?yàn)?zāi)難的條件和環(huán)境因素，評(píng)估結(jié)構(gòu)性能退化的征兆和趨勢(shì)，以便及時(shí)采取

養(yǎng)護(hù)維修措施。而傳統(tǒng)的檢測(cè)方法重在損傷發(fā)生后檢查損傷的存在并采取維修加

固的手段，因此，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的概念具有革命性的變革。隨著傳感技

術(shù)的革新和自動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的更新?lián)Q代，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正向簡(jiǎn)單易裝、

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經(jīng)濟(jì)可行、持久可靠的方向發(fā)展，并己開始成為許多橋梁建設(shè)工程的一部分?？?/p>

見，對(duì)于橋梁成橋階段實(shí)際結(jié)構(gòu)在各種不利環(huán)境和運(yùn)營(yíng)條件下的工作狀態(tài)和行為,

有必要通過(guò)建立結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、獲取實(shí)際結(jié)構(gòu)和橋址環(huán)境的各種信息來(lái)分析

和把握。

第2章系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則與目標(biāo)

橋梁健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：

令系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)健康與安全評(píng)價(jià)的要求、系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模和造價(jià)、結(jié)構(gòu)

特點(diǎn)、地理氣候環(huán)境，建立一個(gè)功能齊備、性能完善、經(jīng)濟(jì)合理的系統(tǒng)，以

確保系統(tǒng)能真正為橋梁的管理、養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)；

令系統(tǒng)應(yīng)采用目前世界上最成熟的技術(shù)和產(chǎn)品，以確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性;

令系統(tǒng)應(yīng)采用高精度、高耐久性的產(chǎn)品，以確保系統(tǒng)的精確性和耐久性；

令系統(tǒng)應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)，并對(duì)整體設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，以確保系統(tǒng)的可替換性和

經(jīng)濟(jì)性；

令系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)具有開放性，以確保系統(tǒng)良好的升級(jí)換代能力和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享及

監(jiān)控功能；

令系統(tǒng)的傳感器數(shù)量和設(shè)備能力等應(yīng)具有適度冗余，以確保系統(tǒng)的可靠性，和

滿足系統(tǒng)未來(lái)改進(jìn)、擴(kuò)展和完善的需求；

令系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和人工檢測(cè)結(jié)合的辦法，綜合兩個(gè)方面的結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)的狀

態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)估；

令系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和采集的數(shù)據(jù)量大，系統(tǒng)應(yīng)提供強(qiáng)大的前處理、后處理功能以便有

效地處理、分析和管理這些數(shù)據(jù)。

第3章設(shè)計(jì)依據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)

3.1設(shè)計(jì)依據(jù)

令華陽(yáng)特大橋是華陽(yáng)路南延（含華陽(yáng)橋）道路工程第四標(biāo)段設(shè)計(jì)施工圖；

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3.2技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

令中華人民共和國(guó)交通部標(biāo)準(zhǔn)

令中華人民共和國(guó)郵電部標(biāo)準(zhǔn)

令中華人民共和國(guó)公安部消防安全條例

令國(guó)際電信聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)

令國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)

令美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)

令美國(guó)各州公路與運(yùn)輸協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)

令日本國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

令英國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

3.3設(shè)計(jì)規(guī)范

令《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTGBO1-2003)

令《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》OTGD20-2006)

令《公路勘測(cè)細(xì)則》(JTG/TC10-2007)

令《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGC30-2002)

令《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTJ064-98)

令《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》。TGD60-2004)

令《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD62-2004)

令《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD63-2007)

令《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》JTG/TB02-01-2008

令《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/TD60-01-2004)

令《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ041—2000)

令《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》OTGF80/1-2004)

令《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(GBJ50139-2004)

令《計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)規(guī)范》(GB/8566)

令《軟件工程術(shù)語(yǔ)》(GB/T11457)

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令《計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)品開發(fā)編制指南》(GB/8567)

令《計(jì)算機(jī)軟件配置管理計(jì)劃規(guī)范》(GB/T12505)

令《中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)》(CECS)

令《國(guó)際數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)范》(IS09001ANSISQL)

參考規(guī)范及資料：

令BS5400《鋼橋、混凝土橋及結(jié)合橋》(英國(guó))

