（计算机应用技术专业论文）太平庄大桥结构健康监测系统研究与应用.pdf

：必嬲必 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：捌未b 日期：p 。，。年， 月z 7 日 t t 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部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和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。 指导教师签名 日期：q 卜年，1 月 日 | 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名：豸多成本勺 日期：一口年f1 月2 7 日 指导教师签名： 同期：谢。年 1 摘要 桥梁结构作为现代交通系统的重要基础，其安全与健康不仅关系着国家的社 会、政治、经济、国防等各项事业的健康有序发展，而且也直接影响着人民的生 命、财产安全。然而，桥梁结构运营期间的安全与健康受到周围环境、地质活动、 材料老化、超负荷荷载、不适当管理与维护及匮乏的监测和检测技术等因素的严 重影响。近年来，国内外桥梁垮塌事故屡见不鲜，桥梁结构的安全运营问题，引 起了各国政府、媒体和社会的高度关注。 桥梁结构健康监测是指利用安装于桥梁结构上的传感器对桥梁结构裂缝、挠 度、应变、动力特性等结构动、静力行为，以及对风荷载、温度、车辆活载等环 境参数的实时监测，通过对监测数据的综合分析实现对桥梁结构承载能力、营运 能力、耐久能力的评估和判断，为桥梁结构的运营、养护和管理提供科学、可靠、 有效的依据。因此，在桥梁结构上安装健康监测系统对桥梁结构进行长期监测， 对确保桥梁结构运营期i 日j 的安全与健康有极其重要的作用和意义。自上世纪8 0 年 起，世界各国陆续设计与安装了不同规模和种类的桥梁健康监测系统，对桥梁结 构进行实时健康监测，以确保桥梁结构的安全与健康，同时，桥梁结构健康监测 的研究也逐渐成为国内外桥梁学术界与工程界的研究重点和热点。 针对以往桥梁结构健康监测技术存在成本高、监测手段单一、不能实时、在 线和远程监测等方面的不足，研发了一套较为完备的桥梁结构健康监测系统，并 安装应用于渝黔高速公路太平庄大桥的工程实践当中，实现对该桥梁结构健康状 况的长期、远程、实时、在线、自动监测。 在太平庄大桥健康监测系统的设计与研究过程中，对系统的多种技术进行了 改进研究。首先，对机敏网仿生裂缝监测阵列进行了改进研究；其次，对基于准 直点激光投射式挠度监测系统的点激光发射器进行了改进研究；最后，研究与开 发了能够实现对系统中传感器件的工作状态进行智能控制的电源管理器。通过相 关技术的改进与研究，提升了健康监测系统的稳定性、可靠性以及工程应用能力。 本文研究内容主要为以下几个方面：( 1 ) 分析桥梁健康监测发展现状及存在的 问题；( 2 ) 分析与介绍重庆交通大学健康监测系统的基本技术；( 3 ) 阐述太平庄健 康监测系统相关技术的改进研究工作；( 4 ) 阐述太平庄大桥健康监测系统施工安 装：( 5 ) 分析太平庄大桥长期监测情况。 关键字：桥梁：健康监测；太平庄大桥；裂缝监测；挠度监测；应变监测 m a b s t r a c t s a f e t yo fb r i d g e sn o to n l yi n f l u e n c e sn o r m a la n dr e g u l a rd e v e l o p m e n to fn a t i o n a l p r o j e c t s ，s u c ha ss o c i e t y , p o l i t i c s ，e c o n o m y , n a t i o n a ld e f e n s ea n ds oo n ，b u ta l s o i n f l u e n c e ss e c u r i t yo fp e o p l e sl i v e sa n dp o s s e s s i o n s h o w e v e r , m a n yf a c t o r sa f f e c tt h e s a f e t ya n dh e a l t h o fb r i d g e s ，s u c ha sw i n d ，e a r t h q u a k e ，o v e r l o a d ，m a t e r i a la g i n g ， u n r e a s o n a b l em a n a g e m e n ta n ds oo n i nr e c e n ty e a r s ，m a n yb r i d g e sc o l l a p s e da l la r o u n d t h ew o r