实桥监测方案

实桥监测方案2.1 项目依托工程2.1.1 工程概况重庆马桑溪长江大桥西接成渝高速公路，东至渝黔高速公路，是国道主干线重庆-湛江公路上桥至界石段的一座横跨长江的特大桥。是重庆市内环线上的重要枢纽之一。桥梁主跨采用预应力钢筋混凝土分离式三角箱形断面，主桥采用双塔双索面飘浮体系斜拉桥。桥跨布置为180m + 360m + 180m + 44m + 840m，主跨360m。实桥和总体布置如图2.1、图2.2。图2.1 马桑溪大桥Fig. 2.1 MaSangxi Bridge图2.2 马桑溪大桥总体布置图Fig. 2.2 General layout of MaSangxi Bridge高家花园嘉陵江大桥是渝长高速路上的一座特大型公路桥梁。包括主桥、引桥两部分，主桥为150m+240m+150m预应力混凝土连续刚构桥，引桥为8孔50m预应力混凝土简支T型梁桥。设计荷载为：汽车超20级，挂车120级，人群3.5KN/m2。实桥为双向分离的两座独立桥梁，桥面净空：3m（人行道）+11.5m（车行道）+1.5m（分隔带）+11.5m（车行道）+3m（人行道），实桥和总体布置图如图2.3、图2.4所示。图2.3 高家花园大桥Fig. 2.3 Gaojia Garden Bridge图2.4 高家花园大桥总体布置图Fig. 2.4 General layout of Gaojia Garden Bridge向家坡立交工程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，里程区段K13+000K13+350，为重庆市南岸区的一项重要交通枢纽工程。立交工程由四条匝道组成，匝道为路堤，匝道、为多联的高架弯、坡连续梁桥，各联跨径布置以(17+n24+17)m为主要形式。根据各匝道的跨径特征、平曲线半径、桥墩高度等因素，最终选定匝道中接异形桥的一联（ Z6#墩YX 6#墩之间）作为远程监测的对象。该联桥墩高、弯道大、坡度陡，与其关联的桥墩高度在3844米之间，且墩底存在滑坡的隐患。实桥和总体布置如图2.5、图2.6所示。图2.5 向家坡立交桥Fig. 2.5 Xiangjiapo overpass图2.6 向家坡立交匝道总体示意图Fig.2.6 General arrangement of Xiangjiapo overpasss ramp 2.1.2 结构及受力特点分析重庆地处长江、嘉陵江的汇合处，主城为两江环抱的丘陵山区、沟壑纵横，因此桥梁在重庆城市交通中扮演着十分重要的角色。据有关资料表明，截至2003年底，重庆建成公路桥梁4400多座，其中长江上已建成的特大桥11座、在建的特大桥9座，嘉陵江上已建和在建的特大公路桥12座。由于特殊的地形地貌，加上城市的发展，重庆已经成为了名副其实的中国桥都。在重庆现有的众多桥梁中，桥梁种类繁多。有针对性地从中选择具有典型性、代表性的几种桥型，对它们进行研究并对其进行工程示范，其成果具有普遍意义并具有很强的推广性。而大跨度连续刚构梁桥，大跨度钢筋预应力混泥土斜拉桥，高桥墩、长陡坡、弯桥面连续梁桥，是最具代表性的三类典型桥梁。连续刚构桥保持了T形刚构和连续梁的优点，适合于高墩、大跨径的场合。在设计大跨径预应力混凝土桥梁时，是国内一种具有相当代表性的桥型。重庆高家花园嘉陵江大桥则是这样的一种典型桥梁。这类桥梁跨度大、且相对与索桥而言刚度较大，因此主跨是决定全桥安全的关键，其变形与受力则是监测的重点。由于钢筋混泥土斜拉桥具有跨度大、成本低、不影响航行等优点，已经成为我国大跨度桥梁中的一种重要桥型。特别是在万里长江上的数十座特大桥中，钢筋预应力混泥土斜拉桥占据了相当的比例。因此对钢筋预应力混泥土斜拉桥的安全性进行监测具有重要代表性。重庆马桑溪长江大桥则是典型的钢筋预应力混泥土斜拉桥，这类桥梁的特点是主跨跨度大、刚度低，主塔的塔身高，主梁、主塔、斜拉索构成了一个完整的受力体系。因此，主梁、主塔、斜拉索是决定全桥安全的关键，是监测的重点。在沟壑纵横、地势起伏的山区公路中，高桥墩、长陡坡、弯桥面连续梁桥是适应山区特殊地理条件的一种常见桥型。重庆向家坡立交桥则是典型的高桥墩、长陡坡、弯桥面连续梁桥。