1、健康监测系统设计方案 天津市海河大桥结构健康监测系统 初步设计方案 天津市市政工程研究院 2009年3月1 / 10 天津市海河大桥结构健康监测系统初步设计方案 常困难 桥梁健康监测的必要性1 由于气候、环境等自然因素的作用和日益增加的交通流量及重车、超重车过桥数量的不断增的。为确保桥梁结构的结构安全、实施经济合理的维修计划、实现安全经济的运行及查明不可接年美1940加，大跨度桥梁结构随着桥龄的不断增长，结构的安全性和使用性能必然发生退化。自受的响应原因，建立大跨桥梁结构健康监测系统是非常必要的。通过健康监测发现桥梁早期的病悬索桥发生风毁事故以后，桥梁结构安全监测的重要性就引起人们的注意。但是
2、受科技国Tacoma害，能大大节约桥梁的维修费用，避免出现因频繁大修而关闭交通所引起的重大经济损失。 水平的限制和人们对自然认识的局限性，早期的监测手段比较落后，在工程应用上一直没有得到桥梁健康监测就是通过对桥梁结构进行无损检测，实时监控结构的整体行为，对结构的损伤年代以来，在北美、欧洲和亚洲的一些国家和地区，相继发生了桥梁结构8020很好的发展。世纪位置和程度进行诊断，对桥梁的服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行智能评估，为大桥在的突然性断裂事件，这些灾难性事故不仅引起了公众舆论的严重关注，也造成国家财产的严重损特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，为桥梁的维修、养护与
3、管理决年代中后期开始建立各种规模的桥梁健康监测系8020世纪失，威胁到人民生命安全。国外从策提供依据和指导。安装结构健康监测系统是提高桥梁的养护管理水平，保证桥梁安全运营的高桥上布设传感器，监测大桥运营Foyle统。例如，英国在总长522mM的三跨变高度连续钢箱梁桥效技术手段。 阶段在车辆与风荷载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场。国特别值得一提的是，桥梁的健康监测和施工监控系统均是通过检测和监测手段，测试桥梁结1991mM的Flintshire独塔斜拉桥、日本主跨为外建立健康监测的典型桥梁还有英国主跨194mM构的内力、变形、环境和荷载，因此，它们在传感器系统、数
4、据传输系统和数据采集系统都具有悬索桥、挪的南备赞濑户大桥、丹麦主跨1100m1624m的Great Belt East的明石海峡大桥和主跨很大的共享性和重复性。此外，两个阶段在时间顺序上具有衔接性，施工监控阶段的监测数据是斜拉桥以及加Skyway Bridge440m530m威主跨为的Skarnsunder斜拉桥、美国主跨为的Sunshine 健康监测阶段的基础。为了节约资源、降低工程造价，应充分发挥两个系统的共享性，对上述两年代起也在一些大型重要桥梁上建立了不同规模拿大的Confederatio 9020世纪Bridge桥。中国自个系统进行统筹规划和实施，即采取统一设计、统一施工和统一管理的
5、方式，以实现海河大桥的和青马大桥、内地的虎门大桥、徐浦大桥，江阴的长期监测系统，如香港的Lantau Fixed Crossing健康监测和施工监控两位一体的工程实施。 长江大桥等在施工阶段已安装健康监测用的传感设备，以备运营期间的实时监测。2 海河大桥工程简况 导致桥梁结构发生破坏和功能退化的原因是多方面的，有些桥梁的破坏是人为因素造成的，集疏港公路二期中段工程起点于津沽一线立交以北，向北过津沽公路、海河大桥南侧收费但大多数桥梁的破坏和功能退化是自然因素造成的。自然原因中，循环荷载作用下的裂缝失稳扩站，与现状海河大桥相邻向北跨越海河后沿现状临港路、东海路向北分别跨越进港铁路一线，新展是造成许