l d ，w h i c ha b s o r b sh i g ha t t e n t i o nf r o mg o v e r n m e n t sa n dm e d i a b r i d g es t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g ( b s h m ) w h i c hr e a l t i m em o n i t o r st h eh e a l t h y s i t u a t i o no fb r i d g e s s t r u c t u r e ，p r o v i d i n gs c i e n t i f i cd a t af o r b r i d g e s m a n a g e m e n t ， m a i n t e n a n c ea n dr e p a i rb ym o n i t o r i n gs t r u c t u r a lr e s p o n s ea n de n v i r o n m e n tc o n d i t i o n s t a r t e di n8 0 sl a s tc e n t u r y n e v e r t h e l e s s ，b s h mt e c h n o l o g yi ss t i l li na ne a r l yp h a s e a n daf e wb s h ms y s t e m sa r ei n s t a l l e di ns o m el a r g e s c a l eb r i d g e sn o w a d a y s b r i d g e s a l lt e n dt ob ei n s t a l l e db s h ms y s t e m si nt h ef u t u r e s w h i c hi sa nr e s e a r c hp r i o r i t yi nt h e c i v i le n g i n e e r i n g p r e s e n t l yt h em e t h o d su s e di nb s h ma l w a y sn e e d sh i g hc o s t t h e s em e t h o d sa r e s h o r to fm o n i t o r i n gm e t h o da n dc a n n o ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fr e a l t i m em o n i t o r i n g t os o l v e t h e s ep r o b l e m s ，c h o n g q i n g j i a o t o n gu n i v e r s i t yi n v e n t e da s e to fb s h ms y s t e m ， w h i c hw a si n s t a l l e do nt a i - p i n g z h u a n g b r i d g ea n dt o r e a l i z el o n g - t e r m ，r e m o t e ， r e a l t i m ea n do n - l i n em o n i t o r i n gt h eh e a l t h ys i t u a t i o no ft a i p i n g z h u a n gb r i d g e i nt h ed e s i g na n dr e s e a r c hp r o c e s s ，av a r i e t yo ft e c h n i q u e so ft h es y s t e mh a v eb e e n i m p r o v e d f i r s t l y , s m a r tf i l ma r r a yh a v eb e e ni m p r o v e d s e c o n d l y , t h el a s e rt r a n s m i t t e r o ft h ed e f l e c t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e e ni m p r o v e d f i n a l l y ，d e v e l o p e dap o w e r m a n a g e rw h i c hc o u l di n t e l l i g e n t l yc o n t r o lt h ew o r k i n gs t a t u so fs y s t e ms e n s