健康监测可行性建议书.doc

福田-落马洲通道桥健康监测系统可行性建议书 通道桥管理技术处
福田—落马洲通道桥
健康监测系统可行性建议书
一．概况
1.斜拉桥健康监测系统
斜拉桥健康监测系统是一个以桥梁结构为平台，应用现代传感、通信和网络技术，优化组合结构监测、环境监测、交通监测、设备监测、综合报警、信息网络分析处理和桥梁养护管理各功能子系统为一体的综合监测系统，它实时监测桥梁在各种环境、荷载等因素作用下的结构响应，并能有效地提供桥梁管理的科学依据，显著提高桥梁的整体管理水平，从而能够最大限度地确保桥梁安全营运、预诊断桥梁病害和延长桥梁使用寿命。
2.建立健康监测系统的必要性
根据《关于深港皇岗-落马洲人行通道桥主体结构监测及保养维修安排的协议书》内容要求必须建立长期健康监测系统。
斜拉桥灵活多变的塔、梁、索组合形式，宽广的跨径适应范围和相对良好的空气动力稳定性，以及便于悬臂施工等优点，使其得到广泛应用。由于斜拉桥在交通干线中的重要作用以及斜拉桥的结构特点和不利的工作条件，人们非常关心斜拉桥结构的安全性和耐久性。近年来营运中发生的斜拉桥结构损坏事故，更引起人们对斜拉桥安全使用与维护的关注。
斜拉桥有许多不同于其他桥梁形式的结构构造和结构材料，并有相应的问题需要研究并加以解决。比如：
（1）细长的斜拉索暴露于高空大气中直接受日照、温度变化、风、雨作用，在风、雨车辆荷载的激励下会产生各种不同机制的拉索振动，如不采取有效的减振措施，频繁、大幅度的拉索振动会引起拉索防护层功能的失效和拉索钢丝的疲劳。因拉索防护系统失效而引起拉索钢丝和锚具的腐蚀，是影响斜拉桥安全最突出的问题。
（2）斜拉桥是一种内部高次超静定结构，施工误差、混凝土的收缩徐变都会引起斜拉索索力的变化，而不合理的索力状态，会在主梁和索塔内引起不同于设计的内力状态。因此，在施工和营运阶段将斜拉桥的拉索索力偏差严格控制在容许范围内是斜拉桥的另一个重要问题。
（3）斜拉桥的主梁除了和其他形式的桥梁一样承受自重及荷载引起的弯矩和剪力外，还要承受斜拉索水平分力产生的轴向力，不合理的主梁线形在轴向力的作用下会产生附加弯矩，而这种附加弯矩又会加剧桥面线形对正常位置的偏离。因此，在施工和营运阶段将斜拉桥的主梁线行的偏差严格控制在容许范围内是斜拉桥的又一重要问题。
在桥梁结构的适当部位安装相应的传感器，能反映桥梁健康状态的特征参数，如斜拉索索力、索塔和主梁的位置、荷载引起桥面板的应力、主梁和索塔断面上的温度分布、主梁控制断面的振动加速度等，能进行实时监控或定期检查，及时了解桥梁的工作状态及发展趋势。对特征参数的异常值进行分析判断，找出原因，以便组织更进一步的检查、检测或采取相应的营运管理措施或维修养护措施，使桥梁经常保持良好的营运状态，这是桥梁健康监测最直接、最主要的目的。当然，由健康监测系统获得的数据、资料对改进今后的桥梁设计，促进桥梁科学研究同样有十分重要的意义。
3. 斜拉桥健康监测系统的应用
基于对斜拉桥健康监测系统重要性的认识，受到以往桥梁健康监测系统成功经验的启发，通过收集结构和构件的位移、应变、加速度等物理参数以及环境因素对结构的影响资料，了解结构的工作状态，将起到确保桥梁安全营运、延长使用寿命的作用。希望能通过早期发现桥梁病害，以节约桥梁的维修费用，提高桥梁的综合作用效益。
二．斜拉桥健康监测系统特点
1．系统特点
从已经建立的监测系统的检测目标、功能以及系统运行等方面看，大型桥梁进行健康监测系统具有以下特点：

