（光学工程专业论文）高墩桥墩顶位移现场监测系统的研发.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 中国的西部地区，多处于大山大河的地区，地形起伏，沟壑交错，山岭纵横， 所以高墩桥甚多。由于该类桥梁的桥墩较高，相对于一般桥梁而言，其危险性更 大，因此对该类桥梁的高墩顶端位移进行监测尤为重要。与此同时，随着桥梁安 全监测不断地向自动化、智能化的方向发展，这就要求监测系统能够全天候自动 地运作，并且能够与远程监控中心进行通信，提供实时有效的数据。为此，本课 题以重庆市向家坡立交桥i v 匝道的1 0 号高墩顶端位移以及其它相关监测参数为 研究对象，开发一套现场监测系统，对研究桥梁状态安全监测具有深远的意义。 本文首先阐述了对向家坡立交桥i v 匝道l o 号高墩顶端位移进行监测开发一 套现场监测系统的重要意义，分析了国内外高墩位移监测的各种手段，进而提出 了利用倾斜传感器为手段进行探索的优点和可能性。 在挠度力学模型的理论基础下，推导了倾斜角度与桥墩位移的关系方程，为 利用倾斜传感器测量桥墩位移奠定了理论基础。 根据监测要求以及向家坡立交桥的具体环境，对现场监测系统进行了总体的 分析和设计。整个系统采用了两层监控物理网络，利用了现场总线和以太网络技 术，为系统实现现场监测和并入上层信息系统奠定了基础。与此同时，根据功能 需求，在软件体系上设计了各功能模块实现采集、存储以及数据传输的需要。 现场系统的开发采用系统集成的方法，这不但有利于集世界上优秀产品和技 术之长，寻求最优方案，以达到最优化效果，而且大大节省了开发的时间。在系 统集成中，详尽论述了各器件的选型和接口技术以及抗干扰等集成中的关键问 题。 软件的构建采用了软件工程中模块化的设计开发思想。根据系统提出的功 能，对系统软件的各功能模块进行开发，其中包括t c p i p 通信模块、时钟模块、 存储空间管理模块、现场设备通信控制模块、主程序控制应用模块以及远程接口 等。 为了验证系统，对整个监测系统进行了长时间的实验室调试，模拟现场设计 布线，采集各种数据，实现各种功能控制。而且对重要器件( 倾斜传感器) 的关 键性能进行了测试。最后，把系统安装到现场，对向家坡i v 匝道1 0 号高墩顶端 位移以及其它有关参数进行监测，通过远程上位机实现对现场监测系统的控制。 经过数据处理和分析，系统有效地实现了高墩桥墩顶位移等参数的状态监测。 关键词：高墩桥，墩顶位移，倾斜传感器，现场监测系统 冀获六学鹾士学位论文 燕文攮要 a 翳s t r a c t i nt h ew e s to fc h i n a , t h e r ea r el o t so fh i 零- p i e rb r i d g e st h a tc r o s st h eh u g e m o u n t a i n sa n dr i v e r s a st h e 窭e r s 黼t o om u c hh i g h e rt h a nt h eo t h e r si nt h ep l a i n ， t h i sk i n do f b r i d g e sa r em o r ed a n g e r o u s 。s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt om o n i t o rt h eh e a l t h y c o n d i t i o no ft h e s eb r i d g e s 。s p e c i a lt h ed i s p l a c e m e n to ft h et o po fp i 雌o nt h eo t h e r h a n d ，w i t ht h eg r e a tp r o g r e s si nt h ef i e l do f t h eb r i d g eh e a l t hm o n i t o r i n g , t h es y s t e m m u s th a v et h ef u n c t i o n sw i t hd a t aa c q u i s i t i o na u t o m a t i ca n dr e m o t ec o 蛙n n u n i c a t i o ni n b a de n v i r o n m e n tf o ro b t a i n i n gt h er e a l t i m ed a t aa n dm a k i n gt h er i g h td e c i s i o ni n t i m e + f o rt h es t u d yo nt h eh e a l t ho fh i g h p i e rb r i d g e s ，w ec a r r i e do u tap r o j e c ta n d d e v e l o p e dt h es y s t e mt om o n i t o rt h ec o n d i t i o no fh i 曲p i e r so ft h ec h o n g q i n g x i a n g - j i a - p ob r i d g e 。 