令A(yù)ASHTO《美國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》1994(美國(guó))

第4章監(jiān)測(cè)內(nèi)容及系統(tǒng)構(gòu)成

4.1橋梁健康監(jiān)測(cè)內(nèi)容

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容的確定首先考慮橋梁結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)，針對(duì)不同

橋型選取不同側(cè)重點(diǎn)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容。另外，從運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)維修的角度出發(fā)，考慮提

供詳細(xì)必要的數(shù)據(jù)給養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)，為養(yǎng)護(hù)需求、養(yǎng)護(hù)措施采用決策提供科學(xué)依

據(jù)，確保結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營(yíng)，真正做到預(yù)防性養(yǎng)護(hù)。確定監(jiān)測(cè)內(nèi)容還需根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

的自身要求來(lái)選擇適合的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，主要考慮到測(cè)試手段的可行性、分析方法的

可靠性等因素。橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容在考慮結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，主要考

慮以下三方面的因素而定：環(huán)境方面；養(yǎng)護(hù)管理方面；橋梁易發(fā)事故或者病害方

面。

監(jiān)測(cè)部位的確定，需建立在詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果基礎(chǔ)上才能保證其合理性。

由于本方案為初步設(shè)計(jì)，故此處仍為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定的結(jié)構(gòu)關(guān)鍵監(jiān)測(cè)部位。橋梁的

主要監(jiān)測(cè)部位及監(jiān)測(cè)內(nèi)容如下表所示：

序號(hào)監(jiān)測(cè)內(nèi)容監(jiān)測(cè)部位監(jiān)測(cè)方式監(jiān)測(cè)儀器監(jiān)測(cè)目的

1雨量跨中橋面實(shí)時(shí)雨量計(jì)氣象

跨中橋面、箱梁內(nèi)

2空氣溫度實(shí)時(shí)空氣溫度計(jì)環(huán)境溫度

部

3濕度跨中橋面、箱梁內(nèi)實(shí)時(shí)空氣濕度計(jì)環(huán)境濕度

6

華陽(yáng)特大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系

部

4結(jié)構(gòu)溫度跨中斷面實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)溫度計(jì)溫度場(chǎng)分布

邊跨跨中、中跨跨加速度傳感結(jié)構(gòu)動(dòng)力特

5結(jié)構(gòu)振動(dòng)實(shí)時(shí)

中器性

跨中、支座斷面箱關(guān)鍵截面應(yīng)

6結(jié)構(gòu)應(yīng)變實(shí)時(shí)應(yīng)變計(jì)

梁變、彎矩

結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期應(yīng)振弦式應(yīng)變結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期應(yīng)

7跨中斷面實(shí)時(shí)

變計(jì)變、內(nèi)力

8橋梁靜撓度L/8斷面實(shí)時(shí)靜力水準(zhǔn)儀橋梁變形

橋墩差異沉

9橋墩沉降墩頂斷面實(shí)時(shí)靜力水準(zhǔn)儀

降

10支座位移橋梁支座實(shí)時(shí)位移計(jì)支座變形

11伸縮縫位移伸縮縫實(shí)時(shí)位移計(jì)伸縮縫變形

橋墩縱向位橋墩相對(duì)位

12中跨橋墩實(shí)時(shí)激光測(cè)距儀

移移

振動(dòng)式索力

13索力跨中斷面實(shí)時(shí)體外索索力

計(jì)

4.2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

橋梁健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理與分析兩大子

系統(tǒng)。其中，數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)由傳感器子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)有機(jī)地組成;

數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理和管理子系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估子系統(tǒng)。

傳感器系統(tǒng)將采集各類信號(hào)并傳輸?shù)礁浇墓ぷ髡荆还ぷ髡靖鶕?jù)需要對(duì)各類

信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和預(yù)處理，并通過(guò)傳輸系統(tǒng)將傳感器的信號(hào)送到數(shù)據(jù)處理和管理系

統(tǒng)；數(shù)據(jù)處理和管理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次預(yù)處理（數(shù)據(jù)的時(shí)域、頻域和幅值域顯

示，頻度計(jì)數(shù)等）、結(jié)果顯示、存檔和數(shù)據(jù)入庫(kù)等；結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)

據(jù)進(jìn)行在線評(píng)估（如預(yù)警、初步評(píng)估等）及離線評(píng)估（如模態(tài)分析、數(shù)據(jù)融合、

信息提取和挖掘、損傷識(shí)別、結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性評(píng)估）。本系統(tǒng)具有如下特

7

華陽(yáng)特大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系

占-

八、、?

