（工程力学专业论文）市政桥梁安全监控网络系统的研究.pdf

市政桥梁安全监控网络系统的研究 摘要 针对国内桥梁工程处于建设发展超前，养管水平滞后的现状，讨论如何改进日常 养管缺乏先进的技术的问题。每年投入大量人力与资金对桥梁进行各种类型的检测， 但要确保桥梁的安全，还必须引入科学养管桥梁的理念，将来的桥梁结构安全设施应 向着数字化、自动化、网络化的方向发展。建立桥梁的结构安全管理网络系统，是为 管理者观测和了解桥梁结构的过去、现状及预测未来提供科学的数据积累和分析依 据。随着经济建设的发展，车辆数量快速增加，交通运输日益频繁，再加上部分重型 车量违规超载，从而使交通量剧增，加大了桥梁的负荷。此外环境条件的影响，如沿 海地区、工业城市，终年潮湿、台风、海潮自然灾害；空气污染、酸雨等腐蚀侵袭， 种种因素使桥梁损坏几率大大增加。目前桥梁管理人员己逐步认识到，要确保桥梁的 安全并有望延长桥梁的使用寿命，彻底杜绝桥梁垮塌事故给人民生命财产造成损失， 必须进行桥梁的安全维护；对结构作经常的检测；通过检测数据的分析处理和桥梁的 结构安全计算，完成对桥梁安全评估和预警预报，最终实现桥梁管理和养护工作的自 动化，系统化和正常化。事实上许多桥梁损伤的实例显示，主要构件破坏前都存在某 种征兆，只是使用、管理人员在事先没有捕捉而已。然而桥梁的科学管理是一件复杂 的工程，对各类新型结构桥梁的检测方法和分析理论有待改进和发展：各种检测设备 必须更新；新的数据采集方法、远程数据传输和控制、数据库、预测和预警手段等一 系列新的技术都将不断引入；特别是利用计算机网络在桥梁养护工作中的优势，才能 真正起到科学管理桥梁的目的。 关键词：城市桥梁结构安全监测与信息管理；网络系统 r e s e a r c ho nn e t w o r k s y s t e m o f u r b a n b r i d g e d e t e c t i o na n d m a n a g e m e n t a b s t r a c t ：t h e d e t e c ti o na n di n f o r m a ti o n m a n a g e m e n t o f b r i d g e si na ni m p o r t a n tm e a s u r ef o rs c i e n t i f i cm a i n t e n a n c e o fe x d r e s s w a yt h em e t h o d s o f d e t e c t i o n ， e v a l u a t i o na n d c o m d u t e ri n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tf o re x p r e s s w a yb r i d g e si n o u rd r o v i n c ea r ei n t r o d u c e d t h i sw o r kp l a y sa ni m p o r t a n t r 0 1 ei ns c i e n t i f i cm a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n t f o ru r b a n b r i d g e s k e y w o r d s ：d e t e c t i o na n d i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t o fu r b a n b r i d g e s ； n e t w o r ks y s t e m ； 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕士 学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 揣冰地 委员：御科w k 一1 导师： 蒋敬 插图清单 图卜1结构安全管理网络系统的工作原理简图 图2 1斜拉桥应力与索力测试部位 图3 1 全站仪测量时高程、仪高、镜高、斜距示意图 图3 2 水准仪自动安平原理 图33 时间间隔一数字转换原理框图 图3 4 频率一数字转换原理框图 图3 5 电压一数字转换的原理框图 图3 6 逐次比较型a d 转换器框图 图3 7p c i 一1 7 1 3 型3 2 通道p c i 总线隔离数据采集卡 图3 8 直序扩频系统发射接收框图 图3 9 数据无线传输示意图 图4 1 通信系统的一般模型 图5 一l 流程的主要数据流图。 