i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ei m p o r t a n c ea n dn e c e s s i t yo f m o n i t o r i n gt h ed i s p l a c e m e n t o fh i g hp i e r so ft h ec h o n g q i n gx i a n g - j i a - p ob r i d g ea l ef i r s tp r e s e n t e d a n dm a n y k i n d so f w a y s ，s u c ha sl a s e rd e f l e e f i 0 1 1m e t e r 、g p sa n dt i l tm e t e ra l ed i s c u s s e d t h e nw ef o c u so nt h et i l tm e t e r , d i s c u s sh o wt ou s ei tt og e tt h ed i s p l a c e m e n to f t h et o p & p i e ra n da s s u r en a tt h et i l tm e t e ri st h em o s ta p p r o p r i a t ew a yi nt h i sp r o j e c t a c c o r d i n gt ot h e c o n d i t i o no f x i a n g - j i a - p ob r i d g ea n dr e q u i r e m e n to f m o n i t o r i n g , t h ea r c h i t e c t u r eo f t h es y s t e mw a s d e s i g n e d t h e s ei n c t u d et h ec o m m u n i c a t i o nw e t 、 h a r d w a r ea n ds o f t w a r e f o rm a k i n gt h ed e v e l o p m e n tl n o r ee f f i c i e n c y , s y s t e mi n t e g r a t i o ni sa ai m p o r t a n t w a yt or e a l i z eo u ri d e a 融t h i sp a r t , w ew i l lf o c u so nh o wt oc h o o s et h ek e y e q u i p m e n t s , s u c ha st i l tm e t e ra n dd a t aa c q u i s i t i o n , h o wt oi n t e g r a t et h e mi n t oa s y s t e ma n d 酾w t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t h ew h o l es y s t e m m o d u l ep r o g r a mi sav e r yi m p o r t a n tw a yi nt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n t i nt h e s y s t e m , m e ya r et c p i pm o d u l ef o rr e m o t ec o m m u n i c a t i o n ，c l o c km o d u l ef o r o b t a i n i n gt h er e a lt i m e , d a t am o d u l ef o rf i e l dd a t as t o r a g e , f i e l dc o m m u n i c a t i o n m o d u l ef o rc o n t r o l l i n gt h ef i e l de q u i p m e n t sc o m m u n i c a t i o na n dm a i nc o n t r o lm o d u l e f o ri n t e g r a t i n ga l lt h ef u n c t i o n sa n dr u n n i n gt h es y s t e m 。 f i n a l l y , f o rp r o o f i n ga p p l i c a t i o nr e s u l to fm o n i t o r i n gs y s t e m ，d e b u g g i n gi s n e c e s s a r ya n ds y s t e mw a st e s t e di nt h el a b o r a t o r y , t h e nt h es y s t e mw a si n s t a l l e da n d a p p l i e d0 1 1t h ec h o n g q i n gx i 强g - j i a - p ob r i d g e 。