華陽特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)初步技術(shù)方案

華陽特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)

初步技術(shù)方案

同濟大學(xué)橋梁工程系

二零一二年三月

目錄

第1章項目的背景和必要性........................................1

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

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

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

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

第2章系統(tǒng)設(shè)計原則與目標........................................4

第3章設(shè)計依據(jù)、標準............................................4

3.1設(shè)計依據(jù)................................................4

3.2技術(shù)標準................................................5

3.3設(shè)計規(guī)范................................................5

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

4.1橋梁健康監(jiān)測內(nèi)容........................................6

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

4.3監(jiān)測系統(tǒng)的拓撲結(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.......................................11

5.2.3空氣濕度計.......................................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...........................................14

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

5.2.8靜力水準儀.......................................15

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

華陽特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)同濟大學(xué)橋梁工程系

5210激光測距儀.......................................16

5.2.11振動索力計.......................................17

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

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

5.3傳感器測點保護..........................................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機柜.............................................29

6.3.2工業(yè)級控制機柜溫度調(diào)節(jié)機.........................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...................................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...............................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)存儲原則...........................................32

7.3數(shù)據(jù)庫訪問控制設(shè)計.....................................33

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

7.4.1服務(wù)器系統(tǒng)總體說明及設(shè)計原則.....................33

7.4.2服務(wù)器系統(tǒng)構(gòu)成及邏輯拓撲.........................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)評估子系統(tǒng).......................................35

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

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

8.1.2在線評估方法.....................................37

8.1.3離線評估方法.....................................37

2

華陽特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)同濟大學(xué)橋梁工程系

8.1.4評估成果..........................................38

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

第9章軟件系統(tǒng)集成設(shè)計.........................................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)采集工作站部分數(shù)據(jù)流程描述.........................41

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

9.3.2信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換...................................42

9.3.3數(shù)字信號處理.....................................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.....................................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)接收和存儲服務(wù)器...................................46

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

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

9.4.3人工養(yǎng)護數(shù)據(jù)錄入.................................47

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

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

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

9.5.2在線評估.........................................50

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

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

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

3

第1章項目的背景和必要性

1.1工程概況

華陽特大橋?qū)儆谌A陽路南延線道路工程項目，跨越潭洲水道。該項目為南北

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

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°。主橋起點樁號為K1+696,終點樁號為K2+082。北側(cè)過渡墩

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

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

E=0.95m)±o主橋為雙向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)測系統(tǒng)

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

華陽特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)同濟大學(xué)橋梁工程系

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

綜合報警、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)測系統(tǒng)。它監(jiān)測橋梁

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營、

預(yù)診斷橋梁病害和延長橋梁使用壽命。

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)旨在探測結(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)測系統(tǒng)應(yīng)能在結(jié)構(gòu)損傷出現(xiàn)的較早時期發(fā)現(xiàn)損傷，在傳感器

允許的情況下，結(jié)合損傷識別技術(shù)確定損傷的位置，評估損傷程度，預(yù)測剩余的

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

安全分析評估手段，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：需要對橋梁進行監(jiān)測的主要為風(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；動力特性和狀態(tài)反

應(yīng)等的整體量。根據(jù)監(jiān)測量的需要，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轉(zhuǎn)換

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

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

等方法，對傳感器傳輸來的信息進行智能處理，通過數(shù)據(jù)融合理論表征結(jié)構(gòu)

特征損傷信息，便于對橋梁結(jié)構(gòu)進行安全與損傷評估。

令健康診斷與安全評估：健康診斷與安全評估主要包括損傷識別、定位與模型

修正和安全評估系統(tǒng)與預(yù)警系統(tǒng)。

1.3橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)通常有如下目標：

令全面獲取橋梁運營狀況的信息，用來評估結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和使用性;

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令對設(shè)計假定和設(shè)計荷載進行驗證，為完善設(shè)計規(guī)范提供依據(jù)；

令為橋梁養(yǎng)護、維修和管理的決策提供依據(jù)。

令能夠自動實時監(jiān)測環(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)測結(jié)果的數(shù)據(jù)和圖表，提供定期的在線

評估報告；

令能夠跟蹤監(jiān)測結(jié)構(gòu)狀態(tài)并對橋梁結(jié)構(gòu)的異常反應(yīng)做出緊急警報；

令基于實際監(jiān)測數(shù)據(jù)評估結(jié)構(gòu)的靜力和動力安全性、耐久性和使用性，并對結(jié)

