钱塘江三桥的健康监测系统设计
2015-04-21
工程概况
大跨径桥梁的结构健康监测已受到国内外工程界的普遍重视，桥梁结构健康监测力求做到对桥梁环境与结构行为的实时监控和对结构安全状态的认知与智能化评估。国外在80年代已开始进行大型桥梁结构健康监测方面的研究，并在某些重要桥梁上安装监测系统，例如英国的Foyle钢箱梁桥、Flintshire独塔斜拉桥，美国的Sunshine Shyway斜拉桥、Benicia-Martinez钢桁架桥，挪威的Skarnsundet斜拉桥，丹麦的Great Belt East悬索桥，墨西哥的Tampico斜拉桥，加拿大的Confederation连续钢构桥，日本的明石海湾以及韩国的Seo-Hae斜拉桥等。在我国自95年起在国家科委攀登B计划“重大土木与水利工程安全性与耐久性的基础研究”的资助下，开始对大型桥梁结构安全性与耐久性以及桥梁综合监测系统等方面进行了较为深入的研究与开发，并于97年在上海徐浦大桥上建立了我国第一套桥梁结构健康监测系统。至今，我国已经安装了监测系统的桥梁还有香港的青马大桥、汲水门桥和汀九桥、江阴长江公路大桥、润扬长江大桥、广东虎门大桥以及上海卢浦大桥、芜湖长江大桥等，而杭州地区的钱江四桥、五桥和六桥也安装了结构健康监测系统。
钱江三桥主桥采用两联完全对称的六孔一联的斜拉桥-连续梁组合体系，每一联由中间一座斜拉桥和两侧各两跨连续梁组成，每一联跨径划分为：
72+80+168+168+80+72=640m，主桥全长1280m。斜拉桥采用独塔单索面体系，塔、梁、墩固结。15对平行斜拉索布置在桥面中间，桥面索距8米，索面范围(中央分隔带)为3米，横向在索面两侧各布置三条行车道，每条车道宽3.5米，两侧人行道宽1.5米，桥面总宽29.5米。主梁为单箱五室预应力混凝土箱梁，梁高3.5米，主塔高88米，横桥向宽3米。桥面铺装由一层厚6cm的30号混凝土现浇层和5cm后沥青混凝土面层组成，桥面设2%的双向横坡，无纵坡。设计车辆荷载为汽车-超20级，挂车-120验算。
在钱江三桥上建立结构健康监测系统能把握大桥运营阶段的结构工作状态和评估结构的安全性与正常使用性提供必要可靠的数据，为大桥运营阶段的养护管理提供决策依据。拟开发的钱江三桥结构健康监测系统要达到的功能目标为：
·系统应对钱江三桥在各种环境与运营条件下的工作状态进行实时自动监测，对各监测项目能根据要求进行数据采集、贮存和查询；
·系统应具有对大桥关键构件（或部位）应力（或变形）超界的多级报警功能，并可通过测量数据的分析处理对结构的异常情况进行自动诊断；
·系统应具有对大桥荷载进行重量、流量和车速统计的功能；
·系统应能在任何时候对当前结构的安全性进行评估；
·系统应具有可视化人机交互界面，并能通过网络将数据或图形传输到有关部门。
系统设计原则
总体设计
钱江三桥结构健康监测系统是一个集结构分析计算、计算机技术、通信技术、网络技术、传感器技术等高新技术于一体的综合系统工程。为了使钱江三桥结构健康监测系统成为一个功能强大并能真正用于结构损伤和状态评估，满足大桥养护管理和运营的需要，同时又具有经济效益的桥梁结构健康系统，应遵循如下设计原则：
·遵循简洁、实用、性能可靠、经济合理的指导思想；
·系统设计以桥梁结构工程师为主，以设备工程师、网络工程师、计算机软硬件工程师为辅助；
·系统设计首先满足钱江三桥养护管理和运营的需要（养护管理对桥梁信息的需求），立足实用性原则第一，兼顾考虑科学实验和设计验证；
·根据桥梁结构易损性分析的结果及养护管理的需求进行监测点的布设；
·监测与结构安全性密切相关内容，主要监测一些有代表性的结构、必须监测的重要结构以及日常养护无法检查或者检测困难得结构响应；
·从动力、静力、耐久性对结构进行监测，采用实时监测和定期监测相结合的方法，力求用最少的传感器和最小的工作量完成工作；
·以结构位移监测为主，以力、应力、模态分析为辅助；
·系统应能顺应桥梁健康监测的发展方向，具有可扩展性。
传感器测点布设原则
1、传感器测点布设原则
·最大位移或能推算结构几何状态变化的地方或构件；
·主要控制或能推算结构几何状态变化的地方或构件；
·结构空间变形主要控制点；
·最大应力分布的地方或构件，最大应力变化的地方或构件，应力传递明确的地方或构件；