令具有長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)、同步、連續(xù)地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的能力；

令具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸、處理、顯示、存檔和遠(yuǎn)程共享能力；

令具有自檢、校準(zhǔn)、控制功能；

令具有正常狀態(tài)評(píng)估和突發(fā)事件況評(píng)估的能力；

令具有良好的可更換性和升級(jí)能力。

傳感器子系統(tǒng)：

令采用穩(wěn)定性和耐久性較好的傳感器能夠保證對(duì)結(jié)構(gòu)溫度、加速度、結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)

變、結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期靜應(yīng)變、橋梁撓度、墩頂沉降、支座位移、伸縮縫位移、索力

等量的監(jiān)測(cè)；

令雨量、空氣溫度、空氣濕度等環(huán)境因素的監(jiān)測(cè)；

令車輛荷載的監(jiān)測(cè)；

令結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分布特點(diǎn)的監(jiān)測(cè)；

令各種傳感器的耐久性與可更換性研究。

數(shù)據(jù)采集和傳輸子系統(tǒng)：

令數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)；

令各類信號(hào)采集、處理方法研究；

令數(shù)據(jù)采集的控制、同步和集成化研究；

令系統(tǒng)可靠性措施研究；

令基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)的分布式橋梁監(jiān)控系統(tǒng)研究。

數(shù)據(jù)處理及管理子系統(tǒng)

令數(shù)據(jù)處理及控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)；

令數(shù)據(jù)管理、顯示和控制方法研究。

結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估子系統(tǒng)

令反映結(jié)構(gòu)狀態(tài)的特征參數(shù)確定及其提取方法研究；

令狀態(tài)參數(shù)指標(biāo)的閡值與預(yù)警機(jī)制研究；

8

華陽(yáng)特大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系

令結(jié)構(gòu)健康評(píng)估（安全評(píng)價(jià)）系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)；

令損傷指標(biāo)、性能指標(biāo)體系的建立，損傷指標(biāo)、性能指標(biāo)與橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)

之間的關(guān)系研究；

令健康監(jiān)測(cè)數(shù)值分析模型的建立與修正；

令在線監(jiān)測(cè)報(bào)告生成子系統(tǒng)的開發(fā)；

令利用評(píng)估系統(tǒng)對(duì)大橋的日常維護(hù)和運(yùn)營(yíng)管理提供依據(jù)和指導(dǎo)性建議的研究。

4.3監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)方案比選，我方選擇數(shù)字微波的方式進(jìn)行傳輸,整個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)

構(gòu)圖如圖1所示。

一理中心1

—>s：

金事理/々***?馬-

通訊光纖

9

華陽(yáng)特大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系

圖1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

第5章傳感器子系統(tǒng)

5.1傳感器子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

令對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行重要性、危險(xiǎn)性和易損性評(píng)級(jí)，將該評(píng)級(jí)結(jié)果作為傳感器布

置的參考指標(biāo)；

令對(duì)特殊、重要部位進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，以分析、計(jì)算、評(píng)估重要構(gòu)件的工作狀態(tài)，

并預(yù)測(cè)其它構(gòu)件的內(nèi)力分布和變化；

令根據(jù)結(jié)構(gòu)整體損傷檢測(cè)與局部損傷檢測(cè)的要求，一些傳感器用于整體損傷檢

測(cè)，另一些用于局部損傷診斷；

令利用盡可能少的傳感器獲取結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估所需要的全面、精確的結(jié)構(gòu)參數(shù)信

息；

令對(duì)于結(jié)構(gòu)中的易損和多病害構(gòu)件的狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)估。

