（机械设计及理论专业论文）桥梁施工控制计算机辅助监控系统的开发与研究.pdf

摘要 近年来，钢管混凝土拱桥在我国取得了迅速的发展，跨径不断增大，但对大 跨度钢管混凝土拱桥施工控制的研究仍处于起步阶段。本文在对国内外桥梁施工 控制发展现状研究的基础上，将计算机辅助监控技术应用于桥梁施工控制，即引 入先进的测量仪器，依靠现代通信手段，直接将测量结果输入计算机处理，实现 对桥粱的实时、动态、远程监控。 天予i l i 大桥是国内第一座钢管混凝土桁式组合拱桥，没有成熟的施工工艺， 木文的研究工作即紧密结合天子山大桥的施工过程而进行。本文阐述了桥梁施工 挖制计算机辅助监控系统的硬件搭建，包括测试点的布置、传感器的选用、数据 采集传输路线和系统的接地与屏蔽技术， 为丁能在监控室内对桥梁施工进行监控， 并对自行组建的硬盘录像机进行了介绍； 本文用v is u a l b a s ic6 0 编制了应用型 软件天予山大桥监控系统，该软件实现了对桥梁施工全过程的实时在线监控，并 _ j 对髓 孛结果进行分折处理，此外，该软件还将桥梁施工相关图纸和文档资料电 了化，实现通过软件方便查询：本文最后对天子山大桥辅助监控的结果进行了分 折。 天予山大桥的施工实践表明，该实时监控系统运行证常、测量数据准确，操 作方便，为灭予l i j 大桥的顺利建成发挥了指导性作用。 关键词：计算机辅助监控系统：大跨度钢管混凝土拱桥：施工监控：在线监控： 犯片机：串行通信：数据库 【注】：本论史受到湖南省2 0 0 2 年科技攻关项目资助 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ed e v e l o p m e n to fc o n c r e t e f i l l e ds t e e l t u b ea r c hb r i d g ei sv e r y r a p i di n o n rc o u n t r ya n di t ss p a nb e c o m eb i g g e ra n db i g g e r ，b u tt h er e s e a r c ho n c o n s t r u c t i o nc o n t r o lf o rc o n c r e t e - f i l l e ds t e e l - - t u b ea r c hb r i d g ew i t hl a r g es p a ni so f ft h e j t m i o rs t a g e b a s e d o nt h er e s e a r c ho nt h ed e v e l o p m e n to fb r i d g ec o n s t r u c t i o n c o n t r o l l i n ga th o m ea n da b r o a d ，t h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e ra i d e dm o n i t o r i n ga n d c o n t r o l l i n gi sa p p l i e di nb r i d g ec o n s t r u c t i o nc o n t r o li nt h i sp a p e r t h er e a l i z eo f r e a l t i m e d y n a m i c ，l o n g d i s t a n c em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gl i e so ni n t r o d u c i n g a d v a n c e dm e a s u r i n gi n s t r u m e n t s ，t a k i n gt h em e a n so fm o d e r nc o m m u n i c a t i o n sa n d s e n d i n gt h er e s u l to fm e a s u r et oc o m p u t e r t i a n z i s b a nb r i d g ei st h ef i r s tc o n c r e t e r f i l l e ds t e e l - t u b ea r c ht r u s sb r i d g ea th o m e a n d h a v en or a p ec o n s t r u c t i o ne x p e r i e n c e t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e ri sc a r r i e do u t c o n t a c t e dc l o s e l yw i t ht h ec o n s t r u c t i o no ft i a n z i s h a nb r i d g e h o wt ob u i l dt h e h a r d w a r eo fc o m p u t e ra i d e