大学毕业论文-—基于健康监测系统下乌兰木伦桥分析.doc

内蒙古工业大学工程硕士学位论文 硕士学位论文类 别: 工程硕士 题 目：基于健康监测系统下乌兰木伦桥状况分析英文题目：研究生：学科名称：岩土工程指导教师：企业导师：摘 要通过对鄂尔多斯的乌兰木伦大桥桥梁进行健康监测，得到风荷载监测、空气温湿度监测、结构温度监测、主梁振动监测、应力应变监测、斜拉索索力监测数据。通过监测测到的数据以及图像分析研究，主要取得如下结论：（1）通过全年结构健康监测系统的数据以及图像分析，整个乌兰木伦大桥结构健康监测系统工作正常，软硬件运行良好，监测数据正确；（2）系统中的荷载监测：风荷载监测、空气温湿度监测、结构温度监测数值均在该桥梁的设计范围之内，对桥梁使用性和构件的安全性无危害；（3）桥梁动力结构响应监测：主梁振动监测、应力应变监测、斜拉桥索力监测数据在设计值范围内，未发现异常；（4）必须将桥梁人工检查与先进健康监测系统有机结合，以期有效消除现存检测方法中的诸多不足；（5）在大桥投入使用初期，维修工作较少，重点放在结合观测结果与监测系统测得的信息，建立起精确可靠的结构模型，为长期检查维护计划制定做准备；（6）建议养护工作中加强对健康监测系统传感器以外的结构件检查。关键词：鄂尔多斯；乌兰木伦大桥；桥梁健康监测AbstractThrough to the ordos ulam wooden bridge bridge health monitoring, and get the wind load, air temperature and humidity, the structure temperature monitoring, girder vibration monitoring, stress and strain monitoring, suspension cable force monitoring data. Through the analysis of the data and image monitoring and measurement to study, mainly has the following conclusion:(1) through the year data of structural health monitoring system and image analysis, the whole zautra a wooden bridge structural health monitoring system working properly, the hardware and software, monitoring data is correct;(2) in the system load monitoring: wind load, air temperature and humidity, the structure temperature monitoring values are within the scope of the design of the bridge, the bridge safety of usability and components without harm;(3) dynamic structure responses of bridge monitoring: main girder vibration monitoring, stress and strain monitoring, cable force of cable-stayed bridge monitoring data within the scope of the design value, no abnormalities are found;(4) the bridge must be an organic combination of advanced manual inspection and health monitoring system, in order to effectively eliminate the deficiencies