（1）通过测量结构各种响应的传感装置获取反映结构行为的各种记录。除检测结构本身的状态和变化外，还强调对结构环境条件（如风、车辆荷载等）的监测记录分析。
（2）在通车营运后连续或间断地监测结构状态，力求获取的大桥结构信息连续而完整。
（3）监测系统具有快速大容量的信息采集、通讯与处理能力。并实现对数据的网络共享。
（4）诸如光纤光栅传感器、MEMS和GPS等先进技术已经逐渐在桥梁监测系统中应用。
（5）大型桥梁健康监测系统不只是传统的桥梁检测加结构评估技术，而是被赋予了结构监控与评估、设计验证和研究与发展三方面的意义。
（6）实时监控可达到预警预报的准确性、可靠性、合理地进行管理。可实现实时或者准实时的损伤检测，及时发现桥梁的损伤与质量退化。对大桥在使用过程中出现的损伤进行定性、定位和定量分析，实现防患于未然。并且对检测出来的损伤进行分析，提供维修建议等。
2.设计原则
在设计健康监测系统时，为了避免以往监测系统存在的技术问题，使之成为一个功能强大并能真正长期用于结构操作识别和状态评估，同时又具有经济效益，能达到国际技术水平的桥梁健康监测系统，应遵循如下设计原则：
（1）强调大桥健康监测系统的科学性，遵循“简洁、实用、性能可靠、经济合理”的设计原则。
（2）健康监测系统首先需满足大桥养护管理和营运的需要（养护管理对桥梁信息的需求）。按照实用性原则，根据实际需要，采用实时监测和定期检查相结合的方法，力求用最少的传感器和最少的数据来满足功能要求。
（3）由于采集数据量大，且数据在因特网传输过程中在时间上有一定的滞后，系统在底层网络应设置智能型传感器工作站，在传感器工作站之中嵌入数据的预处理和初级预警模块。工作站在采集数据的同时，就能对数据进行预处理和实时分析，以克服以往系统不能有效处理、分析和处理采集到的大量数据的弊病。
（4）各传感子系统均采用独立模块设计，单个传感器或数据采集单元的维护、更换不会影响系统的运行；系统软件采用模块化设计，确保很强的升级能力。
（5）系统设计以结构工程师为主，他们能深刻理解桥梁结构、掌握各传感器采集信号的关联性，从而可以根据多个传感信息来判断结构工作状态，正确的对桥梁结构设置预警值。
桥梁的健康监测系统成功的设计、安装、调试和使用，将极大地减少大桥管理的现场工作量和养护管理费用，尤其是能及时了解桥梁的营运状态、病害和外部事件，从而科学地制定对策，对中长期养护计划及加固、改造发挥作用。
三．深港皇岗-落马洲人行通道桥健康监测系统
深港皇岗-落马洲人行通道桥2007年8月15日开通至今已有两年有余，是深圳市的重要口岸通道之一，随着客流量的日益增多，通道桥的管理及养护尤为重要，仅靠人工手段监测已无法满足桥梁养护要求和有效地防范突发事件的发生，主要表现在：
（1）定时检测间隔时间较长，检测的数据不是动态检测数据，不能随时反映桥梁在极端受力状态和恶劣环境下的营运状态，起不到预防和预报的作用。
（2）现在的高程测量由人工完成，受读数误差、视角、大气、温度等因素的影响，测量精度不高。
（3）人工检测需耗费大量人力、物力和财力，花费较长时间。
（4）由于桥梁建筑时，对桥梁的养护考虑不周，很多位置不易到达，观测较困难，增加了技术人员检测的危险性。
为了确保通道桥的安全营运，延长桥梁的使用寿命，建议在通道桥上安装健康监测系统。
（一）要求与内容
通道桥连接深港两地，过往旅客日渐增多，安全及国际影响的重要性显著。为此桥梁监测的首要任务是掌握桥梁的安全状态。因此选择以下的监测项目作为斜拉桥健康监测系统的主要内容：
1.桥梁变形监测.
