健康监测设计

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（3） 线缆穿线管进行保护。 大桥健康监测系统采用自动监测相结合的方法对桥址环境、结构响应、结构变化等进行全面而 系统监测，以全面便得到反映桥梁健康状况的真实信息。 本系统实时监测的内容有：吊索拉力、主梁挠度、主梁应变、结构温度、主塔位移、主塔应变、 结构振动特性、 伸缩缝位移、 局部构件位移和变形、 环境气象等。 以上监测内容通过现代传感技术、 信号分析与处理技术、网络通讯技术、计算机技术等进行实时数据采集、处理、分析，作为桥梁健 康状态及突发事件后评估的重要数据源。 下面重点介绍监测所采用的技术及其实现的方法。 气象站数据采集器将检测器得到的信号处理通过标准通讯设备传送到总站，并备有多个串行通 讯口可方便地连接智能化的传感器。采用交流供电，可以对蓄电池智能充电，保证采集系统因故断 电时，采集器可以继续工作。
2.3 环境监测方案 2.3.1 工作原理
2.2 钢箱梁、钢拱塔内温湿度监测方案 2.2.1 工作原理
空气温湿度传感器中的湿度传感器为电阻型高分子湿度传感器（湿敏电阻） ，是一种新型的湿 度敏感元件，采用功能高分子膜涂敷在带有导电电极陶瓷衬底上，形成阻抗随相对湿度变化成对数 变化的敏感部件，导电机理为水分子的存在影响高分子膜内部导电离子的迁移率。温度传感器模块 将环境的温度转变成电压信号输出。
测点数量
2.1.8 钢拱塔、钢箱梁振动与桥墩撞击及地震响应监测 钢拱塔、钢箱梁振动与桥墩撞击及地震响应监测测点布置位置与数量如表 2-10 所示。
表 2-10 钢拱塔、钢箱梁振动与桥墩撞击及地震响应监测测点布置位置与数量
测点位置 钢拱塔、塔顶 通航孔承台上部
传感器类型 振动传感器 振动传感器
测点数量
振动传感器
2.1.6 截面应力、疲劳、焊缝开裂监测 2.1.9 斜拉索索力监测 截面应力、疲劳及焊缝开裂监测均通过应变监测反映，见表 2-8。
表 2-8 截面应力、疲劳、焊缝开裂监测测点布置位置与数量
斜拉索索力监测测点布置位置与数量如表 2-11 所示。
表 2-11 斜拉索索力监测测点布置位置与数量
2.1.1 钢箱梁、钢拱塔内温湿度监测 钢箱梁温湿度与钢拱塔温湿度监测测点位于箱梁与桥塔交界处，见表 2-3。
表 2-3 钢箱梁与钢拱塔温湿度监测测点布置位置与数量
测点位置 桥塔与箱梁交界处 小计
传感器类型 温湿度计
测点数量
-3-
小计
钢箱梁主跨 1/4 、1/2 截面， 边跨1/2截面及主墩截面 小计
1.2 软件的开发原则
（1）可用性、实用性、可靠性 可用性是本系统中设计方案的首要原则， 目标系统应具有良好的性能价格比、 较高的应用、 推广效益，采用多种实用的技术手段，并尽可能集成成熟软件产品。实用性就是保证可用性的 前提下能够最大限度的满足实际工作要求。而作为桥梁健康监测信息交互平台，软件系统其可 靠性也是极为重要的。除了在硬件体系上的可靠性外，软件系统的研究过程中，还必须注意稳 定可靠性。及在结构研究上要充分考虑数据的冗余，传输的可靠性、及对关键数据的备份等措 施。 （2）伸缩性、扩展性 软件系统应具有完备的扩展功能，为系统今后功能扩展、升级留有接口，并有利于系统的 推广应用。它有两个层面的含义：一是监测内容的可扩展性；另一个方面是业务功能上的可扩 展性。 （3）管理及维护的简便性 一方面庞大的信息系统需要有效的管理和维护手段。另一方面由于本系统中涉及的传感器 设备种类繁多，且安装现场调试环境恶劣，因此在目标系统研究中应充分考虑对这些传感器设 备的远程设置、控制机制。 （4）先进性
序号 监测类别 1 监测项目 桥梁局部性态监测 桥梁整体性态监测 工作环境监测
交通荷载 台风、地震等自然灾害 钢拱塔、钢箱梁空间变形 钢箱梁线形 引桥线形 钢箱梁、钢拱塔关键截面应力及疲劳 钢箱梁、钢拱塔关键焊缝开裂 钢箱梁、钢拱塔、引桥箱梁截面结构温度 钢拱塔振动 钢箱梁振动 斜拉索索力 桥墩撞击 钢混结合段锚杆力 引桥混凝土箱梁关键截面应力
测点位置 主桥主跨跨中 小计
传感器类型 气象站
测点数量
