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1、第一章第一章 桥梁道路监测管理系统桥梁道路监测管理系统1.1 系统总体方案系统总体方案1.1.1 系统的总体方案系统的总体方案1.1.1.1 系统建立的目的和意义系统建立的目的和意义危害桥梁正常承载的主要因素包括：（1）结构内力状态的改变（2）结构损伤（3）两种因素综合作用运营健康监测系统必须能够对上述因素进行监测，因此，健康监测系统实施的目的是：（1）随时掌握桥梁结构的内力状态及损伤情况（2）尽早发现桥梁结构面临的危险状况（3）为桥梁结构的养护维修提供依据除了对结构运营状态进行监测外，对桥梁的日常管理养护等工作也纳入综合管理系统，以变实现：管养工作制度化、管养技术现代化、管养决策科学化。运营
2、健康监测和综合管理系统实施的重要意义在于：（1）能够随时掌握桥梁结构的内力状态及损伤情况（2）能够在桥梁结构危险萌芽阶段发出预警（3）对保障桥梁安全运营具有重要意义（4）能够尽量长地延长桥梁的运营寿命（5）对降低桥梁总体运营成本具有显著效果1.1.1.2 结构健康监测系统建立的原则结构健康监测系统建立的原则健康监测系统的最主要目的就是发现可能导致结构破坏的病害情况，因此，健康监测系统的建立应遵循以下逻辑原则：（1）研究桥梁结构的各部分将可能面临什么样的病害？这些病害发生的概率是多少？这些病害将导致结构的局部破坏还是整体破坏？（2）研究结构构件的病害有什么表现？这些表现是否能够为监测系统所监测？
3、（3）研究选用何种传感器来监测结构安全？传感器精度是否满足安全预警的要求？传感器布置位置是否恰当，数量是否合理？（4）研究如何对监测信号进行信号处理及分析？如何从监测信号中提取与结构安全直接相关易于为管理人员所理解的结构安全信息或预警信息？从这些逻辑原则可以看出，如何定义结构可能遭遇的危险是整个健康监测系统的基础，我们称这个过程为“结构危险性分析”1.1.1.3 结构危险性分析结构危险性分析该系统通过危险性分析来确定监测哪些构件及监测方式的方法，避免了健康监测系统中常见的目的性不强、针对性不明确的问题。所谓结构危险性分析就是系统地分析桥梁中各部分结构所面临的危险、各项危险发生的概率、危险所导致
4、后果严重程度以及各项危险的可监测性等问题。广雅大桥的主要结构构件包括：系杆、吊杆、主梁、拱肋、非通航孔桥和下部结构。应根据这些构件的受力特点、材料特性、使用环境等对其进行充分的危险性分析才能够确保健康监测系统的针对性和实用性。危险性分析通常需要通过大量类似结构的调查并综合考虑本工程的环境及受力特点同时结合必要的结构分析计算才能够得到比较可靠的结论。通过结构危险性分析我们可以非常明确我们需要监测那些构件、这些构件的重点监测部位、监测内容及监测频率等。健康监测的监测手段大体可以分为：力学指标监测，损伤直接检测(包括人工目视巡检及无损监测)两种手段。 在指定各构件采用的监测手段一般应综合考虑危险性的
5、程度、监测的经济性和有效性等问题。健康监测的监测手段大体可以分为：传感器在线监测，人工巡检(包括人工目视巡检)两种手段；一般而言传感器在线监测具有连续把握监测对象的特点，但其经济代价大，且对诸如钢材锈蚀、混凝土开裂等病害难以监测到；人工定期巡检能够比较容易发现结构的早期病害造成的外观变化，且一次性投入相对较小，但其不具有连续及实时性。1.1.1.3.1 吊杆的危险性分析及监测策略吊杆的危险性分析及监测策略吊杆锈蚀断丝是该桥的主要病害，其断丝隐蔽性强，应考虑对其进行监测。吊杆结构危险性分析的主要结论是： （1）大范围的吊杆断丝将导致主梁的危险，应对吊杆的索力进行监测；（2）局部吊杆的断丝甚至整根