恒载作用下主梁轴线的位置是桥梁整体安全状态的重要标志，荷载作用下主梁的挠度既是桥梁整体刚度的重要标志，也能反映作用于桥梁上荷载情况，通过对桥梁变形的监测可以从整体上把握桥梁的健康状态。主要是结构位移测量监测：
（1）主梁各跨跨中的竖向位移；
（2）主塔塔顶的水平位移；
（3）各支座处主梁的纵桥向位移。
2.桥梁动力特性及振动水平的监测
桥梁动力特性包括桥梁振动的频率、振型和阻尼比，它也是桥梁整体安全的标志。桥梁使用质量的退化会引起自振特性的改变，例如在其他条件不变的情况下，桥梁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桥梁局部损伤的存在。
用环境随机振动方法测量大桥振动特性，如自振频率、振型和阻尼值等。其中振型包括：
（1）主梁的横向弯曲振型，竖向弯曲振型及扭转振型；
（2）桥塔的顺桥向弯曲振型，横桥向弯曲振型及扭转振型；
（3）索的面内和面外外弯曲振型。
3.主梁动应力监测
斜拉桥主梁受荷载的影响最直接，极易因异常局部荷载而引起损伤，同时主梁的损伤对桥梁使用性能的影响也最为直接。通过对主梁有代表性断面上的动应力监测，可以了解作为斜拉桥主要受力构件主梁的受力状态，这对控制荷载和进行构件疲劳分析十分必要。其中：
（1）桥上人流荷载
对桥上人流情况进行实时记录。
（2）地震荷载监控
在主塔设三向加速仪，测量桥址在地震时的地面三向加速度并绘制有关的地震反弹谱。
4.桥址处风速、风向及温度分布监测
（1）桥址处风速和风向监测
①测量平均风速和风向，汇编桥址的风玫瑰图，确定平均风速、风向和重现频率，用作大桥的结构抗风验算复核，并作为在台风期间大桥交通管制措施的参考。
②测量风的结构，包括：3s阵风风速，1min平均风速，10min平均风速，1h平均风速垂直面的风角和风速，风在不同方向上的功率谱，不同风向不同平均风速的相关和相干特性。
③测量特定风速的持续周期，以检测桥梁或拉索的涡激共振的平均持续周期。
（2）温度分布监测
①测量在桥址处的环境温度，并和所测得的平均风速和风向作相关性比较。
②测量桥塔截面内的温度分布状况。
③测量底层箱梁内温度及中层梁和顶层梁温度。
④测量室内温度。
通过温度分布监测，尤其对主梁及索塔有代表性断面上的温度分布监测，可以验证设计假定或根据实际测量的结果重新计算温度对桥梁内力和变形的影响，以便对桥梁的安全状态作出更加符合实际的评价。
5.斜拉桥索力监测
斜拉桥索力监测按随机振动法采用定期人工检测的方式，检测结果存入系统的监测数据库。
（二）系统综述
1.系统目标
斜拉桥健康监测系统是大桥养护管理系统的重要组成部分，其预期目标是：
（1）对日常营运状态下主桥的索塔及屋面的温度分布进行实时监测，对斜拉桥的索力进行定期监测
（2）对以上检测内容提供便于结构工程师和桥梁养护、管理技术人员对桥梁的健康状态作出判断的结果报表。
（3）为今后进一步用于计算机软件进行桥梁异常状态识别及桥梁综合评估积累资料。
2.工程内容及范围
（1）桥梁长期健康监测系统还包括以下内容：
①测量与数据的自动采集；
②数据的处理与传输；
③数据存储管理与查询应用；
④结构实时变形动态显示；
⑤服务水准安全报警；
⑥结构健康与安全评估。
（2）斜拉桥的健康监测系统的工程范围是：
①安装桥梁上的各种传感器、放大器、数据采集及通信设备。
②安装监控室的数据显示、存储、查询与管理系统。
③连接桥梁现场设备与监控室的通信网络。
3.工作界面
（1）所有监测传感器、放大器、数据采集、通信设备及数据管理的硬件购置、安装、调试工作。
（2）健康监测系统中所有的数据采集、通信及数据管理的软件编制及购置。
（3）桥梁现场设备至监控室计算机通信光缆和桥梁现场设备之间的通信光缆的敷设与相应的连接设备。
（4）监控室的室内装修工作及必要的办公用品购置。
（5）系统接收实时监测的荷载的数据及定期检测的拉索索力的数据。
4.系统结构
斜拉桥健康监测系统包括以下互相关联的子系统：
（1）传感器（放大器）系统
系统应用先进的传感技术，通过各种不同功能的传感器，将被测的不同形式的物理量如位移、应变、温度、振动和速度等转变成便于记录及再处理的电压、电流等电信号或光信号。由于从传感器输出的电信号或光信号一般很弱，通常各种传感器都需要有与之相匹配的放大器。放大器的功能是将传感器的输出信号放大或换成便于记录的另一种信号。
（2）数据采集与传输系统
系统的功能是将经传感器变换、放大器放大后的信号直接以模拟量的方式记录下来或者经过模数转换以后以数字量的方式进行记录。另外，为了达到实时检测或远程监测的目的，还要将这些数据通过合理的传输方式送到监控室，或在计算机终端显示，或直接进入监测数据库。
（3）监测数据管理
系统的目的是根据各监测项目的特点，使各种不同类型的数据通过恰当的组织被有效地储存起来。在保证必要信息储存的前提下，尽量减少数据冗余度。管理系统要能方便地从数据测量系统中获取数据，又能被不同用户方便地调用数据。
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