某大桥在线健康与安全监测系统设计方案.pdf

目目录录1.引言.11.1 桥梁在线健康与安全监测目的、意义及必要性.11.2 传统检测与无线监测.21.3 桥梁在线健康与安全监测系统示意图.31.3.1 桥梁在线健康与安全监测系统的优点.31.3.2 桥梁在线健康与安全监测系统优势.32.项目概述、设计依据和原则.52.1 项目概述.52.2 设计依据.52.3 在线健康与安全监测系统设计原则.63系统总体设计思路和目标.73.1 系统设计总体思路.73.2 总体目标.84大桥健康监测系统的设计.114.1 监测子系统.114.1.1 监测子系统参数的确定.114.2 传感器的选型.124.2.1 传感器选型原则.124.2.2 传感器的选型.134.3 桥梁测点的确定.154.3.1 环境参数监测.154.3.2 桥梁结构整体性能监测.164.3.3 结构应力/应变监测.184.3.4 结构振动特性与振动水平.194.4 供电系统设计.204.5 监控中心.204.5.1 设计原则.204.5.2 总体布置.214.5.3 设备选型.214.5.4 系统连接示意图.214.5.5 监控中心平面布置图.224.6 系统防雷.225.系统数据的采集与传输.245.1 在线健康与安全监测系统无线数据传输方式.245.1.1 无线数传模块.245.1.2 无线远程实时监测结构图.255.1.3 无线远程数传采集系统具备的特点.255.2 系统自诊断.266.数据处理与控制系统.286.1 数据处理.286.2 数据优化控制.287.软件系统.17.1 软件系统设计.17.2 软件系统功能.17.3 软件功能演示.27.4 系统预警功能.611.引言引言1.1 桥梁桥梁在线健康在线健康与安全与安全监测目的、意义及必要性监测目的、意义及必要性多年来，桥梁结构的安全状况一直是公众特别关心的问题。现代化大型桥梁是交通主干道的重要节点，对交通运输区域发展具有重大影响，是国家、地区经济发展与技术进步的象征。然而，目前国内外许多桥梁都存在不同程度的隐患，我国许多重要的大型桥梁都没有建立保证安全性和耐久性的维护系统。由于缺乏大桥结构整体性的安全监测系统，对结构状态的任何异常不能及时发现，以做出相应的防患措施，一些城市已发生大桥严重的质量事故，造成很大的经济损失和不良的社会影响。分析产生上述事故的原因很复杂，除设计与施工方面的原因以外，这些桥梁长期处于超负荷运营状态，致使许多构件的疲劳损伤加剧，也是导致倒塌的重要原因。如果能对桥梁的疲劳损伤进行监测，从而对桥梁的健康状况给出评估，在灾难来临之前给出预警，将会大大减少惨剧的发生。现代桥梁设计方向是更长、更轻柔化、结构形式与功能日趋复杂化。虽然在设计阶段已经进行了大量的勘测、结构动力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地质条件和气候环境，在大桥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力学特性和行为是非常困难的。因此，为确保特大桥的运营期间的结构安全、实施经济合理的维修计划、实现安全经济的运营及查明结构响应原因，建立桥梁安全监控系统是非常必要的。桥梁安全监控系统是桥梁安全控制、结构养护决策系统的支撑条件之一。建立结构健康监测系统的目的在于保证桥梁结构的可靠性，监测结构的承载能力、运营状态和耐久性能等，以满足桥梁设计预定的功能要求。主要目的为以下几个方面：对成桥目标进行有效控制，修正在施工过程中各种影响成桥目标的参数误差对成桥目标的影响，确保成桥运营期间结构受力和线形满足设计要求。1、受力要求。反映大桥受力的因素包括主梁关键的截面应力状况。2、线形要求。线形主要是主梁的标高。成桥后(通常是长期变形稳定后)主2梁的标高要满足设计标高的要求。通过实时的结构参数监控，对于桥梁的重要参数的长期变化可以有较为详细地掌握，从而及时有效地反馈大桥的安全状况。其意义主要有：（1）及时把握桥梁结构运营阶段的工作状态，识别结构损伤以及评定结构的安全、可靠性与耐久性；（2）为运营、维护、管理提供决策依据，监控桥梁加固过程中的安全；（3）验证桥梁加固的效果，评估桥梁结构的安全状况，保障结构的使用安全，具有重要的社会意义、经济价值和广泛的应用前景。为了实施有效的养护维修和管理，使该桥的使用性能得以改善，寿命得以延长，减少和避免灾难性事故的发生，推动和促进行业的科技进步。