高墩桥的桥墩稳定性本身就是一个需要监测的关键参数。而对于长陡坡、弯桥面的高墩桥，当行驶于桥面的车辆在弯道上转弯时将对桥面产生离心力，且车辆在桥面的陡坡下滑时的制动、将对桥面产生摩擦力。长陡坡、弯桥面连续梁桥的这两个荷载作用于桥墩的墩顶时，共同对桥墩的墩顶产生横向作用力，将使高耸的桥墩产生更加剧烈的墩顶位移，进一步影响桥墩的稳定性。此外山区公路大多地势陡峭，在役许多桥墩存在滑坡威胁，这又增加了桥墩的不稳定性。因此对于高桥墩、长陡坡、弯桥面连续梁桥而言，桥墩的稳定性问题更加突出。因此高墩桥的桥墩位移是监测重点。具体结合三座桥梁各自的特点要求，在有限元结构计算分析的基础上，确定三座大桥各自的监测方案如下。2.2 马桑溪大桥监测方案表2.1 马桑溪大桥监测参数及监测要求汇总表Table 2.1 Monitoring parameters and requirement summary of Masangxi Bridge要求参数数量分辨力精度测量范围主梁应变361（）5（）-400+350（750）主塔应变81（）5（）-400+350（750）主梁挠度1810（mm）2（mm）18（mm）(2%)3（mm）(1%)-300+600（900mm）-100+200（300mm）主塔位移22（mm）6（mm）(1%)-300+300（600mm加速度40.1（Hz）0.2（Hz）0.35（Hz）温度351（）2（）-10 +70 （80）湿度42%RH5%RH1095%RH合计107表2.1为马桑溪长江大桥传感器监测参数及监测要求统计汇总表。马桑溪长江大桥是一座横跨长江的特大型斜拉桥，其中跨长度为360米、边跨长度为180米，跨中极限变形量达到900毫米。且伴有由主梁扭曲产生的横向位移，即主梁变形体现为垂向挠度与横向位移的组合变形。因现有的手段无法满足主梁挠度的现场实时测量要求，而作为一座已成桥，其应变监测的传感方式不同于施工中埋入传感器的其它桥梁。针对这些特点，采用以下监测方案。2.2.1 主梁应变监测子系统在桥梁结构有限元计算分析的基础上，确定设置马桑溪大桥主梁应变监测子系统，用于获取主梁关键截面、关键测点应变。要求在-400 +350微应变范围内，达到1微应变的分辨力、5微应变的测量精度。由于监测的长期稳定性是最为重要的指标，目前常规的应变测量方法难以达到此要求，因此采用本项目开发的表面安装式光纤法珀应变传感器系统。马桑溪大桥主梁关键截面应变测点纵向布置如图2.7，横向布置见图2.8。 图2.7 马桑溪大桥监测参数及监测位置总体示意图Fig. 2.7 Overall monitoring parameters and locations of Masangxi Bridge图2.8马桑溪大桥监测截面内应变测点示意图图2.9 马桑溪大桥应变监测现场方案Fig 2.9 Strain site plan of Masangxi bridgeFig. 2.8 Cross-sectional strain points of Masangxi Bridge如图2.7所示，选择主跨及边跨的9个断面，每个断面4个，总共安装36个表贴式光纤应变传感器，获取测点处表面的应变值。光纤应变传感器皆通过多芯光缆，将信号传输到北侧主塔下无人监控室的测量仪处，如图2.9所示。由于光纤应变测量仪只能测量一个传感器，要完成数十路传感器的检测，需要配备多路光纤巡检开关。而常规光通信用光纤开关价格昂贵，因此，为寻求降低成本的新途径，采用光纤传感器复用技术，将光纤应变测量仪的测量容量扩展一倍，以降低对光纤开关的要求，从而降低整个系统的成本。2.2.2 主梁变形监测子系统主梁变形监测子系统用于主梁关键点位移、以及主梁线形监测。要求在+200 -100 (即300毫米)范围内，达到2毫米的分辨力、3毫米（即1）的测量精度；而在跨中测点，则要求在+600 -300（即900毫米）的范围内，达到10毫米的分辨力、18毫米（即2）的测量精度。由于马桑溪大桥的变形监测具有变形范围宽（跨中点可达900毫米）、测量精度高、存在扭曲产生的横向变形及倾斜变形、测量距离远（最远点大于430米）、测量速率要求高（0.1秒完成18个测点的测量）等特点，因此马桑溪长江大桥这类特大型斜拉桥的变形监测极为困难，目前国内没有可以利用的现成方法，只能自行研制解决，采用本项目开发的自标定、自编码成像法多点动态挠度传感器系统。