（机械电子工程专业论文）基于dsp的悬索桥健康监测数据采集系统研究.pdf

摘要 本文以大型悬索桥健康监测系统中数据采集系统为研究对象，采用理论、设计、调 试相结合的方法，设计了采集系统的硬件电路、相应软件程序，利用c c s 软件进行了仿 真及调试研究，达到了目标效果，为后期的研究打下基础。本文的研究方法和内容，不 仅可以提高桥梁健康监测的电子化程度，还可为其他桥梁数据采集子系统提供积累经 验。本文主要研究内容如下： 1 依据悬索桥有限元分析结果，得到动力响应、温度、内力、变形、活载、耐久性六 大信息，确定了其监测重点部位；在分析的基础上，提出了健康监测系统传感器布 设方案。 2 在确立监测方案的基础上，对需要采集的标志数据进行了分析，确定了数据采集系 统整体方案。 3 完成了基于d s p 的数据采集系统的软、硬件平台设计。进行硬件选型、电路设计， 并引入总线进行数据传输；利用官方提供的软件，开发针对硬件的软件，经过调试， 达到设计要求。 4 在完善采集系统方案情况下，针对传统巡检的不足，进行了电子化人工巡检子系统 的接口补充设计，解决了人工巡检与健康监测的一体化问题。 关键字：桥梁，健康监测，数据采集，总线，d s p a b s t r a c t t h ep a p e r ，t a k e st h eh e a l t hm o n i t o r i n gd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo fl a r g e s u s p e n s i o n b r i d g ea st h eo b j e c to fs t u d y , a d o p t i n gt h ec o n n e c t i v em e t h o do ft h e o r y , d e s i g na n dd e b u g ， e v e n t u a l l yt h ec o m p o u n dr e s e a r c h e so nt h es y s t e ma r ew o r k e do u t ，a n dl a y i n gt h ef o u n d a t i o n f o rt h es t u d y i nt h i sr e s e a r c h ，h a r d w a r ec i r c u i t ，c o r r e s p o n d i n gm o d u l e sp r o c e d u r e sa n d a c q u i s i t i o ns u b s y s t e mo fm a n - m a c h i n ei n t e r f a c eo ft h ea c q u i s i t i o ns y s t e ma r ed e s i g n e d ；u s i n g c c ss o f t w a r et os i m u l a t i o n ，a n dc o m m i s s i o n i n gr e s e a r c h ，t h eg o a lf o rt h el a t e rs t u d yi s r e a c h e d t h er e s e a r c hm e t h o d sc a nn o to n l ym a k et h ea u t o m a t i o no ft h em o n i t o r i n gs y s t e m i m p r o v e d ，b u ta l s oa c c u m u l a t et h er e f e r e n c e so t h e rd a t aa c q u i s i t i o no fs t r u c t u r a lh e a l t h m o n i t o r i n gs y s t e m t h em a i nr e s e a r c h e sa r es u mu pa sf o l l o w s ： 1 b yt h e f i n i t ee l e m e n t t h e o r ya n a l y s i sp r o p o s e df o r t h eb r i d g e ，d y n a m i cr e s p o n s e ， t e m p e r a t u r e ，f o r c e ，d e f o r m a t i o n ，l i v el o a d ，a n dt h ed u r a b i l i t yk e yi nf o r m a t i o n sa r ei d e n t i f i e d o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i s t h ep r o p o s e ds e n s o r sl a y o u tp l a no ft h