江阴大桥桥梁结构健康监测系统的硬件系统改造

江阴大桥桥梁结构健康监测系统的硬件系统改造孙孝婷（江苏扬子大桥股份有限公司，江苏江阴214433）摘要：江阴大桥结构健康监测系统是我国最早建立、也是最早进行改造的特大型桥梁结构安全监测系统。

由于设计施工上的缺陷，系统运行不久就出现数据采集系统硬件损坏，导致系统处于瘫痪状态。

介绍改造前后硬件系统的组成，并对监测内容和使用的传感器进行分析，以对以后特大型桥梁结构健康监测系统设计提供借鉴。

关键词：传感器；数据采集与传输；在线实时监测；结构健康评估文章编号：1009-6477(2010)01-0098-04中图分类号：U445.7文献标识码：BReconstruction of Hardware in Health Monitoring System forStructure of Jiangyin BridgeSUN Xiaoting江阴大桥原桥梁结构健康监测系统由于设计上的缺陷，系统使用不久就出现大面积硬件故障，导致建成几年来无法形成有用的监测报告，更谈不上实现损伤识别了。

根据这些情况，江苏扬子大桥股份有限公司联合香港理工大学、江苏交通科研设计院对系统进行了升级改造。

作为国内最早建立的桥梁结构健康监测系统，江阴大桥的改造工作对其他特大型桥梁的设计具有很好的借鉴作用。

1原结构健康监测系统硬件系统基本情况原系统由位于监控中心的主控工作站和位于锚室箱梁的8个外站组成，通过位于北塔的光集线器组成光纤局域网。

外站主要负责传感器数据采集，并进行数据预处理。

工作站负责系统参数控制，并对接收到的外站数据进行统计、处理、存储及显示。

江阴大桥原桥梁结构健康监测系统设计时没有考虑夏季钢箱梁内的高温，仍沿用野外施工控制常用的防尘、防水密封机箱，使得硬件系统的工作环境非常恶劣。

很多外站使用半年左右就出现了硬件损坏，此外传感器的选型和布设位置也存在问题，这些因素导致原系统几乎没有采集到有效的数据。

原软件系统基本为数据采集，没有完整的分析评估功能，且数据采集用非标准的技术方法集成在一起，造成工作不可靠。

总体来讲，原系统基本未发挥任何作用。

1.1外站系统外站是由英国承包商设计的非开放系统，其工作原理是：传感器采集的信号首先由调理器规范，通过主板并行口由DM A模式进入外站PC主机，数据处理后由网络适配器送往江阴大桥监控中心工作站。

改造前除1号外站外，其余外站均不能正常工作，从而无法采集相关数据。

本次改造更换了所有外站。

新外站采用标准工业控制计算机加NI工业级数据采集模块，并采用大容量电子盘作为本地数据记录的缓冲器，以延长硬盘的使用寿命。

1.2传感器系统原系统采用的M TN7200系列压阻式加速度传感器和剪力销，共使用72只加速度传感器和12只吊索荷载传感器（剪力销）。

这种应变式加速度传感器，在抗电磁场干扰、抗腐蚀、抗潮湿等能力上难以适应桥梁结构恶劣的工作环境。

而且其固有频率较低，随着使用时间的增加，传感器信号会发生漂移。

在稳定性、耐久性和分布范围上都不能很好地满足工程实际需要。

在本次改造中，增加了光纤光栅传感器进行主梁应力应变以及温度的监测，保留了用于监测锚股索力的磁弹仪和监测吊杆拉力的剪力销，对振动监测系统中加速度传感器的数量和布设位置进行了精简优化。

1.3主梁线形监测系统原系统采用光学电子距离测量系统（EM D）对主梁纵向、横向和垂直移动进行测量。

其主要设备是瑞士Leica公司提供的全站仪，其通过机械运收稿日期：2009-02-23作者简介：孙孝婷（1978-），女，江苏省江阴市人，本科，工程师.公路交通技术2010年2月第1期Technology of Highway and Transport Feb.2010No.1动对各测点进行巡检。