of the existing test methods;(5) at the beginning of the bridge in use, less maintenance work, focus on combining observation and monitoring system of information, establish a precise and reliable structure model, prepare the way for long-term inspection maintenance plans; (6) to advise the maintenance of the sensor health monitoring system on the outside of the structure.Key words: Ordos; Zautra a wooden Bridge; health monitoring of bridge目录第一章 绪论1.1桥梁健康监测概述1.1.1桥梁健康监测系统1.1.2桥梁健康监测系统的作用1.1.3桥梁健康监测应用概况1.2 选题依据与研究意义第二章 桥梁基本资料2.1桥位自然环境2.2桥梁概况2.2.1桥梁主要结构2.2.3 技术标准第三章 乌兰木伦大桥健康监测系统3.1 乌兰木伦大桥健康监测系统概述3.2 软件系统组成3.2.1功能概述3.2.2功能模块3.3 系统操作3.3.1 软件结构3.3.2 各模块间关系第四章 风荷载监测4.1风荷载监测设计4.1.1桥址区风特性和设计风参数4.1.2风速风向仪测点布置4.2风载荷监测结果第五章 温湿度监测5.1 空气温湿度监测设计5.2 空气温湿度监测结果5.3 结构温度监测设计5.4 结构温度监测结果第六章 主梁振动监测6.1主梁振动监测设计6.2主梁振动监测结果第七章 应力应变监测7.1应力应变监测设计7.2应力应变监测结果第八章 斜拉索索力监测8.1斜拉索索力监测设计8.2 斜拉索索力监测结果第九章 结论与展望9.1主要结论 9.2研究展望参考文献第一章 绪 论 近100年来桥梁工程领域的成就不仅体现在预应力技术的发展和大跨度索支承桥梁的建造以及对超大跨度桥梁的探索，而且反映了人们对桥梁结构实施智能控制和智能监测的设想与努力。30多年来桥梁抗风、抗震领域的研究成果以及新材料新工艺的开发推动了大跨度桥梁的发展1；同时, 随着交通建设事业的蓬勃发展，一些大跨度和超大跨度桥梁的相继建成。多年来 , 桥梁结构的安全状况一直是政府有关部门和公众特别关心的问题。目前国内外许多桥梁都存在不同程度的安全隐患。 比如西方发达国家在经济腾飞时期建造的大批桥梁面临剩余寿命的评估问题, 其中美国的 69万座公路桥梁中有一半以上的使用年限已超过50年； 三分之一以上的桥梁使用效率很低或干脆荒废, 每年用在桥梁维修上的费用超过50亿美元。在国内, 由于质量控制滞后于桥梁的建设速度致使桥梁倒塌事故逐年增加。1999年 1月重庆的彩虹大桥倒塌,导致41人死亡、14人受伤的悲剧。1996年12月广东韶关特大桥梁坍塌, 32人死亡, 59人受伤2。另外近几年的铁路提速, 对于那些设计最大时速仅有120 公里/小时的大批铁路桥梁来说也面临严峻的考验。 2002年6月, 洪水冲垮了陇海铁路西安段的一座铁路桥梁, 使得铁路停止运营数日, 造成了重大的经济损失。 造成这些事故的原因很复杂, 抛开设计与施工方面的原因不谈, 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, 是导致倒塌的重要原因。如果能在灾难来临之前进行预测, 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, 那就会大大减少这些惨剧的发生3。由于桥梁监测数据可以为验证结构分析模型、计算假定和设计方法提供反馈信息 , 并可用于深入研究大跨度桥梁结构及其环境中的未知或不确定性问题, 此外桥梁设计理论的验证以及对桥梁结构和结构环境未知问题的调查与研究扩充了桥梁健康监测的内涵4。