eh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e mi s e s t a b l i s h e d 2 b ya n a l y z i n gt h ek e yd a t aw h i c hb a s e do nt h em o n i t o r i n gp r o j e c t ，t h eo v e r a l lp r o j e c to f t h ea c q u i s i t i o ns y s t e mi se s t a b l i s h e d 3 b y t h ee s t a b l i s h i n go fd s p b a s e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r es e l e c t i o nw h i c hl a yu n d e rt h e p r i n c i p l e ，t h em o n i t o r i n gh a r d w a r es y s t e mi sc o m p l e t e d i nt h ed a t aa c q u i r i n gs y s t e m ，t h eb u s i sp u tf o r w a r df o r t h ed a t at r a n s m i s s i o n ，t h eh a r d w a r ef o re a c hp a r to ft h es e l e c t i o ni s c o n f i r m e d u s i n gt h eo f f i c i a ls o f t w a r e ，e x p l o i t i n gt h ed e v e l o p m e n to fs o f t w a r ef o rt h e h a r d w a r e ，f i n a l l yt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa lea c q u i r e d 4 i nt h ec a s eo fc o m p l e t i n ga c q u i s i t i o ns y s t e m ，f o rt h es a k eo fo v e r c o m i n gt h ew e a k n e s s o f t h et r a d i t i o n a lm a n u a li n s p e c t i o n ，t h ee l e c t r o n i cs u b s y s t e mi n t e r f a c ei sd e s i g n e d ；e v e n t u a l l y t h ei n t e g r a t i o no fa r t i f i c i a li n s p e c t i o na n dh e a l t hm o n i t o r i n gi ss o l v e d k e yw o r d s ：b r i d g e ，h e a l t hm o n i t o r i n g ，d a t aa c q u i s i t i o n ，b u s ，d s p i l 长安大学硕上学位论文 1 1 项目背景及意义 第一章绪论 在各种重大工程结构中，桥梁结构具有数量众多、投资巨大和意义重大等特点，因 此，桥梁结构健康监测得到了国内外的广泛关注。对于桥梁结构而言，随着大桥使用年 龄的增长、气候和环境等自然因素的作用以及日益增加的交通量及重车过桥数量，导致 桥梁结构或构件发生不同程度的自然累积损伤和意外损伤，从而使得桥梁结构的安全性 和耐久性发生退化【。 在哥伦比亚，在疏于养护和恶劣的气候条件下，2 0 0 0 多座公路桥梁中，约有6 0 的桥梁存在中等程度的损伤；美国f h a ( f e d e r a lh i g h w a ya d m i n i s t r a t i o n ) 每两年对5 7 5 万座桥梁的检测结果显示，约4 0 的桥梁存在结构缺陷或功能陈旧，修复这些结构缺 陷需要投资约7 0 0 亿美元；英国运输部曾在2 0 0 0 年抽样调查过2 0 0 座混凝土公路桥， 调查结果表明约3 0 的桥梁运营条件不良；在前南斯拉夫，大约有1 9 的桥梁运营状 况不良；在印度，大约1 0 的公路桥梁需要替换，另有1 0 的桥梁有损伤迹象。桥梁 结构损伤如果不能得到及时维护和维修，不仅会影响行车的安全，缩短桥梁的使用寿命， 甚至会发生桥梁的突然破坏或倒塌等惨痛事故1 2 】1 3 1 。许多桥梁到达或即将达到设计服务 期，桥梁的老化和功能退化呈现力加速的趋势。 表1 1 桥梁事故统计给出了国内外比较著名的桥梁事故信息，从表中可以看出桥梁发 生事故的代价不仅是人民的生命，同时也会造成公共财产的巨大损失。 