悬索桥运营期远程健康监测系统初探
2015-06-30
1项目概况
成都市二环路跨清水河交叉口立交工程，是成都市二环路上重要工程之一，在成都市道路交通网中占有重要的地位。该立交桥主桥桥型采用双幅独塔两跨自锚式悬索桥。主跨布置为26m+70m+70m+26m，其中一跨跨越清水河，另一跨跨越大石西路路口，主桥全长192m。全桥共设四根主缆，采用预制平行索股逐根架设的施工方法(PPWS)。吊索采用铅垂布置，在标准段间距4m，索塔两侧为7m，每个吊点设一根吊索。全桥总计安装56台穿心式锚索计，锚索计在大缆和有代表性的吊杆上布置。每根大缆由14 股127 丝φ5.3mm 的镀锌高强钢丝组成，选择其中的3 股钢丝进行索力监测，6 根大缆共计24 个测点。吊索的监测方案是选择具有代表性的吊索进行监测，包括：最长吊索、最短的两根吊索以及跨中附近的吊索，共计32 个测点。传感器布置见所示。
2．系统的工作内容和集成方案
根据国内外类似桥梁健康监测技术研究和应用情况，我们提出的清水河大桥健康安全监控系统的集成方案如图2所示。
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：
自动化传感测试数据采集传输子系统：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三个子系统构成。
传感器子系统：完成应变、结构温度、索力、几何变形、环境参数、动力特性等参数的参数采集工作。
数据采集与传输子系统：负责传感器信号的采集、调理、预处理、传输等。
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。
结构健康评估子系统：根据自动化传感测试数据采集传输子系统采集回来的数据对桥梁状况进行综合评估。
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。
3.传感器选型原则
传感器子系统需完成结构温度、大缆索力、吊索索力、几何变形、环境参数、动力特性等参数的参数采集工作。传感器系统的选择依照以下原则进行：
选择合适的传感器精度
传感器的精度往往与价格是矛盾的，因此在传感器的选择上不能一味追求高精度，应在适用的前提下选择精度合适的传感器。另外，传感器的精度选择还应该和采集与传输模块以及数据处理模块匹配。因此传感器的精度选择应本着服务于评估子系统的原则来进行。
选择满足长期稳定性与可更换性要求的传感器
传感器在实桥工作环境下能够长期稳定工作，其必须具备温漂小、时漂小、可靠性高的特点。由于桥梁设计年限大大高于传感器等光、电产品，因此在整个桥梁的生命周期内，传感器必然面临更换的问题，所以传感器的可更换性也是极其重要的。
选择满足采样频率或时间系数要求的传感器
桥梁结构状态始终处在不断的变化中，因此，对桥梁结构进行指定时间的实时监测是必要的。通过实时监测可以获得桥梁结构在变化荷载作用下的响应，这对于分析桥梁各时期结构刚度状态、记录桥梁的加载变化历程从而进行疲劳寿命分析有重要的作用。传感器系统具有较高的采样频率的另外一个好处就在于便于实现全桥传感器系统采样数据的同步，否则各传感器数据不同步将导致较大的分析误差。
选择方便采集的传感器类型
对某种参数的监测可能可以选择不同的传感器，这些传感器都能够满足上述要求，这时，应尽量选择便于采集的传感器。这样可以大大简化采集系统的设计，并且具有更高的可靠性。一般而言，按照监测内容比例输出电压、电流等信号的传感器较为容易采集。
4．传感器布置原则
4.1监测项目的拟定
健康监控系统必须监控桥梁关键部位的重要信息，包括：
重要的环境参数（环境温度）
关键部位的变形状况（塔顶变位、主跨挠度、锚梁纵向位移等）
索结构的监控（大缆、吊索的索力）
桥上交通情况
4.2环境温湿度仪的布置
桥址小气象观测采用环境温湿度仪在线监测，环境温湿度测点分别布置在索塔（1个）和主梁（2个），共计3个测点。
4.3锚索计的布置
锚索计在大缆和有代表性的吊杆上布置。
每根大缆由14股127丝φ5.3mm的镀锌高强钢丝组成，选择其中的3股钢丝进行索力监测，6根大缆共计24个测点。
吊索的监测方案是选择具有代表性的吊索进行监测，包括：最长吊索、最短的两根吊索以及跨中附近的吊索，共计32个测点。
4.4主梁位移测点的布置
主梁的挠度测点布置在主跨的跨中，共4个测点。
锚梁的纵向位移计布置在锚固梁端部支座处，共4个测点。
4.5大缆线形测点的布置
大缆线形测点布置在大缆的处，共4个测点。
4.6索塔偏位测点的布置
索塔偏位测点布置在索塔的塔顶处，共2个测点。
各种传感器的测点位置和测点总数见表2
5 结束语
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，因此桥梁运营期的健康监测近年来受到了业内人士的普遍关注。本文以成都市清水河大桥为工程依托，对桥梁安全运营期远程健康监测的实施原理、传感器选择布置及监测内容等技术进行了详细的阐述，丰富了桥梁健康监测系统的方法。