系统测量的频率受测点数量限制，不仅影响系统的采集速度，而且测试精度受环境气象因素的影响很大。

对于江阴大桥，在每年预计的40d雾天中不能进行任何测量。

本次改造增加了GPS系统实现线形监测。

2改造后结构健康监测系统硬件系统组成江阴大桥结构健康监测系统升级改造的基本要求为恢复原系统的正常运行，增加光纤应变测试系统监测主梁内力，增加GPS位移测试系统监测主梁线型和桥塔位移，在主梁两端增设拉绳式位移计监测主梁端部位移，从而实现对桥梁结构响应（内力、位移、振动、温度等）信号进行长期在线采集与管理，并进行有效的数据积累和分析。

改造后的桥梁结构健康监测硬件系统，按照系统功能范围大致可分为传感器系统、数据采集系统、数据通信与传输系统、数据分析和处理系统4大类。

改造后结构健康监测系统的网络拓扑结构如图1所示。

2.1传感器系统传感器系统主要包括风速仪、温度传感器、几何测量系统（位移计、水平仪、倾角仪、EDM／GPS）、应变计、加速度传感器、信号放大器、调理器等附件。

传感器系统主要用来监测以下几类数据：主梁、主缆、吊索的振动监测，主梁的线型监测，环境监测，主缆的索力监测，吊索索力监测和主梁位移监测等。

考虑到GPS系统和光纤光栅应变监测系统独立性较强，本文将这2个系统作为单独的子系统进行阐述。

2.2数据采集系统数据采集系统主要包括安装在大桥主梁和南北锚室内的8台由工控机和数据采集卡构成的数据采集站（外站）。

控制中心工作站通过网络广播发布时钟校正命令，各外站根据命令调整时钟，从而解决了系统的同步性问题。

结构健康监测系统中大部分传感器的输出信号为模拟信号，不能直接由计算机获取。

数据采集系统将这些模拟信号经过放大、调理转为数字信号，并对这些数据进行预处理和储存，然后通过数据传输系统传到监测中心的数据处理和分析系统。

2.3数据通信与传输系统江阴大桥结构健康监测系统的8个外站通过一个光纤集线器与服务器连接。

外站担任数据采集和预处理功能，服务器担任数据管理、可视化等功能。

南北锚室的外站直接安装在19in标准机柜中。

考虑到夏季高温，位于钢箱梁中的外站则安装在配备了半导体制冷器的无人值守温控机柜内。

2.4数据分析与处理系统江阴大桥采用数据监测和数据分析2台工作站，安装在监控中心，通过光纤网络与外站通信。

配备相应软件后，安全监测工作站主要完成数据的查询采集以及生成日报表和异常状态报表等功能。

分析工作站则通过数据完成适用性评估，分析桥址风场特性、建立基于实测的梁端位移和温度的相关性模型、完成损伤检测及构件的安全性评价等。

3改造后系统的监测内容2010年第1期孙孝婷：江阴大桥桥梁结构健康监测系统的硬件系统改造99系统监测的内容主要包括以下几方面：线形（竖向、横向、纵向的位移）监测、振动监测系统、应力温度监测、索力监测、环境监测以及主梁位移监测系统等。

3.1线形（竖向、横向、纵向的位移）监测江阴大桥原先采取的光电测距方法受采样频率、环境气象因素的影响很大，其测量的精度难以保证。

从目前的仪器和软件性能看，GPS 系统采用实时差分进行动态测量的定位精度可达mm 级，经过系统集成和2次开发，完全可以用于大型工程结构的微量测量。

因此，本次改造采用GPS 技术进行主梁线形的监测，用以实时监测江阴大桥主梁和主塔的形变。

系统包括8个流动站（即测站，6个在桥面，2个在主塔）和1个参考站（基准站，在监控中心），由9台莱卡双频GPS 主机构成。

3.2振动监测通过对主缆、吊杆及主梁振动特性的连续监测，可考察桥梁结构的疲劳响应，进而考察结构的安全可靠性，还可实现对主梁结构承受波动载荷历程的记录。

考虑到原系统中监测主缆、主梁和吊杆振动的加速度传感器已出现严重损坏，新系统对传感器的布置和选型进行了重新优化设计，优化后测点的布置如图2所示。

3.3应力温度监测系统主梁应力监测的目的在于通过对主梁结构的控制部位和重点部位进行内力监测，研究主梁结构的内力分布以及各种载荷下的响应，为结构损伤识别、疲劳损伤寿命评估和结构状态评估提供依据。