·可对结构总体温度进行监控的控制点；
·结构模态分析前3阶振型所必须的监控控制点；
·索力应力幅值变化较大的斜拉索。
2、工作站布设原则
·信号信息损失最小原则（最短布线原则）；
·同类信息通道集中原则（最佳信息检查原则）；
·通道预留原则（考虑后期荷载试验及临时增加传感器）；
·稳定与安全的运行环境；
·易于进行检查及维修、维护。
3、各类硬件的选型原则
·经验证目前国际国内性能最稳定者；
·具有可更换性；
·性价比最优者；
·MTBF（无故障平均运行时间）具体要求为：传感器、采集箱、供电、通信系统不少于10年；工作站、服务器、显示器不少于5年。
4、软件开发原则
·可用性、实用性、可靠性
可用性是本系统中设计的首要原则，在目标系统设计上应具有良好的性能价格比、较高的应用、推广效益，采用多种实用的技术手段，并尽可能集成成熟软件产品。实用性就是保证可用性的前提下能够最大限度的满足实际工作要求。而作为桥梁健康监测信息交互平台，应用系统其可靠性也是极为重要的。除了在硬件体系上的可靠性外，在目标应用系统的设计过程中，还必须注意稳定可靠性。及在结构设计上要充分考虑数据的、传输的可靠性及对关键数据的备份等措施；
·伸缩性、扩展性
应用系统应具有完备的扩展功能，为系统今后功能扩展、升级留有接口，并有利于系统的推广应用。它有两个层面的含义：一是检测内容的可扩展性；另一方面是业务功能上的可扩展性。目标系统的设计除了可以适应目前的检测内容外，还应充分考虑以后检测内容的扩充和分析手段的完善；
·管理及维护的简便性
一方面庞大的信息系统需要有效的管理和维护手段，另一方面由于本系统中涉及的传感器设备种类繁多，且安装现场调试环境恶劣，因此在目标系统设计中充分考虑对这些传感器设备的远程设置、控制机制；
·先进性
软件平台、技术实现手段的选型应符合主流的发展方向，在技术上采用当今较为成熟的技术同时保持相对的先进性，将先进和成熟的技术与现实相结合；
·开放式体系、模块化设计
采用开放式体系、模块化设计保证系统具有良好的可维护性和可扩充性。
监测技术
虽然实时监测可以检测到人工日常养护中无法检测的桥梁整体工作性能，以及对一些人工无法到达的隐蔽部位进行监测，但由于资源等方面的限制，实时监测系统不可能涵盖所有构件。此外，由于对三桥这类大型桥梁在复杂环境下响应的认识和经验的限制，也会导致对某些关键性部位监测的不足。因此，必须将定期人工检测、荷载检测与实时的结构健康监测系统有机结合，才能有效消除现存实时监测方法中的诸多不足。
钱江三桥结构健康监测系统采用实时监测与定期监测、检测相结合的方法对桥址环境、结构响应、结构变化等方面进行全面而系统监测，以全面得到反映桥梁健康状况的真实信息。
本系统实时监测的内容有：温度监测、主梁挠度、支座沉降、梁塔应力、裂缝、斜拉索索力、主梁动应变、主梁振动、主墩振动。
本系统定期监测的内容有：桥面标高测试、全部斜拉索索力测试、裂缝检查及裂缝宽度测试。
正常情况下，以实时监测为主，如果结构监测数据出现异常结果则进行人工监测和检测。人工监测和检测的数据也可以作为实时监测数据的复核与补充。图1为钱江三桥结构健康监测系统数据流程图。
1、温度监测
考虑测试方法的兼容性，传感器采用半导体类或者电阻类的温度传感器，温度计由优质不锈钢外壳、热敏电阻和专用电缆组成，具有优越的防水性能，信号稳定。全桥布置2个温度测试断面，分别为主梁和主塔断面，其中主箱梁布置12个温度测点，主塔断面埋设8个温度测点。
2、主梁挠度、桥墩沉降和主梁水平位移监测
主梁挠度及桥墩沉降监测采用静力水准技术。静力水准相对于GPS，具有精度高、速度快、成本低的特点，对于钱江三桥这种结构刚度相对较大、变形量相对较小、纵坡为平坡的桥梁尤为合适。
静力水准测量采用连通管的方法，测量使用电感式静力水准仪，构成一个差异沉降测量系统。主梁水平位移测试原理与挠度测试基本相同，区别是将竖向改成水平向。全桥布置25个静挠度测试断面，基本为主梁在每个墩的墩顶和跨中位置。主梁水平位移测试仅布置SP6墩和0#墩伸缩缝处，主要测量南联主梁的水平位移。
3、 静应变及混凝土裂缝监测
静应变及混凝土裂缝监测采用弦式应变计，方法是将弦式应变计固定在被测位置表面，当结构物发生变形时，应变计记录变化值，并将其转化为钢弦振动频率的变化，通过频率读数仪进行测试。