o r s w h i t t h e s ei m p r o v e m e n t s ，t h eh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e m ss t a b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n d e n g i n e e r i n g c a p a b i l i t i e sh a v eb e e ni m p r o v e d t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri n c l u d e st h ef o l l o w i n gf o u ra s p e c t s ：( 1 ) a n a l y z et h e g e n e r a ls i t u a t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fb s h ms y s t e ma n di t se x i s t i n g p r o b l e m s ； ( 2 ) a c c o r d i n gt o t h er e q u i r e m e n to fs t r u c t u r a lm o n i t o r i n go ft a i - p i n g z h u a n gb r i d g e ， a d o p tt h eb s h ms y s t e mi n v e n t e db yc h o n g q i n gj i a o t o n gu n i v e r s i t ya n da n a l y z et h e s c h e m eo fi t sh a r d w a r ea n d s o f t w a r e ；( 3 ) i n s t a l lt h e b s h ms y s t e mo nt h e t a i p i n g z h u a n gb r i d g e ，i n c l u d i n g c r a c k m o n i t o r i n gs y s t e m ，d e f l e c t i o nm o n i t o d n g s y s t e m ，s t r a i nm o n i t o r i n gs y s t e m ，t e m p e r a t u r em o n i t o r i n gs y s t e ma n di n t e r r e l a t e d i n s t r u m e n t ss u c ha si n d u s t r i a lc o m p u t e r , l i g h t n i n gp r o o fe q u i p m e n t ，e t c ；( 4 ) e s t a b l i s ha l o n g t e r mm o n i t o r i n ga n de v a l u a t i o ns y s t e mo fs t r u c t u r a lh e a l t h ys i t u a t i o no ft a i p i n g z h u a n gb r i d g e 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 ；t a i p i n g z h u a n gb r i d g e ；c r a c km o n i t o r i n g ； d e f l e c t i o nm o n i t o r i n g ；s t r a i nm o n i t o r i n g i i 目录 捅要j ：i a b s t r a c ，i i i i 第一章绪论1 1 1 桥梁健康监测概述1 1 1 1 桥梁健康监测的概念1 1 1 2 桥梁健康监测的必要性2 1 1 3 桥梁健康监测的意义3 1 2 桥梁健康监测研究现状3 1 2 1桥梁健康监测系统设计原则4 1 2 2 桥梁健康监测项目5 1 2 3 桥梁健康监测方法6 1 2 4 桥梁健康监测的数据采集与传输1 2 1 2 5 桥梁健康状态评估与寿命预测1 4 1 3 桥梁健康监测存在问题1 6 1 4 论文研究内容1 6 1 4 1论文研究目的和意义1 6 1 4 2 论文研究内容1 7 第二章太平庄大桥健康监测系统基本技术1 9 2 1机敏网仿生裂缝监测系统1 9 2 1 1机敏网仿生裂缝监测系统功能1 9 2 1 2 机敏网仿生裂缝监测系统原理2 0 2 1 3 机敏网仿生裂缝监测系统组成2 0 2 1 4 机敏网仿生裂缝监测系统参数2 4 2 2 