时间 地点桥梁名称伤亡损失 1 9 4 0 1 1 0 7 美国w a s h i n g t o n 州普吉特海峡 t a c o m a 人吊桥大桥整体垮坍 1 9 6 7 1 2美国o h i o 河s l i v e r 人桥 4 6 人夕e 亡 1 9 9 4 1 0韩国汉江 圣水人桥3 2 人夕e 亡 1 9 9 9 0 1 中国重庆 綦江彩虹桥死4 1 人，伤1 4 人 6 辆汽车坠河，2 2 2 0 0 0 0 8台湾省高雄与屏东连接处高屏人桥 人受伤 2 0 0 l四川宜宾市南门人桥年经济损火数+ 亿 4 辆汽车坠江，另有 2 0 0 7 0 6 0 7广东广东九江人桥 9 人失踪 2 0 0 7 0 8 01美国两西比河不详至少7 人死，6 0 伤 湖南风凰县人 2 0 0 7 0 8 1 3湖南风凰县6 4 人遇难 桥 表1 1 桥梁事故统计 第一章绪论 我国的桥梁健康状况也不容乐观。随着国民经济的迅速发展以及交通运输能力要求 的不断提高，许多桥梁到达或即将达到设计服务期，桥梁的老化和功能退化呈现力加速 的趋势。我国现有5 0 0 0 余座公路桥，6 0 以上的桥梁都存在结构性缺陷、不同程度的 损伤和功能性失效的隐患，其中重要的桥梁急需安全监测、评定和维修加固，表1 2 福 建省交通厅最新统计数据训，这些数据说明了检查桥梁健康状况的莺要性。 单位管理桥数调杏桥数破坏桥数破损率( ) 天津市桥梁管理所 9 93 5 2 3 6 6 武汉市桥梁管理处 5 02 0 52 5 海口市市政一l ：程公司 2l1 1 0 0 石家庄市市政养护管理处 1 2 3 412 5 兰州市市政养护管理处7 36 65 38 0 福州市市政管理处1 0 76 96 59 4 杭州市政设施管理处 1 3 7757 l 南京市市政管理处l ll l98 2 西安市市政管理处 2 21 4 52 6 郑州市市政管理处 1 31 3 86 2 重庆市城市建设局1 31 353 8 桂林市城建局 4 03l3 3 北京市公路管理处 1 8 0 03 0 09 03 4 表l - 2 福建省交通厅最新统计数据 桥梁事故的频频发生，以及桥梁建设的快速发展，使得人们对桥梁的质量和寿命越 加重视，而采用科学的监测和评估手段来保障桥梁结构的可靠性、安全性和耐久性，实 现对已运营和新建设桥梁进行结构健康监测成为桥梁工程的重要研究课题。 本文依托的工程某海湾大桥中规模最大、设计和施工难度最高的、具有制造梁段多、 构件多、重要结构复杂特点的桥。 为把握桥梁结构在营运期间承载能力、营运状态，保证桥梁结构的安全性、适用性 和耐久性，本文提出了针对本项目桥梁的结构健康监测方案，在桥梁的相应监测区域上 安装了合适的传感器，对各种传感器进行数据采集，通过对采集数据的分析得出相应的 结论，实现监测桥梁运营期的结构状况，同时结合电子化的人工巡检，为桥梁的维护提 供依据，以保障桥梁的安全运营，延长桥梁使用寿命。 2 长安大学硕士学位论文 1 2 悬索桥健康监测系统( s ) 简介 桥梁在建成通车后，由于受到气候、氧化、腐蚀和老化等环境因素影响，并且长期 在静载和活载的作用下遭受损坏，其强度和刚度会随着时间的增加而降低。这不仅会威 胁到行车安全，甚至会使桥梁的使用寿命缩剧5 1 。而传统的桥梁检查，主要是人工巡检 的程序和设备，不能直接且有效地应用在大型悬吊体系桥梁上，因为悬吊体系桥梁的结 构布局和规模都十分复杂，构件多而尺寸大，其中一些构件都难以直接靠近检查。另外， 由现代的机械、光学、声学和电磁学等技术的检测工具构建起来的实时健康监测系统， 不能提供整体和全面的全桥结构健康检测和评估信息，只能提供局部的检测和诊断信 息。基于此，有必要建立和发展一个实时的、综合的、一体化的结构健康监测系统与巡 检养护管理系统【7 】【8 j ，以监测和评估悬索桥在营运期间其结构的承载能力、营运状态和 耐久能力。 国际上各国对桥梁结构健康监测都非常重视。如美国在2 0 世纪8 0 年代开始已在对 金门大桥的环境振动进行监测试验，主要监测部位有：金门大桥的桥墩、桥塔和主缆及 桥面，并在这些部位安装了测振仪。日本关门大桥也在2 0 世纪7 0 年代安装了大桥健康 监测系统。 国内进行了一些监测方面的探索，我国自主设计建造的第一座大跨度现代悬索桥 汕头海湾大桥自通车营运之后，即歼始进行每年一度的定期健康监测，检查主要结 构的工作状态。 青马大桥位于中国香港，是一座主跨1 3 7 7m 的公铁两用悬索桥，在该桥完工后的 第二年，针对其特点构建的桥梁结构健康监测系统开始工作，迄今已取得了大量的环境 因素影响及结构状态的数据。此后香港的汲水门斜拉桥、汀九斜拉桥亦相继建立桥梁营 运状态监测系统。虎门大桥、上海徐浦大桥、江阴长江大桥、南京长江二桥、芜湖长江 大桥、军山长江大桥等均建立和准备建立营运状态的健康监测或安全监测系统1 6 1 。该项 技术已逐渐成熟并成为大跨度桥梁性能监测的普遍手段，并为桥梁设计、建造和维护提 供宝贵的适时监测数据和经验。 1 2 1 健康监测范围和目的 1 健康监测范围 ( 1 ) 桥梁工作环境的监测：包括桥址处风速和风向，桥址处环境温度和桥梁结构上 温度分布状况，交通( 车辆) 荷载及其分布状况，地震荷载等； 3 第一章绪论 ( 2 ) 桥梁整体性能的监测：包括主塔和桥跨结构的动力特性，加劲梁的各控制部位 应力和位移状态，以及主缆和吊索索力等； ( 3 ) 进行结构状态评估工作，以评估桥梁即时的结构可靠度。 