同时，通过控制点上的应力和应变状态的变异，检查结构是否有损坏或潜在损坏状态。

从长期监测和信号传输等方面考虑，本次改造中项目组采用了光纤光栅传感器进行主梁应力应变以及温度的监测。

测点布置在大桥箱梁内部，其分布如图3所示，传感器分布在9个截面上，每个截面8个应变测点，同时在其中4个测点上还布置光纤光栅温度传感器作温度修正。

另外，在跨中截面上，每个测点布置2个应变计，1个顺桥向布置，1个横桥向布置。

系统中共计80个光纤光栅应变计，36个光纤光栅温度计。

系统通讯拓扑结构如图4所示。

3.4索力监测索力状态（主缆、吊索等）是衡量大桥是否处于正常运行状态的一个重要标志。

通过对索力的监测，不仅能为从总体上评估大桥的安全性和公路交通技术2010年100耐久性提供依据，同时也能检测缆索的锚固系统和防护系统是否完好，缆索是否锈蚀等。

这一部分保留了原系统使用的2类传感器：一类是用于监测锚股索力的磁弹仪（EM传感器），另一类是用于监测吊杆拉力的剪力销。

3.5环境监测系统环境监测系统采用采样频率10Hz的数字式三向超声波风速仪，对温度、湿度、大气压、风速风向进行连续监测。

其中温、湿度传感器和大气压传感器输出信号是4～20mA电流，风速风向传感器输出信号是RS232数字信号。

3.6梁端位移监测系统主梁梁端位移的变化是主梁在荷载作用（包括环境因素，如温度、风、地震作用）下沿桥纵向变形的直接反映，是判断主梁纵向变形同步性的最有效手段。

梁端位移监测系统采用拉绳式位移传感器，位移计采样频率为50Hz，安装在主梁南北两端的承台上，东、西侧各1个，共计4个。

主要对大桥主梁南北两端上下游的位移情况进行监测。

4结语江阴大桥原结构健康监测系统损坏的主要原因就是硬件设备损坏。

改造后的新系统能够实时采集大桥在运营状态下的各种数据和信号，并通过对这些信号的实时分析与处理，实现对大桥结构健康状态的在线监测和评估。

参考文献[1]江苏扬子大桥股份有限公司,香港理工大学,江苏省交通科研设计院,等.江阴长江公路大桥上部结构健康监测系统升级改造工程联合设计文件[Z].南京:江苏省交通科研设计院,2004.[2]李广,孙孝婷,章薛娅.GPS在桥梁结构健康监测系统中的应用[C]//全国公路特大桥梁运营安全管理及信息化技术研讨会.南京:中国公路学会,2008.[3]魏新良,王震洪.桥梁健康监测技术发展现状及趋势分析[J].铁道工程学报,2008,25(9):9-12.[4]朱绍玮，张宇峰，樊可清，等.江阴大桥结构健康监测系统升级改造及初步数据分析[J].公路,2007(4): 69-73.[5]王敬民，陈雄飞，张宇峰，等.江阴大桥结构健康监测系统升级改造研究[C]//全国桥梁结构健康监测研讨会.南京:中国公路学会桥梁和结构工程分会,2005. [6]黄方林,王学敏,陈政清,等.大型桥梁健康监测研究进展[J].中国铁道科学,2005(2):4-10.[7]李爱群,缪长青,李兆霞,等.润杨长江大桥结构健康监测系统研究[J].东南大学学报:自然科学版,2003,33(5):544-548.[8]章关永.光纤传感器技术在桥梁状态监测中的应用[J].世界桥梁,2002(2):27-29,32.[9]连启滨.现有桥梁结构的安全监测与评估技术[J].公路交通技术,2002(3):41-45.[10]秦权.桥梁结构的健康监测[J].中国公路学报,2000,13(2):39-44.2010年第1期孙孝婷：江阴大桥桥梁结构健康监测系统的硬件系统改造101。