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钢 箱 梁 、 钢 拱 塔 关 截面应力应变、疲劳 钢箱梁主桥主跨1/2、 1/4跨， 键 截 面 应 力 及 疲劳 应变 钢箱梁主桥主跨1/2、 1/4跨， 边跨1/2 跨， 钢 箱 梁 、 钢 拱 塔 关 关键焊缝开裂后的应 各跨墩顶截面； 钢拱塔T0、T1、T7、 键焊缝开裂 力释放 塔顶截面 钢箱梁、 钢拱塔、引 桥 箱 梁 截 面 结 构温 结构温度及温度场 度 钢拱塔振动加速度 钢箱梁振动加速度 斜拉索索力 桥墩撞击加速度 锚杆应变变化 东、西侧桥塔承台上部东、西侧边墩 承台上部 各塔钢混结合段关键锚杆 引桥混凝土箱梁关键截面 钢箱梁主桥主跨1/2、 1/4跨， 边跨1/2 跨， 各跨墩顶截面； 钢拱塔T0、T1、T7、 塔顶截面，钢横梁截面 钢拱塔T0、T1、T7、塔顶截面 钢箱梁主跨1/2、1/4跨，边跨1/2 跨及 主墩墩顶截面
2.1.4 结构空间变形监测
在东、西两个钢塔塔顶分别布设 1 个 GPS 传感器，在主跨跨中上、下游各布设 1 个 GPS 传感器，见表 2-6。
表 2-6 钢拱塔、钢箱梁空间变形监测测点布置位置与数量
测点位置 主桥主跨跨中上下游 东侧桥塔塔顶 西侧桥塔塔顶 基准站 小计
传感器类型 GPS GPS GPS GPS
（3）
通道预留原则（考虑后期荷载试验及临时增加传感器） ； 稳定与安全的运行环境； 易于进行检查及维修、维护。
系统设计的原则
大桥健康监测系统设计的总体原则
（4） （5）
1.1.2 各类硬件的选型原则
大桥健康监测系统是一个集结构分析计算、计算机技术、通信技术、网络技术、传感器技 术等高新技术于一体的综合性系统工程。为使大桥健康监测系统成为一个有效并能真正长期用 于结构损伤和状态评估，满足大桥养护管理和运营的需要，同时又具经济效益的桥梁结构健康 监测系统，应遵循如下原则： （1） （2） （3） （4） （5） 遵循简洁、实用、性能可靠、经济合理的指导思想。 系统设置首先需满足大桥养护管理和运营的需要，立足实用性原则第一。 根据桥梁结构易损性分析的结果及养护管理的需求进行监测点的布设。 桥梁易损性分析原则考虑以下方面： 桥梁结构受力特点、构件的工作特征； 桥梁不同类型材料的材料特性、使用特性； 桥梁受外部环境及荷载影响后最易损伤部位； 基于既有同类型桥梁已发生的损伤部位； 目前阶段尚未有足够资料验证的关键部位。 监测与结构安全性密切相关内容， 主要监测一些有代表性的结构、 必须进行监测的重要 （1） （2） （3） （4） 经验证目前国际国内性能最稳定者； 已经证明使用时间最长者； 具有可更换性； 性价比最优者。
测点数量
引桥混凝土箱梁关 箱梁截面应力 键截面应力 合计
2.1.5 线形监测 在主桥各跨跨中、主跨四分点以及墩台处布置挠度传感器。引桥线形测点布设在引桥各跨 跨中及墩顶处，见表 2-7。
表 2-7 钢箱梁与引桥线形监测测点布置位置与数量 测点位置 主桥主跨1/2、1/4跨，边跨 1/2跨，各跨墩顶 引桥各跨跨中及墩顶 传感器类型 挠度传感器 挠度传感器 测点数量
测点位置 钢混结合段锚杆 小计
传感器类型 应变传感器
测点数量
测点位置 主跨跨中钢箱梁截面 主跨1/4、3/4跨钢箱梁截面 主桥边跨跨中钢箱梁截面 主桥各跨墩顶钢箱梁截面 钢拱塔 塔顶 钢横梁截面 引桥 小计
传感器类型 温度传感器 温度传感器 温度传感器 温度传感器 温度传感器 温度传感器 温度传感器
除了核心部件数据采集器外， 该系统还包括温湿度检测器， 风速风向检测器， 雨量测器等设备。
2.3.2 测量系统
气象站数据通过RS485总线传送到采集站，经过通信模块的转换后，经由交换机传送到数据服务 器中，做进一步的处理。
通信网络
气象站 485总线 交换机 服务器
2.2.2 测量系统
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3 4 5 6 7
交通荷载
车重、车速
东引桥 ---
2.1.2 环境温度度、能见度、风速、风向、降雨量监测 环境温湿度、能见度、风速、风向、降雨量监测采用集成式气象站，测点设置于大桥主跨跨 中处，见表 2-4。