2 健康监测目的 ( 1 ) 监测大桥结构健康，制订日常养护维修方案； ( 2 ) 论证大桥的设计和建造时所用的假设和参数，用作结构和可靠性理论评估模型 的修订和改进； ( 3 ) 发展和吸纳先进的结构监测和评估技术及方法，例如结构的可靠性评估方法， 结构损伤或缺陷及其诊断和检损技术，桥梁评估工作的标准化和规范化，大桥修复加固 技术，大桥的养护维修策略和监测系统的信息管理技术等； ( 4 ) 促进及提高大桥的人工结构检测和评估工作水平。 3 监测的基本方法 ( 1 ) 静载内力与变形监测； ( 2 ) 动载内力与变形监测。 4 监测结果的分析与评估 对监测结果进行分析，提出相应处治措施。 1 2 2 健康监测系统设计与实施 1 监测系统的组成 图1 1 显示出了桥梁营运状态健康监测系统的框图。由该框图可见，整个系统可分 为三个子系统：传感器系统、数据采集与传输系统及数据分析处理和健康评估系统。各 个系统具有不同的功能，相辅相成，共同组成监测系统。 4 长安大学硕士学位论文 图1 - 1 桥梁营运状态健康监测及评估系统框图 ( 1 ) 传感器系统对环境作用因素的特征值和结构状态参数进行测量，交通荷载类传 感器由于其特殊性，须设置在桥头上的合理部位，并在相应构件上设置对应的传感器； 风向、风速类传感器一般设置于专用塔柱或桥塔等较高部位上；在墩顶或墩身合理部位 布设地震、船舶撞击类传感器。在经过结构分析得到最危险和不利部位后，按测试量的 分类属性将其他传感器布设至对应构件上。 ( 2 ) 数据采集和传输位置应考虑尽量减少和避免干扰以及圆导线长度带来的精度降 低。一般较大的桥两个半桥均设数据采集工作站，并兼顾采集工作站与岸上监测控制中 心间信号传输布置合理。比如采集工作站设于两桥塔下，控制中心设于岸上与荷载监测 系统在一处。 ( 3 ) 进行数据采集和传输位置时，由于干扰、圆导线长度等因素的影响，会带来带 s 第一章绪论 来的精度降低。这就要求一般较大的桥两个半桥均设数据采集工作站，并兼顾采集工作 站与岸上监测控制中心间信号传输布置合理。比如采集工作站设于两桥塔下，控制中心 设于岸上与荷载监测系统在一处。 1 2 3 健康监测系统设计的基本原则 ( 1 ) 实用性和专用性。 设计的过程和内容应紧扣桥址自然环境、结构形式特点和结构设计的要求，例如无 抗震要求或不通航，便无须配置设计地震与船舶撞击信息采集和评估相应的硬软件；对 混凝土结构桥梁也不必要对疲劳损伤设置系统内容等，仅针对本桥结构状态评估所要求 的项目进行系统设计和硬软件配置。这样结构简单明确、操作方便，可将测站硬件配置、 传感器的选择及测点布置数量减至满足要求的最低点，但留有一定扩展空间。 ( 2 ) 长期工作的稳定性和可靠性 监测系统硬件配置应满足长期、连续和桥上振动、温度变化等苛刻条件下工作的稳 定性和可靠性；软、硬件应保证数据采集、传输、存储及处理的可靠性。系统的运转故 障和数据采集的错误，均会造成评估、判断的失误，酿成严重后果。 ( 3 ) 要满足评估要求的测试精度和合理的数据采集程序。 测试的精度在测试过程中处于非常重要的地位，它直接影响了测试数据的准确性， 而准确的测试数据又是做出正确判断的基础。满足要求的精度主要取决于传感器和相应 数据采集仪器的综合精度。采用较高精度的传感器和工作性能稳定可靠的仪器是保证测 试精度的主要条件；除此之外，分离和排除其他因素的干扰也很重要。如采用不受温度 影响或少受影响的光纤传感器、振弦式传感器进行应变测试；采用稳定的电源或专用电 源，尽量将传输距离缩短；可以间断测试时，选择温度稳定的时段进行测试等。数据采 集程序的合理安排是十分必要的，可按监测目的不同分别进行昼夜不问断采集或按一定 条件自动触发采集或定期采集等方式，以降低运行成本、节约存储空间、减少数据分析 和处理的工作量【9 1 。 1 2 4 方案设计应解决的技术问题 ( 1 ) 传感器及相应二次仪表的选型，特殊要求的处理。 ( 2 ) 过桥荷载监测系统的技术设计及可靠性保证。 ( 3 ) 各类监测信号的采集程序及预处理。 ( 4 ) 局域网系统集成及管理方式。 6 长安大学硕士学位论文 ( 5 ) 结构三维仿真模型的建立及模型修改。 ( 6 ) 系统控制中心专用程序开发。 ( 7 ) 损伤识别及评估系统的研制。 1 2 5 监测子系统配置 ( 1 ) 车辆载荷监测 ( 2 ) 风环境监测 ( 3 ) 温度场监测 ( 4 ) 地震及船舶撞击监测 ( 5 ) 腐蚀监测 ( 6 ) 结构应力监测 ( 7 ) 主缆索股、吊索索力监测 ( 8 ) 结构位移监测 ( 9 ) 动力特性监测 1 2 6 分析评估系统 评估包括内容实际承载力和营运状态评估、桥梁构件或构造的疲劳操作评估以及报 警限值的研究确定。 1 3 控制器局部网简介 在利益和行业两大因素的影响下，从1 9 8 4 年开始，由国际标准协会i s a 主导的现 场总线统一标准工作迄今仍未取得实质性进展，厂家不愿放弃自己的既得市场，各个行 业使用不同的总线技术，并且具有排他性，比如医药领域一直使用p r o f i b u s 。