6、破坏不会导致结构的整体危险，通过人工目视定期检查吊杆 PE 及锚具并结合部分吊杆的索力监测等是较为经济可行的方案；（3）从把握主梁内力的角度出发应对部分吊杆进行索力监测。1.1.1.3.2 主梁的危险性分析及监测策略主梁的危险性分析及监测策略本桥的加劲梁采用格子梁，其直接承受车辆荷载且为吊杆（拉索）体系柔性支承。因此，对其安全状态的把握不仅在于病害的监测，还在于其内力状态演变的监测。主梁恒载内力的演变主要来源以下几个方面：（1）主梁的变形；（2）吊杆刚度（索力）的变化；（3）基础的沉降。主梁结构危险性分析的主要结论是： （1）主梁内力状态的改变将有可能导致主梁的整体破坏，应加强对其的监测；（2
7、）主梁在由于内力状态改变而发生危险前会产生显著恒载变形，可以通过变形的监测并辅助吊杆索力的监测来进一步确定及明确原因。（3）主梁局部病害的监测可以考虑采用人工目视巡检及人工无损监测设备检查的方式进行。1.1.1.3.3 非通航孔的危险性分析及监测策略非通航孔的危险性分析及监测策略非通航孔桥采用预应力混凝土连续梁，其病害主要来源于混凝土的劣化、基础沉降、预应力体系的病害等。上述病害均属于缓慢发生过程且均伴随较为明显的外观变化，因此，引桥的监测将采用人工定期目视巡检的方式进行。1.1.1.3.4 下部结构的危险性分析及监测策略下部结构的危险性分析及监测策略本桥下部结构主要是基础沉降带来的危害，因此
8、，可以通过人工定期沉降观测就可以避免此类病害的发生。1.1.1.3.5 非主要结构的危险性分析及监测策略非主要结构的危险性分析及监测策略本桥的非主要结构的监测主要包括收缩缝、支座、路面等。伸缩缝的破坏设置堵塞可能会导致结构内力状态的改变，但考虑到收缩缝破坏、堵塞一般不足以导致其它结构的破坏且能够比较容易通过人工目视巡检来加以检查，因此，不对其进行传感器监测。本桥支座病害一般情况下不足以导致结构其它部位的破坏，只有当支座纵向位移受到意外限制时可能导致主梁、桥墩的开裂甚至破坏。因此，对支座可以通过人工巡检加以检查。路面的病害属于局部问题，对其只需通过人工巡检加以检查即可。1.1.1.4 系统建立的
9、总体思路系统建立的总体思路(a)采用传感器在线监测与人工巡检的方案；(b)传感器系统侧重于结构总体内力状态的把握；(c)人工巡检侧重于局部损伤的探明；(d)利用综合评估系统将二者结合起来；(e)各项监测参数必须进行较为完善的后期处理才能够用于评估结构安全状态。健康监测系统传感器在线监测 人工巡检状态识别损伤识别无模型预案损伤记录 、 分析综合评估图 1.1.1 健康监测系统总体思路1.1.2 系统集成及流程的方案系统集成及流程的方案1.1.2.1 系统集成系统集成该方案的总体系统集成框图如图 1.2.1 所示。传感器子系统（ S S ）数据处理与控制子系统（ D P C S ）数据采集子系统（
10、 D A T S ）结构状态与损伤识别模块（ S S D A M ）结构健康综合评估模块 （ S H I E M ）结构健康评估子系统 （ S H E S )人工巡检养护管理子系统（ I M S ）桥梁结构健康及监测系统数据库子系统（ D B S ）用户界面子系统（ I S ）图 1.2.1 运营监测和综合管理系统集成总体框架图在上述系统总体框架中各部分的主要工作内容及关联关系分述如下：1 传感器子系统完成应变、结构温度、索力、几何变形环境等参数的参数采集工作。2 数据采集与传输系统负责传感器信号的采集、调理、预处理、传输等。3 数据处理与控制子系统将采集系统收集到的数据进行预处理后提交给后续
11、子系统使用。4 由传感器子系统、数据采集与传输子系统、数据处理与控制子系统共同构成了桥梁智能健康监测中的信息自动采集系统。5 结构健康评估子系统主要对获取的各类信息进行相应的信息处理（包括进行有模型的数据分析与和无模型的数据统计）从而获得结构健康的信息，并且将这些信息以直观的形式向桥梁的管理者提供。结构健康评估子系统包括：结构状态与损伤识别模块，结构健康综合评估模块。结构状态与损伤识别模块主要完成基于静力测试数据的内力状态的识别、基于静力测试数据的损伤识别以及基于动力测试数据的损伤识别等工作。结构健康综合评估模块主要根据监测信息（来源于信息自动采集系统）以及巡检信息（来源于养护管理系统）并结合