就必须尽快发展与其规模和功能相适应的现代监测技术，加强对养护和管理方面的研究。采用无线数据传输系统的远程实时监测优点具有：（1）长期、全天候、实时监测；（2）自动化多点数据获取；（3）先进的无线网络，实现远程监控与管理；（4）测量费用低；（5）不干扰交通等显著的优点，从而在近几年得到了日益广泛的应用。桥梁在建成后，由于受到气候、腐蚀、氧化或老化等因素影响以及在长期静载和活载的作用下易于受到损伤，相应其强度和刚度会随时间的增加而降低。通过建立大桥结构健康监测，利用收集到的特定信息对大桥状态和安全进行评估，能科学地指导工程决策，实施有效的保养、维修与加固工作。1.2 传统检测与无线监测传统检测与无线监测传统上，对桥梁的监测可以通过人工目测检查或借助于便携式仪器测量得到的信息来进行，但是人工检查方法在实际应用中有很大的局限性。（1）传统检测面临的困扰高风险：检测所处环境复杂险恶，人身安全难以得到保障；高成本：长期监测等于长期投入，成本较高，难以维系；3低效率：人工检测频率受限，受干扰因素多；服务差：测试数据难以评估结构健康状况；在特殊情况如极端天气条件下，难以获取有效数据。（2）在线监测的优点在线监测技术的发展很好的解决了目前传统人工检测中的不足；零风险：通过传感设备智能化的感知结构物信息，无需人员在场；低成本：一次投入，长期监测；高效率：能够全天候 24 小时实时监测、当结构物出现异常时，系统能够第一时间将预警信息以短信的方式通知相关管理人员；服务优：可测得连续海量数据，监测结构物长期性能发展，提供任意时段报告，在特殊情况如极端天气条件下，可稳定获取有效的数据。1.3 桥梁桥梁在线健康在线健康与安全与安全监测系统示意图监测系统示意图为了更好推动结构监测行业的发展，该桥梁安全监测系统把在线安全监测系统与云计算有机结合，为各个系统进行数据储存，数据分析，实现安全跟踪，实时响应，实时报警等强大功能。基于云物联技术的在线监测系统分为感知层、网络层和应用层三个层面。1.3.1 桥梁桥梁在线健康在线健康与安全与安全监测系统的监测系统的优点优点1、能够实现远程自动化监控，无需人员多次进入施工现场；2、系统可实现无线传输，无需长距离布设线缆、光缆；3、实现测试数据信息化管理，相关人员可以通过不同权限登入以太网或者利用手机取得现场结构安全数据及安全评估信息；4、通过传感器得到丰富的荷载效应等数据，通过系统分析，并与计算结果进行对比，可以得出结构的实际状态变化发展趋势，了解结构的安全状况；5、当结构出现异常信息时，系统自动进行预报警，并通过短信方式将信息及时转达给相关管理人员，并提示后台及时对结构当前状态进行安全评估。1.3.2 桥梁桥梁在线健康在线健康与安全与安全监测系统优势监测系统优势1、结构安全监测提供商，可以为用户提供解决方案。2、行业内率先提出系统集成标准化，最大化压缩项目时间、成本，复制性4高。3、系统都是自有产品，产品线长，对产品熟悉度高。4、建立云计算服务平台，实现远程无人在线健康监测。5、自成立来，服务于多个结构物，项目稳定性高。52.项目概述项目概述、设计依据和原则设计依据和原则2.1 项目概述项目概述此大桥主桥为 54+490+54 米预应力混凝土连续梁桥，桥梁全长 1255.4 米。主桥为分离式单箱双室断面，箱梁顶板宽 17 米，底板宽 11 米，跨中梁高 2.5 米，根部梁高 5.3 米。桥梁设计荷载为汽超20 级，通航等级为 V 级，地震基本烈度八度。540090009000图 2-1 此大桥结构示意图本项目研究开发的桥梁结构健康与安全监测预警系统将直接应用于吴忠黄河大桥，为大桥今后的营运管理提供一个科学的智能决策系统。桥梁结构健康与安全监控预警系统不仅能节省桥梁建设与维护的巨额投资，保证大跨桥梁的安全施工与运营，而且还能大大提高大跨径桥梁的检查养护维修功效，合理分配使用桥梁养护维修资金，及时掌握大跨径桥梁的当前运营状态，防患于未然，延长桥梁结构的服务年限。2.2 设计依据设计依据桥梁在线健康与安全监测系统的实施，执行过程必须严格按照国家的相关规程有据、有序的组织实施。本桥梁在线健康与安全监测系统工程的主要依据如下：1.“大桥结构施工图设计文件”2.公路桥涵养护规范JTG H11-20043.桥梁工程检测手册，人民交通出版社，201064.工程振动测量仪器和测试技术，中国计量出版社，20015.公路桥梁承载能力检测评定规程，交通部公路科学研究所,20116.桥涵工程试验检测技术，人民交通出版社，20047.