这 些都为总线技术的统一带来了困难。国际上使用的现场总线技术如表1 2 所示： c a n l l l 】总线是由德国b o s c h 公司提出，是一种分布式系统，用于实现汽车电器控 制、监控等。由于其总线规范现得到了广泛的应用和许多大公司的支持，成为世界公认 的最有前途的总线之- - t 1 2 1 【1 3 】( 1 4 】1 1 5 】。 c a n 总线的特点如下f 1 6 】： 通信速率高、传输距离远、最多可挂接1 1 0 个设备； 由于采用采用短帧结构，信号传输抗干扰强、容错率高、速度快； 是到迄今唯一具有国际标准，且成本较低的现场总线； 7 第一章绪论 支持多种工作方式；在c a n 2 0 b 标识符有2 9 位，相对于c a n 2 0 a 标准帧增加了 1 8 位，使节点的个数几乎不受限制； 具备总线仲裁技术，数据从各个节点按照优先级顺序传输，从而避免了总线冲突， 提高了传输效率； 总线技术 支持公司 c a n 德国b o s c h 集团 p r o f l b u s 德国西门子公司支持 p n e t 丹麦p r o c e s sd a t a 公司支持 f fh s e f i s h e r - r o s e m o u n t 公司支持 s w i f tn e t 美国波音公司支持 w b r l d f i p 法国a l s t o m 公司支持 r n t e r b u s 德国p h o e n i xc o n t a c t 公司支持 c o n t r o ln e t 美国r o c k w e l l 公司支持 表l 一2 国际上的总线技术 基于控制器局部网的以上优点，本次设计中采用c a n 总线作为节点与上位机的通 信方式。 1 4 论文研究内容及结构 为了达到长期、有效、方便、快捷的监测桥梁健康状况的目的，所设计的系统需要 满桥梁运营后长期的远程自动监测。基于以上需求，本文提出了一种基于d s p 的有线 数据采集系统，同时对实时的、综合的、一体化的结构健康监测系统与巡检养护管理系 统人工接口进行补充设计。 论文主要内容： 第一章绪论。介绍了本课题的研究背景和意义以及国内外发展现状。 第二章系统的总体设计。包括了钢箱梁、缆索、墩、塔等部位量测项目的分析， 以及相应传感器的布设研究，提出基于c a n 总线通信的总体方案的规划。 第三章系统的硬件设计。进行桥梁监测传感器的选择，数据采集器的硬件设计， 包括了d s p 各种接口电路设计和各种元器件的选型，数据采集模块电路。 第四章系统的软件设计系统的调试与试验。运用专用软件，进行各种外围模块子 8 长安大学硕 = 学位论文 系统的软件设计，上位机的串行通信程序设计，以及c a n 网络的通信和监控中心接受 数据的程序设计，通过试验演示系统的软硬件测试效果。 第五章悬索桥电子化人工巡检子系统接口设计。 第六章总结与展望。 1 5 本章小结 本章首先提出了研究的背景和意义，然后对悬索桥健康监测系统进行了简单的介 绍，提出了建立和发展一个实时的、综合的、一体化的结构健康监测系统与巡检养护管 理系统的观点，其次介绍了系统所使用的数据传输关键技术，最后对论文的各个章节作 出安排。 9 第二章总体方案设计 第二章系统总体方案设计 本章以海湾大桥中悬索桥为研究对象，首先对其进行简要介绍，然后根据有限元位 移理论法，应用m i d a s 软件进行计算，并根据计算结论确定了监测系统重点部位，然 后在遵循相关硬件布设的原则下，进行了悬索桥健康监测系统的设计方案确定工作，该 系统方案包含软、硬件部分。 2 1 本文研究对象介绍 海湾大桥主线全长2 8 0 4 7 公里，其中跨海大桥2 5 1 7 1 公里，包括一座悬索桥、两 座斜拉桥、海上非通航孔桥和陆上引桥，总体布置图见图2 - 1 。 海湾大桥所处位置海陆风盛行；在7 、8 月份经常发生雷暴现象；每年会出现大风、 龙卷风、台风；在4 - 7 月会出现海雾，对桥梁的耐久性具有不利影响；冬季北风凌烈， 气温低，每年都会发生结冰现象；这些气候状况会严重危害桥梁安全。 一 捌， l t il l 杯晡i 昀持皤 图2 1 海湾大桥全桥布置图 本文研究对象为大桥中主跨2 6 0 m 的四跨连续独塔自锚式钢箱梁桥，跨径布置为 8 0 + 1 9 0 + 2 6 0 + 8 0 m ，主跨及边跨为悬吊结构。主缆主跨矢跨比为1 1 2 5 3 ，边跨矢跨比为 1 1 8 0 4 。加劲梁采用分离式双箱断面，横向两个分离式钢箱梁之间用横向连接箱加以 连接；塔身为独柱型塔，索塔基础为群桩基础，为提高全桥的抗扭刚度，改善结构的动 力特性，在索塔两侧设置了三角撑以对加劲梁提供竖向约束；全桥两根主缆，采用平行 1 n 长安大学硕上学位论文 钢丝吊索，散索套采用上、下对合的结构形式，用高强螺栓连接。其桥型布置图2 2 所 不。 麓臻：壤) 蚴l4 6 1 2 x ，描l ，x 躺弱i，蚴 箕 也强量& liill 夕一j 祭 瓢。瓢 i 。，【：，。，! j1 i li。，翻园链夸熏t ；* 撼轴 r 磊。- ；潞? 一。