構(gòu)異常進行識別，為大橋的維護管理決策提供依據(jù)。

1.4建立橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的目的和意義

傳統(tǒng)上，對橋梁結(jié)構(gòu)的評估通過人工目測檢查或借助于便攜式儀器測量得到

的信息進行。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

檢查方法在實際應(yīng)用中有很大的局限性。傳統(tǒng)檢測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；

令主觀性強，難于量化：經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，雖然橋梁的分析設(shè)計與施工

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

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)件為對象，只能提供局部的檢測和診斷信息，

而不能提供整體全面的結(jié)構(gòu)健康檢測和評估信息；

令影響正常交通運行：傳統(tǒng)的人工檢測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，時效性差，在突發(fā)事件時不能向決策者和公眾提供即時信息。

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

損傷或災(zāi)難的條件和環(huán)境因素，評估結(jié)構(gòu)性能退化的征兆和趨勢，以便及時采取

養(yǎng)護維修措施。而傳統(tǒng)的檢測方法重在損傷發(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)的革新和自動遠程監(jiān)控技術(shù)的更新?lián)Q代，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)正向簡單易裝、

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華陽特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)同濟大學(xué)橋梁工程系

經(jīng)濟可行、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。可

見，對于橋梁成橋階段實際結(jié)構(gòu)在各種不利環(huán)境和運營條件下的工作狀態(tài)和行為,

有必要通過建立結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)、獲取實際結(jié)構(gòu)和橋址環(huán)境的各種信息來分析

和把握。

第2章系統(tǒng)設(shè)計原則與目標

橋梁健康監(jiān)測與安全評價系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)遵循以下原則：

令系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)健康與安全評價的要求、系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模和造價、結(jié)構(gòu)

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

確保系統(tǒng)能真正為橋梁的管理、養(yǎng)護提供依據(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，并對整體設(shè)計進行優(yōu)化，以確保系統(tǒng)的可替換性和

經(jīng)濟性；

令系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)具有開放性，以確保系統(tǒng)良好的升級換代能力和遠程數(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)未來改進、擴展和完善的需求；

令系統(tǒng)采用實時監(jiān)測和人工檢測結(jié)合的辦法，綜合兩個方面的結(jié)果對結(jié)構(gòu)的狀

態(tài)進行綜合評估；

令系統(tǒng)監(jiān)測和采集的數(shù)據(jù)量大，系統(tǒng)應(yīng)提供強大的前處理、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)計依據(jù)、標準

3.1設(shè)計依據(jù)

令華陽特大橋是華陽路南延（含華陽橋）道路工程第四標段設(shè)計施工圖；

4

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3.2技術(shù)標準

令中華人民共和國交通部標準

令中華人民共和國郵電部標準

令中華人民共和國公安部消防安全條例

令國際電信聯(lián)盟標準

令國際電工技術(shù)委員會標準

令美國材料與試驗協(xié)會標準

令美國各州公路與運輸協(xié)會標準

令日本國家標準

令英國國家標準

3.3設(shè)計規(guī)范

令《公路工程技術(shù)標準》(JTGBO1-2003)

令《公路路線設(shè)計規(guī)范》OTGD20-2006)

令《公路勘測細則》(JTG/TC10-2007)

令《公路工程水文勘測設(shè)計規(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)計規(guī)范》(JTGD62-2004)

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

令《公路橋梁抗震設(shè)計細則》JTG/TB02-01-2008

令《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(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)量檢驗評定標準》OTGF80/1-2004)

令《內(nèi)河通航標準》(GBJ50139-2004)

令《計算機軟件開發(fā)規(guī)范》(GB/8566)

令《軟件工程術(shù)語》(GB/T11457)

5

華陽特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)同濟大學(xué)橋梁工程系

令《計算機軟件產(chǎn)品開發(fā)編制指南》(GB/8567)

令《計算機軟件配置管理計劃規(guī)范》(GB/T12505)

令《中國工程建設(shè)標準化協(xié)會》(CECS)

令《國際數(shù)據(jù)庫規(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)

令A(yù)ASHTO《美國公路橋梁設(shè)計規(guī)范》1994(美國)

