桥梁道路监测管理系统方案.docx

资源描述

桥梁道路监测管理系统方案.docx

《桥梁道路监测管理系统方案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《桥梁道路监测管理系统方案.docx（31页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

桥梁道路监测管理系统方案.docx

桥梁道路监测管理系统方案

第一章桥梁道路监测管理系统

1.1 系统总体方案

1.1.1 系统的总体方案

1.1.1.1 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

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

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

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

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。

1.1.1.3.5 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

1.1.2.1 系统集成

该方案的总体系统集成框图如图 1.2.1 所示。

桥梁结构健康及监测系统

传感器子系统

（SS）

数据采集子系统

（DATS）

人工巡检养护管理

子系统

（IMS）

数据处理与控制子

系统

（DPCS）

结构健康评估子系统（SHES）

结构健康综合评估

模块（SHIEM）

数据库子系统

（DBS）

结构状态与损伤识

别模块

（SSDAM）

用户界面子系统

（IS）

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：

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

1.2.1 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

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。

斜拉桥测力长期在线

测试设备

附着式传感器

磁弹传感器

附着式光纤传感器

压力环式传感器

应变式传感器

油压式传感器

钢弦式传感器电阻应变式传感器光纤应变式传感器

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%。

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

3～5%

较高

强

差

20 年

较小

好

电阻应变

式

0.5～1%

低

较强

好

20 年

小

较好

光纤应变

式

1～3%

高

一般

较好

30 年

小

较好

钢弦应变

式

2～5%

较高

差

20 年

小

困难

油压传感

器

3～5%

低

较强

较好

10 年

较小

困难

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

首选缆索体系索力监测方案应该是电阻应变式压力环。

1.2.1.2 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。

1.2.1.3 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。

1.2.1.4 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。

1.2.2 传感器布设方案

传感器布设方案见图 2.2.1。

步

骤

示意图

说明

受力部位

安装千斤顶，张拉千斤顶

至螺母初动，即实际索力

千斤顶

退掉螺母，安装哈佛型螺

母

千斤顶

千斤顶卸压，取掉千斤顶，

取出螺母

哈佛型螺

母

安装拉索传感器，安装传

感器垫环，套上螺母

哈佛型螺

母

表 2.3.1 拉索传感器更换流程（未绘制撑脚）

1.2.3 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

安装千斤顶，张拉千斤顶

至螺母初动，即实际索力

千斤顶

拆除哈佛型螺母，转动螺

母到位

千斤顶

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”指更换过

程中用于转换受力部位的特制螺母。

1.3 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

环光纤网络。

图 3.1.1基于光纤环网的采集系统示意图

轴重检

交换机

轴重检

纤

光

双光口管理型交换机

轴重检

GPS

温湿度仪

液压挠

调理器

交换机

度仪

交换机

轴重检

液压挠

度仪

液压挠

调理器

轴重检

重检

轴测片调理器

度仪

液压挠

度仪

图 3.1.2 给予网络调理器的采集站组网示意图

调理器

1.4 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。

数据处理与控制模块总体构成见图 4.1。

数据处理与控制子系统

以太网接口

控制流

数据采集与传

输模块

数据采集与控

制模块

存储

存储模块

数据流

数据分类

抽取模块

显示及用户界

面模块

健康安全评估

子系统

图 4.1数据处理与控制系统构成方案示意图

1.5 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

1.6 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，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

展开阅读全文