，嚣，叠 譬叫冉7 哪$ 9娃童黻商罐+ 囝 | l l 闹j = 2 2 悬索桥桥的危险性分析 囝移 i ，2 丑- b i ? 2 c - c -i_一-_一 ! ，。1 1 1，、j - 弋一lj l h 目i 卜h ；，由p il ki ! ：t 。 力 老 l 洲丽i ，二：兰- e 、。 丽一嗣8 i j 型型1 j _ 团团 二 图2 - 2 航道桥桥型布置图 j l m 悬索桥【1 7 1 的特点是刚度较小，在荷载作用下易产生较大的挠度和振动，悬索桥中最 大的力是悬索中的张力和塔架中的压力，悬索桥由于主缆直接锚固在加劲梁上，梁承受 了很大的轴向力，锚固区局部受力复杂，因此进行重点分析。 2 2 1 总体结构计算 总体结构计算采用有限位移理论法，应用桥梁结构分析软件m i d a s 2 0 0 6 程序进行 11 第二章总体方案设计 计算，计算活载为汽车荷载( 包括车道荷载和汽车冲击力) 、风载和温度作用，计算图 式如图2 3 。计算中主缆和吊索采用索单元，索塔和钢箱梁采用空间梁单元。 图2 - 3 悬索桥桥计算图式 2 2 2 危险性分析小结 根据上述结构计算结果，悬索桥的监测重点为： 1 ) 动力响应监测 基于该桥前十阶模态振型形态，动力监测的重点为： 塔顶有明显的横桥向和顺桥向偏移； 主跨的7 个八分点； 边跨的3 个四分点截面； 两过渡跨跨中。 2 ) 内力监测 内力监测分为加劲梁、索塔部、主缆和吊索内力三个部分。 加劲梁的监测重点为： 主跨跨中截面； 主跨侧的主缆锚固区截面； 塔梁接合处截面。 塔部的监测重点如下： 标高9 3 米处的截面最小处； 三角撑下部的桥塔截面； 塔根部截面。 1 2 长安大学硕上学位论文 主缆和吊索内力的监测要点是： 每个主缆断面的上端索股、下端索股、左侧索股、右侧索股、中问索股进行主缆内 力监测。 3 ) 变形监测 主要采用g p s 方法监测桥塔及跨中位移。根据计算结果，在活载作用下，塔顶、 主跨跨中、边跨跨中可能出现的较大位移。另外采用位移计和倾斜仪分别监测伸缩缝处 位移和梁端倾斜，判断不同工况作用下主梁的纵向变形。此外，对主跨跨中和边跨跨中 位移的同时监测也能判断加劲梁的实际轴线是否偏离设计轴线，从而帮助衡量大桥是否 处于正常运营状态。 4 ) 温度监测 加劲梁为箱梁形式，箱梁内外的温差可能达到很大，温度作用对结构性能影响较大， 所以需要实时监测结构温度和大气温度。 5 1 风监测 风是大桥在正常运营期间的重要活载之一，对风的监测可以设置阈值，实现极端情 况下对桥上交通的管制，同时也可以验证设计时采用的参数。 6 ) 耐久性监测 采用腐蚀传感器定期监测，结合人工巡检的方式对青岛海湾大桥主要结构部位进行 耐久性监测，同时也可以从大桥的防腐蚀单位和养护单位处获取大桥主要结构部位的腐 蚀相关信息，掌握大桥的腐蚀状况。 2 3 桥梁健康监测硬件选择、布设原则及选择 2 3 1 传感器测点布设原则【1 9 】 最大位移的部位或构件； 主要控制或能推算结构几何状况变化的部位或构件； 结构空间变形主控制点； 最大应力分布、变化的部位或构件； 应力传递明确的部位或构件； 应力集中而且能够明确测量的部位或构件； 可对结构总体温度进行监控的控制点； 结构模态分析前5 阶振型所必须监控的控制点 13 第二章总体方案设计 索力应力幅值变化较大的斜拉索； 外部风力荷载主要监控点； 对结构受力模式可能产生影响的部位； 对桥梁使用功能产生重要影响的参数( 桥墩沉降、冲刷、结构腐蚀等) ； 环境和荷载参数测量的位置对结构的应力或位移有较大的影响时； 部份传感器的布设应可达到相互修订测量精度的目的； 对测点布设适当的冗余。 2 3 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； 易于运行检查及维修、维护。 2 3 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； 已经证明使用时间最长者； 具有可更换性； 性价比最优者； m t b f ( 无故障平均运行时间) 具体要求如下： 传感器、路由器等：不少于1 5 0 0 0 0 小时； 工作站、服务器等：不少于1 0 0 0 0 0 小时； 显示器等：不少于6 0 0 0 0 小时。 2 3 4 桥梁监测常用传感器介绍 在桥梁健康监测中，传感器的选取非常重要，要求传感器完整获取桥梁的载荷状态 【2 0 1 、几何状态【2 1 1 、外部信息阎等信息。随着科学技术进步，性能更好的传感器也会不 断推出。本节介绍了悬索桥各类监测项目常用的传感器。 结构应力应变监测传感器 桥梁监测常用的应力应变传感器有钢弦式应变计、电阻应变片、光纤应变传感器等， 三种传感器为我们的监测提供了良好的选择。 1 4 长安大学硕士学位论文 电阻应变片优点是：灵敏度高，且动态响应好；缺点是：产生的接触电阻会影响测 量结果，长时问测量会产生零点漂移等，不适用于长期监测。 在桥梁健康监测系统应用最广的是钢弦式应变计，优点是：抗干扰性能强、稳定性 好、采集数据方便、适合长期监测等；缺点是：尺寸大，对于应力变化大的部位难以精 确测量某一点的应变。 