因此，这项课题日益成为国内外桥梁学术界和工程界的研究热点，对于不同类型的桥梁建立了各种规模的桥梁健康监测系统。1. 1桥梁健康监测概述1.1.1桥梁健康监测系统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、养护与管理决策提供依据和指导4。一般桥梁健康监测系统包括以下几个方面的内容：( 1 ) 桥梁结构在正常车辆荷载及风载作用下的结构响应和力学状态。( 2 ) 桥梁结构在突发事件 (如地震、意外大风或其它严重事故等 )之后的损伤情况。( 3)桥梁结构构件的耐久性，主要是提供构件疲劳状况的真实情况。(4)桥梁重要非结构构件(如支 )和附属设施(如斜拉桥振动控制装置) 的工作状态。( 5)大桥所处的环境条件，如风速、温度、地面运动等。1.1.2桥梁健康监测系统的作用由前所诉可知桥梁健康监测不只是传统的桥梁检测技术的简单改进，而是运用现代化传感设备与光电通信及计算机技术，实时监测桥梁运营阶段在各种环境条件下的结构响应和行为，获取反映结构状况和环境因素的信息，由此分析结构健康状态的可靠性，为桥梁的管理与维护提供科学依据。大型桥梁健康监测力求对桥梁结构进行整体行为的实时监控和结构状态的智能化评估。在结构经过长期使用或遭遇突发灾害之后，通过测定其关键性能指标，获取反映结构状况的信息，分析其是否受到损伤。如果受到损伤，还要分析其可否继续使用以及剩余寿命等。这对确保桥梁的运营安全，及早发现桥梁病害，延长桥梁的使用寿命起着积极的作用。此外，由于大型桥梁 ( 尤其是斜拉桥、悬索桥)的力学特性和结构特点以及所处的特定环境，在大桥设计阶段完全掌握和预测结构的力学特性和行为是非常困难的。 大跨度索支承桥梁的设计依赖于理论分析，并通过风洞、振动台模拟试验，预测桥梁的动力性能并验证其动力安全性。 然而，结构理论分析常基于理想化的有限元模型，并以很多假定条件为前提，在进行风洞或振动台试验时，对大桥的风环境和地面运动的模拟可能与真实桥位的环境不完全相符。因此，通过桥梁健康监测所获得的实际结构动静力行为，可以验证大桥结构分析模型、计算假定和设计方法的合理性。尤其重要的是 , 监测所得的数据和分析结论可用于深入研究大跨度桥梁及其环境中的未知和不确定性问题，为以后的设计和建造工作提供依据。 桥梁健康监测信息反馈于结构设计的更深远的意义在于，结构设计方法与相应的规范标准等可能得以改进 1 。1.1.3桥梁健康监测应用概况国外从20世纪80年代中后期开始建立各种规模的桥梁健康监测系统。 例如， 英国在总长522 m的3跨变高度连续钢箱梁Foyle桥上布设传感器，监测大桥运营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 5 ；加拿大在全长1219 km、建于海上的45跨预应力混凝土箱梁Confedration桥上实施了一套综合的监测系统，对桥梁在冰荷载作用下的性能、长短期变形、温度应力以及在车辆荷载、荷载组合、风和地震荷载作用下的动力响应和环境对桥梁的侵蚀进行研究 6。此外建立健康监测系统的典型桥梁还有丹麦主跨1624m的Great Belt East悬索桥7 、挪威主跨 530 m 的 Skarnsunder 斜拉桥 8 、英国主跨194 m的Flintshire独塔斜拉桥9 等。我国自20世纪90年代起也在一些大型重要桥梁上安装了不同规模的健康监测系统。如在香港的青马桥、 汲水门桥和汀九桥上安装的保证桥梁运营阶段安全的“风和 结构健康监测系统( WASHMS )”10-11， 监测作用在桥梁上的外部荷载(包括环境荷载、车辆荷载等)与桥梁的响应；在上海徐浦大桥上安装的带有研究性质的结构状态监测系统，其目的是为了摸索大型桥梁健康监测的经验，监测内容包括车辆荷载、中跨主梁的标高和自振特性，以及跨中截面的温度和应变、斜拉索的索力和振动水平；在江阴长江公路大桥上安装的健康监测系统，主要监测加劲梁的位移、吊索索力、锚跨主缆索股索力以及主缆、加劲梁、吊索的振动加速度等12。在南京长江大桥上安装的健康监测系统，主要进行温度、风速风向、地震及船舶撞击、墩位沉降，以及恒载几何线形、结构振动、主桁杆件应力、支座位移等方面的监测13-15。