a f t e ra n a l y z i n gt h er e t u r n e dd a t a , 封 重庆大学硕士学位论文英文摘要 m o n i t o r i n gs y s t e mi sp r o v e dt ob er u n n i n gv e r yg o o da n dt h ec o n d i t i o no fh i g hp i e r , s p e c i a lt h ed i s p l a c e m e n t ( t i i t ) ，i so b t a i n e da n dm o n i t o r e dc o r r e c t l y k e y w o r d s ：h i g h p i e rb r i d g e ，d i s p l a c e m e n to f t h et o po f p i e r , t i l tm e t e r , f i e l dm o n i t o r i n gs y s t e m 1 1 1 霪痰大学矮圭学整论文1 绪论 1 绪论 1 1 引言 随罄国家基础设蓬建设鹣邋猛发震，中国耩粱建设瓷过去二卡年露瓣萋取褥 了举世瞩目的成就，在中华大地上建成永久性公路桥梁2 2 4 万多座。这些桥梁 成夷全国交通两络中熬熬要节煮，羹国家经济静稳步发藏提供7 可靠熬缣簿，给 人们的工作和生活带来了便利 1 】。随着时间的推移，种种因素的影响使桥梁的安 全度有掰下洚，严重影臻营运获凝，葚黧蔻及瑙入琵群众滋生余舫产安全。努： ( 1 ) 连接繁江县城东西城区的跨、江大桥彩虹桥工程造价4 0 2 2 4 万元，9 9 年整 体坍塌，遥藏死宅鞫久，轻重绥l 毒人弱霆大事毅，壹接经济援失6 2 8 2 2 万元； ( 2 ) 造价1 8 0 0 万元的宜宾南门大桥在使用1 1 年后，发生悬索及桥面断裂幕故， 耩嚣蠛爨辩塌錾，遥或了基太懿经漆撰失酾影嫡撬粱安全豹滚素缎多，诸蘩： 设计未达到使用要求，施工未达剿设计懿求，桥粱老化及疲劳效应，人为戚自然 步 力夔 受袭等等。瞧魏鬃能够对挢粱菜些关键部经进行蕊溅，及辩发瑷阏题，裁 能及时采取措旋，最大限度地减少损失。然而，就目前而言，我网许多煎爱的桥 梁嫠没鸯建立绦诞安全瞧秘蠹| 久蠖熬整测维护系统。握1 9 9 9 年程舞的“霆骣援 梁大会”报道，美国目前在编大桥约有5 7 6 0 0 0 魔，其中2 3 0 0 0 0 多座处于不安全 状态。我霆撬梁众多，仪上海就纛5 万多痊，曩裁这些橙粱处于传么样憨健康状 态，一茏所知1 3 】。由此可见，对桥梁状态建立监测系统已是迫在眉睫。 中困的西部地区，多处于大n ”| 大河蛇地区，蛾形起伏，海壑交错，山岭纵横， 所以桥梁甚多。以著名的山城重庆为例，截止到2 0 0 2 年底，在长江和荔陵江上 融建桥梁2 0 座，趣上其它大大小小的公路挢，羹庚已成必全国桥梁最多驰城市， 可以称为桥梁之都。由于地理环境的制约，这些桥梁一般修建在大江太河上 鲅是环由修建，所以桥墩一般很离，而且弯度较大。例如熏庆市向家坡立交桥桥 墩最高就有3 6 2 5 米，相当于1 2 层楼的高度。在遭受辫常外力作用下，桥墩容 易产生极大的结构变形，甚至超出设计的安全极限。同黔，由于河流的冲洗，山 体的滑坡，地壳的运动等自然破坏经常发生，这些也极大地威胁着桥梁豹安全。 因此，商墩桥，尤其在瑙部地区，存在着极大的寮全隐患，必须对此进行长期实 时遣监测，及时魄做出诊断和补救措施。 重庆市向家坡立交桥是国道主干线黛庆至湛江公路，重庆童浆院子至雷神店 段的一郝分，为薰庆南瘁鹃一顼獯要交懑枢纽工程。向象渡立交桥觅图li 和图 1 2 。它由四条匝道组成，建于山坳中，四周属予高滑坡地形。向家坡立交桥是 一条典蘩船高墩轿，其遴遭轿墩约为3 0 多来。其中酶 v 匝遂为多联豹筒架弯坡 重庆大学硕士学位论文1 绪论 连续粱桥，跨径布置为( 1 7 + n 2 4 + 1 7 ) m 。匝道的1 0 号墩为常规钢筋混凝土 双圆柱墩，墩高达3 6 2 5 m ，与主梁为固定铰支连接。据理论分析，桥墩在制动 力作用下，墩顶切线位移1 6 9 c m ；以6 0 k m h 时速计算，离心力作用下，墩顶法 线位移为3 7 1 2 c m ；2 阶振型下，纵振( 主梁圆弧线切向) 为o 1 1 3 h z ；3 阶振型 下，横振为0 3 4 8 h z ：1 阶振型下，扭振( 两桥墩沿主梁圆弧线切向相反运动) 为0 0 4 8 h z 。所以，为了对高墩桥的运营结构状况进行研究，重庆向家坡立交i v 匝道健康监测已被列入2 0 0 2 年度国家科技攻关项目“大型桥梁安全远程实时监 测成套技术开发示范”的一个研究子课题并予以实施 4 1 ( 项目编号为： 2 0 0 2 b a l 0 5 c ) 。 