dm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mf o rb r i d g ec o n s t r u c t i o n c o n t r o li s e x p a t i a t e df i r s t l yi nt h ep a p e r ，i n c l u d i n gt h ea r r a n g e m e n to ft e s ts p o t ，t h e c h o o s i n go fs e n s o r , t h ed a t ac o l l e c t i o na n ds e n d i n gw a y ，t h es k i l lo fg r o u n d i n ga n d s h i e l df o rs y s t e ma n dt h e h a r dd i s kv i d e ot a p er e c o r d e rm a d eb ys e l fi si n t r o d u c e d i n o r d e rt om o n i t o ra n dc o n t r o lt h ec o n s t r u c t i o no fb r i d g ei nm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n g r o o m ，t h ea p p l i e ds o f t w a r eo ft i a n z i s h a nb r i d g em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mi s p r o g r a m m e db yv i s u a lb a s i c6 0i nt h i sp a p e r t h er e a l t i m e 。o n l i n em o n i t o r i n ga n d c o n t r o l l i n go ft h ew h o l ep r o c e s so fb r i d g ec o n s t r u c t i o ni sr e a l i z e db yt h i ss o f t w a r e ， a n dt h er e s u l ta b o u tm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gc a nb ea n a l y z e da n dd i s p o s e db yi t ，i n a d d i t i o n ，t h ec o n c e r n e dd r a w i n ga n dd o c u m e n to fb r i d g ec o n s t r u c t i o ni si n c l u d e di nt h e s o f t w a r ea n dq u e r i e dc o n v e n i e n t l yb yi ta tl a s t ，t h er e s u l ta b o u tt i a n z i s h a nb r i d g e a i d e dm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mi sa n a l y z e di nt h i sp a p e r ， t h er e s u l ti n d i c a t et h a tt h er e a l t i m em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mw o r kw e l l m e a s u r ed a t ai sn i c e ，o p e r a t i o ni sc o n v e n i e n ta n de x e r td i r e c tu s ei nt h ec o n s t r u c t i o no f t i a n z i s h a nb r i d g e ， f i k e yw o r d ：c o m p u t e ra i d e dm o n i t or i n ga n dc o n tr 0 1 i i n gs y s t e m ； c o n c r e t e f i l l e ds t e e l t u b ea r c hb r i d g e ；c o n s t r u c t i o nc o n t r o l ；o n l i n em o n i t o r i n ga n d c o n t r o l l i n g ；s i n g l ec h i p ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ；d a t a b a s e i i l 1 1 引言 第一章绪论 随着大跨度桥梁的迅猛发展，桥梁施工过程中的安全性、线形及应力状态控 制越来越显重要。