第4章監(jiān)測內(nèi)容及系統(tǒng)構(gòu)成

4.1橋梁健康監(jiān)測內(nèi)容

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容的確定首先考慮橋梁結(jié)構(gòu)形式的特點，針對不同

橋型選取不同側(cè)重點的監(jiān)測內(nèi)容。另外，從運營期養(yǎng)護維修的角度出發(fā)，考慮提

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

據(jù)，確保結(jié)構(gòu)安全運營，真正做到預(yù)防性養(yǎng)護。確定監(jiān)測內(nèi)容還需根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)

的自身要求來選擇適合的監(jiān)測項目，主要考慮到測試手段的可行性、分析方法的

可靠性等因素。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測內(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)護管理方面；橋梁易發(fā)事故或者病害方

面。

監(jiān)測部位的確定，需建立在詳細的結(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，故此處仍為根據(jù)經(jīng)驗確定的結(jié)構(gòu)關(guān)鍵監(jiān)測部位。橋梁的

主要監(jiān)測部位及監(jiān)測內(nèi)容如下表所示：

序號監(jiān)測內(nèi)容監(jiān)測部位監(jiān)測方式監(jiān)測儀器監(jiān)測目的

1雨量跨中橋面實時雨量計氣象

跨中橋面、箱梁內(nèi)

2空氣溫度實時空氣溫度計環(huán)境溫度

部

3濕度跨中橋面、箱梁內(nèi)實時空氣濕度計環(huán)境濕度

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部

4結(jié)構(gòu)溫度跨中斷面實時結(jié)構(gòu)溫度計溫度場分布

邊跨跨中、中跨跨加速度傳感結(jié)構(gòu)動力特

5結(jié)構(gòu)振動實時

中器性

跨中、支座斷面箱關(guān)鍵截面應(yīng)

6結(jié)構(gòu)應(yīng)變實時應(yīng)變計

梁變、彎矩

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

7跨中斷面實時

變計變、內(nèi)力

8橋梁靜撓度L/8斷面實時靜力水準儀橋梁變形

橋墩差異沉

9橋墩沉降墩頂斷面實時靜力水準儀

降

10支座位移橋梁支座實時位移計支座變形

11伸縮縫位移伸縮縫實時位移計伸縮縫變形

橋墩縱向位橋墩相對位

12中跨橋墩實時激光測距儀

移移

振動式索力

13索力跨中斷面實時體外索索力

計

4.2監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

橋梁健康監(jiān)測與安全評價系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)測量系統(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)評估子系統(tǒng)。

傳感器系統(tǒng)將采集各類信號并傳輸?shù)礁浇墓ぷ髡?；工作站根?jù)需要對各類

信號進行解調(diào)和預(yù)處理，并通過傳輸系統(tǒng)將傳感器的信號送到數(shù)據(jù)處理和管理系

統(tǒng)；數(shù)據(jù)處理和管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行二次預(yù)處理（數(shù)據(jù)的時域、頻域和幅值域顯

示，頻度計數(shù)等）、結(jié)果顯示、存檔和數(shù)據(jù)入庫等；結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估系統(tǒng)對監(jiān)測數(shù)

據(jù)進行在線評估（如預(yù)警、初步評估等）及離線評估（如模態(tài)分析、數(shù)據(jù)融合、

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

7

華陽特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)同濟大學(xué)橋梁工程系

占-

八、、?

令具有長期、實時、同步、連續(xù)地進行數(shù)據(jù)采集的能力；

令具有強大的數(shù)據(jù)傳輸、處理、顯示、存檔和遠程共享能力；

令具有自檢、校準、控制功能；

令具有正常狀態(tài)評估和突發(fā)事件況評估的能力；

令具有良好的可更換性和升級能力。

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結(jié)構(gòu)溫度、加速度、結(jié)構(gòu)動應(yīng)

變、結(jié)構(gòu)長期靜應(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；

令雨量、空氣溫度、空氣濕度等環(huán)境因素的監(jiān)測；

令車輛荷載的監(jiān)測；

令結(jié)構(gòu)溫度場分布特點的監(jiān)測；

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；

令各類信號采集、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；

令數(shù)據(jù)管理、顯示和控制方法研究。

結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估子系統(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)指標的閡值與預(yù)警機制研究；

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華陽特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)同濟大學(xué)橋梁工程系