12、状态与损伤识别模块的分析工作来对结构进行综合的健康状态的评估并对危险状态进行预警。6 中心数据库子系统：由于结构健康安全监测及综合管理系统数据量庞大，数据信息的种类繁多，有多个系统共享数据信息，同时要支持分布式的处理与访问，也要支持多并发用户的操作，并且数据的安全性极为重要。通过建立系统的中心数据库子系统，统一管理与组织数据信息，给系统的维护与管理提供便利，也为各应用子系统提供可靠的分布式数据交换与存储平台，方便开发与使用。7 户界面子系统：安全监测系统由诸多子系统及功能模块组成，若各子系统及功能模块均采用各自的用户界面系统，用户操作就极为不便，因此必须建立统一的用户界面系统。用户界面子系统主
13、要实现诸如向用户提供操作及管理界面、向用户提供数据展示、提供系统的远程访问接口、向用户提供报告等功能。8 人工巡检养护管理子系统：由于用于总体结构状态判别的方法无法发现一些局部损伤，为了尽早检测到基于传感器监测识别系统无法发现的局部损伤并适时加以维修，根据前面的系统设计思路，将巡检养护管理子系统与常规健康监测系统融合，可形成更为实用的桥梁智能健康监测系统。根据本项目的情况，应专门编制针对本桥的人工巡检养护手册。1.2 2 传感器子系统传感器子系统1.2.1 传感器布设原则和总体方案分析传感器布设原则和总体方案分析1.2.1.1 索力监测传感器的选择索力监测传感器的选择拉索构件索力长期在线监测的
14、传感器必须满足以下基本要求。（1）在螺母及锚垫板具别一定粗糙度及不平整的情况下保证足够的精度；（2）在螺母与传感器接触部分尺寸加工存在较大误差时保证足够的精度；（3）在承受偏心荷载时保证足够的精度；（4）高度尽量小，重量尽量轻，安装方便；（5）结构坚固耐久，不对主体结构安全产生影响；（6）能够长期可靠工作；（7）温度漂移、时间漂移小；（8）便于更换。通常能够进行拉索索力长期在线监测的传感器类型很多，大抵有图 2.1.1 所示的几种类型。压力环式传感器磁弹传感器应变式传感器钢弦式传感器电阻应变式传感器光纤应变式传感器油压式传感器斜拉桥测力长期在线测试设备 附着式传感器附着式光纤传感器图 2.1.
15、1 索力长期在线测试设备分类附着式光纤传感器从 90 年代开始在加拿大采用，其原理将铠装光纤当成一根钢丝来制造斜拉索，一根拉索内包含若干光纤，拉索索力改变时光纤感受其应变量从而获得测试索力。这种方法的优点在于光纤的长期稳定性好，缺点在于制造工艺复杂，无法更换，采集设备价格昂贵，且目前尚未见其精度的相关资料，因此，本次方案不予考虑。磁弹式索力仪国内从 2000 年开始应用，典型的有早期采用直流激励的南京长江二桥和后期采用交流激励的湛江海湾桥。磁弹式传感器的主要原理是导磁材料在不同应力水平下其磁通量是不同的。磁弹式索力仪需要数百伏的高压交流激励、采集设备也非常复杂昂贵、采集速度也较低。另外，在考察
16、过程中发现，当我们将磁弹仪从标定位置滑移到索体的另外一个位置时，标定结果发生了至少 5%的变化，根据磁弹仪的测试原理，其读数受拉索截面积影响最大，因此，这种变化可能是由于拉索截面积不均匀造成。实际工程中这种现象不可避免。因此，我们认为磁弹仪的使用必须在其安装结束后进行现场标定，即使如此，其误差也可能超过 5%。压力环式传感器式指将传感器参与吊杆或系杆的承力，并对其承力进行测试来反映吊杆或系杆的索力。其通常是安装在锚固螺母与锚垫板之间，承受与吊杆或系杆相同的荷载。压力环式传感器由于是直接对弹性体进行应变测试，而弹性体可以在出厂前进行热处理、时效处理等以消除其残余应力从而增加其稳定性，因此，压力环式传感器精度可以做得很高（优于 0.1） 。电阻应变式压力环采用电阻应变片作为应变敏感元件，其大约有数十年的使用历史，目前计量标定机构换用电子式标准测力计大部分采用这种形式的压力环，应用的典型桥梁有南京长江三桥。电阻应变片已经有近 50 年的应用实践，近十余年应变片在封装、应变胶及保护胶等方面进行了