6、多桥梁结构发生灾难性事故的主要原因。近年来，国内发生的几起大桥坍塌或局部破港二号路，三号路，进港铁路二线，新港四号路，泰达大街，会展中心入口，第五大街，第八大坏事故在很大程度上是由于构件疲劳和监测养护措施不足，从而严重影响构件的承重能力和结构街，第九大街，丰田七号路，与疏港二线立交相接。该段桩号范围K9+342.802K20+419.245，路的使用，进而发生事故。理论研究和经验都表明，成桥后的结构状态识别和桥梁运营过程中的损线全长11.076伤检测，预警及适时维修，有助于从根本上消除隐患及避免灾难性事故的发生。 公里，除起点引路约500M和海河大桥南侧收费站前后各约300M为道路外，其余将近
7、9.8公里均为高架桥。从南向北依次有津沽公路支线上跨分离式立交一座，海河特大桥一座，现代大跨桥梁设计方向是更长、更轻柔化、结构形式和功能日趋复杂化。虽然在设计阶段已临港立交、泰达大街立交、第九大街立交互通式立交三座，其他与现状及规划道路交叉位置为直经进行了结构性能模拟实验等科研工作，然而由于大型桥梁的力学和结构特点以及所处的特定气线上跨。海河特大桥工程为海滨大道工程的一部分，设计速度候环境，要在设计阶段完全掌握和预测结构在各种复杂环境和运营条件下的结构特性和行为是非V80km/h，双向八车道。 1 / 10 本桥位于海河入海口处，新港船闸和防潮闸内侧，现状建有双向四车道特大桥一座，桥宽等，箱壁
8、配置横向预应力钢束。桥塔采用爬模施工，塔柱内配置型钢焊接而成的劲性骨架。 本桥总体上采用塔墩固结、塔梁分离，主梁在桥塔处设置，桥梁起点位于海河南岸现状海河大桥收费站处，终点止于新港二号路，与城区段高架桥相0号索的全漂浮体系。在桥塔横梁23M和主梁之间设置纵向阻尼装置和抗震拉索，限制主梁纵向位移，在塔柱和主梁之间设置限位支座接，桥梁全长2030M，其中跨越海河主桥采用独塔斜拉桥，利用河中岛屿布置主塔，主跨为来限制主梁在主塔处的横向位移。主梁分别在两端边墩和辅助墩设置支座，形成多跨连续梁体T梁。 500M310M，具体跨径布置为46+348+310M，主桥全长。两侧引桥为预应力系。新建斜拉桥结构采
9、用与原桥基本相同、主塔与原桥塔对称布置的单塔斜拉桥，具体跨径布置 斜拉索采用空间扇形布置。该方案在结构上与现状斜拉桥基本统一，主桥立面图如图1所示。 ,索面在主塔上索距为1.52.5M，在主梁上主跨范围内的索距为16m,为310+250+240M津沽公路临港立交边跨范围内设8m10m的索距。全桥共有37对、合计74根斜拉索。斜拉索采用直径7mm的低松弛高强平行镀锌钢丝成品束,标准强度为1670PMa。外层防护采用热挤双层高密度PE防护套,斜拉索两端采用冷铸镦头锚具,斜拉索采用上端张拉、下端固定方式。 252223242021 图1 海河大桥立面图 本桥主梁采用混合梁结构，即主跨310M大部分采
10、用钢梁，全部边跨以及主跨靠近主塔20.8M 所示。钢箱梁采用单箱闭3，如图2、图长度范围内梁段采用预应力混凝土梁结构，梁高均为3M 混凝土主梁横截面图2 图为一段，在索锚点处设16M，高宽比为1/7.3。主梁每口断面形式，梁高3.0M，高跨比为1/103 设置普通横梁。预应力混凝土箱梁，普通段采用与钢梁外形一致的置主横梁，其他位置每隔3.2M 。钢梁与预应力混凝土梁连接形式，根据混合梁4.0M单箱闭口断面形式。梁高3.0M，横梁间距为处，结合部的作用是平顺地将工作斜拉桥的受力特点，结合部位置选择310M主跨内距塔中心15m梁，本桥利用充填混凝土局部连接方案，即将钢箱梁的端部改为多室结构应力从钢
