湛江海湾大桥分布式健康监测系统.doc

湛江海湾大桥分布式健康监测系统开发研究曹映泓（广东省路桥建设发展有限公司，广东 广州 510635）朱利明（中铁大桥勘测设计院有限公司东南桥梁诊治研究中心，江苏 南京 210003）摘 要：本文提出了分布式桥梁健康监测系统的原理，介绍了湛江海湾大桥分布式健康监测系统的开发情况、系统设计、硬件布置和软件功能，重点突出了数据预处理、分级传输、用户定制监测内容和分析报告、以及紧紧围绕工程养护决策需要来尽量少地布置最必要的监测内容等研究策略。关键词：健康监测；系统布置；软件1 前言随着大跨度桥梁设计理论和施工技术的发展，近50年来建造了许多大型桥梁。为了确保这些庞然大物的安全需要开发安装长期的健康监测系统。典型的例子包括Commodore Barry桥监测系统（美国）、金岛大桥监测系统（韩国）、明石海峡大桥检测系统（日本）、Alamillo桥监测系统（西班牙）、Hummer桥监测系统（英国）等等。在这些长期监测系统中，设计最完善的要数香港青马大桥的风和结构健康监测系统（WASHMS）。该系统由近350个传感器及相关元件组成，包括最新的GPS定位系统。然而，当前的健康监测系统缺乏能够提供可靠的桥梁状态诊断信息的技术。多数系统仅能够从传感器收集数据并做简单的数据树立。数据分析和评估工作还得由技术专家借助各种独立的分析工具来进行。对于一个象WASHMS这样的实时监测系统，每天按高采样频率（例如100Hz）收集到的海量数据将使工程师的电脑不堪重负，分析评估非常困难而且效果不好。本文介绍了湛江海湾大桥健康监测系统的开发。湛江海湾大桥位于广东省西南部。它跨越雷州半岛麻斜海湾连接湛江市赤坎区和坡头区。该桥具有如下不利条件：高地震烈度（7度）、高风速、厚粘土层覆盖海床、高腐蚀性的海水、雷暴频繁、高温、高湿度等。所有这些不利条件在设计中都考虑到了。但是，作为一个国家生命线的工程，它建成后的安全将更为重要。因此，很有必要监测该桥施工和营运期间的实时健康状态。该桥健康监测系统的设计指导原则为：简洁、实用、可靠及廉价。基于世界各地既有桥梁监测系统的经验，该系统被设计为利用最少的传感器和数据分析结构最关键部位的实时静态和动态参数。该系统在大桥设计阶段即开始了研究，并实现了和大桥的施工同步安装，同步建成。2 大桥健康监测内容湛江海湾大桥（图1）是一座双塔双索面混合梁斜拉桥，主跨480m，总长3981m。主桥边跨60m箱梁为混凝土箱梁，在辅助墩处与钢箱梁连接。桥塔为预应力钢筋混凝土结构，塔从承台顶高155.1m、从桥面高113.8m。桥塔是圆弧曲线的A型桥塔。湛江麻斜海湾位于广东省西部和雷州半岛东北部，面向南海。夏秋两季经常有热带风暴登陆。最大风速超过36m/s。台风出现在511月，尤其是79月。根据过去的记录，每年台风登陆几率为46%。 湛江海湾大桥位于两个横向地质断裂带中间。桥梁东南方处于南311海康断层的东北部。但最危险的地震地区主要位于桥梁的东北边和南边。大地震有可能在这些地区发生。图1、湛江海湾大桥（在建）效果图图2是湛江海湾大桥监测系统的传感器布置图。根据系统设计方案，我们将安装16个EM传感器来监测斜拉索索力变化；20个温度传感器记录箱梁温度梯度；18个振弦式应力计监测主桥应力应变；2个风速仪监测风速风向；3个GPS接收器用于分析两个桥塔和主跨位移；振弦式倾斜仪用于分析扭转和变形。BCA路由器数据预处理-GPS基站专家系统转换器 GPS参考接收器EM传感器传感器基站A传感器基站B传感器基站CGPS 接收器 (1)风速仪 (1)VW 应变计 (10)温度传感器 (4)加速度计 (3)EM传感器 (4)倾斜仪(1)BBCCAA-监测系统GPS网络GPS 接收器 (1)风速仪 (1)VW 应变计 (4)温度传感器 (8)EM 传感器(6)风速仪 (1)VW 应变计 (4)温度传感器 (8)EM 传感器 (6)(1)GPS接收器 (1)图2、湛江海湾大桥传感器布置21 桥梁环境条件监测桥梁工作条件通常由交通流及荷载、温度、湿度、风速风向组成。温度变化对结构荷载条件有显著影响。湿度变化影响混凝土的收缩徐变以及钢筋的腐蚀。桥梁所处的位置基本设计风速高达46m/s，风速对桥梁变形和正常使用有巨大的影响。因此很有必要监测桥梁的工作条件。首先，监测信息对于结构损坏的自动识别很关键。其次，这些原始数据和分析资料对设计和施工人员有很大价值。这些信息可以作为今后设计和施工的基础。交通流监测是个独立的工作，将由交通管理部门来完成。桥梁健康监测系统将监测温度、湿度、风速和风向。图3为混凝土箱梁上的温度传感器安装方案。