图5 2 桥梁在线安全监控管理信息系统功能架构示意图 表格清单 表2 一l 安全监控部分工作计划表 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得盒胆王些盘堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同t 作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：j 孰薯 签字日期：w 时年6 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒罡王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部j 或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒b 工、业态 ! l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名 ；猁 签字日期：川年5 月f 7 日 学位论文作者 l 一作单位： 通讯地址： 导师签名 藩揿 签字日期：口，年6 月j 7 日 电话： 邮编： “t f 叮坩 1 j 1 致谢 在接近三年的硕士研究生学习、研究和撰写论文的过程中，蔡敏教授给予了我全 b 全意的指导。导师渊博的学术知识、严谨的科研态度、诲人不倦的治学精神和平易 近人的作风在潜移默化的感染着我，使我终身受益。值此论文完成之际，谨向我的导 师蔡敏教授表示衷心的感谢和诚挚的敬意。 本文的顺利完成离不开大家的帮助，在此就合肥工业大学土木建筑工程学院的诸 位老师、同学以及单位同事们对我的关心和支持再一次表示感谢。 最后还要特别感谢家人对我的无私奉献，这是我完成学业的基础。 作者：徐浩 2 0 0 5 年5 月2 0 日 第一章绪论 随着经济建设的发展，车辆数量快速增加，交通运输日益频繁，再加上部分重型 车量违规超载，从而使交通量剧增，加大了桥梁的负荷。此外环境条件的影响，如沿 海地区、工业城市，终年潮湿、台风、海潮自然灾害：空气污染、酸雨等腐蚀侵袭， 种种因素使桥梁损坏几率大大增加。目前桥梁管理人员已逐步认识到，要确保桥梁的 安全并有望延长桥梁的使用寿命，彻底杜绝桥梁垮塌事故给人民生命财产造成损失， 必须进行桥梁的安全维护；对结构作经常的检测；通过检测数据的分析处理和桥梁的 结构安全计算，完成对桥梁安全评估和预警预报，最终实现桥梁管理和养护工作的自 动化，系统化和正常化。事实上许多桥梁损伤的实例显示，主要构件破坏前都存在某 种征兆，只是使用、管理人员在事先没有捕捉而已。然而桥梁的科学管理是一件复杂 的工程，对各类新型结构桥梁的检测方法和分析理论有待改进和发展；各种检测设备 必须更新；新的数据采集方法、远程数据传输和控制、数据库、预测和预警手段等一 系列新的技术都将不断引入；特别是利用计算机网络在桥梁养护工作中的优势，才能 真正起到科学管理桥梁的目的【l j 。 1 1 桥梁结构安全管理网络系统功能与特点 根据目前桥梁结构问题的需求，要完成桥梁安全及使用寿命的评价，及时预测和 预警结构和构件的损伤状况，一个切实可用的结构安全管理网络系统，至少应该具有 以下组成部分和功能口j 。 ( 1 ) 监测系统与检测数据处理 包括细致的监测计划与监测指令和控制步骤；对结构的动态性能检测与分析的控 制；对梁结构的静态性能检测与分析的控制；环境对结构影响的检测分析；判别检测 数据、统计有效性的分析方法：自动完成检测数据的采集、传送、处理和储存形成； 检测数据的记录、储存与查询数据库；系统各局域网的计算机控制；根据设计标准而 制定或确认的监测预报警控制阈值；系统的初期测试检验与测试适应性的调整。 ( 2 ) 完备的数据库 通过第一次全面检测普查，确定这一检测体系中各结构参数长期观测的“零状态 值”( 如在建桥与交通开始营运后一年后) ，要争取建立较完备的、反映大桥结构原始 状态的数据库。收集、整理系统在各环境状态下的检测数据；分析、比较检测数据的 分布与变化规律；通过系统的监测数据积累，形成全桥结构特征数据库；向专家咨询 或组织专家讨论、分析、评判桥梁实测数据所表达的结构特征、特性；制定演示、反 映桥梁结构特性变化的方案；建立梁桥实测状态与原始记录比较和变化趋势演示的方 案，建立与演示方案相应的分析、显示方法；建立评估桥梁结构动态疲劳的抽样统计 方法与程序等。 ( 3 ) 智能化的结构健康识别与专家管理 在全面掌握桥梁结构原始结构特征及监测数据库之后，探索建立反映桥梁变化趋 势和从检测诊断中判别桥梁结构状态的分析模型。这部分的工作以及以后研究分析的 深入展开，需要通过广泛地咨询，联合国内外桥梁工程界著名的专家学者协同工作： 探索建立与检测建立特征相符的大桥整体与局部结构分析模型；根据桥梁实测记录变 化趋势的演示、对专家评判意见的总结和对国内外相似桥梁中存在的问题情况及诊断 措施的调研汇总，探索建立智能化的桥梁结构诊断识别系统与桥梁管理专家系统；根 据结构检测与分析技术的最新成就与专家意见，适时地更新扩充系统的监测功能和监 测系统设置与系统分析软件。 ( 4 ) 数据分析与处理 桥梁安全管理网络系统是一种融合多种桥型的实时监测系统，同时需要对各种桥 梁进行实时计算、分析、评估和预测，因此必须处理以下相应的工作。融合各种复 杂的数据，为实现各种桥梁实时检测和评估，需要各种不同的数据，这些数据有的是 实时采集的数据( 如传感器采集的振动信号、位移计采集的数据) ，有的是设计人员 或施工单位提供的数据( 例如设计方案、竣工资料等) ；有的是其他软件开发商提供的 数据( 如某些已有大桥几何构件数据库等) ；还有手工输入的数据( 如人工检测数据 等) ，它们的特点是异构和海量。进行数据的算法和分离，为实现对桥梁的评估和预 测，大量的计算及实时计算是系统的核心，而计算的前提是大量基础数据的准备。