11、主梁传递到PC填入无收缩的混凝土。为使应力有效均匀扩散，在钢室内设置剪力销，对接合部内填充混凝土并 施加预应力，以确保钢箱梁与预应力混凝土梁连成整体。，桥主塔造型与原桥一致，为“钻石”型。直接坐落在承台顶面上，塔座以上全高为163.3M 4所示。面以上为126.9M，见图 钢主梁横截面图3 图结构，有上下两道预应力混凝土横梁，上横梁位于拉索锚固区之塔身采用矩形空心截面，RC；8M6:6M5M下，梁高；下横梁位于主梁之下，高度。桥塔主要构造与尺寸如下塔柱顺桥向宽不横桥向宽:4.5M，上塔柱为7.0M下塔柱为4.53.0。横断面为箱型断面，壁厚60150cm2 / 10 (10 工程振动测量仪器和
12、测试技术标准中国计量出版社，1999 (11 电气装置安装工程电缆路施工及验收规范 GB50168-1992 (12建筑与建筑群综合布线系统工程设计及验收规范 GB/T50311-12 (13建筑电气安装工程质量检验评定标准 GBJ 303-88 3.2 系统设计原则 海河大桥健康监测系统工程设计原则是： (1 结合桥梁结构的设计、施工和运营的具体特点和实际情况，遵循适用、经济、长期、高效的原则进行健康监测集成共享系统的优化设计。 (2 采用技术成熟、性价比高的配套产品，保证系统的精确性、稳定性；设置适度冗余的传感器及相关设备，保证系统的可靠性，并满足系统改进、扩展和完善的需求。 (3 采用开
13、放式设计，保证系统具有良好的升级性、远程数据共享性及人工录入功能； (4 采用实时监测和人工巡检相结合的办法，减少数据采集量和后处理难度。 (5 设计合理、直观、易用的前后处理模块，以便有效处理、分析和管理采集的数据。 (6组织专业化的监测、实验队伍，贯彻质量方针和目标，精心组织，科学实施，严格质量 图4 塔柱立面及剖面图控制，确保工程质量和施工安全。 3.3 功能目标 3 系统设计原则与功能目标 桥梁运营阶段健康监测系统主要监测大桥的环境，荷载，主梁的应力、变形及振动，斜拉索3.1 系统设计依据 的索力、桥塔应力、变形及振动，对桥梁结构的内力状态改变及损伤进行评估，以保障桥梁在运关于市政公路
14、大型桥梁健康监测系统建设和管理工作的批复，天津市建设管理委员会 营过程的安全，也可以在结构遭受突发性荷载、严重超载、损伤，危及结构安全性时及时报警。建城2007934号 健康监测系统可以较全面系统地把握结构的健康状态，据此对桥梁结构进行及时和恰当的养护与(2 “关于转发市建委关于市政公路大型桥梁健康监测系统建设和管理工作的批复的通 维修，从而尽量延长结构安全运营的时间，降低桥梁的寿命成本。知”，天津市市政公路管理局，管2007459号 3.4修改内容(3 天津市桥梁健康监测系统技术指南，天津市市政公路管理局，2007.9 日海滨大道公司组织相关专家对海河大桥健康监测系统初步设计方案进行评月23
15、年200810(4 天津市桥梁健康监测系统建设与管理办法，天津市市政公路管理局，2007.9 个方面的意审，根据专家提出的关于原方案索力监测、线形监测、环境监测、动力特性监测等11(5 天津市海河大桥设计图纸 天津市市政设计研究院 见和建议，对原设计方案进行修改，编制此文件。(6 公路桥涵设计通用规范JTG D60-2004 4 健康监测系统方案设计 JTG D62-2004 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(7 4.1 传感器子系统 JTJ 027-96 (8 公路斜拉桥设计规范试行） 工程测量规范3 / 10 (1 环境(风、湿度、温度 的温度和相对湿度，塔柱水位变化位置和主梁内埋
