硕士学位论文-大型桥梁健康监测自动化及安全评估的研究.doc

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1、南京理工大学硕士学位论文大型桥梁健康监测自动化及安全评估的研究 I 摘摘 要要 桥梁健康监测系统是大型桥梁安全保障体系的发展趋势。本文结合具体的工程 项目对实现桥梁结构的监测自动化和安全评估开展了深入研究，提出了自动监测系 统的总体设计构思，并完成了相应的软件设计与开发。 基于建立桥梁健康监测系统的目标和功能要求，本文对具体桥型结构的承载特 点进行了分析，逐步确立了监测项目并提出了监测系统的构建方案，并对监测系统 的工程实施作了较为详细的介绍。 为满足数据采集和数据传输的要求，开发了用于全面控制和设置采集设备的数 据采集应用程序，提供现场调试设备、自定义采集模式、调整采样间隔以及远程数 据传输

2、等功能。 根据用户需求分析，进行了数据管理与安全评估软件的设计开发，实现了监测 数据的分类管理、数据查询的图表显示以及数据的计算处理等功能。本文还提出了 结合层次分析法和人工神经网络算法的安全评估方法，并在软件中集成了相应功能。 关键词：关键词：大型桥梁，健康监测，数据采集，安全评估，层次分析法，人工神经网络 南京理工大学硕士学位论文大型桥梁健康监测自动化及安全评估的研究 II Abstract Bridge Health Monitoring System is the developing trend of long-span bridge safety ensuring system.

3、Associated with the project, the research on monitoring automation and safety evaluation of bridge structure is investigated in this paper. And the program of the whole monitoring system is put forward, the software design and development is also accomplished. Based on the objective and functional r

4、equirement of establishing the Bridge Health Monitoring System, the load characteristic of specified bridge style is analyzed and the monitoring program is formed by step in the paper. Moreover, the construction of monitoring system is described in detail. In order to meet the need of data acquisiti

5、on and data transfer, an application of data acquisition is developed to generally control and configure the acquisition equipment. Supplied functions include testing the equipment, user-defining the acquisition mode, altering the sampling interval, remote data transfer, and so on. According to the

6、user requirement analysis, the computer software implemented data management and safety evaluation has also been designed and developed. It provides classifying management of monitoring data, displaying the query result with chart and table, data calculation and processing, and other functions. A me

7、thod of safety evaluation combined Analytic Hierarchy Process and Artificial Neural Network algorithms is advanced in the paper, and the corresponding software function is achieved too. Keywords: long-span bridge, health monitoring, data acquisition, safety evaluation, AHP, ANN 南京理工大学硕士学位论文大型桥梁健康监测自

8、动化及安全评估的研究 III 目目 录录 1 绪论绪论1 1.1 引言1 1.2 桥梁健康监测系统2 1.2.1 桥梁健康监测的概念2 1.2.2 桥梁健康监测的意义2 1.2.3 桥梁健康监测系统的发展3 1.2.4 桥梁健康监测系统的构建4 1.3 课题来源6 1.4 本文主要工作6 2 桥梁健康监测系统的总体设计桥梁健康监测系统的总体设计7 2.1 自动监测项目的确定7 2.2 监测项目方案的制定9 2.2.1 拱肋监测方案9 2.2.2 拉索监测方案9 2.2.3 主梁和桥墩监测方案10 2.2.4 风速、温度和湿度监测方案11 2.3 数据采集系统的方案制定12 2.4 远程数据传输

9、方式的确定13 2.5 桥梁自动监测系统的总体方案13 3 自动监测系统的实现自动监测系统的实现15 3.1 拉索应变监测系统15 3.1.1 电阻应变测量原理15 3.1.2 传感器布片方案及测量电路17 3.1.3 拉索应变监测系统的安装17 3.2 主梁、桥墩光纤应变监测系统19 3.2.1 光纤应变测量原理19 3.2.2 光纤应变传感器对温度不敏感的原理21 3.2.3 光纤应变监测系统的安装22 3.3 风速、温度和湿度监测系统23 南京理工大学硕士学位论文大型桥梁健康监测自动化及安全评估的研究 IV 3.4 数据采集系统24 3.4.1 分布式数据采集模块24 3.4.2 数据采

10、集控制站25 4 数据采集软件的设计开发数据采集软件的设计开发26 4.1 软件开发平台的选择26 4.2 软件开发的关键技术27 4.2.1 Visual Basic 数据库编程 27 4.2.2 Visual Basic 串行通信编程 27 4.2.3 Visual Basic 网络通信编程 28 4.2.4 I-7017 模块的命令格式29 4.3 软件主要功能的程序设计30 4.3.1 数据采集功能的设计原理30 4.3.2 数据采集功能的流程框图31 4.3.3 自动数据采集的设计原理32 4.4 数据采集软件的功能和操作介绍33 4.4.1 数据采集软件的主要界面33 4.4.2

