1、桥梁道路监测管理系统第一章桥梁道路监测管理系统一.1系统总体方案一.1.1系统的总体方案一.1.1.1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
2、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一.1.1.2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）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
3、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”一.1.1.3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
4、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
5、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。一.1.1.3.1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
6、角度出发应对部分吊杆进行索力监测。一.1.1.3.2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）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
7、检及人工无损监测设备检查的方式进行。一.1.1.3.3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。一.1.1.3.4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，可以通过人工定期沉降观测就可以避免此类病害的发生。一.1.1.3.5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
8、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。一.1.1.4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。图1.1.1 健康监测
9、系统总体思路一.1.2系统集成及流程的方案一.1.2.1系统集成该方案的总体系统集成框图如图1.2.1所示。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
10、（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
11、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
12、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。一.22 传感器子系统一.2.1传感器布设原则和总体方案分析一.2.1.1索力监测传感器的选择拉索构件索力长期在线监测的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
13、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。图2.1.1 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
14、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
15、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大量的改进，使得其过去长期稳定性不好的缺点不复存在。根据日本TOKYOSOKKI公司的试验，在进行试验的13年内其始终保持非常好
16、的稳定性（优于0.3）而且没有随时间发散的趋势；在南京三桥安装的电阻应变式压力环也在安装的2年多时间内保持了非常好的稳定性。另外，由于电阻应变片具有很高的形状灵活性，因此其便于传感器的定制，经过优化的电阻应变式压力环专门其长期稳定性、抗力学干扰能力（偏心、接触面影响等）、温度补偿等方面均具有较为明显的优势。表2.1.1 各类传感器在竖向预应力测试中的应用对比类型参考综合误差综合费用抗力学干扰能力标定代表性大约寿命时间漂移可更换性附着式光纤高强不详30年小不可磁弹仪35%较高强差20年较小好电阻应变式0.51%低较强好20年小较好光纤应变式13%高一般较好30年小较好钢弦应变式25%较高差差20
17、年小困难油压传感器35%低较强较好10年较小困难首选缆索体系索力监测方案应该是电阻应变式压力环。一.2.1.2结构振动传感器的选择结构振动特性的监测通过安装振动传感器进行监测，地震和船撞是桥梁运营期间重要的灾害性荷载源，是必须监测的内容。对其进行监测一方面可以及时对灾害可能造成的损伤进行分析并进行检查，另外一方面可以及时启动预警系统及时限制车辆通过受损结构以避免灾害的发生。一.2.1.3空气温湿度的监测通过空气温湿度的监测，可以分析环境温度对结构静力响应的影响，以使基于静力测试的识别方法能更准确地反映结构基准状态；可以分析环境温度对振动特性的影响，以使基于振动测试的损伤检测方法能更准确；可以预