1.2 选题依据与研究意义乌兰木伦桥位于鄂尔多斯康巴什新区乌兰木伦湖区。鄂尔多斯市地处内蒙古自治区西南部，市域总面积 8.7 万平方公里,总人口约 151 万。北部以黄河为界，紧邻呼和浩特、包头和巴彦淖尔市，南部与晋、陕、宁省区接壤，市域境内煤炭、石油、天然气、建材等矿产资源储量丰富。2007 年全市地区生产总值 1150.9 亿元，财政收入 200.8 亿元。鄂尔多斯市的中心城市由东胜区、康巴什新区和伊旗阿镇三部分组成，中心城市现状人口近 60 万。康巴什新区是鄂尔多斯市“一市三区”城市组团的核心；是鄂尔多斯未来的行政、金融和文化中心，是科研教育中心和技术产业基地。城市发展坚持舒展、生态、和谐、宜居，体现地域文化、民族特点，突出城市风貌的“唯一性”。随着康巴新区建设的快速发展和鄂尔多斯市新一轮总体规划的调整， 康巴什新区的城市建设用地跨越乌兰木伦河向南发展。乌兰木伦河将成为城市内部重要的景观河流，同时成为鄂尔多斯市的一个标志性旅游节点。按照规划， 城市主轴线南端对应的乌兰木伦河结合河道改造治理， 部分拓展成为湖区。湖区由两级落水三个标高的湖面组成，三个湖面分别称为上湖区、中湖区和下湖区，其面积分别为0.25 平方公里、1.09 平方公里和 1.68 平方公里。近期建设中湖区和下湖区。 乌兰木伦大桥位于下湖区，是近期建设的重点工程之一。景观大桥工程对于鄂尔多斯市康巴什新区的发展有至关重要的意义， 它北连新区的政治文化中心区域，密切与中心城区的联系，南连东红海子风景旅游区，从而促进康巴什新区发展成为以现代服务业和生态旅游业为主导，集休闲度假、体育运动、娱乐健身、商住会议、教育科研于一体，与自然融合、生态宜居的北方水上旅游城市。为保证康巴什新城的开发建设进程，打造下湖区景观工程，而乌兰木伦大桥是其中一个重要组成部分，也是城市与乌兰木伦湖生态走廊节点上重要的标志性建筑物，因此对其进行桥梁健康监测十分必要和迫切的。以期通过对鄂尔多斯乌兰木伦大桥进行健康监测系统的建立，获取反映大桥关键部件的环境激励和结构响应状态的相关信息，实时监测大桥的工作性能和评价大桥的工作条件，以保证大桥的安全运营及为大桥的养护维修提供科学依据。第二章 桥梁基本资料2.1桥位自然环境本研究对象乌兰木伦桥位于鄂尔多斯康巴什新区乌兰木伦湖区。鄂尔多斯，内蒙古自治区下辖市， 位于内蒙古自治区西南部，西北东三面为黄河环绕，南临古长城，毗邻晋陕宁三省区。该盆地新生代以来持续上升运动, 形成今日高原地貌景观。目前北部为沙漠高原，地形波状起伏，切割较弱；南部为黄土高原，地形破碎，切割强烈16-17。鄂尔多斯属温带干旱半干旱大陆性气候，降水稀少，蒸发强烈，冷热巨变，风大沙多。冬季受蒙古冷气团影响，气候干燥而寒冷。夏季炎热而少雨。湿润度由东向西递减。该区多年平均气温6.2，日最高气温38，日最低气温-31.4。多年平均降水348.3毫米，降水多集中于7、8、9三个月，占全年降水量的70%左右。多年平均蒸发量2506.3毫米，为降水量的7.2倍，以5-7月份为最大。全年多盛行西风及北偏西风，年平均风速3.6米/秒，最大风速可达22米/秒，最大风速的风压0.6千牛/平方米17-19。乌兰木伦河发源于内蒙古东胜区，在王道恒塔水文站下游与勃牛川河汇合后称为窟野河，后向南流经陕西神木县注入黄河，河长138 k m, 流域面积3065km2，多年平均径流量为1. 90亿m3。乌兰木伦河两岸地形平缓，属于黄土高原和毛乌素沙漠过 渡地带。该区是黄河流域土壤侵蚀最严重的地区和黄河粗泥沙的主要产沙区之一, 对河下游河道淤积有严重影响20-23。根据水文计算成果，乌兰木伦水库近期30年，百年一遇下泄洪水流量为580m3/s，柳沟百年一遇洪水流量为170m3/s，汇入后康巴什新区段河道30年，百年一遇设计洪水流量为750m3/s。2.2桥梁概况2.2.1桥梁主要结构乌兰木伦大桥位于内蒙古鄂尔多斯康巴什新区，跨越乌兰木伦河下湖区，北连新区的政治文化中心区域，南连东红海子风景区，是城市主轴与乌兰木伦湖生态走廊上一个重要的标志性建筑，对于鄂尔多斯康巴什新区的发展有至关重要的意义。