公路工程质量检验评定标准JTG F80/1-20048.公路数据库编目编码规则JT/T 132-20039.自动控制系统设计标准，国家标准局，199910.软件工程国家标准GB/T8567-8811.综合布线系统工程验收规范GB 50312-200712.电子设备雷击保护导则GB/T7450-198713.计算机场地安全要求GB/T9361-201114.计算机软件可靠性和可维护性管理GB/T1439320082.3 在线在线健康与安全健康与安全监测系统设计原则监测系统设计原则监测系统是提供获取桥梁结构信息的工具，使决策者可以针对特定目标做出正确的决策。（1）保证系统的可靠性可靠性：由于桥梁结构安全监测系统是长期野外实时运行，保证系统的可靠性。否则先进的仪器，在系统损坏的前提下也发挥不出应有的作用及效果。（2）保证系统的先进性先进性：设备的选择、监测系统功能与现在技术成熟监测及测试技术发展水平、结构安全监测的相关理论发展相适应，具有先进和超前预警性。（3）可操作和易于维护操作和易于维护性：系统正常运行后应易于管理、易于操作，对操作维护人员的技术水平及能力不应要求过高，方便更新换代。（4）具有完整和扩容功能完整和扩容功能：系统在监测过程能够使监测内容完整、逻辑严密、各功能模块之间能够即相互独立、又能相互关联；能避免故障发生时整个系统的瘫痪。（5）以最优成本以最优成本控制：本方案的一个原则就是利用最优布控方式做到既节省项目成本、后期维护投入的人力及物力，又能最大限度发挥出实际监测、监测的效果。73系统总体设计思路和目标系统总体设计思路和目标3.1 系统设计总体思路系统设计总体思路此大桥在线健康与安全监控系统工程要紧密结合大桥实际情况，结合相关技术的发展。注重实用性实用性、可靠性可靠性、先进性先进性、可操作性可操作性、易维护性易维护性、完整性完整性和可扩可扩容性容性等几个原则。大桥安全综合管理系统除了对安全监测建设中涉及的参数进行综合管理外，还综合考虑桥梁环境参数、运行车辆荷载信息等。总之，本系统坚持贯彻“技术可行、实施可能、经济合理”的基本原则，使得桥梁安全监测系统做到可用、实用、好用的程度，充分发挥作用，为大桥的养护管理以及安全运营提供技术上的支持。对于大桥的安全监测系统必须和桥梁的日常养护管理相结合。在线健康与安全监测系统可以为养护管理系统提供长期实时的监测数据，具有重要意义。8图 3-2 桥梁养护管理系统结构图为保障桥梁在线健康与安全监测系统良好运营，使安全监测系统真正发挥作用，建议建立监测中心监测中心并配备专业人员对系统进行实时监控，负责定期提供监测报告。为桥梁管理部门解决安全监测系统使用的难题。3.2 总体目标总体目标本项目预期总体目标是：直接服务于此大桥的养护管理，为大桥的运营管理服务，确保大桥安全运营。同时，为此类大桥结构的健康与安全监控预警系统研究积累经验。大桥健康与安全预警系统研究成果应达到以下效果：(1)通过对交通荷载状况的监测，确定桥梁结构实际运营荷载水准，为桥梁结构使用工作性能评估提供明确的已知系统输入，并确定其对今后可能增长的交通荷载的适应能力，控制超限运输对桥梁结构造成的不利影响。(2)通过对桥梁结构使用内力、应力、变位等响应的监测与评价分析，了解9结构使用工作状况，评估不同应力水准下结构的安全可靠度，预计其使用寿命。(3)通过对桥梁结构振动响应的监测分析，掌握结构动力性能，论证其抗风、抗震稳定性，确定桥梁使用过程中的振动环境控制条件，研究结构固有动力特性参数的演变，分析结构疲劳损伤，预报结构可能存在的隐患或质量衰退等。(4)记录大桥经历的重大荷载及事故历程，如：地震、超重交通荷载以及被车、船等撞击情况下的状况。可以此为基础，研究大桥构件是否存在损坏。(5)通过对使用中桥梁结构的动态跟踪检查及其所处环境条件的监测，及时查明结构现存缺陷与质量衰变，并评估分析其在所处环境条件下的可能发展势态及其对结构安全运营造成的可能潜在威胁，为养护需求、养护措施采用决策提供科学依据，以达到用较少的有限养护资金获得最佳养护效果，确保结构安全运营的目的。(6)设定结构安全预警值。对大桥结构的健康状况、结构安全可靠性进行评估，进而给大桥运营者提供等级预警信息。当桥梁性能退化，超过预警值时，能给出警报，提示加强结构检查及维修。大桥在线健康与安全监控系统需要考虑多种因素，全面了解桥梁的情况才能建立一套在桥梁运营期真正适用的系统。