准直点激光投射式挠度监测系统2 4 2 2 1准直点激光投射式挠度监测系统功能2 4 2 2 2 准直点激光投射式挠度监测系统原理2 5 2 2 3 准直点激光投射式挠度监测系统组成2 5 2 2 4 准直点激光投射式挠度监测系统特点2 7 2 3 振弦式应变监测系统2 8 2 3 1振弦式应变监测系统原理2 8 2 3 2 振弦式应变监测系统组成2 8 2 4 温度监测技术2 9 2 4 1温度监测系统功能2 9 2 4 2 温度监测系统组成3 0 2 5 控制与数据管理系统3 0 2 5 1控制与数据管理系统功能3 0 2 5 2 控制与数据管理系统组成3 1 3 1 3 3 3 3 3 3 3 1 2 前期机敏网仿生裂缝监测阵列的改进研究3 5 3 1 3改进后的机敏网仿生裂缝监测阵列3 6 3 2 准直点激光投射式挠度监测系统改进研究3 7 3 2 1前期准直点激光投射式挠度监测技术存在的问题3 7 3 2 2 前期点激光发射器结构改进研究3 8 3 3 电源管理器研究3 8 3 3 1电源管理的研发背景3 8 3 3 2 电源管理器功能3 9 3 3 3电源管理器的研究和设计3 9 3 4 本章小结4 0 第四章太平庄大桥健康监测系统的整体设计4 1 4 1 太平庄大桥工况概述4 1 4 2 太平庄大桥健康监测系统的硬件设计4 2 4 2 1机敏网仿生裂缝监测系统设计4 3 4 2 2 基于准直点激光投射式挠度监测系统设计4 4 4 2 3 振弦式应变监测系统设计4 6 4 2 4 温度监测系统设计4 8 4 2 5 控制与数据管理硬件系统研究及设计5 0 4 3健康监测系统软件设计5 1 4 3 1太平庄大桥健康监测系统软件功能5 2 4 3 2 太平庄大桥健康监测系统专用软件设计5 3 4 4 本章小结5 8 第五章太平庄大桥健康监测系统施工安装5 9 5 1 施工方案5 9 5 1 1 安装前检测5 9 5 1 2 实施安装5 9 5 1 3 施工组织与管理5 9 5 2 各系统旌工安装6 0 5 2 1裂缝监测系统施工安装6 0 5 2 2 挠度监测系统施工安装6 l 5 2 3 应变监测系统施工安装6 2 5 2 4 温度监测系统施工安装6 3 5 2 5 控制与数据管理系统施工安装6 3 5 3 本章小结6 4 第六章太平庄大桥长期监测情况6 5 6 1裂缝监测结论与分析6 5 6 2 挠度监测结论与分析6 6 6 3 应变监测结论与分析6 6 致谢7 l 参考文献7 2 学术成果7 7 1 1 1 第一章绪论 1 1 桥梁健康监测概述 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 1 桥梁健康监测的概念 结构健康监测( s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g ，s h m ) 是指利用无损传感技 术获取结构的连续状态信息，根据获得信息对结构健康状态进行评估和判断，为 结构的管理与维护提供科学、可靠与有效的依据，对结构的健康状态和剩余寿命 进行评估与预测。 桥梁结构健康监测是指利用安装于桥梁结构上的传感器，对桥梁结构响应和 周围环境状态进行实时监测，获取实时动态参量信息，以实现对桥梁结构的健康 状态、承载能力、营运状态、耐久能力进行智能评估和判断，为大桥在特殊环境、 交通条件下或桥梁运营状态严重异常时发出预警信号，为桥梁的维修养护与管理 决策提供科学、可靠、有效的依据和指导，达到减少交通事故、保障国家财产与 人民生命安全的目的。 1 桥梁健康监测内容 桥梁结构健康监测在国外兴起于2 0 世纪8 0 年代，而在国内则兴起于2 0 世纪 9 0 年代。在过去几十年的发展中，针对桥梁结构类型、桥梁结构使用状态和周围 环境等差异，不同桥梁健康监测系统所监测的项目和重点也不尽相同，同时，由 于桥梁健康监测没有形成统一的行业规范等原因，不同桥梁健康监测系统的传感 技术、数据采集、数据传输方式、监测中心等功能模块的具体构成也存在很大的 差异。 但是从目前桥梁工程发展看，桥梁健康监测的内容主要有以下几个方面。、 1 ) 结构的固定模态及其相对应的阻尼； 2 ) 桥梁结构在正常车辆荷载及风载作用下的结构响应及力学状态； 3 ) 桥梁在突发事件( 如强烈地震、台风或其他严重事故等) 之后的损伤情况； 4 ) 桥梁结构构件的真实疲劳状况； 5 ) 桥梁重要构件( 如桥墩处的支座) 和附属设施的工作状态： 6 ) 大桥所处的环境条件，比如风速、温度、地面运动等。 