18、测可能出现的极限环境温度荷载。环境温湿度监测采用温湿度传感器进行。选用温湿度传感器为连续模拟信号输出。一.2.1.4风荷载的监测从结构危险性分析的结果看，风荷载的监测对于研究本桥的气动性能，改进或增加减振隔振设施等具有重要意义。另外，风荷载的监测还可以用于大风作用下的交通控制。监测采用超声波风速仪或者螺旋桨式风速仪。选用超声波风速仪最高采样频率可达60Hz，选用机械风速仪持续输出模拟信号。一般情况下超声波风速仪采样频率采用10Hz，机械风速仪采样周期采用60s。一.2.2传感器布设方案传感器布设方案见图2.2.1。一.2.3传感器自身安全性的识别及对策传感器在使用过程中可能会面临各种故障。这些
19、故障包括：无法工作，受到强电场的干扰，温度漂移过大，时间漂移过大等等。因此，健康监测系统应能够对上述情况进行识别并发出传感器故障报警，并在传感器选型及安装过程中避免上述故障的发生。传感器无法工作通常由于传感器本身质量，安装工艺不过关，人为破坏或遭遇雷击或其它强电脉冲。解决这个问题的主要办法是选择质量可靠的传感器生产厂家，严格按照规定的安装工艺施工，安装传感器的机械保护装置及防雷设备等。某些传感器输出微弱信号容易受到强电场干扰，应对这些传感器加装屏蔽保护装置。在选择传感器的时候同时应重复注意传感器的温度漂移及时间漂移，并应采购传感器样品进行上述两项测试。另外，在数据采集子系统、数据处理子系统中利
20、用传感器的统计信息以及各传感器的相关信息能够分析得到传感器的部分故障情况。本方案采用的所有传感器除锚索计外均为表面安装，对拉索传感器则采用表2.3.1的方案进行更换表2.3.1 拉索传感器更换流程（未绘制撑脚）步骤示意图说明受力部位1安装千斤顶，张拉千斤顶至螺母初动，即实际索力千斤顶2退掉螺母，安装哈佛型螺母千斤顶3千斤顶卸压，取掉千斤顶，取出螺母哈佛型螺母4安装拉索传感器，安装传感器垫环，套上螺母哈佛型螺母5安装千斤顶，张拉千斤顶至螺母初动，即实际索力千斤顶6拆除哈佛型螺母，转动螺母到位千斤顶7千斤顶卸压，取掉千斤顶，更换工作完成螺母备注说明中“螺母”指实际安装于些拉索上的螺母，“哈佛型螺母
21、”指更换过程中用于转换受力部位的特制螺母。一.3数据采集与传输子系统 该方案采用基于工业以太网的光纤环网的组网方式，具有如下显著特点：（1）采用分布式测控技术并结合集中式数据采集的优势，在智能调理器上采用了数据缓冲技术解决了分布式采集速度慢的问题；（2）通过网络调理器（网络节点）将传感器模拟信号转换为数字信号后进行传输，避免了模拟信号长距离传输易受干扰的问题。（3）每个传感器均与智能调理器连接后形成网络节点，将传感器型号调理成为符合国际标准协议的数字型号；（4）利用以太网供电技术实现传感器到数据采集站的通讯及供电；（5）将各数据采集站与控制中心采集服务器连接成为测控局域网，采用FDDI自愈双环
22、光纤网络。图3.1.1 基于光纤环网的采集系统示意图图3.1.2 给予网络调理器的采集站组网示意图一.4数据处理及控制子系统采集系统收集到的数据必须经过数据处理与控制子系统对其进行预处理方能够提交给后续子系统使用。其主要实现以下功能：（1）数据采集、传输的控制；（2）数据库的建立及相关功能的实现，包括数据的存储、格式化、查询、可视化等工作；（3）数据优劣的评估与优良数据的抽取；（4）建立数据处理与控制的用户界面，响应用户对已存数据的查询请求及采集数据的控制请求。（5）建立与Internet的连接。（6）自动进行数据存储与删除操作，保留分析后的数据及部分重要的原始数据，定期删除不再使用的数据。数
23、据处理与控制模块总体构成见图4.1。图4.1 数据处理与控制系统构成方案示意图一.5养护管理子系统在危险性分析中我们发现基于传感器的自动采集系统无法发现以下的损伤：钢材的早期锈蚀、疲劳裂缝、混凝土的劣化以及螺栓的断裂等；为了进行这类损伤的监测，应采用人工巡检的方式。通过建立一个完善的人工巡检子系统可以达到以下目的：能够早于其它子系统发现结构的早期损伤，将维护或维修的费用降至最低能够发现其它子系统无法发现的损伤，避免结构发生危险能够对损伤的发展趋势进行对比分析及预测，评估损伤的危险程度能够根据损伤的程度及发展趋势制定经济合理的维护及维修计划能够向用户提供损伤情况及损伤发展的报告人工巡检子系统作为
24、采集子系统的必要的补充和完善需要具备以下几个方面的功能：对锈蚀、裂缝、砼的劣化以及螺栓破坏的人工目测巡检及无损检测损伤记录损伤趋势分析维护及维修计划损伤报告生成一.6结构状态识别子系统桥梁结构的安全状态直接由其内力状态和损伤状态决定，因此，状态识别及损失识别子系统是进行结构安全状态评估的基础，是桥梁结构安全综合管理系统的核心内容之一。桥梁状态识别子系统的中心任务是将数据采集系统获得的结构响应信息转化为反映结构安全状态的信息，在此基础上对安全状态信息进行综合评价即可获得结构在特定时刻的安全程度及其健康状况，为桥梁结构的运营及维护决策提高科学依据。通俗地讲，结构状态识别子系统起到了“解码器”的作用
