健康监测系统设计方案Word文档格式.docx
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海河特大桥工程为海滨大道工程的一部分，设计速度V＝80km/h，双向八车道。
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23M，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310M，具体跨径布置为46+3×
48+310M，主桥全长500M。
两侧引桥为预应力T梁。
新建斜拉桥结构采用与原桥基本相同、主塔与原桥塔对称布置的单塔斜拉桥，具体跨径布置为310+2×
50+2×
40M。
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。
图1海河大桥立面图
本桥主梁采用混合梁结构，即主跨310M大部分采用钢梁，全部边跨以及主跨靠近主塔20.8M长度范围内梁段采用预应力混凝土梁结构，梁高均为3M，如图2、图3所示。
钢箱梁采用单箱闭口断面形式，梁高3.0M，高跨比为1/103，高宽比为1/7.3。
主梁每16M为一段，在索锚点处设置主横梁，其他位置每隔3.2M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单箱闭口断面形式。
梁高3.0M，横梁间距为4.0M。
钢梁与预应力混凝土梁连接形式，根据混合梁斜拉桥的受力特点，结合部位置选择310M主跨内距塔中心15m处，结合部的作用是平顺地将工作应力从钢主梁传递到PC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。
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，桥面以上为126.9M，见图4所示。
塔身采用矩形空心截面，RC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下，梁高5M；
下横梁位于主梁之下，高度6M。
桥塔主要构造与尺寸如下:
塔柱顺桥向宽6～8M；
横桥向宽:
下塔柱为4.5～7.0M，上塔柱为3.0～4.5M。
横断面为箱型断面，壁厚60～150cm不等，箱壁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0号索的全漂浮体系。
在桥塔横梁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，形成多跨连续梁体系。
斜拉索采用空间扇形布置,索面在主塔上索距为1.5~2.5M，在主梁上主跨范围内的索距为16m,边跨范围内设8m~10m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。
图2混凝土主梁横截面图
图3钢主梁横截面图
图4塔柱立面及剖面图
系统设计原则与功能目标
系统设计依据
（1>
"
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"
，天津市建设管理委员会
建城[2007]934号
（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》的通知”，天津市市政公路管理局，管[2007]459号
（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
（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
（5>
天津市海河大桥设计图纸天津市市政设计研究院
（6>
《公路桥涵设计通用规范》JTGD60-2004
（7>
《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTGD62-2004
（8>
《公路斜拉桥设计规范<
试行）》JTJ027-96
（9>
《工程测量规范》GB50026-93
（10>
《工程振动测量仪器和测试技术标准》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》GBJ303-88
系统设计原则
海河大桥健康监测系统工程设计原则是：
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。
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。
采用开放式设计，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；
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。
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。
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，严格质量控制，确保工程质量和施工安全。
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。
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。
修改内容
2008年10月23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个方面的意见和建议，对原设计方案进行修改，编制此文件。
健康监测系统方案设计
传感器子系统
根据海河大桥的结构特点，需要对该桥的以下部位及内容进行监控：
环境（风、湿度、温度>
交通状况
结构变形<
主塔塔顶变位和主梁挠度、梁端位移）
主梁和桥塔应力
斜拉索索力
结构动力特性<
主梁、主塔振动）
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境参数、应力应变、结构温度、主梁挠度和主塔变位、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号供数据采集模块分析处理。
传感器子系统按照监测对象不同，划分为6个子模块，见表1，测点布置见附图J-1。
表1传感器子系统划分
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
桥面交通状况
3
变形监测子模块
桥塔变位、主梁线形
4
应变（应力>
监测子模块
关键截面应变（力>
及其变化
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
环境监测
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。
全桥布置9个温、湿度计，2个风速仪，2个梯形阳极腐蚀监测仪。
风速仪安装于塔顶和主跨跨中，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的温度和相对湿度，塔柱水位变化位置和主梁内埋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。
视频监测系统
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。
同时，便于追溯桥面以上的交通事故发生的原因。