监控系统首先必须考虑桥梁结构形式的特点，吸取设计单位的有关意见，针对不同桥型特点选取不同侧重点的监控项目及研究方法；还需从运营期养护维修的角度出发，考虑提供详细必要的数据给养护管理系统，为养护需求、养护措施采用决策提供科学依据，确保结构安全运营的目的，真正做到预防性养护；另外还需要根据监控系统的自身要求来选择适合的监测项目，主要考虑到测试手段的可行性、分析方法的可靠性等因素。此大桥在线健康与安全监控预警系统应达到如下目标：(1)通过对使用中桥梁结构的动态跟踪检查及其所处环境条件的监测，及时查明结构现存缺陷与质量衰变，并评估分析其在所处环境条件下的可能发展势态及其对结构安全运营造成的可能潜在威胁，为养护需求、养护措施采用决策提供科学依据，以达到运用有限的养护资金获得最佳养护效果，确保结构安全运营的目的。也即设定结构的健康预警线，当桥梁结构处于“亚健康”状态时，及时提醒管理者进行针对性的检查，并加强相应的养护维修。(2)设定结构安全预警值。对大桥结构的健康状况、结构安全可靠性进行评估，进而给大桥运营者提供等级预警信息。当桥梁性能退化，超过预警值时，能10给出警报，提示需立即对结构进行检查及维修。(3)论证设计、施工两阶段的各种设计假设和设计参数的有效性，对设计、施工进行后验证。总之，通过此大桥建立一个先进实用的桥梁在线健康与安全状况监测系统，监控加固施工过程中的桥梁安全状况，验证加固后的效果，实时掌握桥梁运营状况，实现大桥服务水准的实时安全报警；合理配置大桥养护维修资源，为降低桥梁运营维护成本提供科学技术依据，保证大桥检查维修策略制订具有针对性、及时性和高效性。114此此大桥健康监测系统的设计大桥健康监测系统的设计桥梁结构安全监控及评估系统的基本监控功能是通过传感器系统来实现的，合理布置传感器是保证监控质量的前提。监控系统使用传感器越多，量测信息越丰富。但是由于传感器、存储介质等的费用，一般只能使用有限个传感器。只有有效合理使用有限个传感器以达到近可能多的信息，从状态评估的需求出发，以有效和经济为主，使测点能够发挥最大效应的原则布置传感器位置。同时可以充分利用技术的优势，使测试手段不断丰富，并减少人为的误差，同时通过少数的人工测试方法来对自动采集系统进行校验。通过定期检查系统的稳定性，以保证监控系统稳定准确地运行。结构健康与安全监控预警系统包括多参数的监控及研究，其中包括桥梁工作环境的监控、桥梁结构整体性能的监控、结构应力（应变）和动力特性及振动监控。本方案在满足桥梁健康监测的前提下，从桥梁的监测成本、监测布点进行优化。4.1 监测子系统监测子系统4.1.1 监测子系统参数的确定监测子系统参数的确定监测系统设计中，应该根据每座桥梁的几个方面确定系统的规模、参数的类型以及数量等。基于结构型式的分析；大桥工作环境方面的分析；基于养护管理系统的分析；桥梁易发事故分析；基于桥梁重要程度的分析。根据此大桥的特点，该桥为连续梁桥。针对此大桥的特点，考虑到桥梁的工作环境等，在进行健康监测中，以下各监测子系统是非常重要的：121）环境监测）环境监测：包括环境温度、湿度等多方面的监测；2）桥梁结构整体性能桥梁结构整体性能监测监测：包括桥墩倾斜、桥梁变形等；3）结构应力）结构应力/应变监测应变监测：桥梁重要部位的静态应变测试；4）结构振动特性与振动水平监测）结构振动特性与振动水平监测：包括桥梁的振动幅值以及振动特性的测试与分析；测试参数的确定，需要根据桥型的结构特点选择合适的测试方法以及响应测试指标的设备。4.2 传感器的选型传感器的选型测试用传感器确定需要根据测试参数类型，结合桥梁的实际情况进行选定，首先要考虑传感器的长期稳定性，然后考虑传感器的技术指标与性价比，另外还需重点考虑提供传感器设备厂家的后续服务等问题。4.2.1 传感器选型原则传感器选型原则桥梁在线健康与安全监测系统中，传感器的选择原则为：稳定性：长期监测用传感器必须具备长期稳定性，应保证在使用期限内传感器的量程、精度、线性度等指标不发生变化。避免由于传感器的变化带来安全评估的错误信息。适用性：传感器的选择应选取合适的量程、精度等指标，不能比结构测试的要求低，也不必强求高精度，应根据实际情况选择合理的指标，以保证最优的性价比。耐久性：由于桥梁工作环境较为复杂，在此环境下，选择的传感器应该具有防雷、防尘、防潮等功能。先进性：由于桥梁健康监测是长期的工作，选择的监测设备也应该具有一定的先进性，以保证设备能在长时间内属于较为先进的测试手段，另外作为吴忠大桥这样有影响的项目，在测试技术上也应保持一定的先进性。