全桥布置10个静应变测试断面，分别为主梁和主塔断面，应变计在断面的上下缘布置。
4、斜拉索索力监测
斜拉索索力测试采用振动法，即在拉索上绑扎加速度传感器，通过拉索振动频率的变化，判断拉索索力的变化。由于拉索振动幅值相对较大，易选用灵敏度相对较低的传感器，如采用扩散硅加速度传感器或压电式加速度传感器。
全桥布置6个斜拉索测试断面，分别为南联斜拉桥两侧扇面的2#、8#和14#拉索。
5、动应变监测
动应变测试采用电阻应变片法，由电阻应变片配合动态应变仪进行动应变数据采集。 全桥布置6个动应变测试断面，分别位于各跨的跨中。
6、结构自振特性监测
主桥结构自振特性采用环境随机振动法，即将速度传感器放在主梁指定位置，根据对随机振动信号的分析，判断结构的自振特性参数，这其中包括自振频率、阻尼比和振型。由于梁体振动一般较弱，宜采用低频磁电式速度传感器。
根据理论计算和实测结果，主桥前四阶振动分别为侧向、竖向反对称和竖向对称三种振型，因此在南联的168m跨各布置3个测试断面，跨中布置2竖1横（3测点），其余布置2竖测点；北联168m跨跨中布置2个测试断面，跨中布置2竖1横（3个测点），全桥共18个自振特性测点（14竖向、4横向）。
7、船撞监测
船撞监测采用振动法，即在被测墩上安装加速度传感器，如果有船碰撞桥墩，会引发加速度传感器的输出变化，从而判断是否船撞及船撞力的大小和方向。
测试设备同主梁振动。索塔主墩布置2个测点分别为顺桥向和横桥向布置，2、4#墩布置1个测点，为横桥向布置，全桥共8个测点。除索塔测点布置于箱梁内外，其余测点布置于墩顶位置。
8、高速车辆动态监测统计系统
公路车辆动态监测统计系统设置在主桥入口处，当车辆通过本系统时，传感器拾取车轮对路面的冲击载荷等信息，经信号采集和数据运算，得出轴载荷、轴数、轮数、车速、车辆类型等参数，根据设定的限制参数可迅速判断出车辆是否“超载”，对疑似超载车辆信息在系统界面上显示并发出预警信号，同步可通过信息板装置告知车辆驾驶人员和路面执法人员，以便于实施管理。不超载车辆则正常通过，保证了治超和正常的公路通行秩序，有效的提高了公路通行效率。
9、通信技术
每个测点通过现场采集箱采集数据，并进行数字化处理，然后通过数字信号传输，传递至监控室。
现场采集箱与监控室通过光缆连接，根据现场测试的传输量，选择16芯的光缆，其中静挠度、静应变、温度测试共用2芯、斜拉索索力测试2芯、主梁动应变测试2芯、主梁自振特性测试2芯、船撞测试2芯、车辆轴重测试4芯，备用2芯。
从现场至监控室估计配置光缆长度为3km，光缆可采用单模或多模光缆。
结构健康状况评估系统设计
桥梁结构健康状况评估系统是桥梁健康监测系统的核心，为使钱江三桥桥梁结构健康监测系统真正地服务于大桥的运营管理，为大桥的养护维修提供科学依据，本健康监测评估系统密切结合大桥的管理要求，力求做到“预测性维护、评估式维护”，对桥梁的健康状况以及可能的发展趋势有清晰的了解，对桥梁构件的不正常表现做出即时诊断并找出其根源，及早发现灾难性破坏的隐患，以便能采取措施加以消除或最低程度对其进行控制和延缓。
结构健康状态评估系统分为在线评估和离线评估两部分。在线评估主要对实时采集的监测数据进行基本的统计分析、趋势分析，并与其阀值比对，给出结构的初步安全状态评估。
离线评估在结构评估服务器上进行，主要对各种监测数据（包括其它系统、日常管养等）进行综合的高级分析，如模态分析、桥梁特征量与环境因素之间的相关性分析等。这些方法通常需占用一定的计算时间来进行大量的结构计算，以便给出结构全面综合的评估结论。
结构健康状态评估可分为五个层次，分别是全桥、区段、部件、断面、布点，在线评估及离线评估分别完成不同层次的内容，由浅到深，由单项到综合。
系统设计体会与展望
健康监测系统在国内桥梁领域的运用只有10来年的历史，目前还存在以下几个问题： ·传感器的使用寿命远低于被测结构物，因此传感器的长期稳定性、数据的持续采集以及设备的方便更换是制造商们所必须研究和改进的；
·由于受到测试设备精度的影响、结构的复杂程度的不确定以及评估理论的限制，评估软件的智能性和实用性还有待提高。
虽然目前健康监测系统在实用性方面还存在一定距离，但随着设备的更新、经验的积累、理论的完善，结构健康监测系统会在桥梁的运营过程中发挥越来越大的作用。