图2.10 马桑溪大桥变形监测子系统示意图Fig 2.10 Deformation monitoring subsystem of Masangxi bridge如图2.7所示，选择主跨及边跨的9个断面，每个断面上下游的各1个测点、总共18个测点进行监测。在这18个测点上，将全天候特种自校准图标，面向桥墩处安装固定；而在桥墩的对应点处、面向图标安装带有超长焦变焦镜头的特种高速数字摄像头；并采用特种图像传输线、将高速摄像头采集到的图像信息就近传输到工控机上，由工控机进行高速图像处理，并通过局域网的方式将两个桥墩上的工控机联网（图2.10）。马桑溪大桥的挠度监测使用了图像传感器，由于图像传感器的采集卡到传感器间的距离非常近，无法实现用一台计算机来控制整座桥梁的图像传感器，因此，马桑溪大桥有两个现场监测子系统。为使得负荷均衡，将马桑溪大桥分成南、北两座桥设计，两个子系统之间通过光缆局域网进行连接，如图2.11所示。图2.11 马桑溪大桥现场监测总体框图Fig. 2.11 General site framework of Masangxi Bridge2.2.3 主塔应变和变形监测子系统马桑溪大桥索塔测点布置包括塔顶位移和塔柱应变两个方面。利用结构的对称性，塔柱结构应变测点布置于南塔塔柱根部的分肢上，每肢布设4个应变传感器，共有8个应变传感器，采用本项目开发的表贴式光纤法珀应变传感器系统。主塔的温度传感器也布设在相应位置处，如图2.12所示。图2.12 主塔应变和温度测点布置图Fig. 2.12 Strain and temperature measuring points of pylon图2.13 塔顶位移的二维监测Fig. 2.13 2-D displacement monitoring of tower塔柱变形监测分南塔和北塔两个塔，每个塔的测点均位于塔柱顶部的中心位置。要求在600毫米的测量范围内，达到6毫米（1%）的测量精度、2毫米的测量分辨率，采用本项目开发的大量程高精度激光图像传感器二维位移监测系统。 该方法是激光法与图像法的组合。激光器固定在塔顶上，从激光器发出的准直激光束照射在半透射接收屏上，摄像机置于接收屏下方。当塔顶发生位移时，照射在接收屏上的激光光斑也发生相应的位移，实现了塔顶位移的二维监测，如图2.13所示。2.2.4 索力监测子系统马桑溪大桥索力测点以大桥主跨为中心，对称选取跨中最长的4根斜拉索为监测对象，南、北塔的上、下游位置各一根共4根。对于斜拉索的一阶振型，要测量拉索的基频，加速度传感器的最佳位置应接近拉索中部。但考虑到工程实施的具体难度，传感器的安装位置以施工能够安装到的最高位置为准。实际位置距桥面5米处，采用4只超低频加速度传感器，如图2.14所示。图2.14 加速度传感器测点布置Fig. 2.14 Acceleration sensor measuring points由于拉索的隔振保护措施和传感器安装位置较低等因素的限制，传感器感受的振幅非常小。因此要求加速度传感器具有极好的超低频响应能力和较宽的频带，以及很高的加速度灵敏度。同时还应有很小的安装质量，尽量减少对拉索振动的影响。加速度传感器的微弱信号难以直接远距离传送到桥墩处处理，因此需要专用信号调理器。为此，每只加速度传感器有一根屏蔽信号线、一根电源线，与之对应地需要电源防雷器、信号防雷器各一只，还需要直流电源一只。所有的电源线、信号线都沿斜拉索、桥面、通信管道的路径，最终进入桥墩处的现场监测站。2.2.5 环境温湿度监测子系统环境温湿度监测子系统用于大桥各处的温度、湿度监测，测点布置如图2.7所示，共有35个温度传感器和4个湿度传感器。温度要求在1070范围内，达到2的监测精度，湿度在1095%RH范围内达到5%RH的精度。由半导体温敏元件、数字处理芯片组成的数字温度测量系统，其原理如图2.15和图2.16所示。由于传感器是通过485接口，直接将信号送到计算机总线上，因而可将多个传感器组成监测网络，满足现场多点测量要求。该系统以前已经成功地应用于重庆市大佛寺长江大桥，故可以直接采用。