为 提高系统的运行速度和便于软件维护，应将数据和算法相分离，形成具有多用途的各 种算法类库。 1 2结构安全管理网络系统的构成 建立结构安全管理网络系统的目标是对桥梁的安全营运状况做出综合性评价，给 桥梁的养护和管理提供科学的依据。根据通常桥梁结构的特征，考虑由五个子系统构 成，包括数据采集系统；数据传输系统：数据处理系统：数据分析系统；安全预警系 统等【3 】。 系统采集的各类参数，需经处理再进行存储。桥上的前端( 现场) 采集系统首先 进行数据的预处理，传输到监控中心后再进行最终处理，这些都是通过系统软件来实 现的。数据处理主要考虑剔除无效数据，为减少数据量，对于连续采集的相同数据组， 可只取其中之一。由于系统应是长期实时监测，采集的数据量必将是相当庞大，而且 会不断地增长，因此当监控中心的存储器中存储到一定数据量时，应用光盘刻录永久 性保存h 。 数据分析系统是根据采集的数据进行安全性能的评价。系统中建立了反映桥梁结 构内力、位移、动态响应特征以及环境对结构影响等因素的分析模型。通过监测数据 2 的积累，逐步形成较完备的桥梁结构特征数据库，在此基础上分析、比较监测数据的 变化规律，并根据设计标准制定和确认监测预警阈值。同时建立每一阶段桥梁实测状 态与原始数据记录、比较、变化其发展趋势阎。 系统采用开放式接口，提高其可扩展性，使今后可根据结构检测与分析技术的最 新成就与专家意见，适时地更新扩充系统的监测功能和监测系统设置以及系统分析软 件【6 j 。 总体结构的评价是在已经获取某些构件评估指标值的基础上，通过所建立的损伤 情况评估模型，对因损伤造成的破坏程度进行评估。目前国内外尚无统一的桥梁评估 指标体系和对各指标的量化等级标准。不过有关损伤的概念，建立损伤量化的等级及 相应的损伤评估模型，对于结构损伤评估在实际中要能具有一定的实用价值川。 预警系统是当桥梁的主要特征指标出现大的偏差时，系统及时发出报警标志信 号。可根据实测的数据变化规律，对主要监测参数设置预警界限值。实际上从理论分 析或其它桥梁的工程实践可知，当全桥仅有某一构件出现突发性的损坏时，并不完全 会造成全桥结构的危害，针对这类现象提出预警的目的可引起养护管理人员的重视。 单项指标的预警反映的是桥梁局部的损伤情况，根据单项指标的变化将给出总体结构 的评价。在综合各种采集的数据分析后，对全桥进行的损伤程度的综合性评估由建 立的量化评估指标等级作为预警参数的设置依据，它的预警反映了全桥整体损伤程 度。把实测指标按损伤程度分级，并对不同指标给予不同的权系数，然后逐层向上分 析，最后用综合法可得到全桥损伤的评估等级隅l 。 监测系统局域网由监控中心结构安全监测系统工作站与多个现场采集系统组成， 由结构安全监视系统工作站同时承担服务器的任务，系统与监控中心局域网联通，将 结构安全监测系织网络数据库移至监控中心客户服务器上。网络选型对整个网络的性 能有着极大的影响，必须选择合适的网络类型。所用网络的性能要求性价比高，基于 标准，升级方便。 为了系统可靠性及安全保障。一般设以服务器配置。监控中心设计属于另一标段 范围，在监控中心进行设计时需在监控台上为结构安全监测系统工作站留一机位【9 】。 1 3结构安全管理网络系统实现的基础 为达到桥梁科学养管，实现结构安全管理网络系统，可以在桥梁的关键部位安装 检测设备，通过网络将采集的数据传送到中央控制枧进行处理，并入中央计算机对桥 梁结构进行计算，最终实现对桥梁的安全评估和预警预报，系统的工作原理如图一l 所示。针对以上的工作原理，需要建立反映大桥结构内力、位移、动态响应特征的检 测系统与原始数据的采集、分类和统计方法。建立和连接所有检测点的网络，及时准 确的收集和处理信息，实现大桥结构安全的全面监控，保证硬件设备能可靠、快速、 安全、有效地运行，则需保证以下技术要求【i 叫。 3 巡圈墼图一圈 匡堂匣坚匦 图1 1 结构安全管理网络系统的 t 作原理简图 先进的系统平台，先进的客户服务器体系结构，先进的基于对象的开发方法和 可视化的开发工具，先进的网络结构。 系统平台应具有c 2 级安全标准，网络拓扑结构要有高可靠性，能在一条线路出 故障时，可以立刻从“备用线路”传输信息。 工作界面要友好，易操作；要采用结构化、模块化的编程方法，有完整的文档资 料，易维护，易升级。 无须添加很多设备，即可连到其它局域网或i n t e r 网上。 根据测得的桥梁主要部件的数据，对桥梁作出全部，正确的评价。检测数据随时 间的变化，检测数据相互之间的关系，根据检测数据调整结构计算的参数。 报警分析，当桥梁某监控部分超过警戒线，监控系统自动报警。 通过检测的历史数据及实时数据对大桥的未来状况进行预测和模拟。 桥梁在投入运营后，车辆通行、环境因素等势必造成桥梁结构老化、退化，应该 经常对桥梁的结构特性，关键部件的材料性能及抵御环境干扰的能力进行监测。而传 统的桥梁检测是以对桥梁的定期人工静力和动载试验检测为主，它的结果一般只能针 对部分已确定为长期缓慢变化过程中的影响桥梁结构内力状态因素实施检测，缺乏对 短期的或偶发的不利环境因素( 如不均匀温度变化分布、风雨交加的恶劣气候、过大 的交通流等) 与相应的桥梁结构内力响应实行灵活的检测能力，即通过实际经历的记 录检测桥梁结构抵御不利环境因素能力、实桥结构安全度，因此也就减小了对许多真 正影响桥梁结构安全的检测和把握。