可更换性：作为电子产品，测试传感器以及采集设备的寿命肯定难以与百年大计的桥梁平齐，既然设备存在坏的可能性，那么在选择设备，以及进行设备安装时应该考虑可更换性。134.2.2 传感器的选型传感器的选型4.2.2.1环境监测环境监测为了有效地分离环境因素变化对应变监测及模态频率的影响。环境监测包括温度、湿度等多方面的监测。表 4.1 中列出了温度、湿度测试的指标。表 4.1 桥梁温度、湿度传感器技术参数产品名称温湿度传感器监测指标技术指标范围-40-125工作电压DC 12V精度0.4湿度0-100%RH精度3.0%RH4.2.2.2 桥梁结构整体性能监测桥梁结构整体性能监测主要测试桥梁的变形，根据监测对象的不同分别采用连通管变形传感器和测斜仪传感器。其中连通管传感器则只能测试相对变形，固定式测斜仪主要测试结构的不均匀变形，也即倾斜的情况，主要用于测试桥墩等易发生倾斜的重要构件。1)连通管传感器设备选型连通管传感器设备选型表 4.2大桥挠度监测系统技术参数监测指标设备名称设备型号技术指标备注桥梁变形压差变形测量传感器*量程：200mm精度：0.2%FS灵敏度：0.1mm连通管原理2)测斜传感器设备选型测斜传感器设备选型表 4.3测斜传感器技术参数14监测指标设备名称设备型号技术指标桥墩倾斜盒式固定测斜仪*X、Y 双方向；量程：30精度：9；分辨率：24.2.2.3 结构应力结构应力（应变应变）监测监测针对桥梁重要部位的静态应变测试。目前振弦式应变计精度可以达到甚至优于3，电阻式应变计精度也可达到此精度，光纤式应变计的精度也可达到微应变量级。对于桥梁应变测试，此三类应变计/应变传感器的精度均适合。在可靠性、耐久性方面，电阻式应变计对于长期静态应变测试不适用，易导致漂移，但是用于动态应变测试，则具有很好的效果；光纤式应变计耐久性在理论上非常好，能长期稳定地工作，但其长期使用的效果没有经过实践的检验，而且施工中较易损坏，二次仪表非常昂贵，后续维护较为繁杂；振弦式应变计稳定性、耐久性较好，能满足中长期的应变测试，我们已有桥梁长期观测连续使用 10 多年的技术方案保证措施和业绩。另外考虑到在安装、数据连续性以及设备的可更换性，因此在设计中选用振弦式应变计测试静态应变。监测系统由应变计、传输线、应变数据采集仪、数据采集与处理系统组成。采用表面粘结的应变测试元件作为监测点的应变监测传感器。测试长期静态应变的振弦式应变计技术指标如表 4.4。表 4.4桥梁应变监测系统技术参数参数名称技术指标量程1500 分辨率0.2%FS温度测量范围-20+70温度测量精度0.5154.2.2.4 桥梁动力特性及振动水平监测桥梁动力特性及振动水平监测桥梁动力特性参数(频率、振型和阻尼等)和振动水平(振动强度和幅值)是桥梁整体安全的标志，桥梁质量的退化会引起结构振动特性的改变，例如桥梁结构刚度的降低会引起桥梁自振频率的降低，桥梁局部振型的改变可能预示着结构局部损坏。因此对桥梁动力特性及振动水平的监测能够起到整体上对桥梁结构健康状态监测的目的。另外桥梁的振动水平能够部分反映出桥梁的行车安全、桥梁路面状况的信息，在意外状况下（地震、船只撞击、车辆撞击等）可通过振动测试实时掌握桥梁的状况。桥振动监测系统的技术指标见表 4.5。表 4.5大桥振动传感器技术参数测试方式技术指标力平衡传感器测量范围：3g；灵敏度：1200mV/g；频率响应范围：0500Hz；非线性度：0.2%FS；4.3 桥梁测点的确定桥梁测点的确定4.3.1 环境参数监测环境参数监测大桥工作环境监测包括环境温度和结构温度方面的监测。4.3.1.1 监测内容：监测内容：1）桥址处环境温湿度与桥梁结构温度监测通过对环境温湿度环境温湿度和桥梁结构关键部位结构温度结构温度分布状况进行监测，并与设计时的理论取值进行比较，从而可以对桥梁在实际温度作用下与设计情况相比，是偏于安全还是偏于不安全作出评价。桥跨结构关键部位即控制断面，准确地掌握控制断面温度分布状况与规律可有助于正确地分析梁体应力状况，所以温度分布状况测点可与应力测点布设在一起。本方案对桥梁结构温度的监测采用带有温度测试功能的振弦式应变计进行16监测。4.3.1.2 监测位置监测位置桥梁环境温度通过布置在主桥中间桥墩位置的温湿度传感器进行监测，共布置 1 个温湿度传感器。而桥梁结构温度可以通过自带测温功能的表面应变计进行监测。布点如下图所示。4.3.1.3 采集制度采集制度进行实时结构温湿度监控；可根据人工设置时间段进行采集。本系统每 30分钟采集一次。