图1 1 向家坡立交桥匝道示意图 f i 9 1 1e n v i r o n m e n to f t h ex i a n g - j i a - p ob r i d g e 图1 2 向家坡立交桥的多联高架弯坡连接示意幽 f i 9 1 2s t r u c t u r eo f t h ex i a n g - j i a - p ob r i d g e 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 通过测量桥墩顶端的位移量，可以反映桥墩的整体形态变化以及结构刚度。 因此，墩顶位移是高墩桥梁安全状况评价的重要参数之一，也是本课题的重要组 成部分之一。与此同时，本课题还对1 2 号墩( 与主梁为滑动型球铰支座连接) 的 墩梁错位以及环境温度同时进行监测，以便于对高墩桥的整体状况进行研究。 桥梁工程的迅猛发展对桥梁监测提出了新的要求，希望能够对在建或已建桥 梁进行长期、全天候、自动以及实时地监测，获取第一手资料，从而做出判断和 采取措施。随着科学技术的进步，融合通信网络技术、传感技术以及计算机等新 技术，同时结合数学、力学、计算科学、桥梁工程、材料等学科知识，对桥梁进 行实时安全监测成为了可能，这也是目前桥梁健康监测的重要探索领域。高墩桥 墩顶位移监测系统的研发不仅为桥梁健康监测奠定了技术基础和提供了研究平 台，同时对大跨度桥梁的桥台桥塔的变形监测具有重要意义。 1 2 高墩桥墩顶位移监测的国内外现状 目前，墩顶位移测量的方法主要有激光挠度仪、电子全站仪、全球定位系统 g p s 以及倾斜传感器。 1 2 1 激光挠度仪 激光挠度仪包括了激光发射器，接受摄像机或c c d 接收阵列和信号传输、 处理等一套系统。把接收摄像机安装在需要测量挠度的位置上，激光发射器位于 适当的测量基点，当摄像机的c c d 阵列接收到射进的激光，把阵列中的每一像 点光能转换为相应的电信号，通过系统传输到处理终端进行数据处理，从而得到 c c d 中光能的分布。当桥墩顶产生位移( 水平) 或沉降时，安装固定在该测点 的c c d 阵列产生位移( 垂直和水平) ，影响光能在c c d 上的分布情况，通过 处理和前后对比最终就可以获得相对的位移( 水平) 和沉降。利用该方法测量时， 需要一个长期稳定不动的基准点设定激光发射器，在短距离良好环境下，测量精 度可达毫米级。但激光挠度仪只能测量一个水平方向，而且容易受环境( 如温度， 距离，亮度等) 的影响口】。激光挠度仪测量墩顶位移的方法如图1 3 所示。早在 1 9 7 9 年瑞典s i t e k 公司已经利用此技术对多座已建和在建桥梁的桥墩监测进行 了研究【6 】。现在该方法已经被广泛用于桥梁测量的工程应用中。 3 重庆人学硕士学位论文 1 绪论 桥墩运动c c d 接 、 激光发 、射器 图1 3 激光挠度仪测量墩顶位移示图 f i 9 1 3m e a s u r e m e n tf o r t h ed i s p l a c e m e n to f p i e rw i t hl a s e rd e f l e c t i o nm e t e r 1 2 2 电子全站仪 电子全站仪测量墩顶位移的方法其实与激光挠度仪十分相似。它把激光发射 器、c c d 接收阵列以及信号处理传输系统集成为电子全站仪，固定在基点上。在 桥墩测点上装上光学反射棱镜，把全站仪发射的激光反射回全站仪的c c d 接收阵 列上。然后通过c c d 上光强分布的变化，经过数据处理获取前后变化，最终获得 测点的位移。比起激光挠度仪，电子全站仪更加优越和方便【w 。但是因为也是利 用光电测量的原理，所以同样受环境影响很大，多用于施工现场的测量，而且测 量量程不大。目前，出现了以电子全站仪为基础的自动性全站仪又称为测量机器 人，该仪器可以对大范围进行多点全自动长期监测，精度可达毫米级。最近，徕 卡公司就利用这种新技术对上海卢浦大桥、杨浦大桥等进行了较长时间的监测 i s 。 1 2 3 全球定位系统g p s g p s 为全球定位系统英文的缩写。如图1 4 所示，一台卫星接收机固定在参 考站上，另一移动接收机放置在桥墩顶端，利用g p s 对被测位置变形前后所获得 的位置参数进行差分就可以得到移动位置的三维变化量( 血，却，z ) 9 1 。g p s 能够 同时监测三维的动态变换，实现全天候实时监测，适用于大范围、大变形的情况， 一般需要安装在开阔的地方有利于信号的接受。最近几年，g p s 已经开始在国内 外的多座大跨度桥梁的监测中得到应用，如：香港的青马大桥、广东的虎门大桥。 但是g p s 法的测量精度一般只能达到厘米级，并且价格相当昂贵。 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 图1 4g p s 监测墩顶位移示图 f i 9 1 4m e a s u r e m e n tf o rt h ed i s p l a c eo f p i e r 谢t hg p s 星 1 2 4 倾斜传感器 利用倾斜传感器测量墩顶位移的方法，是通过测量桥墩测点前后产生的倾斜 角变化，根据力学知识推导出倾斜角和位移的关系，从而计算获得墩顶的位移。 