5.2傳感器的類型、布設(shè)及技術(shù)要求

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的傳感器類型包括：雨量傳感器、空氣溫度傳感器、

濕度傳感器、結(jié)構(gòu)溫度傳感器、加速度傳感器、應(yīng)變計(jì)、振弦式應(yīng)變計(jì)、振動(dòng)索

力計(jì)、靜力水準(zhǔn)儀、位移傳感器。以下傳感器布置為單幅橋布置數(shù)量，另一幅橋

梁中除雨量傳感器、空氣溫度傳感、濕度傳感器布設(shè)數(shù)量不同外，其余均相同。

5.2.1雨量傳感器

雨量傳感器主要是通過(guò)對(duì)雨量的監(jiān)測(cè)來(lái)達(dá)到對(duì)拉索發(fā)生風(fēng)雨振時(shí)的環(huán)境條

件進(jìn)行定量的描述，以便能夠結(jié)合其他環(huán)境因素的監(jiān)測(cè)量對(duì)拉索發(fā)生風(fēng)雨振的規(guī)

律和機(jī)理進(jìn)行分析。

雨量傳感器要求有良好的耐久性和測(cè)量精度，能夠?qū)Νh(huán)境下雨?duì)顩r有非常精

確的測(cè)量，初步擬定在下述位置安裝傳感器。

10

華陽(yáng)特大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系

設(shè)置部位采集方法數(shù)量

跨中斷面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)1

合計(jì)1

技術(shù)要求如下表：

項(xiàng)目技術(shù)要求

測(cè)量范圍0-4mm/min

分辨率0.1mm

誤差±0.2mm

環(huán)境溫度-0。Cto+50℃

相對(duì)濕度0-95%

5.2.2空氣溫度計(jì)

大氣溫度變化是橋梁的重要荷載源之一，會(huì)引起結(jié)構(gòu)變形和橋梁撓度的改變,

應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用空氣溫度計(jì)對(duì)大氣溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

擬在橋面跨中部位、箱梁內(nèi)分別布設(shè)空氣溫度傳感器，其具體布設(shè)如下表所

示。

設(shè)置部位采集方法數(shù)量

梁部中跨跨中及邊跨跨中箱梁實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)3

橋面中跨跨中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)1

合計(jì)4

技術(shù)要求如下表:

項(xiàng)目技術(shù)要求

測(cè)量范圍-50℃~+50℃（空氣溫度）

精度±2%

工作電壓SV

輸出信號(hào)電流信號(hào)：4?20mA

使用壽命210年

11

華陽(yáng)特大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系

5.2.3空氣濕度計(jì)

大氣相對(duì)濕度變化是影響橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)特性的環(huán)境影響因素之一，對(duì)其進(jìn)行

相應(yīng)的監(jiān)測(cè)對(duì)于準(zhǔn)確地評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)特性是非常必要的。

擬在橋面跨中部位布設(shè)空氣濕度傳感器，其具體布設(shè)如下表所示。

設(shè)置部位采集方法數(shù)量

橋面中跨跨中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)1

合計(jì)1

技術(shù)要求如下表：

項(xiàng)目技術(shù)要求

測(cè)量范圍1-1OO%RH（相對(duì)濕度）

精度±2%

工作電壓SV

輸出信號(hào)電流信號(hào)：4?20mA

工作溫度-400C-800℃

使用壽命210年

5.2.4結(jié)構(gòu)溫度傳感器

結(jié)構(gòu)溫度變化是橋梁的重要荷載源之一，結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測(cè)能了解橋梁主要構(gòu)件

的溫度及溫度梯度情況，為分析結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和疲勞提供依據(jù)，并用于結(jié)構(gòu)狀態(tài)參

數(shù)的相關(guān)分析。

結(jié)構(gòu)溫度傳感器應(yīng)具有良好的測(cè)量精度和耐久性，對(duì)結(jié)構(gòu)溫度的監(jiān)測(cè)應(yīng)是

連續(xù)監(jiān)測(cè)。其主要布設(shè)位置和數(shù)量分別如下：

設(shè)置部位采集方法數(shù)量

中跨跨中斷面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)10

邊跨跨中斷面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)20

合計(jì)30

技術(shù)要求如下表:

12

華陽(yáng)特大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系

項(xiàng)目技術(shù)要求

測(cè)量范圍-30℃?+80℃

分辨率0.01℃

精度±0.5℃

使用壽命215年

5.2.5加速度傳感器

通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主梁等在交通、環(huán)境荷載等作用下的加速度響應(yīng)，以評(píng)估結(jié)構(gòu)

的整體動(dòng)力特性，為評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)健康與安全狀況。依據(jù)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析的結(jié)