在大跨度桥梁的施工过程中，影响桥梁施工安全和桥梁线形与 应力的因素很多，包括施工工艺、天文、气象、地质、水文、地形、材料选择与 供应、机械设备、场地布置以及施工队伍的素质等。因此必须采取相应的措施对 这些影响因素进行处理，在桥梁施工过程中对结构的受力、变形及稳定性进行监 控，从而跟踪掌握施工进程和发展情况，保证桥梁施工过程中的安全性以及桥梁 成桥线形和受力状态符合设计要求“。 钢管混凝土拱桥作为一种崭新的桥型，由于其在设计、施工、经济以及美观 上独特的优越性，不断朝着大跨度方向飞速发展。对于大跨度钢管混凝土拱桥， 其施工控制和施工工艺问题日益受到桥梁建设者的重视。旋工控制随着施工工艺 的不同而不同，而施工控制又保证施工工艺的顺利进行。由于拱桥的各种施工方 法均适用于钢管混凝土拱桥，如有支架施工法、缆索吊装法、平( 竖) 转体施工 法，特别是对于大跨径钢管混凝土拱桥，一般采用自架设施工的旖工工艺”1 ，较好 地解决了施工工艺问题，但对其施工控制问题的研究却处于起步阶段。 大跨度钢管混凝土拱桥施工现场监控过程中，工作量大，难度高，环境恶劣， 精度要求高，而应力测试、应变测试及温度测试在现场比实验室显得更为复杂， 研究开发适用于大跨度钢管混凝土拱桥施工现场的计算机监控系统迫在眉睫。 位于湖南永连公路上的天子山大桥，设计桥型为以钢管混凝土拱桥为基础而 改进的钢管混凝土桁式组合拱桥，由于该种桥型为一种崭新的桥梁结构型式，腌 工建设还没有形成一套成熟的理论和方法。因此要求对桥梁施工全过程进行实时 监控，以保证桥梁施工过程的安全及成桥线形与应力状态符合设计要求。本文的 内容即结合天了d l 大桥的施工，首次姆计算机辅助监控系统应用于钢管混凝土桁 式组合拱桥以实现对施工过程的实时在线j 矗控。 1 2 天子山大桥概况及钢管混凝土拱桥发展现状 1 ，2 1 天子山大桥概况” 天子山大桥是目前国内第一座钢管混凝土桁式组合拱桥。该拱桥主孔为钢管 i 混凝土桁式组含拱，计算跨径= 1 2 5 m ，计算矢高厂= 2 5 m ，矢跨比么= ，下弦 拱轴线为悬链线，拱轴系数为m = 1 1 6 7 。两岸边孔分别为7 + 2 9 m 和9 + 8 m 连续刚 构，全桥孔径布簧为7 + 2 9 + 1 2 5 + 9 + 8 m ，全长1 7 2 m ，结构示意图如图1 1 所示。 永州岸红水岭岸 图1 1 桥型结构示意图 天子山大桥作为钢管混凝土桁式组合拱桥，区别于一般的钢管混凝土拱桥， 有着其特殊的特点。 1 2 j 1 桁式组合拱桥的特点 天子山大桥为大跨度钢管混凝土拱桥，采用自架设施工的施工工艺，用人字 桅丰t 吊机作为吊装工具两岸同时施工的方案。主拱圈的每边由1 2 节钢管拱组成， 每2 节钢管拱组成一段作为下弦。而下弦钢管拱又由斜拉索张拉，斜拉索的另一 端张拉在上弦边肋上，和竖 t 一起构成稳定三角形结构。在主拱圈合拢前，吊机 和拱圈的自重及施工中产生的动载荷都由两岸的锚固墙张拉，桥梁为悬臂桁架体 系。主拱圈合拢后，即进行体系转换，将锚固墙至上弦边肋的预应力筋在主孔三、 四段之问逐束放松、切断，并分三段( 永州岸锚固墙一一永硝岸断缝：永州岸断 缝一一红水岭岸断缝；红水岭岸断缝一一红水岭岸锚固墙) 重新张拉，使桥梁结 构由悬臂桁架体系逐步过渡到桁式组合体系。 1 2 1 2 斜拉索代替预制构件的特点 斜杆是桁架组合拱桥构成三角形稳定体系的构件之一。在已建成的桁架组合 拱桥巾都是采用的钢筋混凝土预制构件但在天子山大桥，采用的是斜拉索， 这也是天子山大桥的设计创新点之一，它直接影响主拱轴线线型和成桥的应力状 况。 1 2 2 钢管混凝土拱桥的发展”1 ” 世界上最早修建的钢管混凝土拱桥是本世纪3 0 年代前苏联建造了跨越列宁格 ， 勒涅瓦河的跨度为1 0 1 m 拱粱组合体系桥和位于西伯利亚跨度达1 4 0 m 的桁肋钢管 混凝土拱桥。以后又出现了曾创下世界记录的跨度为3 9 0 m 的前南斯拉夫k r k 大 桥，近年来修建的此类桥梁有，f 1 本18 0 m 的青叶搭桥，法国的昂特那斯( a n t r e n a s ) 钢管拱桥，捷克共和国横跨布尔诺。维也纳高速公路的钢管混凝土拱桥等。 然而钢管混凝土拱桥的真正发展是在9 0 年代的中国。1 9 9 0 年我国第一座钢 管混凝土拱桥一一四川旺苍东河大桥建成，该桥为跨径1 1 0 m 的下承式预应力钢管 混撮土系杆拱桥。此后，短短的十多年内，据不完全统计，我国已建和在建的钢 管混凝土拱桥已经超过1 0 0 座，其中有双主跨1 0 0 m 中承式肋拱的广东高明大桥 ( 1 9 9 1 年建成) ，主跨1 2 0 m 中承式的浙江新安江大桥( 1 9 9 3 年建成) ，主跨2 0 0 m 自锚式的广东南海三山西大桥( 1 9 9 5 年建成) 。还有山峡对外公路上的黄柏河大桥 ( 主跨1 6 0 m ) ，下牢溪大桥( 主跨1 6 0 m ) 和莲沱大桥( 主跨1 1 4 m ) ，最大者为四 川万县长江大桥，为钢管混凝土劲性骨架箱拱桥，已达4 2 0 m ，为目前世界上钢管 混凝土公路拱桥跨度之最。 著名桥粱学家弗莱西奈尔曾说过“1 0 0 m 和1 0 0 0 m 的拱桥在设计方面难度相差 不大，而施工方面的差别就非常悬殊。”