目前在国外该方法已经得到广泛的应用，如：( 1 ) 为监测冲洗对连接c h i c o 和 0 r l a n d 的c a l t r a n s 桥的破坏，美国西北大学结构技术学院的工程师，在其中1 8 个桥墩上安装了倾斜计进行监测 1 叭。( 2 ) 在1 9 9 0 年，美国a g i 公司在美国金 门桥的两个桥塔上安装了两个双轴倾斜传感器，测量冲蚀或地震造成的永久性位 移。结果数据表明，塔架每天移动约2 5 个微弧度，相当于它们的热弹性循环， 潮汐荷载的影响很少，没有观测到永久性位移】。( 3 ) 2 0 0 1 年，唐山高等专科 学校和北京科技大学合作，利用倾斜传感器对铁道部1 6 工程局承建的塞浦路斯 高速公路罗密欧高架桥桥墩位移测量【l ”。由于传感器的密封性能好，所以该方 法能够适应全天候包括恶劣环境下长期工作；以垂直方向作为轴线，不需要参考 点，使得安装更加方便；而且能够同时测量水平面上两个轴线方向的倾斜变化； 传感器提供标准的电压电流信号接口，使得数据采集更为方便。但是，必须提 出一点，在使用倾斜传感器测量位移时，必须能够建立倾斜角与位移的准确关系， 否则不能实现其应用。 通过比较以上几种墩顶位移的测量方法，根据向家坡立交i v 匝道的环境以 及墩顶位移测量的要求，激光挠度仪与电子全站仪精度高，能够自动进行监测， 5 重庆大学硕士学位论文1 绪论 但是容易到灰尘、雾气的影响，特别在雾都重庆尤其严重，不能进行长期在线测 量，而且必须参考点，这对于向家坡立交桥所处的高滑坡地形非常困难。全球定 位系统g p s 虽然能够全天候进行长期三维监测，但是该方法同样需要参考点，而 起精度只能最高达到厘米级，所以也不能用于向家坡立交桥。倾斜传感器的方法 不需要参考点，能够适应全天候监测，如果能够导出倾斜角与位移的关系以及满 足监测的要求，那么该方法必定是大有可为的。对此，在第二章作详细分析。 1 3 论文的主要研究内容 根据以上分析，为了实现对重庆向家坡立交桥i v 匝道高墩状态的自动远程 监测，本课题的主要内容有： 研究利用倾斜传感器测量墩顶位移的方法，推导倾斜角与位移的关系公 式；根据监测要求，选取适当的倾斜传感器。 根据现场情况和监测要求，对监测系统进行总体方案设计。 开发系统的硬件、软件，并通过集成有关器件及模块，实现数据采集以 及远程通信和控制。 提高系统的抗干扰性和稳定性，进行实验室以及现场的安装调试，实现 系统的长期稳定运行。 获取相关测量原始数据，进行处理和分析，监测墩顶位移及其它参量的 状态变化。 本章小结 本章阐述了高墩桥监测的重要意义。分析了各种墩顶位移测量方法的国内外 现状，从而提出了利用倾斜传感器进行位移监测的设想。最后根据向家坡立交桥 i v 匝道墩顶位移的基本情况，提出了本课题的研究内容。 6 重庆大学硕士学位论文2 倾斜传感器测量墩顶位移的原理分析 2 倾斜传感器测量墩顶位移的原理分析 要利用倾斜传感器实现桥墩顶端位移的监测，必须首先了解高墩桥桥墩变形 的规律，求出倾斜角与位移的关系，为系统的设计和器件的选择奠定基础。 2 1 倾斜角与位移关系的原理分析 引起桥墩变形( 墩顶位移) 的因素很多，而变形主要包括可恢复性变形和不 可恢复性变形。可恢复性变形是指车辆载荷、周期性环境温度等因素的作用下， 桥墩产生暂时性的变形，当这种作用消失后，桥墩又会恢复到原来的状态。如图 2 1 ( a ) 所示，在车辆荷载经过桥墩上方时，由于梁体自重很大，或者墩梁为固 支连接时，使墩顶与梁体在相对运动时产生摩擦力f ，桥墩在这个摩擦力的作用 下将沿桥梁移动的方向产生水平位移d 【” 。通过荷载测量，位移可以反映桥墩的 刚度及其它结构部位的疲劳状况。 e h ( a ) 墩顶受力时顶端位移示图( b ) 顶端位移筒化模型示图 图2 1 墩顶受外力变形示图及顶端位移简化模型 f i 9 2 1d i s p l a c e m e n t m o d e la t t h e t o po f t h e p i e r 假设桥墩为一匀质、等截面、桥墩根部不动的理想杆，如图2 1 ( b ) ，当墩 顶发生位移d 时，在偏离垂直直线上产生倾斜角0 。把倾斜传感器安装在顶部， 测量倾斜角的变化，根据工程力学的相关理论有【“】： 顶端倾斜角：a o ：一堡( 2 1 ) 2 邑y 挠度方程：d g ) = 一篙( 3 h x ) ( 2 - 2 ) f ：外力：e ：弹性模量；i ：惯性矩；x ：测点与桥墩根部的距离 7 重庆大学硕士学位论文2 倾斜传感器测量墩顶位移的原理分析 当x = h 时，墩顶位移- d = 三h a 0( 2 3 ) 3 桥墩永久性变形主要指在桥墩长期负荷的结构疲劳或者受滑坡、地震以及冲 洗等因素使桥墩产生的不可恢复的永久性变形。这时，桥墩顶端将会产生一个永 久性的位移，并随时间流逝逐渐变大，以致达到安全极限。如图2 2 所示，桥墩 遭受暴雨的冲洗后，桥墩基础产生整体的变形，顶端产生位移。假设桥墩为刚性 体，基础产生整体倾斜，根据三角函数关系有1 4 _ 6 】： 墩顶位移：d = h s i n a 0( 2 4 ) i d i 叫h 一 ( a ) 桥墩产生整体倾斜示图( b ) 墩端位移简化模型示图 图2 2 桥墩整体倾斜及简化模型示图 f i 9 2 2m o d e lo f p i e rd e f o r m a t i o n 根据以上分析，由突发性因素( 如地震、滑坡、洪水等) 和桥墩长期运营所 产生的永久性顶端位移，以及周期环境变化( 如温度) 所引起的结构位移，是本 课题对墩顶位移进行长期自动监测的主要内容。