果，擬在以下位置安裝結(jié)構(gòu)加速度傳感器。

設(shè)置部位采集方法數(shù)量

中跨跨中豎向?qū)崟r(shí)?監(jiān)測(cè)2

中跨跨中橫向?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)2

邊跨跨中豎向?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)4

邊跨跨中橫向?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)4

合計(jì)12

技術(shù)要求如下表：

項(xiàng)目技術(shù)要求

測(cè)量范圍士2g

靈敏度±5V/g

頻率響應(yīng)范圍DC-120Hz

動(dòng)態(tài)范圍>120dB

線性度<1%

零位漂移<500X10-6g/℃

噪聲W10-6g

環(huán)境溫度-25℃to+65℃

相對(duì)濕度0-90%

使用壽命210年

13

華陽(yáng)特大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系

5.2.6應(yīng)變計(jì)

通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在交通荷載、環(huán)境荷載作用下橋梁重要混凝土構(gòu)件和鋼構(gòu)件的

應(yīng)變、應(yīng)力情況，為評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)提供相應(yīng)的依據(jù)。初步擬對(duì)以下部件

位置進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

設(shè)置部位采集方法數(shù)量

中跨跨中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)12

邊跨跨中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)24

合計(jì)36

技術(shù)要求如下表：

項(xiàng)目技術(shù)參數(shù)

硬件構(gòu)造表面焊接式應(yīng)變計(jì)，溫度自補(bǔ)償功能

測(cè)量范圍>3000蘆

分辨率1|1E

精度±0.1%滿量程

線圈阻抗120或240Q

激勵(lì)電壓2-10V

疲勞壽命在±2400蘆時(shí)1()6循環(huán)

溫度：-10℃?60℃

工作環(huán)境

相對(duì)濕度：98%

5.2.7振弦式應(yīng)變計(jì)

通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在交通荷載、環(huán)境荷載作用下橋梁構(gòu)件的靜態(tài)應(yīng)變、應(yīng)力情況,

為評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)提供相應(yīng)的依據(jù)。初步擬對(duì)以下部件位置進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

設(shè)置部位采集方法數(shù)量

中跨跨中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)12

邊跨跨中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)24

邊跨、中跨1/4跨位置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)24

14

華陽(yáng)特大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系

合計(jì)60

技術(shù)要求如下表：

項(xiàng)目技術(shù)參數(shù)

硬件構(gòu)造表面焊接式應(yīng)變計(jì)，溫度自補(bǔ)償功能

測(cè)量范圍>3000|is

分辨率1|1￡

精度±0.1%滿量程

線圈阻抗100或150Q

振弦熱系數(shù)llppm/℃

絕緣電阻5X1012。

激勵(lì)電壓2-15V

疲勞壽命在±2400四時(shí)循環(huán)

溫度：-10℃?60℃

工作環(huán)境

相對(duì)濕度：98%

5.2.8靜力水準(zhǔn)儀

通過(guò)布設(shè)靜力水準(zhǔn)儀對(duì)橋墩的差異沉降進(jìn)行觀測(cè)，基于此對(duì)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)

做進(jìn)一步的評(píng)估，其主要的監(jiān)測(cè)部位如下表所示。

設(shè)置部位采集方法數(shù)量

橋梁墩臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)4

中跨、邊跨、跨中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)3

邊跨、中跨1/4跨位置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)6

中跨1/8跨位置實(shí)時(shí)?監(jiān)測(cè)4

合計(jì)17

技術(shù)要求如下表：

項(xiàng)目技術(shù)要求

測(cè)量范圍50mm

分辨率0.01mm

15

華陽(yáng)特大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系

長(zhǎng)期零飄<0.5%F.S./年

溫度系數(shù)<0.05%F.S./℃

環(huán)境溫度-25℃to+65℃

5.2.9位移傳感器

支座是橋梁結(jié)構(gòu)的最重要構(gòu)件之一，而支座位移則是直觀評(píng)價(jià)支座以及大橋

狀態(tài)的重要參數(shù)，是必須監(jiān)測(cè)的內(nèi)容，本系統(tǒng)采用直線位移傳感器連續(xù)監(jiān)測(cè)大橋

的支座位移。

設(shè)置部位采集方法數(shù)量

支座實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)4

伸縮縫實(shí)時(shí)?監(jiān)測(cè)4

合計(jì)8

技術(shù)要求如下表：

項(xiàng)目技術(shù)要求

250mm

精度±O.l%oF.S.