建立桥梁的结构安全管理网络系统，是为管理者 观测和了解桥梁结构的过去、现状及预测未来提供科学的数据积累和分析依据j 。 1 4 本文的主要研究内容 本文讨论的主线为从研究思想到软件开发，最终形成一套具有综合功能的 系统，能完成多种信号的自动采集、大量数据分析，初步达到构件的预警、进 而得到全结构健康状况的评价。这项研究改变了以往同类型的研究中目标单一5 ， 缺乏系统性和连续性的缺点，从而提高了实用性。虽然这些工作可能有些不足 4 之处，还有待进一步完善，但从目前已有成果来看，其前景是非常乐观的。有 关这方面的具体内容： ( 1 ) 以常规的检测设备为硬件，从满足状态检测和降低设备价格的要求，实现实 时监控及科学化养管技术。 ( 2 ) 根据桥梁结构理论，并借助检测经验，确定出桥梁检评的关键部位，埋设了 供长期测量记录使用的硬件设备，使采集的全过程自动化。 ( 3 ) 由远程传输控制系统软件，实现桥梁的实时监测及人工的远程控制，最终实 现连续或定期地对桥梁重要构件和部位迸行状态监视。 ( 4 ) 针对市政桥梁安全检测编制一套模拟的市政桥梁安全监控管理系统，若有机 会应用验证，可能显示出一定的实用价值。 5 第二章 网络化安全监控市政桥梁的特点 随着经济的高速发展，我国城市规模的增长日新月异，城市建筑的格局是千姿百 态，其中各类城市桥梁也大量产生，而且风格各异。这些众多的桥梁，优异的桥型不 仅美化了城市，并为城镇的经济发展起到了至关重要的作用。但这些桥梁中有许多均 为上个世纪设计与建造的，目前的使用情况( 如车流量、车载等) 己远超出当时的要 求，加之年代久远，桥梁中的材料在不断的衰变，种种不利因素肯定会对桥梁产生一 定的伤害，这些都将导致桥梁各部位的损伤和异常。使用现代化的科技手段来监控桥 梁的关键部位，以此来判定桥梁的健康状况，为确保桥梁的安全运营提供科学的依据， 是让这些桥梁能更好地为城市经济建设服务的有力措施 1 ”。 2 1 市政桥梁结构形式 目前桥梁已是城市交通的重要枢纽，对桥梁进行科学化的养管，从而确保各类桥 梁的安全运营，是城市经济建设发展的迫切需要，也越来越受到各界的重视。加之近 期国内外时有发生桥梁严重损坏，甚至倒塌事件，使得围绕桥梁养管的科学研究也成 为目前国际科技界、工程界研究的热点。鉴于桥梁管理的理念，养管人员应对自己的 桥梁进行实时监测，并长期收集桥梁的健康资料，从而做到早发现，早采取措施，确 保大桥的健康安全运营。这就向桥梁养护提出了一个难题，如果需要对每座桥梁作各 种参数的检测与分析，势必投入大量的人力进行单调、重复的工作，而且还有可能会 严重影响桥梁上的车辆的正常通行l l ”。 由于城市地理环境的复杂，交通形式多样，再加上人们对桥梁结构的要求已不仅 仅限于其使用功能，相当多的因素考虑到美观、与环境的协调等，因而城市桥梁的形 式态各异。目前城市内常有的桥型大致可包括：斜拉桥、系杆拱桥、梁桥、混凝土拱 桥、钢构桥等。它们分别有梁、塔、索( 或系杆) 、拱圈及桥墩等主要构件组成。为了 实现养管人员对大桥进行实时监测，需要在每座大桥上安装各种检测设备，使用网络 将各大桥连接起来，并最终与中心控制室相连，由中心控制室对每座大桥进行统一监 控。对存在安全隐患的大桥进行报警，同时收集到的相关数据，也可以用于领导对城 市规划的决策( 如车流量统计等) 。并且使用桥网对大桥进行统一监控，也可大大减轻 养管人员的工作强度，提高工作效率4 j 。 市政桥梁安全监控管理网络系统的目的是对桥梁的安全运营状况做出综合性评 价，给桥梁养护和管理提供科学性的依据；基于网络的桥梁实时监测并对桥梁进行计 算、分析、评估和预测是一项十分复杂的软硬件系统工程，系统设计分为软件和硬件 两大部份，主要内容有：各种桥型、桥位的数据采集系统；各种采集数据的传输系统； 各种采集数据的数据处理系统；结构检测的实时计算分析系统；桥梁主要构件及整桥 6 安全预警系统；与第三方数据交互形成决策支持系统；网络传输及浏览系统【1 5 】。 2 2 网络化安全监控的要求 基于网络的桥梁实时监测系统是将硬件接口、w e b 数据库软件及相关计算方法相 结合的综合系统。先形成桥梁资料的信息化管理，在桥梁设计中有大量的图纸及相关 技术资料，这些资料都必须永久保存；在建设过程中，建设单位及有关建设者的相关 资料，桥梁构件的各种材料性能，购买厂家以及这些材料随时间的变化的衰变情况( 如 金属的锈蚀等) 等。这些原始资料对桥梁后期的养管都是至关重要的，如果采用图形 和文本数据库技术将这些资料存入计算机，进行信息化管理，可非常方便快捷的调阅 这些资料。对桥梁运营养管的实时监测系统，对运营后车辆通行、环境因素等造成桥 梁结构老化、退化，必须经常对大桥的结构特性，关键部件的材料性能及抵御环境干 扰的能力进行监测。而传统的桥梁检测是以对桥梁的定期人工静力和动载试验检测为 主，它的结果一般只能针对部分己确定为长期缓慢变化过程中的影响桥梁结构内力状 态因素实施检测，缺乏对短期的或偶发的不利环境因素( 如不均匀温度变化分布、风 雨交加的恶劣气候、过大的交通流等) 与相应的桥梁结构内力响应实行灵活的检钡4 能 力，即通过实际经历的记录检测桥梁结构抵御不利环境因素能力、实桥结构安全度， 因此也就减小了对许多真正影响桥梁结构安全的检测和把握。