要解决拱桥施工问题，一是要提高材料的 强度，二是要使主拱圈本身成为自架设体系，面钢管混凝土拱桥的出现为解决以 上问题提供了可能，并具备了更大的跨越能力，因此具有传统文化和技术特色的 钢管混凝土拱桥在我国取得了广阔的发展前景。我国桥粱先辈周念先教授认为， 可以把6 5 0 m 作为第一目标待有了成功经验后再向1 0 0 0 m 前进。 1 3 国内外桥梁施工监控的发展状况 桥粱施工监控就是对桥梁施工过程中结构的受力、变形、稳定及安全等状况 进行监控，使施工中的结构状态处于最优，保证施工过程安全和成桥状态( 包括 内力和线形状态) 符合设计、规范要求。 1 3 1 国外桥梁施工监控的发展。1 ” 早在5 0 年代初，第一座现代斜拉桥s t r o m s u n d 桥施工时，如何使索力达到设 计要求的问题，已经被高度重视，1 9 5 8 年完成的d u s s e l d o r f2 6 0 m 跨度的t h e o d o m n e n s s 桥的施工设计中，设计者第一次提出了“倒退分析”法的概念，即在确定了 最优成桥状态之后，采用模拟逆施工过程的分析方法算出各施工阶段结构的标高 和扔张索力：1 9 7 8 年竣工的美国p k 桥也使用了这一技术。加拿大在修建安纳西 斯桥时，同样采用了施工控制技术。 但是系统地实施桥梁施工控制的历史并不长，最早较系统地把工程控制理论 应用到桥梁施工管理中的是日本。2 0 世纪8 0 年代初，日本修建日夜野预应力混凝 土连续粱桥时，就建立了施工控制所需的应力、挠度等参数的观测系统，并应用 计算机对所测参数进行现场处理，然后将处理后的实测参数送回控制室进行结构 计算分析，最后将分析结果返回到现场进行施工控制。到8 0 年代后期。日本在修 建c t t i c h b y 斜拉桥和y o k o h a m a 海湾斜拉桥时，成功地利用计算机联网传输技术建 立了一个用于拉索索力调整的自动监控系统，实现了施工过程中实测参数与设计 值的快速验证比较，对保证施工安全和精度，加快工程进度起到了决定性的作用。 该系统主要由测量数据自动采集、精度控制支持和结构计算机分析三部分组成 但由于当时受通讯电缆架设费用昂贵等因素的影响，使其推广受到限制。此后， 日本又研制了一个以现场微机为主要计算分析手段的斜拉桥施工双控系统，这一 系统除包含上述提及的三个部分外，还增加了两个数据库，即测量参数和计算参 数数据库。此系统的最大特点是在现场完成自动测试、分析和控制全过程，并可 进行设计值敏感分析和实际结构行为预测。该系统在1 9 8 9 年建成的n i t c b u 桥和 1 9 9 1 年建成的t o m e 卜a s h i g a r a 桥上实际应用效果良好。 尽管桥梁施工控制技术的形成与发展只有三十年左右的历史，但目前桥梁施 工控制技术在国外已得到了广泛重视。众多发达国家将施工控制纳入常规施工管 理工作中，控制方法已从人工测量、分析与预报，发展到自动监控、分析预报、 调整的计算机自动控制，并已形成了较完善的桥梁施工控制系统。即便如此，国 外对桥粱照工控制技术豹研究还在继续，这是由于影响桥梁施工的因素太多、太 复杂，同时，不断涌现的新型的、规模( 跨径) 更大的桥梁工程也对桥梁施工控 制提出了更高的要求。 1 3 ，2 国内桥梁施工监控的发展”1 我国虽然在2 0 世纪5 0 年代就已经注意到施工结构内力和变形的调控( 1 9 5 7 年建成的武汉长江大桥在施工过程巾就做了应力、标高的调整) ，但在现代桥梁藤 4 工技术方面的研究相对起步较晚，然而其发展较迅速。 进入8 0 年代起，随着计算机在桥梁工程中应用的普及和深入，桥梁工作者开 始用计算机辅助桥梁施工，1 9 8 2 年建成的上海泖港大桥( 主跨2 0 0 m 的斜拉桥) 首 次根据现代工程控制的基本思想，有效地进行了主梁挠度和索塔水平位移的施工 控制。泖港大桥施工控制的成功，引起了桥梁界对桥梁施工监控技术研究的高潮。 8 0 年代后期，对斜拉桥施工监控技术进行了全面研究，已初步形成系统。该系统 主要是依靠现场微机用理想的施工倒退分析程序和考虑徐变收缩影响的控制分析 程序提供每一施工阶段的理论计算控制值，在现场将理想状态计算控制值和实测 值进行比较分析，并通过对设计参数的识别和拉索索力的优化调整等方法，实现 旆工和控制之问的良性循环，最后达到对主梁挠度和拉索索力实行双控的目标。 紧接着又对悬索桥、连续刚构桥、拱桥等的施工控制技术展开了研究与实践，并 取得了较好效果。 近年来，钢管混凝土拱桥的广泛应用业已受到工程界和学术界的广泛关注。 我国主要的一些桥梁学会，如中国公路学会桥梁和结构工程学会，中国土木工程 学会桥粱与结构工程学会和中国钢协钢一混凝土组合结构协会，都把钢管混凝土拱 桥的研究提到重要日程上来。不少科研机构针对钢管混凝土拱桥的施工特点，提 出了不同的施工控制方法，有关院校还编制了适合拱桥旅工控制的程序。尽管目 前对施工控制尚未推出商品化的软件和成套的检测装置，但有关部门和院校正在 抓紧进行研究和实践。 由于国内在桥梁施工控制技术方面的研究与应用起步较晚，比较起来，我国 在该领域还有较大差距，主要表现在对桥梁施工控制的理论与实践研究还不够、 监测手段落后、对影响施工控制的因素研究不透、预测和判断精度不高、还未建 立起一套完善的施工控制技术系统和组织管理系统。