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，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。
结构变形监测
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。
⑵结构变形监测传感器布设及实施方案
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（1个基站+9个传感器>
，其工作原理如图5所示。
主桥变形安装1＋2套GPS进行监测，其中GPS基站建立在津沽公路侧固定处，GPS监测点安装在桥塔顶部和主跨挠度最大部位。
在梁端伸缩缝位置布设位移传感器，监测伸缩缝变形。
各测点传感器布置见附图J-3。
图5连通测压管工作原理
及温度场监测
应力监测重点
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否处于安全水平；
校核结构模型修正及损伤识别的结果。
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：
将温度场作为参数作用于结构有限元模型，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偿。
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消除温度影响。
⑵应变监测传感器布设及实施方案
共布置13个应变监测断面，测点布置见附图J-4。
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个断面，每个断面布设7~8个光纤光栅应变传感器，共67个应变传感器。
2>
在下塔柱、中塔柱底部各布设1个断面，每个断面8个光纤光栅应变传感器。
3>
在塔柱上横梁中部布设2个断面，共8个光纤光栅应变传感器。
4>
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。
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。
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。
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的精度，但对短索误差较大；
磁通量技术测试精度高，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测斜拉索索力，从而直接进行拉索的安全评定。
全桥共计74根斜拉索，在其中24根索内布置传感器，测点布置见附图J-5。
结构动力性能监测
结构动力特性监测重点：
主梁、主塔振动
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进行桥梁结构的安全评定和预警。
⑵结构动力特性监测传感器布设及实施方案
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个单向加速度传感器，测点布置见附图J-6。
全桥共布置16个单轴加速度传感器，6个双轴加速度传感器，1个三向加速度传感器。
监测传感器统计
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案。
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
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
12
塔内
温湿度计
环境温度和相对湿度
主跨钢箱梁
腐蚀
桥塔、主梁
梯形阳极腐蚀监测仪
环境腐蚀
视频
桥塔/桥面
视频系统
视频监测
结构性态响应
加速度
桥面
单向加速度传感器
采用差容式力平衡加速度传感器
桥塔
双向加速度传感器
三向加速度传感器
位移
GPS系统
塔顶位移
岸边基准点
桥面
主梁线形
斜拉桥主梁线形
液压连通管
10
伸缩缝位移
位移传感器
应变
光纤光栅应变传感器
应力监测
24
斜拉索
磁通量传感器
锚下测力计
合计
262
数据采集系统
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。
数据采集系统设计
数据采集系统的设计考虑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。
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。
数据处理与控制子系统总体构成见图6。
图6数据处理与控制子系统构成示意图
数据采集系统硬件系统
基于PC－BASED的DA&
C（数据采集和控制>
系统，与基于PLC的顺序逻辑控制系统和基于DCS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、开发成本低廉。
因此，基于PC－BASED的DA&
C系统在中小型的非专属测控系统中得到了广泛的应用。
C系统通常有以下两种形式：
基于板卡的集中式数据采集系统
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ISA或PCI的板卡插入工业计算机上，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1MHz数据采集等，缺点是可靠性一般，同时布线费用较高。
基于分布式的数据采集系统
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RS-485（非严格>
、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机，上位机通过定制的软件和智能模块通讯。
优点是易维护、布线简单、可靠性高，缺点是采样速度低、成本较高。
在桥梁监测的数据采集和传输设计中，我们遵循的是与传感器性能以及监测信号匹配设计原则，即对于静态信号，采用基于分布式的输入/输出（I/O>
数据采集系统；
对于动态信号，采用基于板卡的集中式数据采集系统。
该桥监测传感器的信号包括电信号和光信号、静态信号和动态信号，因此，数据采集系统采用PCI总线技术。
数据采集软件采用美国NI公司的Labwindows软件平台开发，这样易于整体系统的集成。
数据采集硬件包括光纤光栅解调系统（包括解调仪和相应的配件>
、静态和动态数据采集卡、工控机、PCI机箱。
数据传输系统
根据数据传输和传输距离的要求，本系统采用两类传输系统。
现场有线传输系统（注意请加上护线槽、走线布置图、数据采集站>
。
远程无线传输系统
监测数据分析与结构安全评定及预警子系统
本子系统包括以下内容：
监测数据的统计分析，结构有限元模型修正方法，多种结构安全评定方法，多级结构预警水平和预警系统。
风荷载的统计分析，包括平均风速、极值风速、风向及其联合概率分布、脉动风速谱、疲劳风速谱。
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。
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，根据桥梁静力变形趋势和极值进行预警。
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
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