令結(jié)構(gòu)健康評估（安全評價）系統(tǒng)總體設(shè)計；

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

之間的關(guān)系研究；

令健康監(jiān)測數(shù)值分析模型的建立與修正；

令在線監(jiān)測報告生成子系統(tǒng)的開發(fā)；

令利用評估系統(tǒng)對大橋的日常維護和運營管理提供依據(jù)和指導(dǎo)性建議的研究。

4.3監(jiān)測系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)

經(jīng)過方案比選，我方選擇數(shù)字微波的方式進行傳輸,整個監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)

構(gòu)圖如圖1所示。

一理中心1

—>s：

金事理/々***?馬-

通訊光纖

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華陽特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)同濟大學(xué)橋梁工程系

圖1監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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)計原則

令對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行重要性、危險性和易損性評級，將該評級結(jié)果作為傳感器布

置的參考指標；

令對特殊、重要部位進行重點監(jiān)測，以分析、計算、評估重要構(gòu)件的工作狀態(tài)，

并預(yù)測其它構(gòu)件的內(nèi)力分布和變化；

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

測，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)評估所需要的全面、精確的結(jié)構(gòu)參數(shù)信

息；

令對于結(jié)構(gòu)中的易損和多病害構(gòu)件的狀況進行監(jiān)測和評估。

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、振弦式應(yīng)變計、振動索

力計、靜力水準儀、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對雨量的監(jiān)測來達到對拉索發(fā)生風(fēng)雨振時的環(huán)境條

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

律和機理進行分析。

雨量傳感器要求有良好的耐久性和測量精度，能夠?qū)Νh(huán)境下雨狀況有非常精

確的測量，初步擬定在下述位置安裝傳感器。

10

華陽特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)同濟大學(xué)橋梁工程系

設(shè)置部位采集方法數(shù)量

跨中斷面實時監(jiān)測1

合計1

技術(shù)要求如下表：

項目技術(shù)要求

測量范圍0-4mm/min

分辨率0.1mm

誤差±0.2mm

環(huán)境溫度-0。Cto+50℃

相對濕度0-95%

5.2.2空氣溫度計

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

應(yīng)進行監(jiān)測，采用空氣溫度計對大氣溫度進行監(jiān)測。

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時監(jiān)測3

橋面中跨跨中實時監(jiān)測1

合計4

技術(shù)要求如下表:

項目技術(shù)要求

測量范圍-50℃~+50℃（空氣溫度）

精度±2%

工作電壓SV

輸出信號電流信號：4?20mA

使用壽命210年

11

華陽特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)同濟大學(xué)橋梁工程系

5.2.3空氣濕度計

大氣相對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，對其進行

相應(yīng)的監(jiān)測對于準確地評估橋梁結(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

橋面中跨跨中實時監(jiān)測1

合計1

技術(shù)要求如下表：

項目技術(shù)要求

測量范圍1-1OO%RH（相對濕度）

精度±2%

工作電壓SV

輸出信號電流信號：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)具有良好的測量精度和耐久性，對結(jié)構(gòu)溫度的監(jiān)測應(yīng)是

連續(xù)監(jiān)測。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

中跨跨中斷面實時監(jiān)測10

邊跨跨中斷面實時監(jiān)測20

合計30

技術(shù)要求如下表:

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華陽特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)同濟大學(xué)橋梁工程系

項目技術(shù)要求

測量范圍-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

通過實時監(jiān)測主梁等在交通、環(huán)境荷載等作用下的加速度響應(yīng)，以評估結(jié)構(gòu)

的整體動力特性，為評價結(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?監(jiān)測2

中跨跨中橫向?qū)崟r監(jiān)測2

邊跨跨中豎向?qū)崟r監(jiān)測4

邊跨跨中橫向?qū)崟r監(jiān)測4

合計12

技術(shù)要求如下表：

項目技術(shù)要求

測量范圍士2g

靈敏度±5V/g

頻率響應(yīng)范圍DC-120Hz

動態(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℃

相對濕度0-90%

使用壽命210年

13

華陽特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)同濟大學(xué)橋梁工程系

5.2.6應(yīng)變計

通過實時監(jiān)測在交通荷載、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，為評價結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)提供相應(yīng)的依據(jù)。初步擬對以下部件

位置進行應(yīng)力監(jiān)測。

設(shè)置部位采集方法數(shù)量

中跨跨中實時監(jiān)測12

邊跨跨中實時監(jiān)測24

合計36

技術(shù)要求如下表：

項目技術(shù)參數(shù)