光纤应变传感器的优点是：精度高，动态响应高，测量范围大，抗电磁干扰强；缺 点是：造价昂贵，国内有应用，尚不能完全替代前面两种传感器。 外部环境及载荷测量传感器 这类传感器的主要作用是对桥梁结构的荷载情况、持久性、整体性等产生影响的外 因及持续时间进行监测和记录【2 3 1 。外部环境监测包括：风环境监测、腐蚀监测以及温度 场监测；外部载荷测量包括：地震及船舶撞击监测、车辆载荷监测；主要所使用到的传 感器分别为三向风速仪、湿度计、数字式温度传感器( 光纤温度传感器) 、三向加速度 计、预警雷达、动态地称等。这些传感器一般自身具备a d 转换功能，不需要接入数 据采集系统。 主缆索股、吊索索力监测传感器 频率法【2 4 l 是工程上使用最成熟的方法，它是根据索的自振频率与张拉力之间的关系 来计算索力，测量索力主要使用的传感器为振弦式压力传感器【2 5 】。 动力特性监测传感器 结构动力特性包括结构和构件的频率、振幅、振型、阻尼等数据。这些数据是评估、 诊断病害构件或结构的重要参数，也是桥梁维护的重要参考依据。动力特性监测主要使 用振动测量传感器，它的原理是将振动信号转变为电信号。根据不同测量类型，振动传 感器划分为加速度、速度和位移传感器。在悬索桥监测中，加速度传感器应用更为广泛， 常见的加速度传感器有压电式、压阻式、电容式等。 压电式：主要的测量元件是压电元件，它的表面受到压力后就产生与压力成正比的 电荷。只要测量出电荷量就能反映出压力的变化。 压阻式：主要的测量元件是悬臂梁上的应变计，它属于惠斯顿电桥【2 6 j 的单臂，测量 出电压变化就能反映出应变变化。 电容式：主要原理是用极板来感应加速度反映电容改变，测量出电容量的变化就能 反映出加速度的变化。 根据以上所有传感器的输出参数，将其分为三类，一类是m v 级电压信号，主要是 15 第二章总体方案设计 惠斯顿电桥的输出：一类是电压和电流信号，范围在5 v - - - + 5 v d c 之间，因为a d 转 换的高阻抗输入，4 - - 一2 0 m a 的电流信号可以转变变为i - - - 5 v d c ；一类是数字温度传感 器，用来监测各个传感器的温度。 2 4 悬索桥监测布点设计及传感器的选取 2 4 1 监( 检) 测内容 根据有限元建模计算结果，基于同类型结构监测经验以及现有的结构监测技术水 平，确定悬索桥监测内容分为实时监测和人工巡检，下面介绍实时监测项目，见表2 1 ， 结合人工巡检的电子化管理在第六章将详细阐述。 序号 实时监测内容监测目的 1 索力主缆吊杆受力掌握主缆及吊杆的索力、主缆索夹应力。 2 变形实时位移掌握主要控制点( 塔及梁部) 的实时偏位情况。 大气温度掌握所处箱梁内外的大气温度。 3 环境 掌握桥面及塔顶风速风向，以推算大桥结构所受的风荷 风速风向 载。 掌握梁部、塔部结构实时振动响应，用以计算结构模态参 振动 数，并用于振动类突发事件的预警。 4 动力 掌握主墩承台实时振动响应，用以捕捉船撞、地震、周边 震动 爆破等情况1 - 结构的振动响应，设置合理的预警阂值。 掌握动静载荷力作用下的结构应力应变情况，用以设置相 5 应变及结构温度应预警阈值；掌握人桥梁部、塔部主要结构断面的结构温 度情况。 6 梁端位移及倾斜掌握伸缩缝位置梁端实时位移及横向倾斜情况。 7 塔部腐蚀掌握塔部腐蚀情况。 表2 - 1 悬索桥实时监测 2 4 2人工巡检 在本节中简要介绍人工巡检，巡检项目见表2 2 。 1 6 长安大学硕t 学位论文 序号人：【巡检内容巡检目的 定期对位处地形进行测量，取得基础的冲刷断面图等，确 基础冲刷深度定基础的冲刷深度、范围及发展趋势，评估悬索桥的安全 性，为维修提供依据。 安 桥墩的变位 定期对每个桥墩进行墩顶变形测最，掌握桥墩的变形情况 1 全及发展趋势，评估恳索桥的安全性 性吊杆索力定期对朱进行长期监测的吊杆索力进行测试。 主缆及吊杆探伤定期对的主缆及全部吊杆进行探伤。 定期对重要部位的钢结构焊缝进行探伤，检测焊缝：i ：作状 结构焊缝探伤 态。 定期对桩基、承台、支座、塔柱、主缆、吊杆、焊缝处等 腐强主要结构腐蚀情况进行检测，外加腐蚀暴露站的数据，来 耐评估悬索桥的腐蚀情况。 2久 混凝土强度 定期对塔部混凝j 卜结构进行混凝十强度测量，评估悬索桥 性 的耐久性。 定期对塔部混凝土结构进行混凝士碳化深度测量，评估恳 碳化深度 索桥的耐久性。 使 桥面线形定期进行桥面线形测量，评估悬索桥的使用性。 3用 桥面状况、混凝十表观状况、伸缩缝状况、支庵状况、护 性 其他外观检查栏状况、钢结构状况、主缆及吊杆状况、阻尼器状况、其 他设施状况。 水文、波浪、海定期对水域进行水文、波浪、海冰监测，为评估海洋动力 其 冰环境对悬索桥的影响提供依据。 4 从交通监控中心获取数据，为评估车辆荷载对悬索桥健康 他 车流量数据状况的影响提供依据。车流餐作为影响桥梁上作状况重要 冈素，是深入分析评估桥梁状态的：莺要依据。 表2 2 人j r 巡检项目 2 4 3 测点布置 ( 1 ) 索力 本系统中实时监测l 根主缆两端锚索力，2 个索夹断面应力，另选取具有代表性的 8 根吊杆( 根据建模计算结果，选取索力变化幅度较大的8 根) 进行实时索力监测。 