11、数据采集软件的自动采集功能35 4.4.3 数据采集软件的辅助功能35 5 数据管理与安全评估软件的设计开发数据管理与安全评估软件的设计开发40 5.1 软件基本功能的设计思路40 5.2 软件基本功能的实现40 5.2.1 软件的主要界面40 5.2.2 软件的数据管理功能41 5.3 软件高级功能的实现43 5.3.1 测点数据的趋势分析44 5.3.2 测点数据的极限判断45 5.3.3 测点数据的突变搜索45 5.3.4 测点数据的频谱分析46 5.4 桥梁安全评估功能的研究47 5.4.1 已有桥梁安全评估方法综述47 5.4.2 结合层次分析法和神经网络算法的安全评估方法48 5.

12、4.3 安全评估功能的实现51 结结 论论55 致致 谢谢56 南京理工大学硕士学位论文大型桥梁健康监测自动化及安全评估的研究 V 参考文献参考文献57 南京理工大学硕士学位论文大型桥梁健康监测自动化及安全评估的研究 1 1 绪论绪论 1.1 引言引言 大型桥梁的成功建造使“天堑变通途”的梦想成为现实，对改善道路交通状况 和促进地区间的经济贸易发展起到了不可替代的作用。大型桥梁是道路交通系统中 的主干枢纽，维系着国民经济的命脉，是国家基础设施建设的重要组成部分。 武汉长江大桥和南京长江大桥的先后建成通车，开创了我国大型桥梁的建造历 史。上海南浦大桥、杨浦大桥和徐浦大桥的相继建成更是标志着我国现

13、代桥梁建设 技术已跻身世界领先行列。20 世纪的后二十年，我国还建造了汕头海湾大桥、广东 虎门大桥、西凌长江大桥、厦门海沧大桥和跨度 1385 米的江阴长江大桥等现代悬索 桥。21 世纪之初，又兴建了万县长江大桥、南京长江二桥、上海卢浦大桥等重大工 程项目。即将于 2005 年 5 月 1 日建成通车的润扬长江大桥，其南汊桥为跨径 1490 米的单孔双铰钢箱梁悬索桥，是目前“中国第一、世界第三”的大跨径悬索桥。建 设中的苏通（苏州至南通）长江大桥则将以主跨 1088 米成为世界第一跨度斜拉桥。 此外，我国第一座真正意义上的跨海大桥上海东海大桥，也有望于 2005 年年底 建成通车。该桥总长 3

14、1.5 公里，能抵抗 7 级地震和 12 级台风，桥下可通航万吨级 海上货轮。而于 2003 年 6 月奠基、预计 2008 年竣工的宁波杭州湾跨海大桥，是目 前世界上已建和在建中最长的跨海大桥。 建造大型桥梁需要投入巨额资金（江阴长江大桥总投资 62.7 亿元、润扬长江大 桥总投资 57.8 亿元、杭州湾跨海大桥总投资 118 亿元） ，耗费大量的人力和物力。 然而随着自然环境的侵害、交通负荷的递增以及桥龄的增长，大型桥梁的安全事故 屡有发生，造成的经济损失和人员伤亡触目惊心。 1996 年 12 月，广东韶关特大桥倒塌，造成 32 人死亡、59 人受伤。重庆篡江彩 虹桥钢管焊接存在严重缺陷

15、，在没有质量验收的情况下于 1999 年 1 月 4 日坍塌，造 成 40 人死亡、10 余人受伤，社会影响恶劣。2000 年 8 月 27 日，台湾省连接高雄与 屏东的交通要道上的高屏大桥突然拦腰断裂，16 辆汽车坠入河中，22 人受伤1。 2001 年 11 月 7 日，四川省宜宾市的南门大桥发生桥面局部垮塌，钢缆锈蚀是这起 事故的主要原因。2003 年 4 月，1999 年国庆建成通车的江阴长江大桥路面因长期超 载而严重压溃，在使用了仅仅三年后被迫重新浇筑桥面，造成重大经济损失。 随着桥梁结构分析设计理论的不断完善，建筑材料和施工技术的长足进步，大 跨度桥梁结构的轻柔化成为必然趋势。这对