因此，深入研究桥梁施工控 制理论，研制更加合理、实用的控制软件以及更加方便、精确的监测设备，建立 完善的桥梁施工控制技术系统和组织管理系统是今后桥梁建设事业发展迫切需要 进行的： 作。 通过对国内外大跨径桥梁施工控制技术的研究现状进行对比分析，本文认为 未来大跨度桥梁施工控制的发展趋势首先是量测监控的自动化，引入先进的量测 仪器，依靠现代通信手段，直接将量测结果输入计算机处理，实现对桥梁的动态、 实时、远程监控：其次是将现代控制理论、计算机仿真技术、专家系统等晟新研 究成果引入施工控制，并且开发出配套的可视化软件，从而实现旋工监控的科学 化、自动化和智能化。 1 4 本文研究的主要内容及意义 1 4 1 本文研究的主要内容 本文就钢管混凝土拱桥的施工监控进行实践性研究，拟通过现代计算机系统 对桥梁施工的全过程进行实时动态监控。目前国外这方面的研究甚少，在国内尚 未发现，所以本文从整个计算机监控系统的组成到应用进行探讨研究，主要包括 以下三个方面的内容： 第一：计算机监控系统硬件部分的建立。 第二：计算机监控系统软件部分的研发。 第三：监控系统效果分析。 1 4 2 本文研究的意义 钢管混凝土桁式组合拱桥是一种新兴桥型。还没有一套完整的设计、施工规 范和科学化的操作规程。特别是天子山大桥是国内首次施工建设的钢管混凝土桁 式组合拱桥，没有任何旖工经验。“计算机辅助监控系统在大跨度钢管混凝土桁式 组合拱桥施工控制中的应用”( 湖南省科技厅攻关项目) 科研项目针对天予山大桥 施工建设展开，本文依托此课题而撰写。拟定在该座桥的施工过程中建立计算机 辅助监控系统通过对施工过程中的几何变形、应力状态、温度影响、稳定性、 安全性等的全面监测，确保优质安全建好天子山钢管混凝土桁式组合拱桥。 其次，由于施工监控在现代桥梁建设中受到越来越高的重视，故如何高效、 方便地进行施工监控是桥粱施工建设者必须考虑的重要课题之一。运用计算机技 术和测量、控制技术建立起计算机辅助监控系统对桥梁施工全过程进行动态监控 是今后桥梁施工监控发展的一个重要方向。国外在8 0 年代初就开始重视和研究， 但我国在这个方面到目前为止仍是空白，本文对此方向进行大胆探索，期望给同 f 研究者以参考借鉴。 6 第二章监控系统的建立 在桥粱施工过程中，需要及时了解和掌握实际施工状态的结构和应力、应变 参数，如钢管拱上弦、下弦及底座应变，斜拉索拉力，温度影响等。由于这些参 数在施工过程中的实际值与设计值难以相同，同时在施工过程中，必须考虑结构 安全问题，因此对这些参数进行实时监控就显得非常必要。建立计算机辅助监控 系统首先要明确的也就是监控对象，即要对哪些参数进行实时监控才能保证桥梁 安全顺利地竣工。 2 1 测试点的布置 根据桥梁施工控制的一般原则”“结合天子山大桥的钢管混凝土桁式组合结 构和人字桅杆吊机施工的特点，确定主拱圈的几何变形、关键结构截面的应力、 两岸锚固墙的拉力、斜拉索的索力、钢管拱底座的应变、温度效应等为本项目的 监测状态参数。 ( 1 ) 几何变形 不论采用什么施工方法，桥梁结构在施工过程中总要产生变形( 挠曲) 。并且 结构的变形将受到诸多因素的影响，极易使桥梁结构在施工过程中的实际位置( 立 面标高平面位置) 状态偏离预期状态。天子山钢管混凝土桁式组合拱桥，由于采 用悬臂吊装施工，其结构在籀工中的实际位置状态与预期状态之问的误差不能合 理控制，势必造成桥梁难以顺利合拢，或成桥线形形状与设计要求不符。为此， 在主拱圈钢管拱轴线上设簧高亮度发光体作照准目标，在两岸和桥面两侧各设一 固定测点( 共四个) ，采用全站仪对主拱圈拱轴线线型进行全过程动态跟踪监测， 并使用计算机处理观测数据。 ( 2 ) 关键结构截面的应力 桥粱结构在施工过程中以及在成桥状态的受力情况是否与设计相符合是施工 控制要明确的重要问题，也是施工监控的主要内容之一。天子山钢管混凝土桁式 组合拱桥将采用人字桅杆吊机吊装架设钢管拱，然后再向钢管拱内灌注混凝土， 相当于在较柔的钢管拱架上施加非常大的荷载。施加荷载可以是一次性的，也可 以是分步进行的，不论是哪种方式，施工中钢管( 或已先期形成的部分管内混凝土) 和拱上其它构件的受力、变形以及稳定系数也同其几何位置一样，随着旄工的推 进，其值是不断变化的，必须加以注意，以保证施工安全。所以，它比变形控制 显得更加重要。由于桥梁施工的时闯般较长，所以，应力监测是一个长时间的 连续的量测过程。为此，在主孔第一个三角形稳定结构的对应上弦预制边肋与现 浇中板、拱脚钢管、断缝处钢管、拱顶钢管等关键位置设置( 预埋) 弦式应变计， 结合相关仪器，实现实时、准确的结构应力监测，具体传感器设置情况见传感器布 置图。 结构应力控制的好坏不像变形控制那样易于发现，通常通过结构应力的监测 来了解实际应力状态，若发现实际应力状态与理论( 计算) 应力状态的差别超限就 要进行原因查找和调控，使之在允许范围内变化。 ( 3 ) 锚固墙的拉力 天子山大桥两岸桥台后的实体钢筋混凝土结构锚固墙，不仅是上弦预应力筋 张拉、锚固的位置，而且是克服主孔悬拼时产生拉力的关键结构。对锚固墙的拉 力的合理控制，对确保施工安全和合理张拉成桥预应力具有决定性的作用。为此， 在锚固墙部分预应力筋锚具尾部安装弦式压力传感器，结合相关仪器，实现锚固 墙拉力全程在线监控。 ( 4 ) 斜杆拉索的索力 斜杆是桁架组合拱桥构成三角形稳定体系的构件之一。在已建成的桁架组合 拱桥中，都是采用的钢筋混凝土预制构件但在天子山大桥。采用的是拉索斜杆， 这也是天予山大桥的创新之一，它直接影响主拱轴线线型和成桥的应力状况。为 此，选择部分斜拉索，在对应的钢管拱下缘锚具尾部安装大型压力传感器，结合 相关仪器，实现斜拉索索力的全程在线监控。 ( 5 ) 拱脚底座的应变 拱脚底座是主孔荷载传入桥墩的最关键接点拱脚底座压力的大小是整个桥 梁工程殴计与施工控制的决定性依据之一。但由于该接点处的压力高达几万k n ， 加之结构的特殊性，直接量测非常困难，通常通过间接测量桥墩的压应力加以监 控。但该接点处压应力分布极不均衡，间接测量桥墩的压应力也很难真实反映拱 脚压力的大小。因此如何测出拱脚压力的大小数值以保证施工安全，直是困 扰桥梁测试的难题。本项目决定通过在拱脚底座的底板和侧面分别预埋若干个数 码应变计以实时监测钢管拱底座的变形情况。发现异常情况及时报告，以保证 8 钢管拱底座受力的稳定性。 ( 6 ) 温度 对于大跨度桥粱，其温度效应是十分明显的。天子山大桥为大跨度钢管混凝 土桁式组合拱桥，其温度效应的影响更是明显，亦即其内部应力必然随着温度的 变化而变化，标高必然随着温度的变化发生上( 下) 挠。为此，在上述应力、锚固 培拉力、斜拉索索力的备测点选用附加温度测量的力( 应力) 传感器，测力时同 时进行温度测量。此外还在钢管混凝土内部等其它位置单独布置温度传感器，通 过温度的测量准确掌握施工结构整体温度分布状态，以有效地克服温度对施工结 构行为的影响，寻求合理的立模、架设、合拢等时间，修正实测的结构状态的温 度效应，确保该桥梁的建设质量。 ( 7 ) 传感器布置图 离z 3 号竖杆上、下盈号l f j 管拱窿上、1 4 号钢管上、下4 号边肋上、下 2 2 传感器的选用 图2 1 传感器位置布置示意图 工程中的传感器是一个信号转换装置，它的作用是将被测物理量，如力、位移、 温度等，转换为可测信号，传送给测量系统的中间交换器，进行分析、处理，以 便得到所需的测量数据。传感器是实现自动监测和控制的首要环节，如果传感器 不能对原始参数进行可靠的测量，那么无论信号转换和处理环节怎样优良，也不 可能得到测量的真实结果，可见传感器的选用非常重要。 9 工程中常用的传感器种类繁多，往往一种物理量可用多种类型的传感器来测 量，而同一种传感爨也可以测量多种物理量。目前用于应力监测的传感器主要有 电阻应变片传感器、钢弦式传感器等。电阻应变片式传感器是利用导体或半导体 材料的应交效应制成的一种传感器。只能用于短暂的荷载增量下的应力测试，而 且使用不便、耐久性差。对于适合于复杂情况、连续测量时间较长且始终要以初 始零点为起点的应力监测，目前基本上均采用钢弦式传感器。钢弦式传感器属于 频率式数字传感器下面对其原理加以介绍。 2 2 1 频率式数字传感器简介” 频率式传感器是将被测非电量转换为频率量，即转换为一列频率与被测量有关 的脉冲，然后在给定的时间内，通过电子电路累计这些脉冲数 或者用测量与被 铡量有关的脉冲周期的方法来测得被测量。频率式传感器体积小、重量轻、分辨 牢高，由于传输的信号是一列脉冲信号，所以具有数字化技术的许多优点 图z 2 是振弦式传感器的原理图。振弦由一根很细的金属丝组成，放置在永久 磁铁所产生的磁场内，振弦的一端固定，另一端与传感器的运动部分相连。振弦 由运动部分拉紧，作用于振弦上的拉力t 就是传感器的输入物理量。 f 式中 ，一一振弦的有效长度： 7 _ 一一弦的张力( t = s 占，占为弦的应力，s 为弦的有效面积) ； ( 2 1 ) p l - - - - 振弦线密度( 单位长度的质量岛= 芋) 。 一1 - _ 式说明，对于，p ，已定的振弦，其固有振动频率由张力t 决定。 振弦本身作为测量电路的一部分，和运算放大器一起组成自激振荡器。当电 1 0 图理啄器感肖式弦振图 率频 动 振 有|l一晡岳 的 ，一升 弦 一一 振 厶 路接通时，有一个初始电流流经振弦，振弦在磁场中受到作用力，从而撤发起振 弦的振动。振弦在激励电路中组成一个选频的正反馈网络，振弦振动所需能量可 不断得到补充，振荡器产生等幅的持续振荡。 根据力电类比关系，振弦在测量系统中可等效为一个并联的工c 电路。假设振 弦的整个长度，都处在磁感应强度为口的磁场中，当振弦振动时，振弦上有感应电 动势e 产生和电流f 流过，振弦所受的电磁力为f = b l i ，该力的一部分用来克服弦 的质量所产生的惯性力c = b l i 。，使它获得速度v ：另一部分用来克服振弦作为一 个横向刚度弹簧所产生的弹性反作用力e = 剧，其中i = + 。 振弦作为一个质量为m 的惯性体被加速时，其惯性力为 c 圳p m 窘 ( 2 2 ) ，：皇( 2 3 ) 。r r 磁场中运动速度为v 的导线产生的感应电动势为 p ：曰，v ：丛咖 ( 2 4 ) 对比一般电容充电公式g = l f i c d t ，可见在磁场中运动的质量为脚的弦，相当 于电容的作用，其等效电容为c 2 j 争 振弦偏离初始位置，产生一个横向变形占，它的弹性反作用力为 ( = 一砸= b l i l ( 2 5 ) 式中 k 一一振弦的横向刚度系数。 由。