1 7 第二章总体方案设计 目 曼委 貉繇溪虢兹蘸辫麟黪曛霹蘸别鬟瓣答：滋潮曩硼季 一3冀l一j窖鹭誓l。； 图2 - 4 悬索桥索力监测布点图 ( 2 ) 变形 悬索桥实时变形监测主要有3 处，为建模计算中位移最大处，即塔顶、主跨跨中右 侧防撞墙，共布置3 个g p s 测站。悬索桥的g p s 监测布点位置如下图。 图2 - 5 悬索桥g p s 测站布点图 ( 3 ) 环境 悬索桥环境监测的内容包括大气温度和风速风向。大气温度测点放在p m 3 0 2 与 p m 3 0 3 跨中左幅防撞墙及跨中截面箱梁内，共计2 个大气温度计；风速风向测点在塔 顶以及p m 3 0 3 辅助墩上各布置一个测点，共计2 个风速风向测点。环境监测布点位置 1r f ，量稚 ，i下嘉 。 搿黑 脚， 蕊缀| j =蘑驻三衣缓 溪二篷| |銎 长安大学硕上学位论文 图如下。 图2 - 6 悬索桥环境监测布点图 ( 4 ) 动力响应 悬索桥动力响应监测分为结构振动响应监测和强震监测两部分。结构振动监测基于 该桥前十阶模态振型形态考虑，加速度传感器布置及依据为： 塔顶有明显的横桥向和顺桥向偏移，在塔顶布置1 个纵横向加速度传感器； 主跨部分竖弯形态明显，故在主跨的3 个四分点处各布置2 个竖向加速度计和1 个 横向加速度计；在靠近跨中的两个八分点处各布置1 个纵横双向加速度计；在1 8 和7 8 处各布置个竖向加速度计； 边跨的3 个四分点截面各布置2 个竖向加速度计和1 个横向加速度计； 两过渡跨跨中各布置1 个竖向加速度计和1 个横向加速度计。强震监测选择在塔底 承台布置1 个三向加速度计。悬索桥加速度监测布点位置如图2 7 所示。 1 9 第二章总体方案设计 图2 7 悬索桥梁部动力响应监测布点平面图 因此，悬索桥梁部共需设置1 6 个竖向加速度传感器、8 个横向加速度传感器和2 个纵横向双向加速度传感器，塔部共需设置1 个纵横向双向加速度传感器和1 个三向加 速度传感器。 ( 5 ) 动静荷载力及结构温度 根据建模计算结果，悬索桥加劲梁上的应变监测截面为：主跨跨中截面、主跨侧的 主缆锚固区截面和塔梁接合处截面、塔部的监测断面为标高9 3 米处的截面最小处断面、 三角撑下部的桥塔断面、塔根部断面。具体布点为： 主跨跨中截面上的每侧加劲梁顶、底板上各布置2 个纵向应变计，共计8 个纵向应 变计，同时，在路面右侧行车道下方各布置1 组应变计，每组应变计由四个纵向应 变计组成，共计8 个纵向应变计，在该横向连接箱截面顶、底板中间各布置1 个横 向应变计，计2 个横向应变计。 在主跨侧的主缆锚固区处截面的顶板布置6 个纵向应变计和3 个横向应变计，底板 布置2 个纵向应变计和1 个横向应变计，计8 个纵向应变计和4 个横向应变计。 塔梁接合处截面。在每侧加劲梁的项、底板各布置2 个纵向应变计，共8 个纵向应 变计。 标高9 3 米处的截面最小处，该处的应力较大，在该断面的4 个边中点处各布置l 2 0 长安大学硕：t 学位论文 个纵向应变计，计4 个纵向应变计。 三角撑下部的桥塔截面的4 个边中点处各布置1 个纵向应变计，计4 个纵向应变计。 塔根部断面，在该断面的4 个边中点处各布置1 个纵向应变计，计4 个纵向应变计。 结构温度计与作为应变补偿的温度计是同种类型温度计，因此，温度计的布设将随 应变计的布点而设置，但对跨中截面进行重点监测，用以进一步计算结构形心温度和截 面温度梯度、温差。动静荷载力、结构温度监测布点如下。 图2 8 悬索桥梁部应变监测截面位置图 锔每磺囟晦蹙测点 ，缀岛应食测点缋物溢瞧i 淀 ) 测点 v vv vv - v vyt 婀”州碗“”。椤 ? 嘞，搴。 一二 、矗。疆 1 ： 歹 ： 一 飞艇葚 当l 。 图2 - 9 主跨侧锚同i 又：截面应交、温度布点图 2 1 第_ 二章总体方案设计 铀岛暖麟和_ 蹙蠢，缓瓣啦蹙撼 鲶魄滋嘎l 教挣熬a 标j l 羹焉喜 一一i -h 相- l t -l_ ，o扭锶- ，强_ i 孵y 一- 硼一数 ： 。l ；一 氇l 镰恶疆蕊科薹：醺藏瓣 t 一一 _ ! i l ll*。_-l 图2 ，l o 主跨跨中截面应变、温度布点图 图2 1 1 悬索桥塔部应变、温度布点图 悬索桥动静载荷力监测共计3 2 个钢结构纵向应变计，6 个钢结构横向应变计，1 2 个砼结构纵向应变计，3 2 个钢结构温度计( 部分兼作温度补偿用) 1 2 个砼结构温度计 ( 兼作温度补偿用) 。 ( 6 ) 梁端 悬索桥梁端监测选取悬索桥两端伸缩缝位置处截面，左右幅各设置一个梁端位移计 ( 伸缩仪) 、一个倾斜仪和一个温度补偿计，共计4 个梁端位移计、4 个倾斜计和4 个 钢结构温度计。监测布点位置如图2 1 2 所示。 嚣墨氛；tl 篓写；疆飞 长安大学硕一l = 学位论文 嚣树麓面 l 霸l 一叠幽臣上蠡 ： l j il1 鲴l 氐j 曩酗；。 | j 删：蹰 l-l-l_lo _i_l 站吒蛙喧嫡i b ，簏 ，跫魂 l 咎规冉_ 嘎如搴囊缸憨熙 图2 1 2 悬索桥伸缩缝位置处截面位移、温度、倾斜布点图 从传感器的布设可以看出，各种不同类型的传感器给我们的数据采