硬件構(gòu)造表面焊接式應(yīng)變計，溫度自補償功能

測量范圍>3000蘆

分辨率1|1E

精度±0.1%滿量程

線圈阻抗120或240Q

激勵電壓2-10V

疲勞壽命在±2400蘆時1()6循環(huán)

溫度：-10℃?60℃

工作環(huán)境

相對濕度：98%

5.2.7振弦式應(yīng)變計

通過實時監(jiān)測在交通荷載、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,

為評價結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)提供相應(yīng)的依據(jù)。初步擬對以下部件位置進行應(yīng)力監(jiān)測。

設(shè)置部位采集方法數(shù)量

中跨跨中實時監(jiān)測12

邊跨跨中實時監(jiān)測24

邊跨、中跨1/4跨位置實時監(jiān)測24

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華陽特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)同濟大學(xué)橋梁工程系

合計60

技術(shù)要求如下表：

項目技術(shù)參數(shù)

硬件構(gòu)造表面焊接式應(yīng)變計，溫度自補償功能

測量范圍>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。

激勵電壓2-15V

疲勞壽命在±2400四時循環(huán)

溫度：-10℃?60℃

工作環(huán)境

相對濕度：98%

5.2.8靜力水準儀

通過布設(shè)靜力水準儀對橋墩的差異沉降進行觀測，基于此對結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)

做進一步的評估，其主要的監(jiān)測部位如下表所示。

設(shè)置部位采集方法數(shù)量

橋梁墩臺實時監(jiān)測4

中跨、邊跨、跨中實時監(jiān)測3

邊跨、中跨1/4跨位置實時監(jiān)測6

中跨1/8跨位置實時?監(jiān)測4

合計17

技術(shù)要求如下表：

項目技術(shù)要求

測量范圍50mm

分辨率0.01mm

15

華陽特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)同濟大學(xué)橋梁工程系

長期零飄<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價支座以及大橋

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

的支座位移。

設(shè)置部位采集方法數(shù)量

支座實時監(jiān)測4

伸縮縫實時?監(jiān)測4

合計8

技術(shù)要求如下表：

項目技術(shù)要求

250mm

精度±O.l%oF.S.

溫度補償形式自補償

使用溫度-3O℃~85℃

5.2.10激光測距儀

橋墩相對位移是橋梁健康監(jiān)測的重要內(nèi)容，通過激光測距儀可以精確的測出

橋墩相對位移，達到監(jiān)測目的。激光測距儀主要由激光調(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)過調(diào)制的激光，經(jīng)被測物反射后

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

測量點與目標間的往返時間，然后根據(jù)光速，求出待測距離D=(cX△①)/4“f°

這種方法測量精度高，通常在毫米量級。

設(shè)置部位采集方法數(shù)量

16

華陽特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)同濟大學(xué)橋梁工程系

13#墩實時監(jiān)測1

合計1

技術(shù)要求如下表：

項目技術(shù)要求

激光輸出功率<1mW

測量范圍10cm-200m

測量精度+2mm

典型測量時間<ls

最大測量時間4s

5.2.11振動索力計

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

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

夠較準確地測量出體外索索力，從而達到實時掌握索力情況，為評估橋梁的工作

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

跨中體外索實時監(jiān)測4

合計4

技術(shù)要求如下表：

項目技術(shù)要求

測量范圍士2g

靈敏度±1.25V/g

頻率響應(yīng)范圍DC-120Hz

動態(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

華陽特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)同濟大學(xué)橋梁工程系

相對濕度0-90%

使用壽命210年

5.2.12橋傳感器匯總

數(shù)量

編號名稱單位

單幅橋另一幅

1雨量傳感器個1

2空氣溫度傳感器個43

3空氣濕度傳感器個1

4結(jié)構(gòu)溫度傳感器個3030

5加速度傳感器個1212

6應(yīng)變傳感器個3636

7振弦式應(yīng)變計個6060

8靜力水準儀個1717

9位移傳感器個88

10激光測距儀套11

11振動索力計個44

總計個345

5.2.13傳感器布設(shè)位置

該橋左右近乎對稱，所以除了橋面的雨量計、空氣濕度、溫度計只在西幅橋

跨中布置外，兩幅橋傳感器采取對稱布置。對重要截面從北至南依次定義為1至

7號截面。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