表 2-4 环境温湿度、能见度、风速、风向、降雨量监测测点布置位置与数量
台风、地震等自然灾 风速、风向、地震加 主桥跨中、桥塔塔顶、钢拱塔关键截 害 速度 面 钢 拱 塔 、 钢 箱 梁 空 钢拱塔、钢箱梁空间 钢拱塔塔顶、钢箱梁主跨跨中 间变形 变形 桥梁整体 钢箱梁线形 性态监测 引桥线形 钢箱梁线形变位 引桥线形 变位 主桥主跨1/2、1/4跨，边跨1/2 跨，各跨墩顶 引桥各跨跨中及墩顶
2.1.3 交通荷载监测 在大桥东引桥处布设车辆动态称重系统，见表 2-5。
表 2-5 交通荷载监测测点布置位置与数量
9
测点位置 收费站处 小计
传感器类型 称重传感器(动态称重系统)
测点数量 c c h
10
桥梁局部 11 钢拱塔振动 性态监测 12 13 14 15 16 钢箱梁振动 斜拉索索力 桥墩撞击 钢混结合段锚杆力
（1） （2） 信号信息损失最小原则（最短布线原则） ； 同类信息通道集中原则（最佳信息检查原则） ；
软件平台、技术实现手段的选型应符合主流技术的发展方向。在技术上采用当今较成熟的 技术同时保持相对的先进性，将先进和成熟的技术与现实的应用相结合。
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（5）开放式体系、模块化设计 采用开放式体系、模块化设计保证系统具有良好的可维护性和可扩充性。
测点位置 主跨跨中钢箱梁截面 主跨1/4、3/4跨钢箱梁截面 主桥边跨跨中钢箱梁截面 主桥各跨墩顶钢箱梁截面 钢拱塔 、塔顶 钢横梁截面 引桥 小计
传感器类型 应变传感器 应变传感器 应变传感器 应变传感器 应变传感器 应变传感器 应变传感器
测点数量 东、西侧边跨：索 主跨东、西侧：索
测点位置
传感器类型 索力传感器 索力传感器 小计
自动项目测点位置及数量概述见表 2-2 所示。
表 2-2 自动项目测点位置及数量
监测内容
测点位置
数量
2
工作环境 环境温湿度、能见 监测 环境温湿度、 能见度、 度 、 风 速 、 风 向、 主桥跨中 风速、风向、降雨量 降雨量
钢 箱 梁 、 钢 拱 塔 温 钢箱梁、钢拱塔内温 桥塔与钢箱梁交界处 湿度 湿度
结构以及日常养护无法检查或检查非常困难的结构响应。 （6） 从动力、静力、安全性对结构进行监测，采用实时监测和定期监测相结合的方法，力求
用最少的传感器和最小的数据量完成工作。 （7） （8） 以结构位移、力、应力为主，其它监测为辅。 系统应能顺应世界桥梁健康监测的发展方向，具有可扩展性。
1.1 硬件布设、选型原则 1.1.1 工作站布设原则
2.1 自动监测项目
大桥健康监测系统自动项目如表 2-1所示。
2
监测（检测）主要内容及监测点布设
依据大桥健康监测系统的总体思路，监测（检测）的主要内容分为自动监测和人工巡检两
表 2-1 自动监测项目设置
监测类别
监测项目 风荷载 环境温度、湿度、能见度、降雨量
大部分。其中自动监测项目包括： （1） 大桥工作环境荷载； （2） 钢拱塔空间变形与钢箱梁线形； （3） 钢箱梁、钢拱塔关键截面应力、结构温度、疲劳及焊缝开裂； （4） 钢拱塔振动； （5） 钢箱梁振动； （6） 斜拉索索力； （7） 通航区桥墩撞击与地震响应； （8） 钢混结合段锚杆力； （9） 引桥混凝土箱梁关键截面应力及结构温度； （10）引桥线形。 需进行人工检查的项目包括： （1） 混凝土腐蚀； （2） 基础冲刷； （3） 基础沉降； （4） 伸缩缝变位及损伤； （5） 斜拉索锚固系统、减震器、拉索锈蚀； （6） 斜拉索损伤、状况； （7） 主桥钢箱梁焊缝开裂，引桥混凝土箱梁裂缝； （8） 引桥线形； （9） 支座状况； （10）桥面铺装、栏杆、护栏等常规养护检查项目。
测点数量
2.1.10 钢混结合段锚杆力监测 钢混结合段锚杆力监测测点布置位置与数量如表 2-12 所示。
表 2-12 钢混结合段锚杆力监测测点布置位置与数量
2.1.7 结构温度监测 结构温度监测测点截面的选取与应力监测一致，见表 2-9。
表 2-9 钢箱梁、钢拱塔、引桥箱梁结构温度监测测点布置位置与数量