根据湖区规划调整情况，乌兰木伦大桥主桥边跨内布置辅助墩，主桥为跨径（40m+42m+42m+51m）边跨+450m 中跨（51m+42m+42m+40m）边跨跨径布置的双斜塔斜拉桥，桥塔向主跨方向倾斜12，桥塔与主梁相交位置设置支座。桥梁全长800m，边跨设置辅助墩，设置辅助墩能有效提高斜拉桥结构刚度，有效降低在活荷载作用下主梁及主塔的弯矩。主梁采用钢与混凝土组合结构，主跨大部分（432m）采用钢箱梁结构，边跨采用预应力混凝土箱梁结构，梁高均3m。桥塔为 A 字形钢塔，总高125m，桥面以上高105m，向主跨侧倾斜12，主梁在塔下穿过。同时由于两侧地形的标高相差较大，使得索塔的顶面标高不一致，高差相差约4.086m：10号墩塔总高132.017m，11号墩塔总高127.941m；从上层桥面至塔顶的高度为105m，相应的高跨比为1/4.3。桥塔伸入承台上的塔靴与之固结。斜拉索梁上锚固区位于机动车道与非机动车人行混行道之间，主跨斜拉索水平间距12m，边跨侧斜拉索水平索距由桥塔起为7*2m+2*m+7*m，主跨和边跨侧的中墩无索区均为27m。斜拉索塔上锚固于钢塔中箱室，竖向索距2m，最低斜拉索交点距桥面58m。南引桥为3 30m+3*0m 预应力混凝土连续箱梁，采用斜腹板形式，梁高1.8m。北引桥为25m 预应力混凝土简支箱梁，采用斜腹板形式，梁高1.8m。大桥双向六车道，桥宽37m；设计时速60kN/m，人群荷载按规范取值；设计基本风速33.7m。主桥桥梁横断面布置为 1m 风嘴+0.25m栏杆+4.5m 非机动车人行混行道+0.5m护栏+12m 机动车道+0.5m 分隔带+12m机动车道+0.5m 护栏+4.5m 非机动车人行混行道+0.25m 栏杆+1m 风嘴，全宽37m。为减小桥塔的横桥向倾斜角度，降低工程造价，桥塔与主梁相交处占用人行道，人行道由塔柱外侧绕行24-25。2.2.2 主要建筑材料2.2.2.1钢箱梁：桥主体钢结构钢材为Q345。人行道、护拦、栏杆、维修等辅助结构采用Q235钢材，以GB/T700-88为材料标准。钢箱梁内U肋连接采用摩擦型高强度大六角头螺栓连接付，规格为M22。2.2.2.2预应力钢绞线: 钢绞线应符合图纸要求及预应力混凝土用钢绞线（GB/T 5224-2003）中的规定。2.2.2.3预应力锚具：应力锚具应符合预应力筋用锚具、夹具和连接器(GB/T14370-2007)的要求。2.2.2.4普通钢筋：计用钢筋为R235和HBR335钢筋两种，其技术标准必须符合中华人民共和国国家标准GB1499-1998有关规定。直径大于或等于16mm的钢筋可采用等强度剥肋滚压直螺纹连接接长，其技术标准应符合JGJ107-96中的I级接头性能要求。2.2.2.5.斜拉索：拉索索体系采用双层HDPE护套镀锌高强度平行钢丝索。拉索索上下端锚头均为冷铸锚。外挤包黑色彩色双护层高密度聚乙烯，两端加锚具，经预张拉后成圈包装而形成的成品拉索。2.2.2.6.混凝土：引桥梁体、主桥主梁预应力混凝土梁段、主塔与塔靴连接处采用C50混凝土，桥台、桥墩、承台、搭板采用C30混凝土。桩基础采用C30水下混凝土。支座垫石采用C50混凝土。2.2.2.7.焊接材料 (1)焊接材料应通过焊接工艺评定试验进行选择，所选焊条、焊剂、焊丝均应符合相应的国家标准。 (2)选用的焊条、焊丝及焊剂与钢材焊接后，其熔敷金属的机械屈服强度、极限强度、延伸率及冲击韧性应高于母材的机械性能地基处理技术己有换填(砂砾、灰土)、予浸水、土或灰土挤密桩、强夯、高压喷射注浆(旋喷、粉喷、注浆)等多种，均系成熟技术，己纳入建筑地基处理技术规范中。2.2.3 技术标准2.2.3.1设计基准期：100年。设计安全等级：一级。2.2.3.2荷载标准：汽车荷载：公路I级；人群荷载：按规范计算。2.2.3.3.道路等级：城市主干道，机动车道满足双向6车道的通行，每个方向为3个车道，设计车速60公里/小时；设置非机动车与人行混行道。2.2.3.4.车道宽度：机动车车道宽度为3.5m（小型车道）、3.75m（大型车道）；非机动车与人行混行道4.5m。2.2.3.5.桥面宽度：主桥斜拉桥桥宽37m，含两侧各1m风嘴。引桥桥宽35m。2.2.3.6.道路纵断：最大纵坡2.46%；最小纵坡：6.9。2.2.3.7.桥面横坡：双向1.5%。2.2.3.8.