16、桥梁建成后的安全维护提出了更高要求， 大型桥梁的安全运营也成为日益突出的社会问题2。新建的大型桥梁多数设有常规 南京理工大学硕士学位论文大型桥梁健康监测自动化及安全评估的研究 2 的桥梁管理机构，其主要职能通常包括路政管理、征收车辆通行费以及对桥梁设施 的维修养护，但是桥梁的安全健康依然没有得到足够的重视。我国迅速发展的经济 形势造成了巨大的交通运输压力，不少桥梁的老化和功能退化已呈现加速趋势，因 而实现对桥梁结构的长期健康监测和安全状态评估显得尤为必要。目前，大型桥梁 结构的健康监测技术和状态评估理论在国内外已经受到广泛关注，正在成为学术界 和工程界的研究热点。 1.2 桥梁健康监测系统桥梁

17、健康监测系统 1.2.1 桥梁健康监测的概念桥梁健康监测的概念 桥梁是复杂的大型土木结构，而 Housner 等人对“结构健康监测与评估”的定 义是：一种结合无损检测技术（NDT，Non Destructive Testing）和结构特性（包括 结构响应）分析方法，从处于营运状态的结构中获取特征数据并进行分析处理，进 而评估结构的主要性能指标（如可靠性、耐久性）的有效方法3-5。因此，桥梁健康 监测的主要目标是判断桥梁结构是否有损伤发生，确定损伤的位置，估计损伤的严 重程度，并预计损伤将会引发的后果和桥梁的剩余承载能力。 1.2.2 桥梁健康监测的意义桥梁健康监测的意义 合理保守的设计是结构安

18、全的根本保证，但是限于当前对大型复杂结构的认知 程度，人们对许多未知因素都不能准确预测和有效控制，只有借助先进的检测手段 来了解桥梁的安全状况。传统的桥梁保障体系以人工定期检测为主要特征，测试手 段虽然较 20 世纪七八十年代有了长足进步，但其固有缺陷依然存在。人工检测需要 预先知道损伤发生的大概位置，不易发现某些重要结构的内部损伤，无法检查人员 和设备难以到达的部位。而且检查结果需要专业人员解释判断，带有很大主观性。 此外人工检测周期长，不能应付突发事件，难以为桥梁管理部门及时提供决策依据。 结构健康监测技术的兴起为桥梁的安全保障另辟蹊径，可以彻底克服人工检测 的滞后性和低效性。其方法主要是

19、运用现代传感技术与通信技术，通过实时获取结 构状态和环境信息的各种数据，监测桥梁运营阶段的结构行为与动态响应，并依靠 智能分析软件评估桥梁结构的安全状态。桥梁健康监测的意义主要有以下几个方面 6-8： 1可以实时掌握桥梁现场的交通状况，有利于桥梁管理部门进行合理的交通管制。 南京理工大学硕士学位论文大型桥梁健康监测自动化及安全评估的研究 3 2可以及早发现桥梁病害，确定桥梁损伤部位并进行定性或定量分析，在突发事件 之后还可以评估桥梁的剩余寿命，为维修养护和管理决策提供依据和指导。 3可以在桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，有效预防安全事故，保障人民生 命财产的安全。 4可以验证桥梁结构的设计

20、模型和计算假定，提高人们对大型复杂结构的认识，为 实现桥梁结构的“虚拟设计”奠定基础。 1.2.3 桥梁健康监测系统的发展桥梁健康监测系统的发展8,9 桥梁的安全检测始于 20 世纪 50 年代，而 1967 年 12 月俄亥俄河上的一起导致 46 人丧生的桥梁倒塌事故促使美国于 1971 年制定了国家桥梁检测标准（NBIS） ，用 于全面指导桥梁检测的各个环节。20 世纪 80 年代后，国外已有为数不少的大型桥 梁建立了较为完备的健康监测系统。 佛罗里达州 Sunshine Skyway 斜拉桥上安装有一套综合设备，用来测量桥梁的应 变、位移和温度，可同时通过近距离和远距离两种方式采集数据。

21、材料和结构在建 造过程中随时间的变化特性可以通过分析测量数据得出。苏格兰的 Kingston 桥上装 有一套安全监测系统，能够远距离监测桥梁应变、位移、温度和风力变化，监测目 的是为了帮助桥梁工程师在修复这座桥梁时避免倒塌事故。其监控计算机还配备报 警装置，能在风速或桥梁振动异常时提醒桥梁管理部门。泰国的 Rama IX 桥和韩国 的 Namhae 桥上都装有结构安全与完整在线警报系统（OASIS） ，可以探测异常风速 和桥梁振动，长期监测桥梁动力特性参数并发现疲劳损伤。英国在总长 522 米的三 跨变高度连续钢箱梁桥 Foyle 桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风力荷 载作用下主梁的