16、设梯形阳极腐蚀监测仪，监测外部环境对结构耐久性的影响，测点布置见图J-2 。 (2交通状况 主塔塔顶变位和主梁挠度、梁端位移）(3 结构变形主梁和桥塔应力在本桥上安装视频监测系统的目的是使结构响应监测子系统与视频监测系统协同工作，当结 斜拉索索力(5 构响应子系统反映受力指标超限时，通过视频监测系统能获取此刻的桥面荷载信息，便于对照分 结构动力特性析，由此也可以用于监测超载车在桥上的行驶状况，并做下纪录，以为桥梁监控评估提供实证。为达到以上监测目的，同时需要结合环境的变化情况进行分析数据。传感器子系统是由对环同时，便于追溯桥面以上的交通事故发生的原因。 境参数、应力应变、结构温度、主梁挠度和主
17、塔变位、结构动力特性等参数进行监测的传感器组成的模块。各种传感器完成监测参数的直接采集任务，根据监测参数的不同形成不同的光或电信根据监测需求，在桥塔上横梁双向各架设1台监测摄像机，对主塔两侧交通状况进行监控， 号供数据采集模块分析处理。在主梁下安装两台摄像机，监测桥下通行状况。因摄像机24小时在室外工作，所以摄像机安装有 1个子模块，见表，测点布置见附图J-1。传感器子系统按照监测对象不同，划分为6云台、风扇、防护罩、加热器、雨刷等设施。铺设同轴电缆，将视频信号传输到中控室的网络视频服务器。 传感器子系统划分表1 子模块 监测对象1 环境监测子模块 温度、湿度、风速等2 视频子模块 桥面交通状
18、况3 变形监测子模块 桥塔变位、主梁线形4 应力应变( 监测子模块 及其变化(关键截面应变力5 斜拉索索力监测子模块 斜拉索索力及其变化6 结构动力特性监测子模块 主梁和塔振动4.1.3 结构变形监测 (1 结构变形监测的重点：主梁变形、主塔变形 结构变形是结构状态改变最灵敏与最精确的反映，因此对结构变形的监测能够更为准确地把握结构恒载内力状态的改变；另外，部分的结构损伤也将导致变形情况的异常，通过对变形的监测也可识别出这些损伤来；桥面的变形与桥梁线形直接相关，通过桥梁线形的变化也可以判断桥梁的适用性。因此，结构变形的监测对于内力状态及损伤识别均有重要的意义。通过变形监测能够达到以下目的：修正
19、计算结构内力的有限元模型；根据监测结果直接判断桥梁的适用性。 结构变形监测传感器布设及实施方案 4.1.1 环境监测 个基站(1主梁标高变化的监测采用液压连通测压管监测主梁静态线形，斜拉桥一侧布置1套由于桥位处环境与气象站差异较大，且桥址位于临海地区，受海洋气候影响，因此应在桥位+9个传感器，其工作原理如图5所示。 处安装环境监测设备。环境监测的主要目的和作用是：通过环境监测选择合适的监测时机；通过主桥变形安装12套GPS进行监测，其中GPS基站建立在津沽公路侧固定处，GPS监测点环境监测激活危险状态数据采集；通过风荷载监测，把握该桥址处的风荷载真实状况；利用温度安装在桥塔顶部和主跨挠度最大部
20、位。在梁端伸缩缝位置布设位移传感器，监测伸缩缝变形。各 监测结果修正监测的应力和桥梁的动力特性；通过湿度和温度监测桥梁材料的耐久性。测点传感器布置见附图J-3。 个梯形阳极腐蚀监测仪。风速仪安装于塔顶和主跨2个温、湿度计，9全桥布置2个风速仪，跨中，监测环境风速、风向和风攻角；温湿度计分别安装于主塔和箱梁内，监测桥塔和钢箱梁内4 / 10 设光纤光栅温度传感器。同时在主塔上布置8个光纤光栅温度传感器，横梁上布置4个光纤光栅 温度传感器，在对光纤光栅应变传感器进行补偿的同时，监测主塔两侧及横梁顶底面的日照温差变化。 4.1.5 斜拉索索力监测 海河大桥的主梁自重及汽车荷载均由拉索承担，拉索是特别