2 桥梁健康监测系统组成 虽然在具体设计和应用过程中，不同桥梁健康监测系统设计的监测项目各不 2 第一章绪论 相同，但是从系统组成角度分析，健康监测系统因其各部分功能可分为以下几个 组成部分： 1 ) 传感系统，利用温度传感器、加速度计、应变计、裂缝计、功能纤维、全 站仪等传感器，感知风、温度、车辆荷载等环境状态和应力、变形、裂缝、疲劳 损伤、动力特性等结构响应，并以电、光等物理量形式输出； 2 ) 数据采集和传输系统，利用工控机、特殊数据采集器等设备对传感系统输 出的物理量进行采集、存储和处理等操作；并利用有线或无线通信方式将监测数 据远程传输到监测中心，以供监测中心对数据进行分析、处理等操作； 3 ) 数据处理与控制系统，对海量的监测数据信息进行处理、控制，为结构健 康状态评估和寿命预测提供有效、准确的依据； 4 ) 结构健康监测评估系统，利用可实现诊断功能的各种软硬件对收到的监测 数据进行分析、处理、诊断，最终实现对桥梁结构状态的评估和寿命的预测。 1 1 2 桥梁健康监测的必要性 桥梁结构作为现代交通系统的重要基础设施，其安全运营关系着国家财产、 人民生命的安全以及经济发展和社会稳定口1 。然而，桥梁结构投入运营后，其健康 状态和使用寿命受到设计规范、施工质量、周围大气环境、地质活动、材料老化、 超负荷荷载、不适当的管理与维护等因素的严重影响盼_ 1 ，国内外桥梁垮塌事件常 有发生，给社会经济、国家财产造成巨大损失，严重威胁着人民的生命安全。如， 1 9 9 9 年重庆彩虹桥垮塌，造成4 0 人死亡，1 4 人受伤，直接经济损失6 3 l 万元； 1 9 9 9 年甘肃省岷县北郊憩乐岛公园的铁索桥突然坍塌，致使3 2 人落水，1 8 人死 亡；2 0 0 0 年四川省泸州市境内的奈溪河发生一起浮桥沉塌事故，数十人落水，有 7 人失踪；2 0 0 7 年广东佛山九江大桥垮塌，造成8 人死亡；2 0 0 7 年美国明尼苏达 州桥梁发生坍塌，造成1 1 人死亡，2 人失踪，1 0 0 人受伤；2 0 0 8 年云南曲靖独木 水库孙家马场大桥垮塌，致使2 人死亡，1 人失踪：2 0 0 9 年黑龙江省哈伊公路铁 力路段西大桥发生垮塌，造成4 人死亡：2 0 0 9 年印度德拉贾镇桥梁垮塌，造成至 少4 人死亡；以及2 0 0 4 年成都温江三渡水大桥垮塌、2 0 0 4 年辽宁盘锦大桥垮塌、 2 0 0 6 年广东深汕高速公路桥梁垮塌、2 0 0 6 年甘肃岷县洮河大桥垮塌等事件。 频频发生的桥梁垮塌事件，不仅对交通造成严重影响，而且也严重影响了经 济社会的发展和稳定、给国家经济和财产造成严重损失，并对人民生命的安全造 成严重的威胁。因此，为保证桥梁结构安全与健康的运营，桥梁结构健康监测应 运而生。自上世纪8 0 年代起世界各国陆续在桥梁结构上安装桥梁健康监测系统对 桥梁结构各种参量( 如，挠度、裂缝、应变、温度等) 进行实时监测，以实现及 3 1 1 3 桥梁健康监测的意义 针对不同桥梁结构的实际情况设计和安装桥梁健康监测系统，监测桥梁结构在 车辆活载、风荷载、温度、地质活动等环境因素影响下的动态响应，以及桥梁结 构自身部件的健康状况，对保障国家财产和人民生命安全有极其重要的作用和意 义。当然除此之外，在桥梁结构上安装健康监测系统还有以下几个方面的重要意 义： 1 ) 可以在大桥竣工后进行结构安全验证测试，并建立桥梁原始健康档案； 2 ) 实时监测可以及早发现桥梁病害，确定桥梁损伤部位并进行定性和定量分 析，在突发事件之后还可以评估桥梁的剩余寿命，为维修养护和管理决策提供依 据和指导； 3 ) 实时监测所得的数据和分析结论，为提高人们对大型复杂结构的认识( 如 真正的环境荷载和桥梁动力响应) 提供科学、可靠的依据。同时，为以后施工、 维护、管理及健康状况分析等提供依据和指导； 4 ) 可以在桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，有效预防安全事故，保障 国家财产和人民生命的安全； 5 ) 可以验证桥梁结构的设计模型和计算假定，提高人们对大型复杂结构的认 识，为实现桥梁结构的“虚拟设计奠定基础。 1 2 桥梁健康监测研究现状 桥梁结构健康监测在国外兴起于2 0 世纪8 0 年代，而在国内则兴起于2 0 世纪 9 0 年代。自2 0 世纪8 0 年代起，世界各国陆续设计与安装了不同规模的桥梁健康 监测系统。如，欧洲阳q 3 、美国o 川、加拿大n 2 ，1 3 1 、日本，1 5 1 、韩斟1 6 朋1 、中国n 8 。1 及其他国家心卜2 2 1 都在桥梁结构上安装了桥梁结构长期健康监测系统。其中具有代 表性的健康监测系统有：加拿大预应力混凝土箱梁c o n f e d r a t i o n 桥阻2 埘、丹麦 g r e a tb e l te a s t 悬索桥、挪威s k a m s u n d e r 斜拉桥心3 1 、英国f o y l eb r i d g e 大桥幽1 等桥梁健康监测系统、以及香港的青马大桥乜蝴1 、汲水大桥、汀九大桥和上海的徐 浦大桥及江阴长江大桥等桥梁健康监测系统。 桥梁健康监测系统通过幢8 。