22、振动、挠度和应变等响应，同时监测结构温度场和环境湿度。该系 统是最早安装的较为完整的监测系统之一，实现了实时监测、实时分析和数据的网 络共享6。2000 年在美国宾夕法尼亚州投入使用的 Commondore Barry 大桥监测系 统总共有 100 多个数据通道，这些通道的数据分别来自于应变仪、加速度计及摄像 头，其监测系统以 LabView 为平台进行了集成。建立健康监测系统的典型桥梁还有 英国主跨 194 米的 Flintshire 独塔斜拉桥10、日本主跨为 1990 米的明石海峡大桥和 主跨 1100 米的南备赞濑户大桥、丹麦主跨 1624 米的 Great Belt East 悬索桥

23、、挪威主 跨为 530 米的 Skarnsundet 斜拉桥、以及加拿大的 Confederation 大桥。 我国自 20 世纪 90 年代起也在一些重要的大型桥梁上建立了不同规模的长期监 测系统，如香港的青马大桥（Tsing Ma Bridge） 、汲水门大桥（Kap Shui Mun Bridge）和汀九（Ting Kau Bridge）大桥、内地的广州虎门大桥、上海徐浦大桥、江 阴长江大桥以及润扬长江大桥等在施工阶段业已安装用于健康监测的传感设备，以 南京理工大学硕士学位论文大型桥梁健康监测自动化及安全评估的研究 4 备运营期间的实时监测。 1997 年 4 月竣工的香港青马大桥建立了

24、规模较大的桥梁健康监测系统，其硬件 设施十分完善，包括传感器系统、数据采集和传输系统、数据存储管理系统等。为 了监测索塔塔顶位移，其传感器系统还增设了具备 RTK 适时动态功能的 GPS 监测 设备（如图 1.2.3.1 所示） 。但是该监测系统的数据分析部分只是简单地分析风力载 荷、结构的动静态载荷和响应，对桥的理解显得表面化。而还没有利用原始数据来 分析桥梁的健康状态，也不具备损伤检测分析、剩余寿命评估、交通控制和维修决 策等功能，真正的数据分析决策系统还在后继开发之中。 图 1.2.3.1 香港青马大桥上的 GPS 监测设备 国家重点工程润扬长江大桥结构健康监测系统包括硬件和软件两个部分

25、11,12， 其中硬件部分包括 4 个子系统，分别是传感器系统、数据采集系统、数据通信与传 输系统、数据处理与分析系统，各个系统之间通过光纤网络连接得以协同运作。网 络结构由网络服务器、PC 机、专用工控机以及各种传感器、放大器等组成。每个网 络节点由传感器、信号调理器、工控机等构成微型网络，以保证系统的可维护性和 可扩展性，便于系统扩大监测规模并进行深入开发。整个系统采用环状网络结构， 可提高系统运行的可靠性。数据处理与分析系统使用数台高性能工作站来连接桥上 的数据采集系统，形成一个计算机网络。工作站位于大桥监控管理中心，配备所需 的应用软件，分别实现采集数据处理、结构监测图形显示、系统控制

26、管理维护以及 专家诊断等功能。 近年来，国内多所高等院校和科研院所相继投入到大型桥梁健康监测系统的研 究行列，发展了相关理论并取得了一定的应用成果。未来大型桥梁健康监测系统的 发展方向将主要集中在传感器的优化布设13,14、自动监测的智能控制、实时监测信 息的网络共享、损伤识别的自动诊断、桥梁承载能力和结构可靠度分析、桥梁剩余 寿命估计等研究方面。 南京理工大学硕士学位论文大型桥梁健康监测自动化及安全评估的研究 5 1.2.4 桥梁健康监测系统的构建桥梁健康监测系统的构建 桥梁健康监测系统应结合设计理论以及施工检验、质量监督和养护管理的要求， 根据具体的桥型结构和运营等级来确定构建内容。监测系

27、统应当科学全面地涵盖桥 梁的主要结构，通常包含以下系统15： 1 数据自动采集系统 利用先进的传感技术，实现不同形式的物理量（如位移、应变、振动加速度、 温度、风力等）的数字化自动采集。 2 数据通信与传输系统 负责将监测数据进行预处理（如数据换算、主应变计算等）后借助远程传输设 备传送到监控中心的系统工作站。 3 数据存储管理与自动查询系统 根据各个监测项目的特点，对不同类型的数据科学分类和统计分析，实现图表 化的自动查询。 4 结构可视化监控系统 在监控屏幕上显示实时的结构形变图形，实现桥梁结构工作状态的可视化远程 监控。 5 服务水准安全报警系统 根据桥梁结构控制截面的设计值、验收试验记