在此情况下，交通荷载所引起的 快速、可恢复性位移变形可通过数据处理的方法作为噪声剔除。而对于现场荷载 实验，也可以通过安装在桥墩上的倾斜传感器进行现场的实时数据采集和分析处 理测量桥墩的疲劳状况。 在实际工程监测中，一般以安装后初始状态的角度巩为基准。然后把测量的 角度b 与之相减，其差值为倾斜变化，即： 倾斜角：p = 只一o o ( 2 5 ) 然后代入上述推导的墩顶位移公式求取位移。 本章小结 本章讨论了产生墩顶位移的各种因素，据此提出了墩顶位移的简化模型以及 推导了倾斜角与位移的关系公式。 8 r 重庆大学硕士学位论文3 向家坡立交桥现场监测系统的总体方案设计 3 向家坡立交桥监测系统的总体方案设计 对高墩桥运营安全状况的研究，实现全天候、自动、远程以及实时地监控， 必须根据现场的具体情况、监测的对象和要求，利用传感技术、计算机以及通信 等现代科学技术，进行系统总体设计。 3 1 向家坡立交桥监测布点设计与要求 向家坡立交桥是国道主干线重庆至湛江公路，重庆童家院子至雷神店段的一 部分，距离收费站公路监控网络接入口约4 公里。立交桥四周属于高滑坡地段， 桥墩建于沟壑中，由于上层土质较松，而且有山泥倾泻的危险，所以基础埋入较 深。 立交桥的i v 匝道为多联的高架弯坡连续粱桥。1 0 号墩为常规钢筋混凝土双 圆柱墩，墩高达3 6 2 5 m ，与主梁为固定铰支连接。为监测墩顶位移，拟在外圆 弧桥墩顶端安放两个倾斜传感器，分别测量切向( 弯坡切向) 和法向的位移。由 于考虑该桥墩可能存在部分结构的变形，根据有限元分析，在外圆弧桥墩距离墩 顶6 米的敏感处，也安放两个倾斜传感器，分别测量桥墩该部位的位移。同时， 为了研究温度对桥墩变形的影响，在安放倾斜传感器截面的1 4 圆弧位安装温度 传感器( 共8 个) ，测量不同结构点位的温度。1 0 号桥墩传感器的具体布点见图 3 】。 ( a ) 1 0 号桥墩传感器布点俯视图 - 7 ( b ) 1 0 号桥墩传感器布点立体视图 图3 11 0 号桥墩传感器布点示图 f i 9 3 1s e n s o r si n s t a l l a t i o na t1 0 # p i e r 9 z 1 夕1 _ r 为法向 t 为切向 + 一为倾斜方向 。温度传感器 倾斜传感器 ( c ) 图例说明 r 旧r 一 重庆人学硕士学位论文3 向家坡立交桥现场监测系统的总体方案设计 i v 匝道的1 2 号墩同为常规钢筋混凝土双圆柱墩，与主梁为简支连接。因此 梁体容易滑动，与桥墩产生相对位移，即墩梁错位。如果错位过大，或脱离设计 范围，桥梁将产生危险。所以，在1 2 号墩顶与梁体之间安装两个位移传感器， 用于测量切向和法向的墩梁错位。同时，也在顶端截面的1 4 圆弧处安装4 个温 度传感器，用于监测温度的影响。1 2 号桥墩传感器的具体布点见图3 2 所示。 粱体运动 i 登嘲 薰 z r 为法向 t 为切向 。温度传感器 位移馋感器 ( a ) 位移传感器安装图示c o ) 1 2 号桥墩传感器布点立体示图 图3 21 2 号桥墩传感器布点示幽 f i 9 3 2s e n s o r si n s t a l l a t i o na t1 2 # p i e r 综上所述，对向家坡立交桥进行盟测的测点要求如表3 1 所示。 表3 1 向家坡立交桥监测要求 、要求 参数 数量分辨力精度测量范围测量布点 墩顶位移 3 0 c m 倾斜传感器 40 5 ( m l y l )1 ( m m )1 0 # 墩梁错位 线性移位 21 ( m m )2 ( m m )1 0 c m1 2 # 传感器 温度 1 21 ( )2 ( )1 0 + 7 0 1 0 # ( 8 个) 温度传感器1 2 # ( 4 个) 3 2 监测网络框架及硬件的总体设计 随着信息技术的发展，局域网、互联网以及其它通信网络的应用，使得信息 的获取以及处理更加方便，消除了过去由于距离和时问而存在的障碍。同时，在 原有传感器中嵌入通信和计算机技术给测量带来极大的进步。目前，这些传感技 术、通信及计算机系统的集成极大推动了如桥梁、隧道、公路以及楼宇等建筑结 构安全健康临测以及研究“1 ，也给基础设旋的信息管理带来了革命。 1 0 t 叱 重庆大学硕士学位论文 3 向家坡立交桥现场监测系统的总体方案设计 图3 3 给出了一个企业( 南方高速公路发展有限公司) 信息网络系统结构示 意图。企业内部信息管理采用企业内部互联网i n t r a n e t 技术，并且和互联网 i n t e r n e t 连接。桥梁状态的监测由各种现场智能单元组成( 如现场工控机及其 它设备等) ，利用现场总线技术进行数据传输和控制，被称为现场监测网络。现 场监测网络通过e t h e r n e t 接入企业内部的信息网络系统。整个企业信息网络结 构，使得监控过程的运行数据能够更加方便地提供给各级相关人员，为科学管理 和研究、安全运营和有效维护提供了基础【l 9 1 。 