建立桥梁的实时监测系 统，是为管理者观测和了解桥梁结构的过去、现状及预测未来提供科学的数据积累和 分析依据【1 6 】。 由于桥梁结构特点和环境因素的复杂性决定了结构安全监测系统对桥梁受力演 化过程观测需要的长期性和对突发的环境事件的敏锐捕捉能力，以及检测设备的耐久 性和检测过程的多样性在经济合理和实用原则下，拟按以下原则考虑：( 1 ) 根据设计 控制参数，建立详细的评判桥梁结构状态原始特征指纹，建立开放式数据体系以兼顾 未来发展的新测试技术和分析方法以及新建桥梁的加入；( 2 ) 系统监测以抽样统计为 主，也可以人工普测和局部检测；( 3 ) 通过对桥梁的长期观测及状态分析，以细致的 演示形成桥梁的健康状况评估体系l l ”。 实时监测系统的设计内容包括：( 1 ) 结构安全监测中心、计算机网络、检测控制 系统、数据库、数据处理分析软件、显示打印系统及集成方案设计；( 2 ) 监测系统外 场子系统：外场检测系统、外场设备布设方案、设备配置及基本功能要求；( 3 ) 传输 系统：外场子系统到监测中心的传输方案与配置l l ”。 监测各项目与不同的桥型其安全监测项目略有不同，检测点也有差别，大致有以 下几种：( 1 ) 静态的监测布置采用测斜仪测量方法进行倾斜偏位检测：采用应力传感 器进行主梁内力检测布置；采用加速度传感器进行斜拉索索力检测布置；使用测斜仪 测塔顶和横梁在桥主梁轴线和横向的偏移。( 2 ) 动态的检测布置采用低频加速传感器 进行主梁振动检测布置；采用低频加速传感器进行斜拉索振动检测布置；采用低频加 7 速传感器进行索塔振动检测布置：( 3 ) 交通状况响应检测布置交通量、车速和车种类 型比率、车辆载荷率、交通堵塞发生的频率、位置、持续时间与交通性能、特殊车辆 的载荷、车辆动态称重统计等；( 4 ) 环境状态检测布置温度、风状况、地脉动等【1 9 】。 对检测的原始数据进行采集，通过误差处理，选择有用的数据进入原始采集数据 库；使用分类和统计方法对大桥进行初步评价；通过有限元等计算方法，预测大桥未 来发展趋势；通过计算与实测数据的对比，使用神经网络技术优选预测方法，从而建 立专家知识库：通过多年的知识库积累，建立该桥的评价体系，为领导及养管人员提 供关于桥梁养管的建议决策，具体的系统功能为：( 1 ) 系统设备自检与巡检机制和相 关控制程序；( 2 ) 桥梁结构静态内力与位移检测控制程序；( 3 ) 桥梁结构动态内力与位 移检测控制程序；( 4 ) 桥梁对交通载荷响应的检测控制程序；( 5 ) 桥梁对环境载荷响应 的内力与位移检测控制程序；( 6 ) 系统各局域网计算机控制程序及系统各局域网与监 控中心通信与控制程序；( 7 ) 监测数据的采集、传输、处理和存储程序；( 8 ) 误差分析、 数据分类及统计方法程序；( 9 ) 根据设计标准制定或确认检测预报警控制阈值；( 1 0 ) 有限元等大型计算程序：( 1 1 ) 使用人工智能技术( 如遗传算法、神经网络等) ，结合专 家经验建立专家知识库；( 1 2 ) 采用三维动画、图形图像显示或输出、报表生成等实现 数字化桥梁目标，为大桥的养管提供科学决策；( 1 3 ) 基于w e b 和虚拟现实技术，使用 i n t e r n e t ，对疑难测试和预测结果进行网上专家会诊，并将正确的专家经验存入知识 库。( 1 4 ) 使用i n t e r n e t 对本系统进行远程维护程序：( 1 5 ) 软件界面部分及人机界面 交换部分编程。 为实现对桥梁的科学化管理，提高大桥的使用寿命，应建立桥梁的设计和养管数 据库。具体数据库如下：( 1 ) 以桥梁的设计方案为基础的图形数据库及文本数据库； ( 2 ) 大桥建设期间的各种测试数据、施工技术指标、参数及材料性能、生产厂商等信 息为主的数据库；( 3 ) 桥梁运营期间，使用实时监测设备建立反映大桥原始状态的数 据库；( 4 ) 通过桥梁检测数据的积累，形成大桥结构特征数据；( 5 ) 建立诸如误差分析、 计算方法的算法动态联接库 ( 6 ) 建立计算分析结果的数据库及图形数据库；( 7 ) 根据 测试数据库及计算数据库使用人工智能技术( 如遗传算法、神经网络等) ，结合专家经 验建立专家知识库【2 ”。 采用网络对多座桥梁进行集中统一监控。运用计算机信息网络技术，致力于提高 整个工作的自动化水平，为桥梁管理单位实施宏观调控以及桥梁实时检测数据的资源 共享提供依据和现代化手段，是大型多媒体i n t e r n e t 计算机综合信息系统。在以下 两方面发挥重要作用，网络将所有受监测的桥梁连成一体，实现了每个桥梁的检测数 据能决速流通及共享，实现真正意义上的无纸办公，大幅提高桥梁养护和管理部门的 工作效率；通过网络管理部门可以利用自己的计算机实时了解各个桥的使用情况。监 控中心和各个桥梁检测网络组成，监控中心设在桥梁管理部门。作为市政桥梁安全监 控管理网络系统桥网的核心节点，要求监控中心的计算机具有强大的交换和存储功 能；此外为了保障网络安全，有很多受保护数据，需要对网络进行严格的防火墙设置。 8 2 。3常见的桥型及监控部位 斜拉桥、系杆拱桥相对梁桥结构形式要复杂些，但除了功能上的优势之外，形 态各异的桥型也受的人们的青睐。在我国许多中下城市都修建了这两类桥梁，考虑到 具有一定的代表性，以下介绍这两类桥梁的检测特点 2 2 j 。 