28、录和监测数据的历史极值，确定 桥梁结构特征参数在不同服务水准下的正常使用控制值和极限值，并将实时监测数 据与之对比，实现桥梁结构的使用预警和安全报警。 6 结构健康与安全评估系统 根据桥梁结构的综合监测结果来分析结构特性参数，建立桥梁结构损伤识别与 状态评估的数据库和判断程序，实现对桥梁结构的健康与安全评估。 桥梁健康监测系统的构建应该贯穿桥梁建设的全过程15，通过总体设计阶段、 施工检验阶段、质量监督与验收阶段和养护管理阶段的逐步优化与完善，最终实现 桥梁健康监测系统的数字化与自动化。 1 总体设计阶段 监测系统的构建应在桥梁设计之初予以考虑，基本确定监测项目、传感器选择 与布设截面、数据采

29、样频率与采集制度、数据通讯网络和安全报警系统等，最终确 定监控中心工作站的职能。 2 施工检验阶段 监测系统的建设单位按照施工图纸实施系统建设，并会同施工单位、监理单位 根据施工过程中的实际情况及检验结果进一步调整桥梁健康监测系统。 南京理工大学硕士学位论文大型桥梁健康监测自动化及安全评估的研究 6 3 质量监督与验收阶段 由工程质量监督部门按照有关验收标准，会同桥梁专家对桥梁健康监测系统及 有关试验方案做整体评价与优化，并根据检查与试验结果确定桥梁质量等级。 4 养护管理阶段 由桥梁养护管理部门根据桥梁健康监测系统的应用情况建立桥梁健康档案，确 定桥梁健康与安全状态评价方法，制定桥梁检查与维

30、修养护的策略和措施。 1.3 课题来源课题来源 本课题来源于河南省新乡至郑州高速公路科技项目，课题任务是为郑州黄河公 路二桥建立健康监测系统。郑州黄河公路二桥（又名京珠高速公路郑州黄河大桥） 是北京至珠海国道主干线上跨越黄河天堑的一座特大型桥梁，是京珠高速公路的重 点工程。该桥全长 9848.16 米，宽 49.5 米，双向八车道，主桥为 8 孔 100 米下承式 钢管混凝土系杆拱桥，是目前黄河上最长、最宽、单孔跨度最大的公路桥梁，也是 全国首座高速公路钢管拱桥。 1.4 本文主要工作本文主要工作 本文主要围绕建立黄河二桥健康监测系统的工程背景展开，以实现大型桥梁结 构状态的自动监测和安全评估

31、为研究重点。论文的研究工作主要包括以下几个方面： 1 参与课题组对桥梁健康监测系统的总体设计，根据系统目标和功能要求，确立监 测系统的组成项目和监测规模，选择传感器件和测试手段、选用数据采集的硬件设 备并确定数据传输方式。 2 针对数据采集和数据传输的要求，开发用于控制和设置采集设备的数据采集软件， 实现无人职守的自动数据采集功能，并提供现场调试采集设备、调整采集参数、自 定义采集制度和记录采集日志等软件功能。 3 在分析桥梁管理部门软件需求的基础上，设计并开发数据管理与安全评估软件。 要求具备监测数据的分类管理、数据查询的图表显示以及数据的计算处理等功能。 此外还需要提出合理可行的安全评估方

32、法，并在软件中集成相应的桥梁安全评估功 能。 4 对桥梁现场的数据采集系统进行试运行，验证采集设备和数据采集软件功能的可 靠性，并使用数据管理与安全评估软件分析和处理试运行期间的监测数据，进一步 完善软件的安全评估功能。 南京理工大学硕士学位论文大型桥梁健康监测自动化及安全评估的研究 7 2 桥梁健康监测系统的总体设计桥梁健康监测系统的总体设计 传统的桥梁检测工作是采用人工检测手段定期或不定期（比如桥梁结构受到意 外损伤、载荷突变、处于特殊气象环境等情况下）分别对桥梁的关键部位单独检测， 并将现场测试数据带回实验室进行分析处理。对于一般的桥梁结构，这种时间跨度 很长的离线处理方法是可行的。大型

33、桥梁结构则有所不同，其主要承重构件数量众 多、尺寸巨大，运营过程中构件之间的受力关系错综复杂，如果仍然使用传统方法， 桥梁现场的实际情况难以全面掌握。因此，在桥梁建造施工阶段将各种传感器预先 埋设在桥梁关键部位的内部，从而构成桥梁健康监测系统，实时自动监测桥梁结构 的交通载荷和环境载荷，是大型桥梁结构检测方式的发展趋势。桥梁健康监测系统 的建立，有助于桥梁管理部门动态跟踪桥梁的工作状态和安全状态，有助于从长期 的监测历史记录中发现桥梁结构的整体特性变化规律以及疲劳破坏机理16,17。 2.1 自动监测项目的确定自动监测项目的确定 桥梁健康监测系统的基本职能是通过对桥梁结构工作状态的监控与评估，