21、容易产生疲劳和腐蚀损伤的构 件，其寿命往往比桥梁其它构件的寿命都短，但拉索是桥梁中的重要构件，起着牵一发动全身的 连通测压管工作原理图5作用，因此准确及时掌握拉索的内力及其变化特征至关重要。 4.1.4 应变(应力及温度场监测 为了监测索力的变化，以及在斜拉索发生损伤时，能够及时通过安装索力监测系统的传感器监测其变化，系统中对长、中、短索，都选择部分斜拉索进行监测。 (1 应力监测重点拉索的索力可以采用基于动力法索力测试、光纤光栅智能索和磁通量传感器等方法测试，其结构应力是判断结构安全最直接的指标，结构亚健康状态往往将导致应力超限或应力异常重中振动法测索力技术应用比较广泛，该方法对长索具有较好
22、的精度，但对短索误差较大；磁通量分布，所以对于应力的异常变化应给予足够的重视，并结合环境、变形等其它监测结果来综合判技术测试精度高，但其造价较高、数据采集系统较复杂，对传输线的要求较高；光纤光栅智能索定结构状态是否处在安全及可控的范围。结构应力监测主要目的在于：直接判断测试位置应力是可以较准确地测量拉索的应变，但是成品索的制作和运输要求较高，本方案采用磁通量传感器监否处于安全水平；校核结构模型修正及损伤识别的结果。 测斜拉索索力，从而直接进行拉索的安全评定。 结构温度场对结构的应力和变形具有显著的影响。结构温度场监测的主要目的：将温度场作全桥共计74根斜拉索，在其中为参数作用于结构有限元模型，
23、研究温度应力及温度导致的结构变形变化；完成应变传感器的补24根索内布置传感器，测点布置见附图J-5。 偿。4.1.6 结构动力性能监测 结构健康监测要求传感器应具有较好的长期稳定性和耐久性。因此，在健康监测系统中，应(1 结构动力特性监测重点：主梁、主塔振动 变监测选用光纤光栅传感器，因为其精度满足要求、测试通道容量大、长期工作性能稳定、不受结构损伤实质上是结构局部刚度、质量的损失，反映在结构动力特性上是结构模态参数，如电磁干扰，尽管温漂大，但通过在应变测点布设的光纤温度传感器对温漂进行修正后可以基本上固有频率和振型的变化。本系统利用结构动力特性的变化来对结构的整体性能进行损伤监测，即 消除温
24、度影响。将结构系统的实测结构模态特性与健康结构的模态特性进行比较, 判断结构是否发生损伤；进一步 应变监测传感器布设及实施方案对有限元模型进行修正，从而可以进行多荷载和复杂环境条件下桥梁结构的系统深入计算分析并 共布置13。个应变监测断面，测点布置见附图J-4进行桥梁结构的安全评定和预警。 个断面，每个断面布设1 在主梁边跨、主跨、钢箱梁与预应力钢筋混凝土梁结合处布设9结构动力特性监测传感器布设及实施方案 6778个光纤光栅应变传感器，共个应变传感器。为监测斜拉桥主梁的动力特性，对斜拉桥主梁选定9个断面对称布置18个加速度传感器，其 个断面，每个断面在下塔柱、中塔柱底部各布设2 1个光纤光栅应
25、变传感器。8中12个竖向单轴加速度传感器，为了监测主梁的横向振动，在布设6个横向+竖向双向加速度传 8个断面，共个光纤光栅应变传感器。2在塔柱上横梁中部布设3 感器；在塔顶布置1个三向加速度传感器，横桥向在每个横梁位置各布设2个单向加速度传感为了对光纤光栅应变传感器进行温度补偿，在主梁各截面每个截面应变传感器相同位置布4 5 / 10 器，测点布置见附图J-6。 梁结构的实际受力特点和规律，确定触发采集系统的阈值和确定定时采集的具体时间段。 1个三向加速度传感器。16个单轴加速度传感器，6个双轴加速度传感器，全桥共布置4.2.1 数据采集系统设计 监测传感器统计4.1.7数据采集系统的设计考虑
26、数据采集系统的总体构架、数据采集系统的软件、硬件、数据采集策略等几个方面。 海河大桥健康监测采用传感器数量如表2所示，括号内数值为采用磁通量传感器测索力方该桥不是很长，信号衰减不明显，因此，采用一个数据采集站进行数据的集中采集。数据采 案。集站塔梁结合部位主梁桥面上，见附图J-7，为保证监测仪器正常工作，必须保持24小时连续供 表2海河大桥健康监测系统传感器数量统计监测工程 测点选择 传感器选择数量 备注环境与外荷 载风荷载 塔顶 风速仪2 监测风速和风向 (兼具测温度 温湿度斜拉桥主梁 光纤光栅温度传感器67 温度补偿和温度场桥塔 光纤光栅温度传感器12 塔内温湿度计 6 环境温度和相对湿度