建筑限界：机动车道净高5m，非机动车道净高2.5m。2.2.3.9.风荷载：100年一遇10m高度处设计风速V1033.7m/s。2.2.3.10.地震：桥梁抗震设防烈度7度，抗震设防措施等级8。2.2.3.11.环境类别：工程场地环境类别为类，属于严寒地区大气环境。第三章乌兰木伦大桥桥梁健康监测系统3.1 乌兰木伦大桥健康监测系统概述鄂尔多斯乌兰木伦河景观大桥结构健康监测系统是通过测量反映大桥关键部件的环境激励和结构响应状态的相关信息，实时监测大桥的工作性能和评价大桥的工作条件，以保证大桥的安全运营及为大桥的养护维修提供科学依据。桥梁结构健康监测系统重点在诊断可能发生结构损伤或灾难的条件和环境因素，评估结构性能退化的征兆和趋势，以便及时采取养护维修措施26-27。鄂尔多斯乌兰木伦河景观大桥结构健康监测系统将综合现代传感技术、网络通讯技术、信号分析与处理技术、数据管理方法、知识挖掘、预测技术及结构分析理论等多个领域的知识，极大地延拓桥梁检测领域，提高预测评估的可靠性。当结构出现损伤后，结构的某些局部和整体的参量将表现出与正常状态不同的特征，通过安装传感器系统便可拾取这些信息，而对信息的差异识别则就可确定损伤的位置及相对程度；经过对损伤敏感特征量的长期观测及分析，可掌握桥梁性能劣化的演变规律，以部署鄂尔多斯市康巴什大桥结构健康监测系统年报相应的改善措施，延长桥梁使用寿命。当然，桥梁健康监测系统虽可为桥梁评估提供即时客观的依据，但由于资源等方面所限，就目前情况而言，传感器系统不可能涵盖所有构件28-30。此外，由于对像鄂尔多斯乌兰木伦河景观大桥这类大型桥梁在复杂环境下响应的认识与经验的限制，也会导致对某些关键性部位监测的不足。大桥损伤大致可分为结构性损伤与非结构性损伤两大类，用于结构性损伤检测和非结构性损伤检测的传感器种类和布置截然不同。此外，非结构性损伤虽然不会减弱结构的承载能力与耐久性，但将对桥梁的正常运营造成隐患。因此必须将桥梁人工检查与先进健康监测系统有机结合，以期有效消除现存检测方法中的诸多不足31-32。 就当前的发展而言，先进监测技术与传统的检查方法是大桥维护管理中相辅相成的两个方面。在大桥投入使用初期，维修工作较少，重点放在结合观测结果与监测系统测得的信息，建立起精确可靠的结构模型，为长期检查维护计划制定做准备。在鄂尔多斯乌兰木伦河景观大桥整个设计使用寿命内，在确保大桥安全可靠运营前提下，使维护管理保持在相对较低的水平，这是引进结构健康监测系统的终极意义之所在。此外，建立一个技术先进、稳定高效的桥梁安全监测系统，对于提升桥梁工程的设计、施工和养护管理水平亦具有十分重要的意义33-36。 3.2 软件系统组成3.2.1功能概述“乌兰木伦大桥健康监测系统”通过对大桥的荷载监测、空气温湿度监测、结构温度监测、主梁振动监测、应力应变监测、斜拉索索力监测手段反映大桥环境和结构动力响应状态的信息，长期实时准确监测大桥的工作性能，以保证大桥的安全运营，为大桥的养护维修提供科学依据。乌兰木伦大桥健康监测系统是通过测量反映大桥关键部件的环境激励和结构响应状态的相关信息，实时监测大桥的工作性能和评价大桥的工作条件，以保证大桥的安全运营及为大桥的养护维修提供科学依据。乌兰木伦大桥健康监测系统综合现代传感技术、网络通讯技术、信号分析与处理技术、数据管理方法、知识挖掘、预测技术及结构分析理论等多个领域的知识，极大地延拓桥梁检测领域，提高预测评估的可靠性。当然，桥梁健康监测系统虽可为桥梁评估提供即时客观的依据，但由于资源等方面所限，就目前情况而言，传感器系统不可能涵盖所有构件。此外，由于对像乌兰木伦大桥这类大型桥梁在复杂环境下响应的认识与经验的限制，也会导致对某些关键性部位监测的不足。3.2.2功能模块乌兰木伦大桥结构健康监测系统的主要功能模块包括：数据采集模块数据传输模块监测查询模块数据分析模块3.3 系统操作3.3.1 软件结构整个监测系统分为数据采集模块、数据传输模块、监测查询模块三个大部分，数据采集模块负责采集不同传感器的数据、数据预处理、发生报警信息和保存数据功能，数据传输模块负责把采集的数据传送到数据服务器，保存成二进制文件或保存到数据库中，监测查询模块负责参数设置、采集站控制、报警、监测和查询数据功能。