4.3.2 桥梁结构整体性能监测桥梁结构整体性能监测桥梁结构整体性能监测包括桥梁挠度和桥墩倾斜。桥梁结构基础的稳定，是确保桥梁安全运营的前提，桥梁基础的偏移会给桥梁结构造成多方面不利影响。过大沉降，特别是基础不均匀沉降会引起桥梁结构产生过大的附加内力、桥梁线形的恶化以及桥梁附属设施(支座、伸缩缝、栏杆等)的损坏。桥梁恒载作用下桥梁线形是桥梁整体安全状态的重要标志。活载作用下，桥梁挠度是评价桥梁使用功能和安全性的重要指标之一，是桥梁整体刚度的重要标志。通过对桥梁挠度、桥墩倾斜的监测，可以从整体上把握桥梁健康和安全状态。174.3.2.1 监测内容监测内容桥梁挠度和桥墩变形。4.3.2.2 监测位置监测位置（1）压差式变形测量传感器测点布置）压差式变形测量传感器测点布置桥面挠度采用垂直位移监测系统即连通管加压差式变形测量传感器进行监测，连通管布置在桥梁底板，通过压差式变形测量传感器对各测点处连通管中的液面高度进行测量。通过测量出各测点与基准点之间的液面变化量即可求出梁体测点的挠度，测出各测点某两种状态测量管内液位的高差，就能求得后一种状态相对前一种状态的挠度变化。也可以通过测试封闭管内的压差，通过压差的变化可求得桥梁的挠度，考虑到本桥的情况，连通管参考点设置在桥塔中间。系统通过微机的控制获取同一时刻的测量值，以消除由于测量时间不一致而引起的量测误差。另外，为消除大气压、温度等的影响，应考虑在连通管中注入清洁、消毒、消应力、防冻的蒸馏水作为液体以克服毛细现象，并采用封闭的连通管测量系统，通过空气连接软管达到大气压力的均衡。在布设该系统时，优化纵向水管、基准点液面、测点处测量管液面三者之间的相对位置高度。通过最大限度地降低测量管的高度，并用温度传感器直接量测液体温度，加入温度改正系数以克服温度的影响。通过监测数据的统计分析消除液面波动的影响。为监测主桥线性变化，拟在桥梁主桥边跨、次边跨、中跨的 1/4、1/2、3/4位置布设压差式变形测量传感器以监测主桥桥面挠度变化，另在主桥 15#、16#、17#、18#、19#桥墩位置布置盒式固定测斜仪以监测主桥桥墩倾斜变化，左右幅对称布置，共布置 30 个压差传感器（包括 2 个基点）和 10 个盒式固定测斜仪，从而形成一条完整的监测线路以监测主桥的整体线性变化。布点如下图所示。18另外为了监控加固施工过程中桥梁的安全情况，也为了验证在线监测的效果，预计在桥梁主桥每跨都布置相应数量的人工复核水准高程测点，以保证桥梁加固施工过程的绝对安全，初步预计布设 120 个人工水准高程测点。4.3.2.3 采集制度采集制度进行实时桥梁挠度和主墩倾斜监控；可根据人工设置时间段进行采集。本系统每 30 分钟采集一次。4.3.3 结构应力结构应力/应变监测应变监测4.3.3.1 监测内容监测内容桥梁结构的应力监测是通过对应变监测间接实现，主要监测桥梁结构关键截面的受力情况，以了解结构的长期或瞬态的受力情况。桥梁关键部位静态的应变测试。大桥桥面直接承担着车辆荷载，受荷载的影响最为直接，因此对桥面有代表性断面的应力进行监测，可以了解作为主要承力构件的受力状态，及时诊断桥梁的病害，控制车辆荷载和对桥梁结构进行疲劳分析十分必要。桥体作为主要承力结构，受力是非常重要的，必须加强应力/应变的监测。目前振弦式应变计精度可以达到甚至优于3，振弦式应变计稳定性、耐久性较好，能满足中长期的应变测试，以及表面应变计具有可更换性，因此在设计中选用振弦式应变计测试静态应变对系统更具优越性。194.3.3.1 监测位置监测位置对桥梁结构分析可知，桥梁主桥各跨跨中截面弯矩和桥墩支座处剪力比较大，都属于不利截面。因此，为了及时掌握主桥受力状况，预在主桥每跨跨中截面和桥墩支座截面箱梁内上下底面布置表面应变计，以监测主桥应力应变。每个截面布置 8 个表面应变计，共计 88 个传感器（在线监测）。布点如下图所示。4.3.3.2 采集制度采集制度进行实时应变监控；在线健康监测可根据需要，人工设置时间段进行采集。本系统每 30 分钟采集一次。4.3.4 结构振动特性与振动水平结构振动特性与振动水平4.3.4.1 监测内容监测内容振动测试主要监测桥身等部位的振动情况，以了解结构的振动幅值以及振动特性，另外也可以监测地震、船只撞击以及车辆撞击等意外情况。4.3.4.2 监测位置监测位置结构的模态振型以及固有频率是反映桥梁动力特性的直接参数，通过研究这些参数的情况可以定出测试的最优布点。