半导体湿度传感器也比较成熟，将其按照数字温度传感器系统相同的方法，同样可构成数字湿度传感器系统。图2.15 数字温、湿度系统Fig 2.15 Digital temperature and humidity system图2.16 温度、湿度传感器安装图Fig 2.16 Temperature and humidity sensor locations2.3 高家花园大桥监测方案表2.2 高家花园大桥监测参数及监测要求Table 2.2 Monitoring parameters and requirement summary of Gaojia Garden Bridge要求参数数量分辨力精度测量范围应变201（）3（）-130 +200（330）挠度101（mm）2（mm）-130+50（180mm）温度151（）2（）-10 +70 （80）湿度22%RH5%RH1095%RH合计47表2.2为高家花园大桥传感器监测参数及监测要求统计汇总表。高家花园嘉陵江大桥是一座横跨嘉陵江的大型连续刚构桥，主跨长度为240米、边跨长度为150米，如图2.4所示。相对于马桑溪大桥而言，其刚度较大，主梁的变形较小，跨中极限变形量为100毫米，且基本不存在横向变形。与马桑溪大桥一样，也是已成桥梁监测，且全部测点都集中在主梁上。针对这些特点，采用以下的监测方案。2.3.1 主梁应变监测子系统主梁应变监测子系统用于获取主梁关键截面、关键测点的应变，要求在-130 +200微应变范围内，达到1微应变的分辨力、3微应变的测量精度。在桥梁结构内力分析的基础上，确定主梁沿纵向5个截面布置应变测点，全桥测点布置如图2.17，采用本项目开发的表贴式光纤法珀应变传感器系统。图2.17 高家花园大桥全桥布点图Fig. 2.17 Overall monitoring parameters and locations of Gaojia Garden Bridge图2.18 高家花园大桥应变测点纵向布置Fig 2.18 Longitudinal layout of strain measuring points in Gaojia Garden bridge图2.19 高家花园大桥应变测点横向布置Fig 2.19 Vertical layout of strain measuring points in Gaojia Garden bridge如图2.18所示，在上游幅主跨及边跨的5个断面处，总共安装18只光纤应变传感器。其中，南侧边跨根部、中跨南侧根部、中跨1/2处、北侧边跨1/3处的每个断面顶板、底板各装2只，如图2.19；南侧边跨1/3处在底板安装2只；在下游幅的跨中底板上，安装2只传感器。所有20只光纤应变传感器通过多芯光缆，将信号传输到南侧0号块内的测量仪处。 2.3.2 主梁变形监测子系统主梁变形监测子系统用于主梁关键点位移、以及主梁线形监测。要求在-130+50毫米的变形范围内，达到2毫米的监测精度、1毫米的监测分辨力，且采样速率优于10赫兹。采用本项目开发的自标定、自编码式图像位移监测系统。选择下游幅中跨及边跨的9个断面，跨中断面设置2个测点，其余断面设置1个测点，总共10测点进行监测，如图2.20所示。图2.20 高家花园大桥变形监测测点布置图Fig. 2.20 Deformation monitoring points of Gaojia Garden Bridge图2.21 高家花园大桥现场监测系统框图Fig 2.21 General site framework of Gaojia Garden bridge在这10个测点上，将全天候自校准图标，面向南侧桥墩安装固定；而在桥墩的对应点处、面向图标安装带有超长焦变焦镜头的特种高速数字摄像头；并采用特种图像传输线、将高速摄像头采集到的图像信息就近传输到工控机上，由工控机进行高速图像处理。高家花园大桥的变形监测系统与马桑溪大桥相同地采用了图像方式进行挠度的监测，同样分成2个现场监测子系统，如图2.21。这样的布置，能获取下游幅靠隔离带一侧的完整线形，同时兼顾了跨中断面的监测和项目总费用的限制，为以后的扩容留下空间。