溫度補(bǔ)償形式自補(bǔ)償

使用溫度-3O℃~85℃

5.2.10激光測(cè)距儀

橋墩相對(duì)位移是橋梁健康監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容，通過(guò)激光測(cè)距儀可以精確的測(cè)出

橋墩相對(duì)位移，達(dá)到監(jiān)測(cè)目的。激光測(cè)距儀主要由激光調(diào)制及發(fā)射模塊、回波接

收模塊、接收及鑒相系統(tǒng)等組成。發(fā)射器發(fā)出經(jīng)過(guò)調(diào)制的激光，經(jīng)被測(cè)物反射后

返回，返回光與測(cè)量光相比產(chǎn)生了相移△①，通過(guò)測(cè)量此相移，間接測(cè)出激光在

測(cè)量點(diǎn)與目標(biāo)間的往返時(shí)間，然后根據(jù)光速，求出待測(cè)距離D=(cX△①)/4“f°

這種方法測(cè)量精度高，通常在毫米量級(jí)。

設(shè)置部位采集方法數(shù)量

16

華陽(yáng)特大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系

13#墩實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)1

合計(jì)1

技術(shù)要求如下表：

項(xiàng)目技術(shù)要求

激光輸出功率<1mW

測(cè)量范圍10cm-200m

測(cè)量精度+2mm

典型測(cè)量時(shí)間<ls

最大測(cè)量時(shí)間4s

5.2.11振動(dòng)索力計(jì)

華陽(yáng)特大橋主橋中跨段有體外索的存在，而索力是評(píng)價(jià)體外索狀態(tài)的重要參

數(shù)。系統(tǒng)采用加速度傳感器連續(xù)監(jiān)測(cè)，通過(guò)加速度傳感器使用振動(dòng)法測(cè)量索力能

夠較準(zhǔn)確地測(cè)量出體外索索力，從而達(dá)到實(shí)時(shí)掌握索力情況，為評(píng)估橋梁的工作

狀況提供依據(jù)。其主要設(shè)置部位如下表

設(shè)置部位采集方法數(shù)量

跨中體外索實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)4

合計(jì)4

技術(shù)要求如下表：

項(xiàng)目技術(shù)要求

測(cè)量范圍士2g

靈敏度±1.25V/g

頻率響應(yīng)范圍DC-120Hz

動(dòng)態(tài)范圍>120dB

線性度<1%

零位漂移<500X10-6g/℃

噪聲W10-6g

環(huán)境溫度-25℃to+65℃

17

華陽(yáng)特大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系

相對(duì)濕度0-90%

使用壽命210年

5.2.12橋傳感器匯總

數(shù)量

編號(hào)名稱單位

單幅橋另一幅

1雨量傳感器個(gè)1

2空氣溫度傳感器個(gè)43

3空氣濕度傳感器個(gè)1

4結(jié)構(gòu)溫度傳感器個(gè)3030

5加速度傳感器個(gè)1212

6應(yīng)變傳感器個(gè)3636

7振弦式應(yīng)變計(jì)個(gè)6060

8靜力水準(zhǔn)儀個(gè)1717

9位移傳感器個(gè)88

10激光測(cè)距儀套11

11振動(dòng)索力計(jì)個(gè)44

總計(jì)個(gè)345

5.2.13傳感器布設(shè)位置

該橋左右近乎對(duì)稱，所以除了橋面的雨量計(jì)、空氣濕度、溫度計(jì)只在西幅橋

跨中布置外，兩幅橋傳感器采取對(duì)稱布置。對(duì)重要截面從北至南依次定義為1至

7號(hào)截面。其中截面1與截面7,截面2與截面6,截面3與截面5傳感器布置

相同。另外邊跨和中跨的1/4跨截面和中跨的1/8跨截面也布設(shè)傳感器。所有1/4

跨截面?zhèn)鞲衅鞑荚O(shè)相同，所有1/8跨截面?zhèn)鞲衅鞑荚O(shè)也相同。所以此處只描述單

幅橋的1、2、3、4截面，典型的1/4跨和1/8跨截