：d 8 可得由速度v 所产生的感应电动势为 d t 。：胁：一丛堕 女d t ( 2 6 ) 对t t 一般电感的反电动势公式e ：一粤，可见一根位于磁场中拉紧的弦，产 讲 生横向运动时，相对于电感的作用，其等效电感为 b2 f 2 上= 一七 ( 2 7 ) 综上所述，一根位于磁场中拉紧的弦，如同一个并联的l c 回路，这一等效的 l c 振荡回路与放大器一起组成振荡器，其振荡频率也可按一般计算c 回路的方 法，即 l 脚= ：= 一 4 t c ( 2 8 ) 将等效的。c 代八，得= j 吾。因振弦的横向刚度系数与张力t 的关系是 女：三，而：n f ，所以 唧一仁 ( 2 9 ) 舻了1 百 皑 即，= 去一击j 吉 他 上式说明激励电路输出的频率等于振弦的固有振动频率，这样当被铡拉力7 变 化时，振荡器输出信号的频率也跟着变化，于是拉力丁被转换为频率信号，。 2 2 1 系统选用的传感器介绍 本系统选用了长沙金码高科技实业有限公司的一系列工程测试传感器，此类 传感器不汉具有高灵敏度、高精度、高稳定性的优点，而且具有智能记忆功能， 可以自动识别传感器的型号、编号，存储8 0 0 次测量数据。同时其温度型传感器 还可以对温度进行修正，消除了温度误差。 测试选用的传感器如下： 智能弦式数码应变计测量钢管拱的变形、拱脚变形和上弦变形 智能弦式数码压力传感器测量锚固墙钢绞线拉力 智能型温度传感器测量钢管拱内混凝士温度 大型数码压力传感器测量斜拉索拉力 2 3 数据采集和传输路线 结合以上的分析过程，构建的计算机监控系统的硬件框图如图2 3 所示。 各类传感器安装( 预埋) 在上述各个测试点负责应力、应变、压力、拉力 等参数的测量。并通过屏蔽线与多点自动综合集线箱连接。多点自动综合集线箱 可以连接各类传感器的传输线，相当于时间多路转换开关的作用伽1 。在应用中， 两个多点自动综合集线箱通过航空插头接在综合测试仪上。综合测试仪是一种便 携式多通道、多功能、智能型自动检测仪器。配合多点自动综合集线箱和相应的 传感器，可作被测体的应变、应力、压力、温度等物理量的定时自动测量。 图2 3 计算机监控系统硬件框图 综合测试仪核心部分是一个单片机系统，以i n t e l 公司的a t 8 9 c 5 1 芯片为核心 控制元件，系统内有5 1 2 k b 大容量存储器，可保存大量测量数据。综合测试仪通 过手动操作可以实现定时自动测量的功能，存储的测量数据可以通过自带的界面 查询，也可以通过串行口将数据送入计算机作进一步分析处理。串行通信是上、 f 位机之间的桥梁，在很大程度上影响主机的稳定性、可靠性和安全性。下一节 结合软、硬件知识分别介绍系统串行通信实现的方法。 2 4 综合测试仪串行通信的实现 2 4 1 串行通信硬件的实现 系统中以i n t e l 公司的a t 8 9 c 5 1 芯片为核心控制元件，晶振采用l l 。0 5 9 2 m h z ， 这样设胃的波特率为整倍数，精度高，复位采用人工上电自动复位。鉴于m c s 5 l 单片机输入、输出电平为t t l 电平，而p c 机配置的是r s 一2 3 2 c 标准串行接口 二二者的电气规范不一致，因此要完成p c 机与单片机的数据通讯，还必须进行电平 转换。有资料”建议采用m c l 4 8 8 、m c1 4 9 9 作为电平转换器件，但该芯片需要 + 1 2 v 、一1 2 v 电源供电，这对于不具备1 2 v 电源的单片机系统是难以实现的，无 疑增加了电源部分的复杂程度。在本测试系统里采用了集成电路电平转换器 m a x 2 3 2 ，其优点是廉价、硬件接线简单，且只需+ 5 v 电源供电，配接4 个1l 电 解电容即可完成r s 一2 3 2 电平与t t l 电平之间的转换“”，具体的硬件连接如图 2 ，4 。 2 4 2 串行通信软件的实现”刚 ( 1 ) 单片机串口的初始化 m c s 一5 l 系列单片机有一个标准的串行口，有4 种工作方式，其中方式1 是标 准的1 0 位异步通信方式，1 0 位数据和p c 机的标准串口相对应，由串行口控制寄 存器s c o n 设置状态，其字节地址为9 8 h 。如下式所示： 墨j_ 触一 图2 4 串口通信连接图 本系统中8 9 c 5 l 串口控制器s c o n 设置为5 0 h ，s m 0 、s m l 为0 、1 ，即为串 行工作方式l ，r e n 为l ，即允许串口接收。另外，还应使8 9 c 5 l 的中断允许寄存 器i e 的开放或禁止所有中断位e a 为l ，开放或禁止串行通道中断位e s 为l ，即 允许串行口中断，波特率的计算公式： 1 ， 1 波特率= 三犷告于= 与谣) ( 2 1 1 ) 式巾：s m o d 为波特率系数控制位，其选择根据波特率产生的误差来决定： 足为定时器正的位数，它和定时器正的设定方式有关： 在设计巾，定时器z 采用方式2 ，因为在这种方式下，不仅可使操作方便，也 可避免因重装初值( 时间常数初值) 而带来的定时误差，其相应的k = 8 。 在实际应用中，往往是给定通讯波特率，而后确定初值，设计中波特率设置 为96 0 0 b p s 。 