桥梁动力特性的测试位置预计通过模态20振型的结果进行确定，计算主要模态的结构应变能。根据该桥主桥结构特点，预在主桥跨中、四分点截面箱梁内外布置竖向振动传感器，以监测主桥竖向振动特性，主跨、次边跨每跨布置 6 个振动传感器，边跨每跨布置 2 个振动传感器，共计布置 28 个振动传感器。布点如下图所示。4.3.4.3 采集制度采集制度进行实时振动监控；可根据人工设置时间段进行采集。当结构振动过大，超过采集警戒线时，自动启动系统进行采集，采样频率根据实际情况取 20100Hz。4.4 供电系统设计供电系统设计供电系统可直接连接市供电网，系统的防雷接地等措施可采用大桥交通工程已经建立的方案或独立建立接地系统。4.5 监控中心监控中心4.5.1 设计原则设计原则监控中心应考虑整体防潮、防尘及降温；应配置专用互联网络接入，方便实现远程联接；中心应配置专用机柜、服务器电脑、操作机电脑及显示设备等。监控中心要求整体布局合理、设备规整、运行环境符合相关要求。214.5.2 总体布置总体布置监控中心布置服务器电脑、专用机柜、专用显示设备、大容量备用电源等设备，有条件的还可考虑防潮、防尘、防静电、空调等设施。4.5.3 设备选型设备选型（1）基本原则：显示设备宜选用大尺寸液晶数字显示器进行显示。（2）主要设备选型见报价单。4.5.4 系统连接示意图系统连接示意图图 4-1监控中心系统连接示意图224.5.5 监控中心平面布置图监控中心平面布置图图 4-2监控中心平面布置图4.6 系统防雷系统防雷（1）多重防雷措施并举，包括防直击雷、防感应雷。防直击雷主要采用预放电避雷针及有效接地来实现；防感应雷包括电源防雷和信号防雷，其中电源防雷主要通过交直流隔离、电源防雷器以及有效接地来实现，而信号防雷则主要通过信号光电隔离及信号防雷器来实现。（2）所有监测点其主机均安装保护箱内并设置防直击雷避雷针。（3）所有监测点主机电源采用在线式 UPS 与外部供电线路进行隔离，并连23接电源防雷保护器。（4）所有监测点主机信号线路设置信号防雷保护器。（5）所有设备及其保护箱都严格接地，接地电阻应小于 10。（6）同一横断面上多个防雷接地点在距离较近时可考虑连接成防雷网。245.系统数据的采集与传输系统数据的采集与传输数据传输由两部分组成，振动监测由于数据量大所以采用设置外场数据采集站，然后通过无线模块传输至监控中心，位移变形监测，温湿度监测，应力应变监测均采用无线传输模式直接传输到监控中心。5.1 在线健康在线健康与安全与安全监测系统无线数据传输方式监测系统无线数据传输方式无线方式通过成熟的 GPRS/GSM 网络，通过灵活地控制设备的采集制度，进行远程控制。该方案中现场不需要额外部署采集前置机和通信线路，直接通过无线传输模块实现对现场设备数据的采集和控制，简单方便。5.1.1 无线数传模块无线数传模块无线数据传输模块是由无线数据传输终端和无线数据传输主机组成，依靠成熟的 GPRS/GSM 网络，在网络覆盖区域内可以快速组建数据通讯，实现实时远程数据传输。DTU 系列通讯模块内置工业级 GSM 无线模块，支持 AT 指令集，采用通用标准串口对模块进行设置和调试，提供标准的 RS232/485 接口，其工作条件如下：环境温度：-2570；湿度：090%，非冷凝；波特率：300115200bps；接口：RS232/RS485/TTL232；标准电源：DC9V。图 5-1 DTU 无线数传模块255.1.2 无线远程实时监测结构图无线远程实时监测结构图图 5-2 无线实时监测结构图5.1.3 无线远程数传采集系统具备的特点无线远程数传采集系统具备的特点支持 GSM 双频网络和 GPRS 数据通信网络等 2.5 代无线网络；易于安装、维护；使用方便、灵活、可靠，即插即用；能强大的嵌入式互联网控制器，具备完整的 TCP/IP 协议栈及功能强大的透明传输保障机制；可实现点对点、点对多点多种方式的实时数据传输；不依赖于运营商交换中心的数据接口设备，直接通过 Internet 网络随时随地的构建覆盖全国范围内的移动数据通信网络。特点：只要能够接入互联网，即可取得测试得到的数据；安全可靠。DTU在应用之前首先要进行设置，通过软件设置好数据中心的 IP 和端口及其它参数的设置，设置好之后串口和采集器串口对接，DTU 上电之后根据事先设置好的中心 IP 和端口进行连接，成功连接到中心软件后即可双向透明传输数据。用户可以通过任何能联网的电脑，登录服务器输入自己的用户名密码及时查看自己监测的信息。