27、主跨钢箱梁 温湿度计 12 环境温度和相对湿度腐蚀 桥塔、主梁 梯形阳极腐蚀监测仪2 环境腐蚀视频 /桥塔桥面视频系统 4 视频监测 桥 面 单向加速度传感器12 采用差容式力平衡加速度塔桥 单向加速度传感器4 电。 数据采集策略将分为动态数据采集和静态数据采集，数据采集制度需采用阈值和定时两种方式，采样频率将根据桥梁结构的计算结果确定，但需保证数据具有间隔实时对应关系。 数据处理与控制子系统完成监测数据的校验、结构化存储、管理、可视化以及对监测采样的控制等工作。数据处理与控制子系统在整个系统中起到承前启后的重要作用，其具有以下几个功能：监测数据的校验；数据的初步分析；数据的结构化以及存储、查
28、询、可视化；能够响应后续 功能模块对数据的请求；能够控制传感器子系统的采样。 6数据处理与控制子系统总体构成见图。 加速度 传感器6 面桥 双向加速度传感器1 三向加速度传感器塔桥 结1 GPS系统塔桥 构塔顶位移 1 系统岸边基准点 GPS性1 GPS系统桥面 位移 态10 主梁线形斜拉桥主梁线形 液压连通管响4 伸缩缝位移位移传感器 应67 光纤光栅应变传感器斜拉桥主梁 24 桥塔 光纤光栅应变传感器应变 应力监测 24 磁通量传感器 斜拉索 2 锚下测力计图6 数据处理与控制子系统构成示意图 262 计 合 4.2.2 数据采集系统硬件系统 4.2 数据采集系统 的顺序逻辑控制系统和基于
29、PLC数据采集和控制基于PCBASED的DA&C(系统，与基于数据采集制度需采用阈值和定时两种方式，本次设计为：在桥梁结构运行的初期，采取24小的大型控制系统相比，硬件价格低、易使用、开放性强、运算能力强、通讯能力强、开发成DCS时连续采集的策略；运行30天后，对数据进行分析，揭示桥梁结构实际受力特点和规律，根据桥系统在中小型的非专属测控系统中得到了广泛的应PC本低廉。因此，基于的BASEDDA&C6 / 10 用。基于PCBASED的DA&C系统通常有以下两种形式： 温湿度分析：给出温湿度实时变化的曲线。 应变和应力分析：剔除徐变的应变和应力分析，应变和应力的分布范围统计分析，应变和应 (1
30、基于板卡的集中式数据采集系统力的趋势变化分析和极值分析，应变和应力与温湿度之间的关系分析，应变和应力与车辆荷载之ISA或PCI的板卡插入其基本方式是采用数据采集卡进行数据采集。主要做法是将一块基于间的相关性分析，应变和应力与风荷载之间的相关性分析。对危险状况进行预警。 工业计算机上，将外部信号通过导线引至数据采集卡的外部端子板上，然后通过屏蔽电缆接入数变形分析：桥梁的静力变形趋势和极值分析，桥梁静力变形与温度和湿度之间的关系，根据据采集卡。在计算机上，通过定制的软件就可以进行信号采集。其优点是成本较低，速度块，如桥梁静力变形趋势和极值进行预警。 1MHz数据采集等，缺点是可靠性一般，同时布线费用较高。拉索索力分析：主要包括基于振动法的斜拉索索力识别，基于斜拉索索力和应变监测的斜拉(2基于分布式的数据采集系统 索索力极值分析和疲劳损伤分析。根据斜拉索索力极值和疲劳损伤进行预警。、 RS-485(基本方式是采用基于现场总线的数据采集智能模块，流行的现场总线如非严格模态分析：根据加速度传感器、CAN总线、Profibus总线等。这种数据采集系统的基本做法是通过现场总线将智能模块引入计算GPS和应变传感器的测试结果，采用多种方法，进行模态分析，获得海河大桥的频率、振型和阻尼比。进一步分析海河大桥的频率、振型和阻尼比与温湿机