34、在桥 梁运营状况严重异常时或在特殊交通和气候条件下触发预警信号，为桥梁的维修养 护和管理决策提供依据和指导。大型桥梁的健康监测系统一般需对以下几个方面进 行监测和控制9,16。 桥梁结构在正常交通载荷和环境荷载作用下的结构响应和力学特性。 桥梁结构在突发事件（如地震、狂风、舟船撞击等）之后的损伤情况。 桥梁结构中重要构件的耐久性，主要是提供反映构件疲劳程度的监测数据。 桥梁重要非结构构件（如支座）和附属设施（如减震装置）的工作状态。 桥梁所处的地理条件和环境条件（如风速、温度、湿度、地面运动等） 。 目前已有的桥梁健康监测系统的监测项目和规模存在较大差异18-20，原因主要 南京理工大学硕士学

35、位论文大型桥梁健康监测自动化及安全评估的研究 8 是桥梁的结构形态、桥梁所处的地理环境不尽相同，还有各个监测系统的功能要求 和资金投入也有很大差别。监测系统的监测项目、内容和对象是决定能否为桥梁结 构的工作状态和安全状态提供准确的评估结论的前提和基础。要确定监测系统的监 测项目，首先应该考虑建立该监测系统的目标和功能。对于特定的桥梁，建立健康 监测系统的目标可以是结构监控与评估，或者是结构设计验证，甚至是以桥梁设计 理论的研究发展为目标。而监测系统中各个监测项目的规模以及所采用的传感仪器 和通信设备的选择则需要考虑投资的限度。在监测系统的总体设计阶段，应当对监 测系统方案进行成本-效益分析。根

36、据功能要求和成本-效益分析的结果，可以充分 利用有限的项目资金，对监测项目和测点数量进行优化设计。 根据项目合同的要求，本课题建立桥梁健康监测系统的目的主要是科学研究， 同时还要具备处理和分析监测数据以及提供桥梁安全状态的初步评估结果的功能， 从而为桥梁专家结合人工检测数据对桥梁病害进行会诊提供参考和依据。 黄河二桥属特大型桥梁，跨度较大，如果对全桥实行密集型监测、全方位布置 测点，必然要付出昂贵的代价。而且这样做也会使传感器和二次仪表的布线变得十 分繁杂，使整个监测系统的复杂程度呈几何级数增长，以至于难以实现。加上距离 远近不一使导线的阻值不同，信号传输和信号处理也困难重重，降低了监测系统的

37、 准确性和可靠性。考虑到黄河二桥每个桥跨的结构是相同的（如图 2.1.1 所示） ，其 整体结构存在严谨的对称性和重复性，没有必要（也不太可能）监测全桥，理论上 只要监测整体中具有代表性的局部结构，也就是其中的一个单跨结构。 图 2.1.1 黄河二桥整体结构示意图 经过实地考察和咨询黄河二桥施工单位的技术人员，课题组了解到黄河二桥所 处的河床在靠近南岸（靠近郑州方向）处水流最为湍急，而且黄河汛期河水对桥梁 冲击最为猛烈的部位也位于南岸附近的 214 跨。因此，214 跨是全桥结构中危险系 数最大的结构单元。经过慎重的方案论证和可行性研究，课题组决定将监测系统安 装在 214 跨，对 214 跨

38、实施全面的监测。这样能有效地反映桥梁关键部位的受力情 况，为桥梁的安全维护提供更有参考价值的监测数据，并且保证状态监测存在一定 的安全系数。选择 214 跨作为监测对象，还有一个重要的原因，就是相对于河床中 部的桥跨（212 跨和 213 跨）来说，在 214 跨安装监测系统的施工难度较小。 南京理工大学硕士学位论文大型桥梁健康监测自动化及安全评估的研究 9 通过分析21-24桥梁单跨（如图 2.1.2 所示）的结构特征和承载特点可以发现，交 通载荷直接作用在桥面铺装上，而桥面铺装由主梁、横梁和纵梁组成的桥面系25来 支撑。主梁的刚度由下承式拱的上部结构（包括拱肋和拉索）来维持，其中拉索 1承

39、 受纵向垂直拉力，而拱肋主要承受轴向压力。拱肋的受力再传递到抗震盆式支座， 因此支座不但要承受竖直方向的力，还要承受水平方向的推力，其中拱肋的部分水 平推力由连接拱肋两个拱脚的系杆（图中未示）来分担。而整个上部结构的自重和 交通载荷最终都要由桥梁的下部结构桥墩、桥台以及桥梁基础来承受。因此， 监测系统的监测项目应围绕这些主要受力构件来开展。此外，监测项目还应涵盖桥 梁所处的环境信息，野外环境因素对桥梁结构承载的影响是不容忽视的。经过认真 研究和充分讨论，课题组最终确立的监测对象包括拱肋、拉索、主梁、桥墩，以及 风速、温度、湿度等。 图 2.1.2 桥梁单跨结构的立面示意图 2.2 监测项目方案