25、，即对结构响应信息进行“解码”，将其转化为明确的结构安全状态信息。在缺乏结构状态和损伤识别子系统的情况下，无论结构响应监测信息多么全面和准确，都无法根据这些信息把握结构的健康状态，因而无法进行科学的运营和养护决策。因此，对于桥梁结构运营监测综合管理系统而言，状态识别子系统至关重要，是评价健康监测系统设计是否成功、对结构运营维护能否提供依据的重要指标之一。由于结构状态识别和损伤识别是由结构响应反演结构状态的问题，属于系统辨识问题。该类问题理论上非常复杂，对于大型复杂结构更是如此。因此，应在深入系统地研究其相关理论的基础上，结合结构的力学特性及损伤特性确定适当的识别解决方案，即确定科学的结构响应监
26、测信息“解码”机制。为基于结构响应信息实现结构状态的准确识别，首先根据结构状态识别的功能要求将结构状态识别子系统分为内力状态识别模块和损伤识别模块两个模块。其中，内力状态识别模块侧重于结构内力状态的反演；而损伤识别模块则侧重于根据结构动静力响应获得结构的整体损伤信息。两个模块相辅相成，联合应用两个模块的信息即可把握结构的整体安全状况。其中，内力状态识别模块主要识别结构的恒载内力状态。结构的内力状态识别和损伤状态识别均基于结构的基准有限元模型进行，基准有限元模型的建立是关键。首先根据结构的施工监控等信息建立结构的初始有限元模型，随着结构健康监测的运营，不断引入结构的响应信息及结构的损伤信息修正有
27、限元模型，获得能够充分反映结构自身特性的有限元基准模型。由于结构的功能退化、结构损伤、结构内力重分布等因素，结构有限元基准模型是时变模型。当前时刻的有限元基准模型是基于前一时刻的结构内力状态识别结果及结构损伤监测信息得到，基于当前时刻的结构响应信息和前一时刻有限元基准模型进行当前时刻的内力状态损伤状态识别，根据两种信息建立新的有限元基准模型。上述流程如图6.1所示。图6.1 结构损伤识别和内力状态识别流程示意图由于结构的动静力测试数据不可避免地含有观测噪声，因此不确定性是结构内力状态识别和损伤状态识别的本质属性。为避免结构内力状态识别和损伤识别的误判问题，引入概率参数结构理论和蒙特卡罗随机有限
28、元理论，将正则化方法引入参数识别过程抑制其不适定性，采用蒙特卡罗法获得待识别参数的统计特征。首先采用概率参数结构的思想建立有限元基准模型，在此基础上基于概率可靠度理论实现结构状态即损伤状态的自动识别。结构初始概率参数结构根据结构的施工监控及由成桥荷载试验获得的结构响应信息获得。概率参数基准有限元模型建立的流程图如图6.2所示。在概率参数结构的建立过程中，利用了蒙特卡罗法的基本思想，即根据结构响应监测数据的误差水平对当前结构的实测响应进行多次摄动，基于每次摄动结果对结构的各关键参数进行参数识别，对于结构的每个关键参数均能够获得多个识别结果。对所有的参数识别结果进行统计分析，即可获得其主要的统计特
29、征。这一统计特征中不仅充分反映的结构的力学特性，而且充分体现了观测误差的影响。依据识别结果，即可建立概率参数结构。以此流程为蓝本，可以建立任意时刻的概率参数结构模型。基于该模型，根据概率统计理论的基本思想进行结构的内力状态和损伤状态识别，可以有效避免由观测噪声、模型不确定性引起的误判问题。图6.2 概率参数基准有限元模型建立的流程图一.7结构安全综合评估子系统一.7.1综合评估子系统总体方案该方案提出了综合人工巡检与传感器监测的综合评估子系统，其设计总体方案参见图7.1.1。该子系统除了涉及对结构进行安全性、适用性以及耐久性三个方面的评估和利用外，增加了对人工巡检结果的评估过程，以实现基于对自
30、动监测信息和人工巡检信息的综合利用。图7.1.1 综合评估子系统总体方案图一.8用户界面子系统 一.8.1用户界面主应用框架主应用框架提供了一个基础应用框架，实现对功能模块的初始化和调用管理，动态加载扩展模块并实现扩展模块的用户界面部分的调用接口，主应用框架提供基础的GIS模型加载和管理功能，并通过工具栏、菜单、右键菜单等用户界面实现扩展模块的功能调用，同时规范了扩展模块开发的接口，使系统可以方便的进行扩充。主应用框架主要实现了以下功能1) 对功能模块的初始化2) 创建和管理用户界面元素3) 根据配置信息动态加载扩展模块4) 加载和管理结构物模型并提供基础的GIS功能服务，包括放大、缩小、平移
31、、旋转、选择、动画等等5) 提供用户报表和历史曲线以及评估分析程序的调用接口一.8.2静态资料管理扩展模块静态资料管理扩展模块通过插件的形式加入到应用框架中，主要实现对结构物的电子化文档的管理，主要包括设计、施工、竣工、试验、运营监测系统还有可能会加入的机电、路政设施等各种资料的管理，可以管理的文档包括PDF、Word、Excel、PowerPoint、Visio等，并可以通过UI界面与主框架中的结构物模型进行交互，通过查询工具对资料进行搜索等；静态资料管理扩展模块主要实现了以下功能1) 实现插件规划的接口功能；2) 使用UI元素承载资料管理数据；3) 打开、查看和修改PDF、Word、Excel、PowerPoint、Visio等文档；4) 结构物模型的定位功能5) 对象资料的属性功能6) 资料查询搜索功能一.8.3实时数据展示扩展模块实时数据展示扩展