2.3.3 环境温湿度监测子系统环境温湿度监测子系统用于大桥各处的温度、湿度监测，采用与马桑溪大桥类似的方法，安装15个温度传感器和2个湿度传感器。温度要求在1070范围内，达到2的监测精度，湿度在1095%RH范围内达到5RH的精度。测点布置如图2.22所示。图2.22 高家花园大桥温湿度监测系统Fig. 2.22 Temperature and humidity system of Gaojia Garden Bridge2.4 向家坡立交桥监测方案表2.3 向家坡立交桥监测参数及监测要求Table 2.3 Monitoring parameters and requirement summary of Xiangjiapo overpass要求参数数量分辨力精度测量范围墩顶位移41（mm）2（mm）400mm墩梁错位21（mm）2（mm）（180mm）温度81（）2（）-10+70（80）总数14表2.3为向家坡立交桥监测参数及监测要求汇总表。向家坡立交桥作为典型的滑坡地带的高墩、弯道、斜坡桥，其监测重点是桥墩位移。其中匝道中接异形桥的一联（ Z6#墩YX 6#墩之间）是处于桥墩最高、弯道最大、坡度最陡的一段，其桥墩所受横向作用力最大。而该段的10、12桥墩位列其中最高的几座墩（墩高3844米），既在墩顶受到横向力作用、又在墩底存在滑坡的隐患。因此分别监测10、12桥墩的墩顶位移和墩梁错位。2.4.1 墩顶位移监测子系统以10#墩为对象，选取墩顶截面及离墩顶6米的截面布置传感器，在每个截面上布置2个测点，用以监测10#墩在交通荷载作用下，沿桥面圆弧的切向T、法向R的墩顶位移，如图2.23所示。要求达到400毫米的监测范围、2毫米的精度、1毫米的分辨力。由于该测点处于滑坡地带，难以设置位移监测基准，因此采用本项目开发的新型倾斜传感器。图2.23 向家坡立交10#桥墩倾斜传感器布置图Fig. 2.23 Rotation sensor layout of Xiangjiapo overpasss pier 10#2.4.2 墩梁错位监测子系统墩梁错位的监测对象为12#桥墩。该处为滑动支座，以桥墩和主梁互为基准设置错位传感器，用以监测12#墩在交通荷载作用下，沿法向R和切向T的墩梁错位位移，如图2.24所示。要求达到180毫米的监测范围、2毫米的精度、1毫米的分辨力。图2.24 向家坡立交12#桥墩墩梁错位传感器布置图Fig. 2.24 Beam-pier dislocation sensor of Xiangjiapo overpasss pier 12#2.4.3 环境温湿度监测子系统采用与马桑溪大桥和高家花园大桥相同的温度传感器，总共安装8只。用于监测环境温度，以及对倾斜传感器进行温度补偿。安装于倾斜传感器和错位传感器附近，如图2.23、2.24所示。2.5 三桥新型传感器2.5.1 表贴式光纤应变传感器图2.25 光纤应变传感器结构Fig. 2.25 Structure of optical fiber strain sensor图2.26 表贴式光纤应变传感器Fig. 2.26 Surface mounted optical fiber strain sensor对于已成桥的应变监测，相比于施工中的应变监测有不同的特点。马桑溪大桥和高家花园大桥是已经建成使用多年的已成桥，不能将应变传感器埋入大桥主梁结构的内部，只能将应变传感器安装在主梁外部。安装在外部的应变传感器，既要能准确传递结构的应变，又要能耐受外部环境的影响，还要能保证数据采集的长期稳定性。为此，本项目采用特殊的不锈钢专用安装夹具，结合现场电焊技术，开发出表贴式光纤应变传感器。光纤法珀干涉应变传感器主要是基于白光多光束干涉的原理39，其结构如图2.25所示。将两根单模光纤的端面加工为镜面反射面，装入一个密封玻璃管内，并使它们严格平行、同轴，形成一个腔长为t的光纤F-P腔。当一束光通过光纤入射到光纤F-P腔内时，就会在腔内形成多光束的干涉输出。光纤法珀传感器原理简单、制造容易，其使用成本也低。此类传感器是以光的波长为最小计量单位，具有测量灵敏度高的特点，且采用相位解调方法时，输出结果稳定可靠、不受电源、光源波动影响。