40、的制定监测项目方案的制定 2.2.1 拱肋监测方案拱肋监测方案 钢管混凝土拱桥的拱肋采用钢管内灌注混凝土的腹腔加劲构造，是桥跨结构中 主要的承重构件。主拱圈的拱轴线形状将直接影响拱圈截面上的应力分布，一般应 使拱轴线与荷载作用下的拱圈压力线相吻合，以期减小截面的弯矩值。主拱线形是 大跨度钢管混凝土拱桥吊装施工中建设者最为关注的问题，为了调节主拱的预拱度 1 专业名称应为吊杆，为避免内容上的混淆，本文沿用课题组前期调研资料中使用的名称拉索，但它与斜 拉桥和悬索桥的拉索存在一定的区别。 南京理工大学硕士学位论文大型桥梁健康监测自动化及安全评估的研究 10 使其符合设计线形，工程上一般使用测距仪、经

41、纬仪、全站仪等精密测量仪器监测 和控制拱圈的线形。然而这些专用精密测绘仪器无法实现自动监测，或者由于使用 条件苛刻、价格不菲等原因，并不适合拱肋的日常实时监测26。因此，课题组决定 在拱肋上布设压电型振动加速度传感器，将采集到的加速度数据经过两次积分数值 计算得到拱肋上相应测点的位移信息，再拟合各个测点的位移就能看出主拱线形的 变化。同时，这些加速度数据经频谱分析还能间接反映结构的固有频率和振型。 2.2.2 拉索监测方案拉索监测方案27,28 黄河二桥的每一桥跨的拱肋上安装有 12 根拉索（吊杆） ，拉索采用 7-91（黑+ 彩色）PE 规格。每根拉索由 91 根直径 7 毫米的高强度镀锌钢

42、丝制成，拉索横截面 上索丝按正六边形排列，外部再覆以树脂合成材料。拉索是钢管拱桥上部结构中主 要的受力构件，其损伤原因主要是材料疲劳和腐蚀造成的长期累积损伤以及交通事 故和自然灾害等造成的强烈冲击损伤。拉索内部的动态应力变化能够显著反映交通 载荷的变化特点以及桥梁结构的振动特性。 要实时测量拉索内部索丝的动态应力，需要选用动态性能良好的应变传感器， 并且需要将传感器预先安装在拉索内部。电阻应变式传感器结构简单、使用方便， 可以测量多种物理量，是迄今应用最为广泛的传感器。电阻应变式传感器测量灵敏 度高、性能稳定可靠，适宜静态和动态测量，易于实现远距离多点同步测量和测试 过程的自动化，并可在各种复

43、杂和恶劣的环境中进行测量。 经过调研和前期试验，课题组通过了使用进口优质应变片并辅以精细的贴片工 艺进行拉索动态应力监测的方案。传感信号经专用动态电阻应变仪接入数据采集系 统，可实现快速准确的动态应变测量。 2.2.3 主梁和桥墩监测方案主梁和桥墩监测方案 交通载荷直接作用的桥面主要由桥面铺装、主梁、横梁和纵梁等组成，其中主 梁采用预应力混凝土连续箱梁的结构形式。主梁在车辆行驶经过时会出现明显的振 动和变形，位于桥跨正中的部位挠度最为明显。桥墩主要由帽盖和墩身组成，其中 连接和支撑支座或拱脚的部分称为帽盖，其作用是把桥梁上部结构的自重和载荷传 递给墩身，加强并保护墩身顶部。墩身则是桥墩承重的主

44、体结构，作用是把桥梁上 部载荷传递给桥梁基础和地基。 主梁和桥墩都是大型的混凝土构件，截面尺寸和材料的弹性模量较大，其力学 参数的变化相对于同样功能的钢结构要小很多，这对信号采集设备的性能提出了更 高的要求。为避免微弱的有效信号淹没在不可避免的干扰之中，需要选用更为精密 南京理工大学硕士学位论文大型桥梁健康监测自动化及安全评估的研究 11 的传感仪器。光纤传感器具有体积小重量轻、抗高温耐腐蚀、使用寿命长、抗电磁 干扰能力强、易实现信号的远距离传输等诸多优点，目前已成为土木工程领域尤其 是桥梁结构健康监测首选的传感器形式29-33。其中光纤法布里-珀罗干涉 （FFPI，Fiber Fabry P