图3、温度传感器安装位置22 斜拉索内力监测斜拉索是湛江海湾大桥的主要传力部件。主梁和铺装的恒载及汽车活载都将通过斜拉索传递到主塔上。拉索中的内力不仅与桥塔的荷载条件有关，还与桥梁的线型及行车条件有关。拉索中内力的变化对桥梁安全具有显著影响。拉索的真实内力可以通过测量索的实时内力变化来获得。测量拉索在不同荷载条件写的内力是桥梁健康监测系统的核心任务。图4为湛江海湾大桥拉索上磁通量（EM）传感器的安装方案。如图所示，16个EM传感器被安装在设计受力最关键的拉索中。图5为湛江海湾大桥的EM传感器和采集单元。图4、湛江海湾大桥EM传感器布置图图5、湛江海湾大桥EM传感器及其采集单元23 主梁监测主梁有钢箱梁和混凝土箱梁两种。该监测系统将测量每个参考断面的位移、应变和温度。主梁最大轴向力和负弯矩出现在与桥塔相交的位置。因此这个位置钢梁的上下翼缘应力很高。主梁最大正弯矩出现在主跨跨中，该处上缘压应力较大。钢梁与预应力混凝土箱梁连接处的纵向应力非常复杂。应变数据不仅对了解荷载条件有用，而且有助于分析桥梁的交通流。另外，桥梁的位移和动力特性也可以反映健康状态，故需要测量。因此，在桥塔、主跨跨中、边跨跨中、钢混梁连接处以及预应力混凝土梁上位置测量以上参数和相对温度。图6为钢梁和混凝土梁上振弦式应变计的安装方案。图6、钢梁和混凝土梁上应变计的安装方案24 全球定位位移监测除了监测诸如应变、温度、索力等局部参数以外，两个桥塔和主梁的永久位移也要监测。目前，GPS-全球定位系统是准确测量绝对位移的有效方法。在湛江海湾大桥中，我们采用了一个动态GPS系统3+1模块。按此配置的GPS系统不仅监测桥梁关键部件的永久变形，而且测量桥梁在极端事件例如台风、地震或者事故情况下的响应。基站和监测点之间的相对位移用于估计桥梁关键部件以及整座桥梁的偏位和委蛇情况。3个监测点之间的相对位移用语估计桥梁的变形和损坏情况。3 大桥健康监测系统布置湛江海湾大桥的监测系统是一个分布式健康监测系统（DBHMS），如图7所示。它是针对任意桥梁远程实时长期地监测和分析其健康状况而设计的。它的配置分为基站服务器客户断三部分。基站进行数据采集和预处理。服务器负责数据存贮、处理和报告以及进行系统、桥梁和用户管理。客户端提供进行数据查询、显示、分析以及对服务器进行操作的友好的用户界面。DBHMS的具有如下特点：a) 允许用户在任何地方通过互联网实时监测桥梁；b) 探测和定位结构部件的损坏和削弱情况并及时向桥梁管理者报警；c) 根据统计分析结果自动产生健康评估报告；d) 分散进行数据预处理和模块结构；e) 强大高效的数据采集和处理能力；f) 集成的专家系统和多级报警策略；g) 基于网络的数据传输和服务器应用程序。图7、湛江海湾大桥分布式健康监测系统（DBHMS）示意图31 基站基站能够接收来自传感器的模拟信号、数字信号、以及计数器信号。基础数据在这里进行预处理，然后在连接服务器的网络接通时发送给服务器。当与服务器的连接被中断时启动应急程序。该程序将对原始数据进行处理并存贮。一旦连接重新建立，基站就将这些数据传送给服务器。报警系统将在最早时间校核数据并发出信号。系统自我诊断和蓄电策略将保证基站正常有效工作。基站是一个安装在桥上的工业计算机系统，如图8所示。它具有如下功能：（1）数据采集：从传感器实时采集数据；（2）数据预处理：数据校核、数据过滤、数据简化、数据分类；（3）数据传输：原始数据和预处理后的数据将通过Internet传输和存贮到数据库服务器；（4）早期报警：在预处理后的数据超过预设定的界限时，传感器基站可以向系统管理员发出警报；图8、湛江桥监测系统基站图片4 DBHMS软件DBHMS被设计为对任意桥梁远程实时长期地监测和分析其健康状况。服务器负责数据存贮、处理和报告以及进行系统、桥梁和用户管理。客户端提供进行数据查询、显示、分析以及对服务器进行操作的友好的用户界面。图9-11显示系统主要功能和数据流程。该系统的特点包括：a) 开放式系统初始系统是一个空系统。服务器、基站以及传感器可以在系统中自由添加和删除；b) 分散式系统服务器、基站和客户端可以放置在任何连接互联网的地方。每个单元承担一定工作，从而减少服务器的工作量；c) 可定制每个单独的用户可以自己定制数据处理方法、报告方法、报警条件、数据备份策略以及系统维护流程；d) 界面友好客户端软件给予了用户自由组合其显示界面内容和风格的功能；e) 图表化可以选择各种单一的表格按照指定的特性组合成复杂报表；f) 虚拟通道创建了一个功能链，将系统通道作为输入、将输出当作一个通道；g) 数据采集和存贮；h) 数据通过互联网传输；i) 数据按照用户步骤进行处理和报告；j) 系统管理；k) 报告按照指定内容和频率创建报告；l) 用户管理；m) 桥梁信息管理。