3 2 3 应变仪、加速度计、位移计、风速计、地震仪、动 态地坪、轴重传感器、温度计、声学敏感传感器、光导纤维传感器( f o s ) 、g p s 、 压电电阻传感器( p z t ) 、机器人裂缝检测系统、裂缝密封剂纤维、机敏涂料和人 4 第一章绪论 工观测方式，实现对桥梁结构振动、应变、挠度、裂缝、动力特性等结构响应和 风荷载、车辆活载、温度、地质活动等周围环境状态的监测。 然而，桥梁健康监测并不是对传统人工检测方法的简单改进，而是现代计算 机技术、通信技术、传感技术、海量数据处理技术、结构分析理论和决策理论的 综合应用。桥梁健康监测不仅克服了传统人工检测方法的诸多不足，也有其独到 的优点。 1 ) 桥梁健康监测解决了人工检测不能及时检测桥梁结构损伤的问题； 2 ) 桥梁健康监测克服了人工检测受检测部位位置的限制； 3 ) 克服了人工检测时需要预先知道损伤位置的缺陷； 4 ) 桥梁健康监测克服了人为因素对检测结果的影响； 5 ) 桥梁健康监测克服了人工检测的周期长、实时性差等问题； 6 ) 克服了人工检测成本高及人力和物力高度消耗等问题； 7 ) 克服了人工检测不能处理突发事件或突然性损伤破坏的不足。 1 2 1 桥梁健康监测系统设计原则 建立健康监测系统的主要目的是掌握结构的运营安全状况，根据目的和功能 要求确定系统的监测项目和仪器系统。仪器系统是健康监测系统成本的主要部分， 在监测系统中监测项目和传感器数量越多，监测信息就越全面，从而系统成本就 越高；反之则降低系统成本，但同时也可能会因为监测信息不足而降低监测数据 的有效性。所以为使系统成本更合理，有必要对功能与成本进行优化，使用最小 的投资，获得最大的有效监测信息。在优化功能与成本的同时，要满足监测系统 可靠性和系统性的要求。 因此，健康监测系统设计应遵循以下原则： 1 ) 目的与功能的主辅原则。以建立该系统的目的和功能为主导，而其它目的 则为辅助的原则； 2 ) 功能与成本最优原则。使用最小的投资，获得最大的有效监测信息； 3 ) 系统性和可靠性原则。可靠性是监测系统最基本的要求，而可靠性取决于 各种仪器的可靠性、监测网络的布置与设计的统筹安排和施工上的配合等因素； 4 ) 关键部件优先与兼顾全面性原则。关键部件是监测的重点。但也应考虑全 面性，考虑对结构整体性进行监测； 5 ) 实时与定期监测结合原则。由于有些项目不必进行长期实时监测，但其监 测频率又远高于人工监测，应该考虑采用定期监测，以减少后期维护成本和数据 处理压力。 第一章绪论5 1 2 2 桥梁健康监测项目 1 桥梁工作环境监测 1 ) 风荷载监测 通过对桥梁所处环境的风速、风向的监测，获取桥梁不同部位的风速、风向 等参数，监测桥梁结构在风载作用下的行为及其抗风稳定性，为分析结构的响应 及大桥状态评估提供依据。 2 ) 温度、湿度荷载 环境温度及桥上温度分布监测，可为桥梁设计中温度影响的计算分析提供依 据。对桥梁在实际温度作用下的工作状态变化和安全性作出分析和评价。通过对 桥梁结构相对湿度的监测，可以为钢结构桥梁的耐久性评价提供依据。 3 ) 地震荷载及船舶撞击荷载 通过对桥梁进行地震荷载和船舶撞击情况的监测，可为桥梁进行受震作用的 响应分析积累资料，从而为桥梁结构健康状态分析和评价提供依据。 4 ) 交通车辆荷载监测 记录各种交通荷载信息，通过对车辆监测资料的分析可以对设计用的荷载规 范进行校核，通过荷载谱的分析可为结构的疲劳分析提供更接近实际的依据。 5 ) 其他 通过对桥梁结构周围空气酸碱性等环境的监测，掌握桥梁结构混凝土的碳化、 钢筋的锈蚀等结构功能老化规律，为桥梁的耐久性、承载能力等评价提供依据。 2 桥梁结构性能监测 1 ) 桥梁结构线形监测 在横载作用下桥梁的梁轴线位置、拱桥的拱轴线位置、斜拉桥和悬索桥的主 梁和索塔的轴线位置以及活载作用下轴线位置的变化是衡量桥梁结构是否处于健 康状态的重要标志。所以，桥梁结构线形的监测项目为：主梁挠度和转角、拱轴 线型、索塔轴线、墩台变位等。 2 ) 桥梁结构主构件受力监测 桥梁结构主要承载构件的受力监测是所有桥梁健康监测系统中不可缺少的部 分，通过实时监测结构在车辆、温度等各种荷载作用下应力或内力状态，为结构 损伤识别、疲劳损伤寿命评估和结构状态评估提供依据。桥梁结构主构件受力的 监测项目包括：主梁、主拱等应力，斜拉索、悬索桥的主缆与吊索等索力，拱桥 吊杆拉力等。 3 ) 桥梁结构振动监测 桥梁结构振动特性是表征桥梁结构整体状态的重要参量，与桥梁结构的刚度、 6第一章绪论 质量及其分布直接相关，定期对桥梁结构的振动特性进行测量能从整体上把握桥 梁结构的运行状态。桥梁结构振动特性的监测项目有：斜拉索振动、吊杆振动、 桥面振动等。 4 ) 结构材料耐久性监测 利用现代无损检测技术对桥梁结构的材料如混凝土、钢材等的强度及损伤情 况检测，解决可靠性评估中的抗力检测问题。 5 ) 其他监测项目 桥面铺装、伸缩缝、桥面排水系统、照明设备等监测。 1 2 3 桥梁健康监测方法 1 桥梁结构工作环境监测方法 1 ) 风荷载监测方法 风荷载监测主要是监测风向、风速，通过风向、风速等特性的监测记录，为 分析桥梁结构在风荷载作用下的响应以及对桥梁结构状态评估提供依据。