银川滨河黄河大桥主桥健康监测自动化传感器测试系统设计

银川滨河黄河大桥主桥健康监测自动化传感器测试系统设计李求源;王健;曾威
【摘要】介绍了银川滨河黄河大桥主桥健康监测系统设计情况,分析了大跨径自锚式悬索桥健康监测研究关键问题.
【期刊名称】《低碳世界》
【年(卷),期】2015(000)033
【总页数】2页(P143-144)
【关键词】大跨径桥梁;健康监测;安全评估
【作者】李求源;王健;曾威
【作者单位】湖南联智桥隧技术有限公司,湖南长沙410199;银川滨河黄河大桥管理有限责任公司,宁夏银川410199;湖南省交通科学研究院,湖南长沙410199【正文语种】中文
【中图分类】U445.7
1 引言
随着经济和科技的发展，利用实时健康监测系统实现对桥梁结构健康状况的评估是一种发展趋势。

它综合了现代传感技术、网络通讯技术、信号分析与处理技术、数据管理方法及结构分析理论等多个领域的知识，极大地延拓了桥梁检测领域，提高了预测评估的可靠性。

近年来，宁夏经济高速发展，交通基础建设也大放异彩。

银川滨河黄河大桥位于银川中心城区和滨河新区之间，是沟通两区的主要过河通道。

主桥为三塔双索面叠合梁自锚式悬索桥，跨径组成91.5+218+218+91.5=619m，双主梁断面，整幅布置，全宽 41.5m，纵梁高度3.885m，吊索间距8m，主塔采用矩形截面，矩形承台，桩基础为2.0m钻孔灌注桩，桩长80m。

由于滨河黄河大桥功能规划重要，规模宏大，结构复杂新颖，可以预见其检查、养护和维修费用将是昂贵的。

为保证滨河黄河大桥在全生命使用周期的安全运营，最大效率地利用有限的养护维修资金，必须建立一套功能实用、性能稳定、经济合理的结构健康监测系统。

同时，桥梁健康监测系统的建立对于宁夏地区大跨径桥梁结构的科研、设计、施工、管养等功能均能提供丰富的一手数据，促进建设水平的不断提高。

湖南联智桥隧技术有限公司承担了滨河黄河大桥主桥健康监测系统设计和施工实施。

本文详细介绍该健康监测系统中自动化传感测试系统的组成，同时，结合桥梁具体情况，对大跨桥梁健康监测系统的设计、实施提出了一些思考。

2 系统设计
依据滨河黄河大桥的结构特点、地理特征和经费预算等基本条件，并重点考虑与机电、监控、荷载试验等系统的联系，拟定了系统的功能目标、设计思路、系统架构组成。

滨河黄河大桥主桥结构健康监测系统组成见图1所示。

图1 系统架构图
3 自动化传感测试系统
3.1 传感器模块
每座桥梁的所用的监测传感器均是有限的，怎么样布设传感器，获取对结构功能退化有重要影响的数据是至关重要的。

本桥传感器模块设置的原则是：①通过结构分析，确定重要的评判指标，确定需要监测的数据；②综合分析施工监控量测的数据，对于在施工过程中已经稳定的指标进行传感器测点优化；③结合大桥的养护、机电等其他系统设计建设情况，对于可以采用低成本检测方法替代的部分进行传感器测
点优化和共享；④结合初步选用的传感器初步类型，考虑健康监测系统本身耐久性和元件可更换性原则，对测点数量进行优化布设。

传感器在满足结构评价的大前提下，做到简洁、可靠、可更换。

传感器总体布置见图2。

详细数量和测试参数见表1。

图2 传感器总体布置示意图
3.2 数据采集、传输及控制模块
数据采集、传输与控制模块主要承担控制采集、传输数据和对数据进行预处理的功能。

其组成包括如下几个部分：
（1）采集单元
采集单元包括4个子站。

每个子站包括数据采集模块、信号调理模块及仪器平台。

其中2个子站仅连接振动测试传感器，为专门的振动信号采集子站；另外两个子
站为综合采集子站，包括多类型传感器。

子站之间通过光纤连接，将数据传输至其中一个综合子站进行总体处理。

（2）传输网络
传输网络通过局部电缆和光纤及整体传输光纤组成。

局部电缆和光纤网络将传感器与采集模块进行连接，并将采集模块与光电转换模块（主要针对局部电缆）连接；整体光纤网络将各采集模块连成网络，再通过专用传输光纤将各数据传输至机房数据控制管理服务器。

（3）控制和进行预处理等的相应软件程序
①数据的采集控制。

包括采集的频率控制，采集数据需要携带的特征信息控制，数据异常中断恢复控制，采集同步性控制等。

②数据传输和预处理。

主要解决数据的传输存贮控制及异常值剔除、各类特征值统计等预处理工作（如图3）。

4 结语
大桥健康监测系统是光电测量、网络传输、计算机控制管理、系统工程预测和土木工程多方面交叉融合的产物；系统成功采用多参数测量系统，实现了大型桥梁的静力学、动力学参数的远程在线动态监测。