采集卡程序 数据采集与基站通讯/数据传输 数据同步数据采集卡1数据采集卡n数据采集卡2基站-站内预装程序与采集卡之间进行数据通讯和传输 （类似电压/电流信号 RS232 信号）数据预备处理，包括数据裁减和简单过滤对超过限值的数据报警应急情况数据处理 与服务器进行数据通讯和传输与服务器进行时间同步服务器数据库原始数据库经处理数据库用户数据库结构数据库分析数据库系统数据库通讯 通过TCP/IP协议进行数据通讯和传输数据存贮时间同步数据处理数据处理功能和功能组合 生成数据报告数据显示实时数据显示历史数据显示频域数据显示 实时数据模拟多通道数据显示系统管理用户管理桥梁信息管理 硬件架构管理 数据备份和恢复 备份策略备份管理客户端通讯 通过TCP/IP协议进行数据通讯和传输自定义数据显示图表通道选择(数据/虚拟) 报告图9、DBHM功能和数据流程图10、自定义用户界面：用户可以指定输入通道和时距在一个窗口中放置多个图表。然后命名和存贮这个组合表。当用户下次登陆系统时，可以容易地选择和显示这个自定义组合表。图11、报告功能：系统管理员可以按照指定内容和频率创建报告。然后系统系统可以自动生成报告。用户可以在Excell文件中阅读报告。43 程序服务器程序服务器是完成大部分工作的中心。它与桥梁基站通讯、访问数据服务器、进行分析、接受来自用户的指令并作出响应。该服务器上运行三个模块：（1）分析模块：温度影响分析、交通影响分析、动力分析、统计分析（2）专家系统模块（详见第三节所述）：基于规范的桥梁健康诊断系统、多级报警系统、自动健康报告系统、决策建议系统（3）网络服务器/用户界面系统：该模块为系统和用户之间的接口。该模块通常有两个部分：一个访问存贮于系统的数据，包括原始数据、处理数据和健康数据。另一部分管理整个系统，例如配置桥梁、传感器和用户。该模块向用户提供如下功能：数据显示（历史的和实时的）、统计数据查询、健康报告查询、警报和提醒、维护建议、数据下载、系统配置、数据分析配置、用户和权限管理。5 结论湛江海湾大桥实时监测系统包括实时数据采集系统和实时数据传输系统。该系统实时提供桥梁当前的健康状态，使得预测未来结构危险变化和发布警告成为可能。该系统还可以建立更详细和完备的健康分析数据库。其关键在于利用最少的传感器获得、处理和分析桥梁最关键位置的实时静动力数据。大规模的实时监测系统每天会生成巨大量的数据。如果在监测系统中没有集成程序进行数据预处理和健康诊断，这些海量信息将淹没桥梁工程师并降低工作效率。所有实时原始数据都须进行预处理以提高数据传输速度、节约数据库容量、提高健康评估的效率。在桥梁健康监测中，自动测量既不是最必须的也不是最终的。其地位完全在于帮助工程师方便地进行桥梁损伤检测、分析和评估。参考文献1. Ashkenazi V., Roberts G. W., Experimental monitoring of the Humber Bridge using GPS. Civil Engineering, Proc ICE 120 177-182, 1997.2. Brownjohn J. M. W., Bocciolone M, Curami A, Falco M, Zasso A, Humber Bridge full-scale measurement campaigns 1990-1991. JWEIA 52 185-218, 1994.3. Catbas FN, Grimmelsman KA, Aktan AE, Structural identification of the Commodore Barry Bridge. Proceedings of SPIE vol. 3995, 84-97, 2000.4. Lau CK, Wong KY, Design, construction and monitoring of three key cable-supported bridges in Hong Kong. Proc 4th International Kerensky Conference on Structures in the new millennium, Hong Kong, 105-115, 1997.5. Miyata T, Yamada H, Katsuchi H, Kitagawi, 2002, Fullscale measurement of Akashi-Kaikyo Bridge during typhoon, JWEIA 90, 15