1 混凝土斜拉桥 混凝土斜拉桥是目前市政桥梁最常见的桥型之一，针对桥梁的自身特点，检测项 目主要有混凝土主梁应力的检测以及梁项面标高的观测；主梁与索塔结合部位的混凝 土应力检测；索塔混凝土的应力检测以及塔身的倾斜、塔顶位移的观测等，具体有以 下几类：( 1 ) 索频率、索力测试；( 2 ) 墩、塔沉降测试；( 3 ) 塔柱倾斜变形测试；( 4 ) 塔 柱应力、应变测试；( 5 ) 主梁挠度、应力测试；( 6 ) 主梁、塔柱自振特性测试；( 7 ) 塔 梁结合部的应力测试；( 8 ) 主梁预应力张拉过程中预应力损失的间接测试【2 3 i 。 监测内容和确定对应的系统分项配置上，考虑测试数据的最大利用和测试内容的 互补性，具体的分项包括以下内容。( 1 ) 主梁控制断面的应力测试可使用混凝土应变 计；( 2 ) 主梁与索塔结合部位的应力测试通过布设应变片的测试可以给出梁索结合部 的三向应力状态，确定此部位的最大拉、压应力。通常主梁与索塔结合部位是一个变 截面区域，而且刚度也较大，受力状态相对比较复杂，因此对这断面的应力检测是 全桥检测工作的重点。( 3 ) 索塔的应力、位移测试目的就是了解索塔在营运过程中应 力是否会出现超值，同时掌握塔身的倾斜程度和塔项拉移的范围。( 4 ) 斜拉索索力测 试可使用加速度传感器测试斜索的自振频率，这是目前检测索力较常用的方法。( 6 ) 主梁标高的测量除了掌握桥面的线型状况之外，还间接了解索力对塔的影响作用【2 4 1 。 图2 一l 显示了某斜拉索塔桥应力和索力测试点的分布。电阻应变片用于测试索塔 混凝土受力后的应变与应力，加速度传感器用于测试斜索的自振频率与索的张拉力。 2 钢管混凝土拱桥 钢管混凝土结构特有的力学性能和施工上的优越性，使其在大跨度桥梁的建造方 面具有广阔的发展前景。钢管混凝土是一种由混凝土填入薄壁圆形钢管内而形成的组 合结构材料，它借助钢管对混凝士的套箍作用，以提高核心混凝土的抗压强度，从而 大大提高桥梁的承载力。由于其优良的力学性能和施工上的优越性，该类桥型在我国 得到快速发展。随着拱跨的增大，其安全性问题显得日益突出。在当前大跨度钢管混 凝土拱桥得到迅猛发展的形势下，应积极开展针对此类桥型的安全性评价工作】。 钢管混凝土结构监控数据采集共有七种类型的主要参数：吊杆的拉力参数；拱轴 线的偏位参数；控制截面的应力参数；拱轴和主梁的振动特性参数；主梁挠度参数； 拱脚水平位移参数；环境状态参数1 2 ”。 表2 1 是某钢管混凝土拱桥监测工作计划表，该桥为一新建工程，监测工作从施 工开始同步进行。 9 l j 自一 图2 1 斜拉桥应力与索力测试部位 表2 1安全监控部分工作计划表 序号工况监控内容 测最时间备注 拱肋应力、拱肋标高测 吊两侧拱脚段拱拱肋应力、拱肋标高、 最在扣索张拉前、后及 1 拱肋节段临时固定后， 肋并临时固定温度、风速 温度风速测试与应力、 标高测量同步。 拱肋应力、拱肋标高测 量在扣索张拉前、后及 拱肋节段临时固定后，扣塔应力和墩顶 吊两坝忡间l 拱肋应力、拱肋标高、扣索索力测量在其张偏位测试每隔二一 2 1 1 段拱肋、横撑温度、风速、墩项偏位拉后，扣塔应力测量在个施工节段测量 拱肋节段临时周定后，一次 温度风速测试与应力、 标高测量同步。 标高测试在合龙前、合龙后的线形测 调整拱肋标高， 拱肋标高、温度、风速、后，墩顶偏位在跨中合量应在日落后两 3低温下跨中拱肋 墩顶偏何龙后测量，温度风速测小时及日出前1 合龙 试与标高测量同步。小时之间 1 0 表2 1 安全歧控部分_ l _ = 作计划表( 续) 序号工况监控内容测量时间备注 拱肋麻力、拱肋标高测 拱肋应力监测位 量在灌注混凝土后及 置布置在拱脚、 调整扣索索力后，混凝 四分点、拱顶5 灌注l 号钢管内 拱肋应力、拱肋标高、 土密实度测量在混凝 个截面，标高测 4砼，并调整扣索 温度、风速、墩项偏俺、 土浇注后，扣索索力、 点布置在主桥的 力扣塔应力、墩顶偏位测 北桥墩、1 8 跨、 量在扣索索力调整后， l 4 跨、3 8 、1 2 温度、风速测试与应 跨、5 8 跨、3 4 跨、7 8 跨、南 力、标高测量同步。 桥墩9 个截面 拱肋应力、拱肋标高测 待已灌钢管内砼 量在灌注混凝士后及 应力与标商测点 强度达到设计强 调整扣索索力后，混凝 位置与前阶段 度的8 0 后，依拱肋应力、拱肋标高、 土密实度测量在混凝 同，扣塔应力和 5 土浇注后，扣索索力、 墩顶偏位测试每 次灌注2 8 号温度、风速、墩顶偏位 扣塔应力、墩顶偏位测 隔一个施t 节段 钢管内砼，并调 量在扣索索力调整后， 整扣索力 测量一次 温度、风速测试与应 力、标高测量同步。 灌注吊杆处横向 混凝土密实度测景在 6拱肋应力 缀管内钢砂砼 混凝土浇注后。 浇注拱座预留槽 拱肋应力、拱肋标高、 砼，拆除主拱圈拱肋应力，拱肋标高、 墩顶偏位测量在临时 应力与标高测点 7构件拆除后，温度、风 位置与前阶段同 上扣点等临时构温度、风速、墩顶偏位 速测试与应力、标高测 件 量同步 应力与标高测点 安装立柱并灌注拱肋应力、拱肋标高、 所有数据都在横梁安 位置与前阶段 8砼，安装吊杆和温度、风速、墩顶偏位、 装到位后测量 同，墩项偏位每 横梁吊杆索力测量 隔一个施t 工况 测量一次 拱肋应力、拱肋标高、 所有数据都在每块桥 应力与标高测点 9安装桥面板温度、风速、墩顶偏位、 面板安装到位后测量 位置与前阶段同 吊杆索力测量 桥砸铺装，桥面 拱肋应力、拱肋标高、 桥面铺装及桥面附属应力与标高测点 1 0 温度、风速、墩顶偏位、 位置与前阶段同 附属设施安装 设施安装完毕后测量 吊杆索力测量 第三章 桥梁结构安全管理网络的硬件设备及技术 不同的检测项目有着不同的检测目的，而且其检测方法、手段也各不相同。