互联网 企业内部 互联网 现场监 测网络 l - 一旦耋塑竺竺坠j 图3 3 企业信息网络系统结构示意图 f i 9 3 3s y s t e ma r c h i t e c t u r eo fm i s 现场监测网络是基于r s 4 8 5 总线接口进行开发。r s 一4 8 5 总线标准是美国电 气工业协会( e i a ) 公布的“平衡电压数字接口电路的电气特性”标准。如图3 4 所示。r s 一4 8 5 通信标准无论发送和接收数据均采用双端( 差分) 信号，可以有 效地克服共模干扰，提高数据传输速率和传输距离，其最大传输率为l o m b p s ， 在此速率下电缆允许长度为1 2 m ，如果降低数据传输率，在9 0 k b p s 时，最大距 离可达1 2 0 0 m 。r s 一4 8 5 总线是半双工的，只需一对信号线，所以在同一时间内只 允许系统中一个发送者，但可以有多个监听者，总线系统可以同时存在3 2 个以 上的通信节点。r s 一4 8 5 具有结构简单、扩展性能好、成本低廉、硬软件支持丰 富、安装方便，且与现场仪器仪表接口简单，系统集成实施容易等特点 2 0 - 2 1 】。 重庆大学硕士学位论文3 向家坡立交桥现场监测系统的总体方案设计 图3 4r s - 4 8 5 网络不图 f i 9 3 4r s q 8 5n e t w o r k e t h e r n e t 采用由i e e e s 0 2 3 定义的数据传输协议c d m a c d ( 带有冲突检测的 载波监听多路访问协议) 。这种协议算法用于监听网络的负荷和冲突以及控制数 据帧的发送，从而保证系统网络的稳定。按照国际标准化组织开放系统互联参考 模型( o s i ) 的7 层结构，以太网标准只定义了链路层和物理层，作为一个完整 的通信系统，它需要高层协议的支持。所以在目前，通常把以太网和传输控制协 议网间协议( t c p i p ) 紧密地捆绑在一起使用( 有关t c p i p 的介绍和开发在第 五章中详细讨论) 。虽然以太网由碰撞而引起的信息传输时间的随机性仍然是有 待解决的问题，但由于以太网的低成本、开放性、广泛的开发和应用软硬件的支 持，使用光纤作为传输介质极大提高现场的抗干扰能力，并且能够方便实现与企 业内部互联网络的融合，所以已成为测控领域的行业新趋势，在现场控制系统中 正被广泛接收和使用 2 2 埘】。 向家坡立交桥现场监测系统( 见图3 5 ) 由两层通信网络组成，分别为现场 监测网络和远程通信网络。现场监测网络由现场工控机、采集模块以及传感器等 设备组成，通过r s 一4 8 5 总线接口，由工控机控制各采集模块对各通道的传感器 进行数据采集。远程通信网络采用以太网技术，负责现场工控机与远程上位机之 间的通信，远程上位机通过现场系统提供的接口协议，实现对现场工控机的控制， 这时远程上位机作为服务器，现场工控机为客户机。 除了数据通信网络实现信息的传递外，还需要设计供电网络，为现场设备 提供能源。如图3 5 ( b ) ，根据现场设备的工作运行要求，设备分为常开型和控 制型，常开型设备实现一天2 4 小时工作，如现场工控机及光纤收发器等，市电 进入系统后直接供电；对于控制型设备或器件，如位移传感器、倾斜传感器、温 度模块、采集模块等，通过工控机控制供电，从而减少能源消耗和延长器件寿命。 1 2 重庆大学硕士学位论文3 向家坡立交桥现场监测系统的总体方案设计 ，t一 ：卜制 巧一一一一： 光缆 一一l - 传感嚣 传感器 去远 设备 设各 现场工 程上 控机 位机 、 、，一 9 # 。 _ 一 1 3 # 1l # 市电 1 0 # 1 2 # ( a ) 向家坡立交桥现场监测系统安装简图 ( b ) 向家坡立交监测系统设备连接框图 图3 5 向家坡立交桥现场监测系统 f i 9 3 5f i e l dm o n i t o r i n gs y s t e mo f t h ex i a n g - j i a - p ob r i a g e 1 3 重庆大学硕十学位论文3 向家坡立交桥现场监测系统的总体方案设计 3 3 现场监测系统软件总体设计 3 3 1 系统软件功能设计 为了能够在无人监控情况下采集大量的数据，系统要求能够自动地对安装在 桥梁上的倾斜传感器、位移传感器以及温度传感器进行稳定可靠的测量，并进行 存储，实现自动采集。如图3 6 所示，在设定时间间隔中断到来时，系统启动各 设备电源，对所有通道的传感器进行采集，获取数据并存储，当完成采集后，系 统关闭设备电源，等待下一次采样时间的到来。这样就完成了一次自动采集。 在特殊情况下，为了能够直接提供即时现场数据或对某个测点参数进行连续 测量，系统提过远程采集控制接口，实现动态采集。在远程控制打开设备电源后， 如果系统接收到远程上位机的采集指令，实现对某通道传感器进行采集，然后把 数据直接返回远程上位机。因此，上位机可以通过该指令接口，实现特殊要求的 数据采集。 通道1通道2通道n通道1 l ：ii ：l ：l ：ll ：土： f 一一一茨莱集酐丽。一一椎盱利 时问间隔 图3 6 自动采集时序示图 f i 9 3 6a u t o - a c q u i s i t i o ns e q u e n c e 经过一定的时间运行，现场工控机通常累积了大量数据( 采集数据以及错误 信息数据) ，远程上位机必须通过指令接口实现数据管理。