45、erot Interference）传感器具有结构更为紧凑、无需参考臂的优 点，十分适合混凝土结构应变的长期实时监测34。因此，课题组决定采纳将多个光 纤应变传感器分别布设在主梁跨中以及埋设在处于急深水域的桥墩墩身内部的方案， 传感信号经光纤导线输入专用的光纤应变仪进行解调后由数据采集系统统一读取。 我们还尝试把光纤传感系统设计成相对独立的子系统，使用单独开发的软件模块进 行数据采集，并使其初步具备局部损伤识别35-40的能力。 2.2.4 风速、温度和湿度监测方案风速、温度和湿度监测方案 大跨度桥梁的结构越来越轻柔，风力对桥梁结构承载的影响更为突出。风载会 使桥上行人和过往车辆上的人员感觉不

46、适，车速较快时还容易造成翻车事故。如果 风力达到一定的强度并且其变化频率和桥梁结构的固有频率相当时，就会产生共振 并导致桥身的剧烈摇晃，最终致使桥梁坍塌（如图 2.2.4.1 所示） 。因此，风速监测 对研究桥梁抗震措施有着积极的意义。环境温度和阳光照射会使桥梁构件温度随之 变化，由于桥梁是个超静定结构，温度引起的构件变形会在结构内部产生附加的应 力变化41。而且因为各个构件的材料、尺寸和结构形式不一样，整体结构的内部形 成的温度分布十分复杂。掌握桥梁结构各部分温度的空间分布和随时间的变化规律， 对于校核设计取值、估算由温度变化引起的结构变形和应力具有重要意义。空气湿 度对桥梁结构的影响也是不

47、可忽略的，它会加速钢铁构件的腐蚀疲劳，降低桥梁结 构服役的耐久性。此外，温度和湿度对监测系统使用的传感器和仪器的测量精度也 有影响，其监测记录可用于后期对监测数据和计算结果的修正。 图 2.2.4.1 因风力过大而坍塌的桥梁 风速、温度和湿度传感器种类众多，已广泛应用于气象监测和工业控制领域。 通过查阅当地的气象资料和水文资料，并结合 214 跨周围风力、温度和湿度分布的 南京理工大学硕士学位论文大型桥梁健康监测自动化及安全评估的研究 12 现场调查，课题组制定了监测系统中风速、温度和湿度监测项目的具体方案。由于 桥跨上部拱梁结构的影响，桥面上下的风力变化特点有所不同，因此决定在拱肋顶 部安装

48、风杯式、探斗式风速传感器各一个，桥面以上再安装 2 个风杯式风速传感器， 桥面以下则安装 2 个探斗式风速传感器。另外，根据 100 米的桥跨跨度以及温度和 湿度的变化梯度，在桥梁走向上分别均匀布置 4 个温度传感器和 4 个湿度传感器就 足以反映桥跨周围温度场和湿度场的分布。其中温度传感器可考虑埋入构件内部或 采用焊接方式固定在构件表面，各类传感器的安装位置视具体施工条件决定。风速、 温度和湿度传感器的输出一般都为直流电压或直流电流，可以方便地接入数据采集 系统直接进行数据采集。 2.3 数据采集系统的方案制定数据采集系统的方案制定42 桥梁健康监测系统能否对桥梁结构的安全状态和服役寿命做出

49、准确客观的评估， 取决于数据采集系统能否及时准确地采集到如实反映结构状态的特征信息。在监测 项目方案的制定过程中，传感器系统的类型和规模也相应地确定下来，下一步的工 作是着手解决传感信号的可靠传输、自动读取以及数据存储等问题。 传感器输出信号一般为电压信号，工程现场普遍采用 RS-485 总线结构进行信号 的远距离传输。RS-485 总线协议中，信号采用高电平差分方式传输，因而具有较强 的共模干扰抑制能力和较远的传输距离。波特率为 9600 时，RS-485 总线的信号传 输有效距离达到 1200 米，足以满足本课题的信号传输要求。因为传感器数量较多， 要求采集设备具有多通道模拟输入的能力，并且能够完成输入通道的自动切换。工 业级的数据采集板卡和数据采集模块都具备这些功能，其中数据采集模块以其稳定 可靠的性能、良好的可编程性和可扩展性，以及便于组网和安装调试等优点，在工 业控制领域的分布式监控系统中得到了越来越广泛的应用。经过市场上同类产品的 性能价格对比，课题组决定选用台湾泓格公司的 I-7000 系列分布式采集模块来构建 RS-485 数据通信网络。传感信号经多个 I-7017 多通道模拟输入模块接入 RS-485 网 络，再通过 RS-232/RS-4