为了 测定、采集桥梁结构的各项参数、数据或信号，在进行检测时需要使用相应的测试仪 器，将其归纳总结主要包括四大方面：光学类、传感器类、电子控制类以及开发软件 类f 2 7 1 。 3 1光学仪器 1 全站仪 全站仪是全站型电子速测仪简称它由光电测距仪、电子经纬仪和数据处理系统 组成。一台全站仪，除能自动测距、测角外，还能快速完成一个测站所需完成的工作， 包括平距、高差、高程、坐标以及放样等方面数据的计算。全站仪分为分体式和整体 式两类。分体式全站仪的照准头和电子经纬仪不是一个整体，进行作业时将照准头安 装在电子经纬仪上，作业结束后卸下来分开装箱；整体式全站仪是分体式全站仪的进 一步发展。照准头与电子经纬仪的望远镜结合在一起，形成一个整体，使用起来更为 方便【2 引。 全站仪的结构包含有测量的四大光电系统，即测距、测水平角、竖直角和水平补 偿。键盘指令是测量过程的控制系统，测量人员通过按键便可调用内部指令指挥仪器 的测量工作过程和进行数据处理。以上各系统通过i o 接口接入总线与数字计算机联 系起来。微处理机是全站仪的核心部件，它如同计算机的中央处理机( c p u ) ，主要由 寄存器系列( 缓冲寄存嚣、数据寄存器、指令寄存器等) 、运算器和控制器组成。微处 理机的主要功能是根据键盘指令启动仪器进行测量工作，执行测量过程的检核和数据 的传输、处理、显示、储存等工作，保证整个光电测量工作有条不紊地完成。输入输 出单元是与外部设备连接的装置( 接口) 。数据存储器是测量成果的数据库。为便于测 量人员设计软件系统，处理某种目的的测量成果，在全站仪的数字计算机中还提供有 存储器。现在，全站仪已逐渐成为世界上许多著名厂商生产的重要测量仪器之一。 全站仪是以激光远红外测距，并按目标与全站仪基座的相对空间测试角度，确定目标 与全站仪基座的空间位置差。由于全站仪中可配置电脑系统，具有高精度的测角测距 功能，并按有关控制命令，在一定的应用程序控制下，自动巡回测量主梁各观测点的 三维坐标，从而得出各点的三维坐标值，并与初始值进行比较，褥出各观测点的位移 量。由于当今绝大多数全站仪的测程较长( 均在1 0 0 0 m 以上) ，因此测站无需架设在 桥面系或塔柱外壁处，而直接在大桥的两岸侧各设置一个观测站即可1 2 9 j 。 如图3 1 所示，a 为已知高程点，b 为未知高程点，为求得b 点高程，须观测a 、 b 两点间的高差。首先将全站仪安置于a 点，量得仪器高为i ，b 点安置反射棱镜，棱 镜高为l 。 圈3 1 全站仪测量时高程、仪高、镜高、斜距示意图 由图3 一l 中得出a 、b 两点间的高差为： 觑垴= + c + f 一，一， ( 3 1 ) 由于a 、b 两点间的距离与地球半径之比值很小，故可以认为么p n m = 9 0 。，则 向= j s i n 口 ( 3 2 ) 式中口为照准棱镜中心的竖直角，s 为a 、b 两点的斜距。c 和r 分别为地球曲率 和大气折光的影响。 ( 3 3 ) ( 3 4 ) 式中r 为地球半径，r 为光程曲线p q 的曲率半径，设k = r r 为大气折光系 数，则： r ：嬖c o s 2 口 ( 3 _ 5 ) 7 2 百。0 8 口 l 3 一) 将式( 3 2 ) 、( 3 3 ) 、( 3 5 ) 代入( 3 1 ) 式，则有 1 3 口 口 2 2 咖 掀删 = = 堡扯堡刎 = = c r 或 厅一i n 口+ 丢c o s 2 口一筹c 。s 2 川一， p s ， ：s s i n 口一，l ；兰s 2 c o s 2 口+ f 一， 2 r ( 3 7 ) 对式( 3 7 ) 应用误差传播定律，可以得从测点a 到测点b 的单向观测精度 脚2 枷口= ( s i n 鲫z ，) 2 + ( s c o s 口鲁) 2 + m 。2 + 聊r 2 + ( 嘉c o s 2 蜊女) 2 + ( 号手s s i n 2 口鲁) 2 + ( 与 s c o s 2 ( 溯。) 2( 3 8 ) 为了使精度计算简便，对上式进行分析，假定s = l l ( i i i 、m 。= 2 ”、m 。= 1 0 i f f 【， 已知p = 2 0 6 2 6 5 ”、r = 6 3 7 1 k m ，计算上式中的第五项、第六项和第七项的方根均小于 l o m m ，故可忽略不计。另外，在主梁变形测量时，全站仪固定于永久性测站点上， 其仪高不会变动，故由仪器高度变化而引起的误差m 。是可以消除的；同时还可以采取 固定棱镜高和觇牌的高度来消除镜高变化而产生的误差m ，。故采用全站仪测量主梁变 形，其误差主要来源于上式中的前二项。即： m 2 m 口= ( s i n 咖；) 2 + ( s c o s 口鲁) 2 f 3 9 1 2 精密水准仪及配套设备 精密水准仪主要用于国家一、二等水准测量和高精度的工程测量中，可适用于斜 拉桥类的大型桥梁的施工、检测测量如建筑物的沉降观测等。