这包括读取最新数据、 读取所有数据和清除历史数据。 同时系统还必须具有时间管理功能，实现时间的同步；电源管理实现设备供 电电源的控制；以及用户管理功能，实现远程登陆用户身份的鉴定、添加、删除 以及读取。综上所述，具体功能如下： 自动采集功能：自动采集所有通道数据并存储 动态采集功能：远程控制实现动态采集 数据管理功能：远程控制上传数据( 全部历史数据或最新采集数据) ，并能 够清除存储器数据 时钟管理功能：读取和修改现场芯片时间 电源控制功能：控制系统设备供电电源开关 用户管理功能：鉴定、添加、删除以及读取现场工控机用户信息 1 4 重庆大学硕士学位论文3 向家坡立交桥现场监测系统的总体方案设计 3 3 2 系统软件体系结构设计 为更好的进行模块化系统软件开发，软件系统分为t c p i p 通信模块、现场 设备通信控制模块、时钟模块、存储空间管理模块、初始化模块以及主程序控制 应用模块。具体过程构件( 模块) 的层次结构如图3 7 所示。在各功能模块中包 含了实现系统各功能的子函数。 初始化模块 卜 1卜 存储空间 管理模块 t c p i p 卜主程序控制 l 通信模块 f 7 应用模块 ，“ 卜、 时钟模块 、n l 信控制模块卜 r 7 图3 7 向家坡立交桥监测系统软件结构框架示图 f i 9 3 7s o f t w a r ea r c h i t e c t u r ef o rt h em o n i t o r i n gs y s t e mo f t h ex i a n g - j i a - p ob r i d g e 本章小结 为实现监测布点要求，对向家坡立交桥各个测点的安装分布进行了详尽的设 计说明。据此，对监测系统的通信网络和硬件进行了总体设计，采用两层数据通 信网络，分别实现现场数据采集以及远程控制，并且对供电网路进行了设计。根 据现场监测的内容，对系统软件的功能、结构模块进行了设计。 1 5 重庆大学硕士学位论文 4 系统硬件集成 4 系统硬件集成 系统集成是实现智能建筑工程目标的一种重要技术手段，从系统整体角度考 虑，研究系统各组成部分的相互关系，综合考虑各种因素指标，利用世界上优秀 产品和技术之长，寻求最优方案，以达到最优化效果。在实现系统集成的过程中， 各组件和子系统的接口性能是决定整个系统性能的关键因素，因此，在进行向家 坡立交桥现场监测系统的系统集成过程中，必须从测量对象、数据流的源头以及 关键组件出发，研究系统中各组件功能和接口性能，选取最优解【2 5 1 。 4 1 系统组件功能及接口性能 对向家坡立交桥墩顶位移进行监测，从对象的测量，数据的采集、系统的监 控寻求各部分的最优方案，必须对倾斜传感器、信号采集模块以及工控机等器件 的功能及接口性能进行研究，从整体的角度选择最优方案。 4 1 1 倾斜传感器 利用倾斜传感器实现对墩顶位移的监测。在目前市面上，根据工作原理分类， 倾斜传感器主要有：液体摆式、振弦式以及力平衡式三种。 液体摆式倾斜传感器是利用液体 篓竺婴：翼篓角萋錾竺竺篡_ f i j 叁三二是擘宝鲨 部有个电解气泡，液体作为电导体， _ = _ = _ = _ = _ = _ = _ = - = 一 譬i 二 两个电极a 、c 位于上方，另一电极b 7 7 1 卜弋影b = 位于下方。如图，当气泡处于水平位 ( a ) 水平状态( b ) 倾斜状态 置时，a b 与c b 之间的电导相等，从 而流通它们之间的电流相等。当气泡 随测量物发生倾斜时，如图4 i ，导 图4 1 液体摆倾斜传感器原理图 f i 9 4 it i l ts e n s o r 州t hl i q u i dm o v e m e n t 致a b 的电导增大，c b 减少。测量电极之间的电导变化，将正比于倾斜角的变化 2 “。该工作原理的倾斜传感器结构简单，但频响不高。美国a g i 和高级定位系 统公司( a o s i ) 等公司的倾斜传感器就是该类原理的产品。 振弦式倾斜传感器是利用振弦技术对倾斜角度进行检测，其内部有一个垂直 重物( p e n d u l o u sm a s s ) ，用一振弦( v i b r a t i n gw i r e ) 和弹性枢纽( e l a s t i eh i n g e ) 支撑着。如图4 2 ，当被测物倾斜角度发生变化，导致倾斜传感器内部重物的重 心产生转动，从而使振弦的张力发生变化。利用“拨振”技术，将电磁线圈( c o l l a s s e m b l y ) 放在弦的中间且距弦非常近，该线圈兼作激励和信号感应线圈，电子 1 6 重庆大学硕士学位论文4 系统硬件集成 脉冲信号通过两芯导线( c a b l e e n t r y ) 传入线圈引起磁场改变，使 振弦以其谐振频率振动。由于振弦的 张力不同，谐振频率也不同，线圈感 受到振弦切割磁力线的频率并将信 号通过两根电缆传到读数装置。这 样，通过测定弦的振动频率，就可测 量出被测物的倾斜角度。因为输出信 号为频率，所以该原理的倾斜传感器 抗干扰性强，但是必须要和专用仪器 图4 2 振弦式