详见下图。读取数据文本文件内容读取二进制文件二进制文件数据服务器Oracle设置传感器信息Access监测查询模块传输二进制和文本文件读取传感器信息数据传输模块采集模块图3-1 桥梁健康监测系统软件结构图Figure 3-1 The software structure of bridge health monitoring system software structure3.3.2 各模块间关系数据采集模块分为在线数据采集模块和便携式数据采集模块，数据采集模块将采集的数据保存为二进制文件，同时对采集的数据每分钟统计一次，把统计结果保存为文本文件。在线数据采集模块在统计的过程中把采集数据同设好的报警限比较，如果超过预先设好的报警值则向监测程序发出报警信息。如果监测模块要求实时显示数据，则在线数据采集模块向监测模块发送实时采集数据。便携式数据采集模块采集的数据暂时保存在手提电脑中，采完数据之后连接到网络中用监测软件把采集数据导入到数据服务器中。数据传输模块将采集站的二进制文件传输到数据服务器保存，将采集站的文本文件中的数据保存到数据库中，并将采集站中已保存到服务器的15天前的文件删除。如果系统崩溃，只要采集系统正常工作，原始数据会一直保存在采集站，不会发生丢失数据现象。监测查询模块中如果修改或设置了传感器信息，则将修改后的信息发送到采集站中，通知采集模块进行参数更新。在实时监测时向采集模块发送请求，要求其发送实时采集数据，接收到采集模块发回的数据后实时显示出来；在查询时从数据库中或二进制文件中读取查询数据，最后显示出来。图3-2 数据采、数据传输、监测与查询之间的数据流图Figure 3-2 The data flow diagram about data mining, data transmission, monitoring and query第四章 风荷载监测风荷载是大型桥梁的荷载源之一，特别是大跨径的斜拉桥，它作为重要的荷载有时甚至起决定性作用。乌兰木伦桥主桥桥位所处的鄂尔多斯市地势起伏不平，气象条件复杂，风大沙多，冬季经常出现大雪天气，由于该桥跨度较大，塔较高且为斜塔，塔和主跨桥梁均为钢结构，质量小，阻尼低，是风致振动的敏感结构。因此，必须考虑结构的抗风安全性。由于大桥特定主桥采用支架法施工，为确保大桥在成桥阶段的抗风安全和使用舒适性，参照日本、美国、英国等的桥梁抗风规范及公路桥梁抗风设计规范（JTG/TD60-01-2004），对跨度超过200米的大跨度桥梁需通过风洞试验、风致振动分析等手段，对大桥的抗风性能进行全面评估，以检验大桥的抗风设计，并为可能存在的抗风问题提出有效、经济的对策。.风荷载监测设计4.1.1桥址区风特性和设计风参数根据桥位附近东胜、伊金霍洛旗、杭锦后旗陕坝、鄂托克旗、包头的100年一遇10分钟平均最大风速，特别是伊金霍洛旗气象数据的统计分析结果，在综合考虑海拔修正和地形地貌影响的基础上，得出桥面高度处的设计风速。表4-1桥位附近主要地区的基本风速Table 4-1 The basic wind speed near the bridge main regions地点海拔（m）100年风速（m/s）东胜1460.433.7伊金霍洛旗1329.328.1杭锦后旗陕坝1056.730.1鄂托克旗1380.334.9包头1067.233.0榆林1057.528.6表4-2乌兰木伦桥成桥设计风参数Table 4-2 The wind parameters of His wooden Aaron bridge风速类型成桥状态设计基准风速（m/s）37.3颤振检验风速（m/s）57.74.1.2风速风向仪测点布置乌兰木伦桥风荷载监测采用风速风向仪实时监测大桥的环境风力、风向变化情况，为分析桥梁的工作环境、评价行车安全状况、提供养管信息提供了依据。健康监测系统通过采集三个正交方向的风速时间历程，绘制平均风和阵风的风玫瑰图，了解日、月、年大桥环境风力、风向变化分布情况。系统在南塔塔顶、主跨跨中上游侧桥面各布置一个三向超声风速仪（见图4-1风速风向仪测点布置图）。图4-1：风速风向仪测点布置图Figure 4-1 Wind speed and direction finder arrangement of measuring points.