关于大跨自锚式悬索桥梁健康监测还有许多问题需要进行进一步的研究，尤其是在损伤识别、状态识别与安全性评估等方面。

同时，在本桥的健康监测系统设计实施过程中，对于健康监测系统如何进一步提高实用性方面有一些不成熟的思考：
表1 传感器布置统计表监测内容布设位置传感器类型数量（台）风速风向和雨量监测主跨跨中桥面水平三向超声波风速仪 1主跨跨中桥面雨量传感器 1小
计 2空气温湿度监测布设位置传感器类型数量（台）主跨桥面跨中附近空气
温湿度计 1主梁主跨跨中空气温湿度计 2主梁锚室空气温湿度计 4小计 7构件温度监测布设位置传感器类型数量（个）主梁 1个主跨跨中钢箱梁截面（位
置同应力3-3截面）光纤温度传感器 12小计 12索塔变位监测布设位置传感
器类型数量（个）主塔上塔柱顶倾斜仪 6中塔塔高2/3截面处倾斜仪 2小
计 8桥梁振动特性监测布设位置传感器类型数量（个）主塔上塔柱顶双向加速度计 12主梁边跨2分点、中跨4分点单向加速度计 22小计 34主梁竖向
变形监测布设位置传感器类型数量（套）主梁边跨2分点静力水准仪 8中跨4分点静力水准仪 12小计 20主塔结构应变与温度主梁4（每应变花3个）横
梁 1个主跨跨中中横梁光纤应变计 2温度补偿传感器光纤温度计 11小计 67 2（每应变花3个）最大主应力区位置同中塔处主梁4-4截面布设位置传感器类
型数量（个）主塔与塔处横梁交界水平截面光纤应变计 12主跨跨中、塔处支
点截面光纤应变计 20边跨跨中截面光纤应变计 4锚固区光纤应变计（应变花）光纤应变计（应变花）吊杆索力监测布设位置传感器类型数量（个）吊杆
最中间主塔一侧1对长吊杆单向加速度计 4其余两个主塔各一侧1对长吊杆单向加速度计 8小计 12地震及船撞响应监测布设位置传感器类型数量（个）主
桥通航孔主塔的承台顶部三向加速度计 1小计 1主梁纵向位移监测布设位置
传感器类型数量（个）主桥一侧边墩顶大量程位移计 4小计 4
图3 数据传输网络拓扑图
（1）对于大跨度桥梁，由于建设过程复杂，结构变换复杂，一般均建立了施工过程监控系统，对于大桥在应力挠度等方面有着最原始的指纹积累，如何能有效地将施工监控系统与健康监测系统很好地融为一体，是一项很有意义的思考。

（2）在健康监测系统设计方面，个人建议能在桥梁施工图设计阶段进行总体考虑是非常重要的，这将提前解决传感器测点预埋预留、管线预留，以及健康监测系统所需的强电、弱电等预留，并在某些方面，可以将机电系统的部分采集数据与健康监测系统共享，达到统筹兼顾、方便施工、规范作业、降低成本的效果。

（3）由于健康监测系统需要长期的监测，各监测设备在现场的多变复杂的环境下，存在损耗的可能，除了加强保护外，传感器少采用预埋方式进行，尽量增加传感器的可更换性；同时，在传感器设计时，尽量选用采集模块与感应模块分离方式，降低损耗更换成本。

（4）在经费投入受限的情况下，如何改进已有传感器，提升性能，替代相应的昂贵传感器是今后健康监测系统建设方面应重点加强的一个方面。

在本桥中，将静力水准仪进行了改良，使其在挠度测量时，能达到20Hz的采传频率，一方面克服了静力水准仪难以实施动态采集的弱点，另外一方面可以替代昂贵GPS测试系统。

（5）目前，国内很多桥梁大规模的上马健康监测系统，缺乏统筹规划。

个人建议每一个特征地域均应对于桥梁的健康监测系统进行统筹规划，无需无论什么样子的大跨径桥梁均一窝蜂地建立监测系统；同时，在统筹时应对于结构特别复杂，特别新颖，还具有很多未知点的桥梁应分门别类地考虑这些需要进一步研究的任务需求，争取每座桥解决一个不同的问题，这样，健康监测系统在促进设计、建造技术进步，促进对于桥梁结构认知方面才能达到最优的效果。

参考文献
[1]何浩祥，闰维明，马华，等.结构健康监测系统设计标准化评述与展望[J].地震工程与工程振动，2008，28（4）：154～160.
[2]李宏男，李东升.土木工程结构安全性评估、健康监测及诊断述评[J].地震工程与工程振动，2002，22（3）：82～90.
[3]董聪，丁辉，高嵩.结构损伤识别和定位的基本原理与方法[J].中国铁道科学，1999，20（3）：89～94.
[4]秦权.桥梁结构的健康监测[J].中国公路学报，2000（4）：40～45.
[5]Thomas G C，Dohmann C R.A modal test design strategy for model correlation[A]In：Bathel，ed.Proc 13th Intl Modal Analysis
Conference[C]New York：Union College，Schenectady，1995：927～933.
[6]陈长征，罗跃纲，白秉三，等.结构损伤检测与智能诊断[M].北京：科学技术出版社，2001.
[7]谢强，薛松涛.土木工程结构健康监测的研究现状与进展[J].中国科学基金，2001（5）：285～288.
[8]姜绍飞，党永勤，苏居儒，等.基于振动的结构健康监测技术[J].沈阳建筑工程学院学报，2003，19（4）：275～278.。