常用的 风荷载测量方法有：机械电磁式或超声式风速仪。 2 ) 温度、湿度监测方法 对桥梁结构周围环境温度、湿度的监测，为分析和评价桥梁结构在实际温度 作用下的工作状态变化与安全提供依据，以及为钢结构桥梁的耐久性评价提供依 据。常用的温度、湿度监测方法有：热电偶、热电阻式温度计、光纤光栅温度传 感器和湿度计等。 3 ) 地震荷载及船舶撞击荷载监测方法 地震荷载及船舶撞击荷载监测通常是采用长期信号实时触发，通过设置信号 触发阀值大小，当地震波或船舶撞击信号大小超过设定阀值时，仪器将自动采集 地震荷载或船舶撞击荷载，其常用的监测方法有：地震仪。 4 ) 交通车辆荷载监测方法 车辆荷载是指车辆在桥上行驶时产生的一系列的力，其作用可包括静力和动 力。车辆荷载参数包括车重、轴重、轴距、车辆在桥上的位置和车辆数目等。通 常用摄像仪记录交通车辆事故；电子动态地秤记录车辆荷载。 2 桥梁结构性能监测方法 1 ) 裂缝监测方法h 刖 卡尔逊式或弦式测缝计 裂缝计一般是预埋在桥梁结构内部，属于点式检测技术。由于裂缝出现的随 机性，所以容易造成漏检现象； 第一章绪论 7 网络预埋在结构中或者粘贴在结构表面，能够实 置监测和检测，但是由于其网络的不规整性和网 络只是根据单根光纤来判定裂缝，对裂缝位置、定向性和长度等难以做出准确的 判定，同时，成本较高，施工难度大，工程应用前景不明； 超声波测量 超声波测量是利用超声波在混凝土内部传播时，当遇到混凝土裂缝的时候， 将发生反射、散射及折射等现象，超声波的声学参数办将随之变化，如声速减小、 振幅降低、波形发生畸变等，通过分析超声波参数的变化来分析裂缝的深度等。 但此种方法容易受到混凝土性能、钢筋布置、结构物形状尺寸、环境温度和换能 器表面与混凝土表面的声耦合状况等现场检测条件的影响。 裂缝显微镜 裂缝显微镜是最为传统的裂缝检测方法，其主要应用于裂缝的现场观测，但 是裂缝数据读取结果受人的主观因素影响较大。 数字图像 数字图像技术综合运用图像采集技术、图像识别技术及图像信号分析技术， 对结构表面裂缝进行检测，存在难以实现实时、远程、自动的监测，并且在工程 运用中容易受到环境、摄像器材、物理定标及被摄物污染等方面的影响。 机器人裂缝检测系统 机器人检测系统由特殊结构的汽车、机器人机械装置、控制系统、裂缝自动 检测机械视觉系统组成。该裂缝检测系统，虽然使用了比较客观的检测手段，避免 观测人员知识背景和专业技术经验等的影响，但是该套系统基本原理是图像处理 技术，以及需要技术人员操作、系统比较庞大等特点只适用于现场检测，并不能实 现长期、远程、自动监测。 裂缝密封剂纤维 裂缝密封剂纤维是将填充了裂缝密封剂的纤维浇筑在混凝土中，当混凝土产 生裂缝的时候，纤维随之破裂并且释放密封物质，从而根据被释放密封物质来判 断裂缝的发生及位置。由于裂缝产生的随机性，此种监测方法存在漏检，同时不 能实现长期、远程、自动监测。 机敏涂料 机敏涂料的原理与裂缝密封剂纤维的工作原理相似，首先将特殊颜色的染料 密封在一些小孢子中，然后涂刷在结构表面，当裂缝产生的时候，孢子破裂并释 放染料，从而根据涂刷机敏涂料区域颜色的变化，判定裂缝的发生与位置。该方 法，可以对结构进行大面积的监视，但是存在不能实现长期、远程、自动监测等 8 第一章绪论 问题，同时涂刷机敏涂料区域颜色也会受到桥梁结构表面污染的影响。 机敏网仿生裂缝监测技术 机敏网仿生裂缝监测方法通过模拟动物肌肤神经系统对损伤的感知机理，将 金属机敏线预制在结构体表面形成裂缝传感网络，根据金属机敏线的通断判断出 裂缝的发生、发展、形状、位置、长度，并且根据不同型号机敏线的断裂情况判 断裂缝宽度。 2 ) 挠度监测方法h 帽1 全站仪 全站仪是由电子测角、电子测距、电子计算和数据存储单元等组成的三维坐 标测量系统，可实现测量结果自动显示、记录和存储，并能与外围设备交换测量 和控制信息，但是其存在操作过程较为复杂，受工作环境因素影响大，结果计算 相对复杂等不足。 倾角仪 倾角仪即是利用电容伺服式倾角仪与数字积分器联结，测量出桥梁的挠度曲 线。该方法使用烦琐，对测量人员的素质要求高，受倾角仪之间的相位差、瞬态 反应时间和零点漂移等因素的影响，测量精度难以把握。 百分表测量法 百分表测量法是利用齿条一齿轮传动机构将线位移转变为角位移，通过放大 后，将检测的直线往返运动转换成指针的回转转动，以指示其位移数值。该种方 法是比较传统的挠度测量方法，其分辨率为0 o l m m ，量程为5 5 2 m m 。其存在费时 费力，工作效率低下，应用范围较小等不足。 g p s g p s 挠度测量技术测量范围大，适用于挠度变化较大的特大跨度悬索桥、斜拉 桥的挠度测量，但是其精度较低，成本较高。 激光图像法 激光图像法测量具有很高的测量精度，可达到0 1m m ，且其采样速率高，成本 较低，适合于跨度不大的中小型桥梁，但是其受光照条件影响较大。 、 水准仪 水准仪分为光学水准仪和数字水准仪。