先预设s m o d = 0 ，由上式得： 初值= 2 x - - 蒜斋掣一凑器筹= 2 5 0 = f a 日 将此值置入t h i ，可得实际的波特率及误差为： 波特率= 筹鲁c 拓，= 兰x 掣xc f 嘉脚s o o ( 2 1 3 ， 波特率误差= 墅号蠢芋竺= o ( 2 1 4 ) 再设s m o d = l ，同样可以计算出初值为f a h 。波特率为96 0 0 ，波特率误差= o 。 由于两者波特率误差一样，因此无论s m o d 采用0 或l 都可以设计中采用0 ，则： t i i i = f 3 h 。 数据通讯协议：数据传输速率为96 0 0 b p s ，1 位开始位，8 位数据位，l 位停 止位，无奇偶校验位， 软件实现如下功髓：通讯开始时由计算机发出一握手信号，同时作好接收单片 机发来的信号准备，单片机接收到握手呼叫信号后响应，同时转入相应的信号服务 程序，并向计算机发送信号响应，作好p c 机和单片机的通讯准备。 每帧数据由3 个字节组成。第一个字节定义为二进制常数0 f o h 是每帧数据 开始的标志字节；后面连续2 个字节为循环次数，采用压缩的b c d 编码方式，高 位在前，低位在后，即一个字节表示两位十进制数，则两个字节表示四位十进割 数在实现上f 位机之间的通讯时采用握手信号上位机先发送握手信号“1 ” 下位机接收到“1 ”后回送“1 ”，并且发送循环次数。 ( 2 ) 软件程序流程图 串行通信程序流程图见图2 5 。 ( 3 ) 通讯主程序 f 位机的通讯程序主要包括串口的初始化、握手信号的判断以及数据的发送 由程序2 1 实现。 程序2 1 m a i n ：m o v4 0 t i # 0 1 h a c a l li n i t m o vr l ，# 4 l h s e t b e a s t r ：j n br i ，s t r c l rr i 图2 5 下位机程序流程图 ：将标志位# o l h 送入4 0 1 ；数据存在始地址为4 1 h 的存储器中 ；调串口初始化子程序 ：存放发送数据首地址 ：开中断 ：串口是否有信号? 若无则等待 m o v ，s b u f：若有则输出至a c j n za ，# 0 1 h ，s t r ：握手信号不f 确，返回等待 m o vs b u f ，a s t r o ：j n bt i s t r o c i ，rtt f 6 s t r l ：m o va r 1 m o vs b u f ，a $ 1 r 2 ：j n bt i ，s t a 2 c l rt i i n cr l c j n za ，i f 2 1 h ，s t r l i n i t ：m o vt i 1 # f d m o vt l l ，8 0 0 m o vt m o d ，t t 2 0 m o v t c o n ，8 4 0 s e t be s m o ys c o n ，f f s o r e t 2 5 系统屏蔽和接地技术 ；提取发送数据 ：发送数据 ：判断是否为数据结束符“! ” ：串口初始化程序 ：设置波特率 ；定时器2 为工作方式z ；启动定时器 ：允许串口中断 ：置串行口工作方式i 一般地，计算机监控系统的工作环境是比较恶劣和复杂的，其应用的可靠性 和安全性就成为一个非常突出的问题，这就要求系统应有较强的抗干扰能力。本 节就监控系统中的采用的屏蔽和接她技术进行论述。 2 5 1 监控系统的屏蔽“7 。 屏蔽常用来防止静电或电磁的相互感应。屏蔽可通过各种屏蔽体来吸收或反射 电磁场干扰的侵入，达到阻断干扰传播的目的：或者屏蔽体可将干扰源的电磁辐 射能量限制在其内部，以防止它干扰其它设备。因此一种是主动屏蔽，防止电磁场 外泄；另一种是被动屏蔽，防止某一+ 区域受干扰的影响。 屏蔽可分为静电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽三类。静电屏蔽常用于防止静电耦合 和干扰，即电容性干扰；磁屏蔽主要用于防止低频磁感应即电感性干扰：电磁 屏蔽主要用于防止高频电磁场的干扰和影响。 ( 1 ) 传感器的屏蔽 传感器是将各种物理量如温度、压力、流量、速度等转变为电量变化的器件， 一般传感嚣输出的电压、窀流都很小，并且直接安装在工业现场，在现场进行放 大和初步处理以后再远距离传送到控制设备中去，比较容易引入干扰信号。而工 业现场往往电磁环境恶劣，所以对传感器和放大器进行屏蔽是很重要的。传感器 和放大器一般都安装在同一个金属罩内，并且屏蔽罩必须可靠地接地，否则不但 没有屏蔽作用，可能将导致更严重的干扰。本系统采用了金属罩的方法将传感器 和放大器一起屏蔽。由于施工现场的电磁干扰均属低频，金属材料选用铁，以增 强吸收损耗。 ( 2 ) 信号电缆的屏蔽 信号电缆的屏蔽也是本监测系统需要考虑的重要问题之一。通常使用的屏蔽 电缆有普通屏蔽线，双绞线( 屏蔽双绞线) ，同轴电缆和光纤电缆等，考虑到各种 电缆的性价比和施工现场的需要，我们选用了普通屏蔽线。 2 ，5 2 监控系统的接地技术。” 接地也是一种抗干扰的有效措施，接地的好坏直接影响到系统的稳定性和安 全性，接魄技术在系统设计中是必须考虑的关键问题。 广义接地包含两方面的意思，即接实地和接虚地。接实地指的是与大地做良 好的连接：接虚地指的是与电位基准点连接。如果把电位基准点和大地相连接， 则称为共同接地，若把