风载荷监测结果根据系统监测的数据，下面给出2012 年9 月1 日至2013年9月30日的主跨跨中上游侧桥面、南塔塔顶（10桥墩塔顶）的风玫瑰图。从图4-2可以看出主跨跨中上游侧桥面所在处在2012 年9 月1 日到2013年9月30日共13个月内各风向频率相差不大，南风出现出现频率最多，其次是西风，北风出现频率相对较小。风速比较均匀，除西偏北风以外均在6m/s以内，西偏北风内也在10m/s以内。风速中等，系3至5级风。图4-2主跨跨中上游侧桥面风玫瑰图Figure 4-2 The wind-rose diagram of mainspan across a hierarchical side of the bridge 图4-3 10号桥墩塔顶风玫瑰图Figure 4-3 10 The wind-rose diagram of Num.10 bridge tower而图4-3则显示出南塔塔顶（10号桥墩塔顶）2012 年9 月1 日到2013年9月30日共13个月的风玫瑰图。其中左图显示出南塔塔顶所在处西南风频率最高，远高于其他各风向。右图则显示出西南风虽然频率高，风速却不大，最大风速为西北风，其速率最高达到14m/s，其余各风向风速均在6m/s以内甚至更低。基于2012 年9 月1 日到2013年9月30日共13个月内对乌兰木伦大桥主跨跨中上游侧桥面、南塔塔顶（10桥墩塔顶）两处的风载荷观察发现，在这13个月内，虽然两处的风载荷有差异，但都远小于该桥所设计的最高可承受风载荷。另一方面，从主跨跨中上游侧桥面、南塔塔顶（10桥墩塔顶）的风玫瑰图发现大桥不同位置具有不同风向频率及风载荷。主跨跨中上游侧桥面各风向频率相差不大，南塔塔顶（10桥墩塔顶）则主要为西南风。主跨跨中上游侧桥面各方向风速相差也不大均在4m/s以内，而南塔塔顶（10桥墩塔顶）最大风速的方向为西北风向，速度为8m/s，是主跨跨中上游侧桥面风速的两倍。考虑其因，应该是位置，尤其是高度的差异。由于地面对风存在摩擦力，小区域内的不同位置，不同高度其风向与风速也各相同，以至于桥梁的不同位置具有的不同风载荷。南塔塔顶（10桥墩塔顶）是乌兰木伦大桥的最高点，其所在处风受地面摩擦力影响较其他位置小，可能承受更大的风载荷。在以后的监测中，要注意到桥梁不同位置具有不同的载荷，要特别注意哪些承受风载荷高的地方，看其是否在桥梁设计的可承受范围之内，有没遭受风力的破坏。在监测到接近或超出其承受范围时，要对其进行更多监测，以鉴定其能否继续使用以及是否需要维修。通过有限元计算,对相应的荷载组合进行分析处理,可以得到主梁、主塔相关截面的应力值及相关节点的位移,还可得到斜拉索的索力值及应力值(说明:对于所有应力值正值表示拉应力,负值表示压应力)。由于钢箱梁段和混凝土梁段的应力数值相差较大,为方便显示及查看相应数据,把主梁的钢箱梁段和混凝土梁段的应力图分开示出,如图4-3所示。图4-3为主梁竖直方向弯曲图计算结果:成桥阶段,钢箱梁段上缘最大压应力为-100MPa,无拉应力;下缘最大压应力为-76.5MPa,最大拉应力21.6MPa。混凝土梁段上缘最大压应力为-8.7MPa,下缘最大压应力-11MPa,无拉应力出现。纵向风组合下,钢箱梁段上缘最大压应力为-125.4MPa,最大拉应力59.7MPa;下缘最大压应力为-129.2MPa,最大拉应力61.3MPa。混凝土梁段上缘最大压应力为-13.2MPa,下缘最大压应力为-14.1MPa,无拉应力出现。横向风组合下,钢箱梁段上缘最大压应力为-129.6MPa,最大拉应力51.5MPa;下缘最大压应力为-134.4MPa,最大拉应力61.3MPa。混凝土梁段上缘最大压应力为-14.2MPa,下缘最大压应力为-13.5MPa,无拉应力出现。第五章 温湿度监测5.1 空气温湿度监测设计空气温湿度变化是桥梁的重要荷载源之一，常引起大桥的变形和桥梁线形的改变，是监测重要内容。通过采集桥面及箱梁内空气温度及相对湿度参数，统计出每小时、每天、每月、每年的大气温度及相对湿度值及其变化，绘制出时间历程趋势图；系统在主桥主跨桥面：跨中上游与北塔