光学水准仪是较为传统的挠度测量仪 器，其技术成熟，精度较高，但是存在视线范围较小( l o o m ) ，对观测人员素质 要求高，工作强度较大，受人为因素影响大：数字水准仪拥有读数客观、精度高、 速度快，效率高，操作简单的有点，但是其存在受外界环境影响较大等不足。水 准仪测量方法需要耗费大量的人力、物力、财力，同时也不能实现远程、自动、 长期监测。 第一章绪论9 电磁波测距三角高程测量 电磁波测距三角高程测量采用每点设站、往返观测方式，所以其成本较高、 耗费大量的人力、物力、财力，同时也不能实现远程、自动、长期监测。 连通管 连通管测量的原理是几个底部互相连通的容器，注入同一种液体后，在液体 不流动时各容器的液面总是保持在同一水平面上；如果互相连通的各容器中有一 个发生竖向移动，则液面仍会保持水平，但该水平面已不同于前一水平面。连通 管测量方法存在监测液面受环境温度、液体蒸发等因素影响的缺点。 光电成像测量系统 光电成像测量系统由发光靶标和光电数字摄像机两部分组成。发光靶标固定 在桥梁结构的待测部位，光电数字摄像机则固定在桥梁的桥墩上。通过发光靶标在 光电数字摄像机的成像变化来计算待测点挠度的变化。该种监测方法受环境光照 条件的影响较大，同时其测量范围较小。 准直点激光投射式挠度监测系统 准直点激光投射式挠度监测技术由准直半导体点光源激光发射器、具有半反 射效应的投影靶、视频采集设备和电脑组成，能对桥梁挠度进行快捷、高效、高 精度的监测。 3 ) 应力监测方法蚋2 1 振弦式传感器 振弦式传感器是基于钢弦频率随钢丝张力变化的原理而工作，适用于应力测 量系统，振弦式传感器输出的是频率信号，测量信号精度高，抗干扰能力强、对 电缆要求低，适合于远距离传输，长期工作可靠性强，适应在恶劣环境下工作。 电阻应变计 电阻应变计是利用应变片的电阻变化与被测量结构物的应变成j 下比的原理来 测量，具有动态响应性能好，灵敏度高的优点，但是也存在测量结果受导线连接 处的接触电阻变化的影响，存在零点漂移，不适用于长期监测。 光纤应变传感器 光纤应变传感器主要有光纤光栅应变传感器和光纤法珀应变传感器两种。光 纤应变传感器动态响应性能好，抗电磁干扰能力强，但是存在受结构材料温度影 响、成本高昂、施工难度大等不足。 4 ) 振动监测方法 压电式加速度计 压电式加速度计的敏感元件称为压电元件，一般的压电式加速度计输出的是 1 0 第一章绪论 电荷，与之相匹配的是电荷放大器。压电式加速度内嵌了集成放大器，由 成阻抗变换的功能。加速度计可使用长电缆而无衰减，并可直接与大多数 仪表、计算机等连接。 压阻式加速度计 压阻式加速度计的敏感元件是固定在悬臂梁的应变计，应变计是慧斯 的一个臂，与之匹配的放大器是动态应变仪。 电容式加速度计 电容式加速度计是利用两块极板来感应由于加速度引起的电容改变。 速度计具有低频响应好，阻尼稳定以及过载能力强等优点，适合应用于低 振等振动测量情况。 力平衡式加速度计 力平衡式加速度计的原理与电容式加速度计相似，但是更加小巧。伺服式力 平衡加速度计适用于直流与低频振动测量。 5 ) 索力监测方法 油压表读数法 在斜拉桥挂索过程中，拉索通常使用千斤顶张拉，液压千斤顶连接精密油压 表，张拉时通过油压表可以换算得到拉索索力。这种方法简单易行、成本低，是 施工中控制索力最实用的方法，但其精度较差，而且局限于挂索过程索力控制， 并不适合索力的长期监控。 应变传感器 应变传感器法是现行测量结构应力的最普遍方法之一，在某些特定场合也可 用于测量索力。根据敏感原件的不同，可以是电阻应变片、光纤应变传感器等。 该法简单易行、成本低，其寿命主要取决于传感器元件的材料、制作工艺水平和 粘贴方式。 压应力法 利用压力传感器测量拉索索力时，将圆环形弹性材料和应变传感材料组成的 穿心式压应力传感器安装在拉索锚具和索孔垫板之间，拉索在张力t 的作用下使弹 性材料受到锚具和索孔垫板之间的压力作用，弹性材料在压力作用下发生形变， 通过附着在弹性材料上的应变传感材料将弹性材料的变形转换成可以测量的电信 号或者光信号，再通过二次仪表测量索力。电阻应变片压力传感器、光纤应变片 压力传感器等，其测量精度主要取决于应变计的性能、测量电路的特性、弹性材 料的性能和传感器的制作工艺水平。 第一章绪论 磁致弹性测力仪( e m 传感器) 磁致弹性测力仪是通过磁通量法测定斜拉桥索力，它利用放在拉索上的小型 电磁传感器测定磁通量变化，根据索力、温度与磁通量变化的关系，推算索力。 磁通量法所用的材料是电磁传感器，这种传感器由两层线圈组成，除磁化拉索外， 它不会影响拉索的任何力学特性和物理特性。 振动频率法 振动频率法测量索力是目前测量斜拉桥拉索索力应用最广泛的一种方法。通 过传感器获取拉索在人工激励和随机激励下的振动信号，通过频谱分析仪对振动 信号的频谱进行分析，得出拉索的基频或者通过拉索前几阶振动频率，计算得到 基频，从而通过相应公式计算拉索索力。 3 传感器优化布置 1 )