系统提供的图标显示更直观的显示了被监测的数据。26图 5-3 系统结构图无线远程数据传输采集系统具备如下优点：1）能实现远程无线监控；2）可实现短信报警；3）可节省大量线材等费用；4）可在任何有网路的地方查看实时监测数据。5.2 系统自诊断系统自诊断当前在线监测技术在各行业内广泛应用，并且市场需求逐年增加，目前行业内做在线监测系统的厂家无法实现系统故障诊断功能，当系统出现故障之后，排查系统较为苦难，无法及时的排除故障原因，导致系统难以恢复正常运行，从而失去了系统在线监测的价值。若系统能实现自诊断功能，当系统发生故障时，能诊断出故障环节，提示该如何解除故障的一些方法，可以极大的减少工作量，提高监测效率，将有效推动在线监测行业的技术发展，同时对监测行业的发展具有重要意义。幅值诊断幅值诊断：接收到的输入源（信号）超出规定的数值范围时，自诊断系统确认该输入源（信号）存在故障。时序诊断时序诊断：当发现某一输入源（信号）在一定的时间内没有发生变化，或变化没有达到预先规定的次数时，自诊断系统就确定该信号出现故障。功能诊断功能诊断：当发出指令后，检测相应传感器的输出参数变化，若传感器输出信号没有按照程序规定的参数变化，就确认执行器或电路出现故27障。逻辑诊断：逻辑诊断：对两个/多个具有相互联系的传感器进行数据比较，当发现两个传感器信号之间的逻辑关系违反设定条件时，就判断有故障。图图 5-4 系统诊断流程系统诊断流程5-5 利用相关性进行测点完好性诊断框图利用相关性进行测点完好性诊断框图286.数据处理与控制系统数据处理与控制系统6.1 数据处理数据处理信号在采集前与采集后均可进行数据处理，数据处理有滤波、分析等以下功能：信号实时显示；数据采集：随机采样、触发采样，多次触发采样，采样时间和采样数据长度自由设定,采样时实时观察波形变化，定时采样；数字滤波：低通，高通，带通，带阻滤波；幅域统计：描述信号的幅域特征参数有最大值、最小值、平均值、有效值、均方值、方差、标准差等值；时域、频域分析：可对动态信号进行时域、频域范围的不同类型分析，可进行不同点数的 FFT 分析；相关分析：可对各系统间信号的相关性进行分析；其他分析：根据不同的测试方法，可进行诸如振动特性、冲击系统等等与桥梁安全相关参数的处理分析。6.2 数据优化控制数据优化控制目前绝大多数结构安全与安全监控预警系统所遵循的采集制度是实时采集，这样得到的数据量最大化，信息量也最多，可是随之而来的问题是数据量太多了，以至于没有足够的人力资源进行处理分析，而且得到的信息中有很多是重复的冗余信息。这种情况使得重要的信息不突出，导致其湮没于众多巨大的信息中，造成了主次不分明的问题，很容易使重要的信息被遗漏，给结构的安全监控预警带来极大的麻烦。因此数据采集中必须有采集优化方法，以便能采集到有意义的数据，尽可能减少重复性的、冗余的、日常性的数据。下图为数据采集优化的流程图。29图 6-1 数据采集优化流程图针对桥梁的实时监测功能，必须考虑系统的优化采集情况，即具有定时间段采集以及定阀值采集。采样时间和采样长度可以根据实际情况灵活设置。图 6-2 采样时间设置图阈值设置阈值设置多条件触发采样参数有触发逻辑和各通道的触发值设置，用户可根据需要在这里进行设置。触发逻辑是设定各触发通道之间的触发关系，“或”表示设定的触发通道只要有一个达到触发阈值就进行触发采样，采到设定的时间长度为止；“与”表示设定的触发通道必须都达到触发阈值才进行触发采样。30图 6-3 阈值设置图17.软件系统软件系统7.1 软件系统设计软件系统设计系统采用分层 B/S 体系结构，以.NET 为开发平台，以 ASP.NET 和 ADO.NET为技术核心，统一流程规范、统一技术标准、统一数据管理、统一角色管理、统一用户登陆、统一界面风格，构成一个开放统一的平台，构建分层的在线安全监测系统。图 7-1 网络拓扑示意图7.2 软件系统功能软件系统功能系统能够提供良好的人机交互界面，便于使用者操作，包括各项监测参数数据的管理、分析，具有以下功能：（1）对各类不同参数的测试数据进行综合管理：解决了管理人员需要面对多类采集系统的困难，只需从统一的数据库中调取信息即可。（2）传感器信息的描述记录：可录入传感器的埋设位置、设备位置及编号等信息，记录与工程相关的信息，便于传感器的管理。（3）能够对硬件系统进行远程控制：综合管理系统结合智能仪器，可远程调整测试参数，避免传统仪器以及系统因为进行参数改变而必须进入桥梁现场的问题。（4）能够对测