精密水准仪的构造与普 通水准仪基本相同，也是由望远镜、水准器和基座三部分组成。其不同之点是：水准 管分划值较小，一般为l o ”姗；望远镜放大率较大，一般不小于4 0 倍，望远镜的 亮度好，仪器结构稳定，受温度的变化影响小等。为了提高读数精度，精密水准仪上 设有光学测微器，由平行玻璃板、传动杆、测微轮和测微尺等部件组成。平行玻璃板 装置在望远镜前，其旋转轴与平行玻璃板的两个平面相平行，并与望远镜的视准轴成 正交。平行玻璃板通过传动杆与测微尺相连。测微尺上有1 0 0 个分格，它与水准尺上 一个分格( 1 c m 或5 唧) 相对应，所以测微尺能直接读到o 1 唧( 或o 0 5 唧) 。转动测微 轮带动传动杆，使平行玻璃扳绕轴俯仰一个小角，这时视线不再与平行玻璃扳面垂直， 而受平行玻璃板折射的影响，使得视线上下平移。当视线下移对准水准尺时，从测微 尺上可读出相应的数值d 叫。 精密水准仪必须配有精密水准尺。精密水准尺一般都是在木质尺身的槽内，引张 一根因瓦合金带。在带上标有刻划，数字注在木尺上。精密水准尺的分划为线条式， 分划有1 0 咖和5 姗两种。带有基辅差的水准尺是在同一尺面有彼此错开的两排刻划。 1 4 右边。排注记数字自o 至3 m ，称为基本分划，左边一排注记数字自3 至6 m ，称为辅 助分划。两者注记之差k 为3 0 1 5 5 q n ，称为基辅差。无基辅差水准尺左面r 一排刻划 为奇数，右面为偶数。右边注记为米数，左边注记为分米数。小三角形表示半分米处， 长三角形表示分米的起始线。厘米分划的实际间隔为5 m ，尺面值为实际长度的两倍； 所以，用此水推尺观测高差时，须除以2 才是实际高差值1 3 “。 自动安平水准仪是利用自动安平补偿器代替水准管，观测时能自动获得水平视线 的读数因而比普通水准仪观测速度提高约4 0 。自动安平的工作原理如图3 2 a ，当 望远镜视准轴倾斜了一个小角a 时，由水准尺上的a 0 点过物镜光心o 所形成的水平线， 不再通过十字丝中心z ，而在离z 为l 的a 点处，显然： l = ，x a( 3 一1 0 ) 式中：f 为物镜的焦距：a 为视准轴倾斜的小角。若在距十字丝分划板s 处安装一个 补偿器k ，使水平光线偏转b 角，以通过十字丝中心z ，则有 于是得出 上= s 口 ，x a = s x p ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 这个条件若能得到保证，虽然视准轴有微小倾斜，但十字丝中心z 仍能读出视线水平 时的读数a 。，从而达到自动补偿的目的。 还有另一种补偿器，如图3 1 2 b ，借助补偿器k 将z 移至a 处，这时视准轴所 截取尺上的读数仍为矾。这种补偿器是将十字丝分划板悬吊起来，借助于重力，在仪 器微倾的情况下，十字丝分划板回到原来的位置，安平的条件仍为式( 3 1 2 ) 。 枷一# 一 图3 2 水准仪自动安平原理 1 5 b 3 2 加速度传感器及a d 转换器 1 传感器 选择理想的测试传感器，必需对测试对象( 信号) 的三个方面进行分析与估计： 被测振动量的大小；振动信号的频率范围：振动测试现场的环境。根据这三个方面的 分析结果便可参照传感器的相关指标进行选型 3 2 。 ( 1 ) 灵敏度的选择与测量范围 对振动量估计将有助于确定传感器的灵敏度、测量范围及分辨率等指标。测量范 围是指传感器所能测量的最大值。最大测量值通常与所允许的非线性误差相关联，电 压输出型加速度计其测量范围等于传感器输出工作电压与灵敏度的比值。最小测量值 一般取决于测量系统的电噪声。低阻电压输出型加速度计的电噪声主要来源是传感器 内装电路的电噪声，因此最小测量值表现为传感器电噪声与灵敏度的比值。必须指出 一般传感器的电噪声是指其在宽频带的电压有效值，而在振动信号的频率域分析中更 有实际意义的是各频率点的电噪声。特别是对低频信号的测量与分析，由于加速度信 号相对微弱而电噪声增大，所以对实际测量频率处电噪声的了解尤为重要。在考虑最 大和最小测量值后灵敏度的选择在外型尺寸及频率范围许可的条件下应尽量选高为 好【3 3 。 ( 2 ) 测量频率范围的选择 传感器测量频率范围是以指定频率点的灵敏度为基准、一定灵敏度偏差的频率范 围。作为一般规律灵敏度高的传感器高频截止频率较低，且传感器重量较重；反之， 测量频率范围宽的传感器体积小、重量轻，但灵敏度则较低。必须指出传感器的测量 频率范围与安装方式密切相关。传感器的使用频率范围应配合适当的安装方式，过高 地追求传感器的测量频率范围，不仅在实际使用中安装难以实现，而且还会大幅度提 高传感器成本j 。 ( 3 ) 测量环境的影响的考虑 首先是对传感器外型尺寸、重量及信号输出形式的考虑；其次则根据测试现场的 实际情况考虑以下各项与环境影响因素相关的技术指标：温度响应、基座应变、横向 振动的影响、信号接地回路的影响、磁灵敏度、声灵敏度、安装方式的限制、信号输 送的电缆与接头形式【3 4 j 。 ( 4 ) 低阻抗电压输出与电荷输出传感器的比较 带内装电路低阻抗电压输出传感器与传统的电荷输出传感器相比，主要优点为使 用方便，无需对二次仪表进行设置，对带恒电流供电的数采系统更可与传感器直接连 接；测试信号质量好，特别表现在低频：i 9