法珀腔是完全密封的，防水、耐腐蚀，长期稳定性好，可以在混凝土结构的高湿度、高碱性的施工及营运期等恶劣环境中保持长期稳定性。它是在结构健康监测中最早得到应用的光纤传感器。要将纤细的光纤传感器实际应用到结构监测现场，必须解决传感器保护问题，以达到应有的存活率。要保证传感器应变测量的准确性，必须保证结构与传感器之间有良好的力传递与耦合。对于已成桥而言，传感器只能安装在结构表面。为了避免纤细的光纤传感器在现场施工中遭到损害，提高传感器的存活率，必须给光纤应变传感器增加外部保护结构。图2.27 传感器安装专用夹具Fig. 2.27 Special sensor installation fixture通过受力分析，传感器要准确反映结构变形，必须满足刚度匹配原则，即传感器的刚度应远低于被测结构刚度。据此，设计出图2.26所示的表贴式光纤应变传感器和图2.27所示的传感器专用安装基座。利用基座的支撑作用，消除安装引入的初始应变，提高测量精度。通过这样的安装工艺，能较好地解决表贴式光纤应变传感器的存活率、高灵敏度的矛盾。在光纤传感器与被测结构之间的力学联系被保护结构隔绝的条件下，保证结构的应变准确地传递给传感器。2.5.2 自标定、自编码成像法多点动态挠度传感器特大型悬索桥、斜拉桥的主梁具有跨度大、刚度低的特点，因此它的主梁变形量特别大。对于这种大跨度、大变形监测问题，现有的常规方法是GPS与全站仪。但GPS只有20毫米的测量精度、达不到一般斜拉桥毫米级的精度要求，且价格昂贵2。而全站仪虽然能达到所需精度，但其需要人工现场操作，一般不适应自动监测的要求。图2.28 自标定原理示意Fig 2.28 Self-calibration principle indication图像监测法将预定目标成像在摄像机像面上，通过监视目标在像面上的变化量、计算出结构变形46，能够适应远距离大范围变形监测，达到预定精度，实现自动监测。但将像面上的变化量折算为目标的位移时，对于不同距离的目标、不同的气候条件，其折算系数是不一样的，常规的图像监测法难以达到较高的监测精度。此外，常规图像监测法中目标与摄像机一一对应的布局，使其不能实现多点动态变形监测。本项目在常规图像监测法的基础上发明了自标定、自编码成像法多点动态挠度测量方法，从根本上解决了这个问题。 图2.29 自编码原理示意 Fig 2.29 Self-coding principle indication(1) 自标定、自编码图2.30 多点动态挠度监测示意图Fig 2.30 Multi point dynamic deflection monitoring schematic diagram自标定、自编码多点动态挠度测量方法的核心是带有自标定和自编码功能的靶标以及相应的图像处理算法。如图2.28所示，带有自标定和自编码功能H的靶标1安装在结构2处，经过摄像机3成像到摄像机的像面上3-2处，通过图像处理软件，利用H的固定参数特性，即可对h进行自标定，得出折算系数。当结构从2变形到2时，利用自标定系数h，可由像面变形d计算出结构的精确变形量d。当不同的靶标采用不同的固定参数特性值Hn时，利用专用图像处理软件，得到不同的自标定系数hn，从而区分出不同的目标对象，实现自编码，如图2.29所示。在兼顾测量范围与测量精度的情况下，每个摄像机可以同时监测23个测点。(2) 多点动态挠度测量由于摄像机一般具有25帧/秒以上的图像采集速率，而上述自编码图像处理软件的处理时间是十毫秒数量级，因此它本身是一个具有20赫兹以上采集频率的多点动态挠度测量系统。将多个这样的系统并联，采用高速数据采集卡，可达到5赫兹以上的速率，实现12个测点的同步动态挠度监测，如图2.30所示。2.5.3 大量程高精度激光图像传感器自标定、自编码成像法的监测精度在15毫米，主要适用于一维监测。当要将监测精度提高到1毫米以内、或要监测二维位移时，该方法有一定的局限。为此，可采用激光图像传感系统。该系统是激光法与图像法的组合45。其原理如图2.31所示。激光器固定在被测结构上，从激光器发出的准直激光束照射在远处固定的半透射接收屏上形成一个圆形光斑。摄像机置于接收屏正后方不远处，根据光斑的直径大小和测量的范围要求，可适当调整接收屏至摄像机之间的距离，但两者之间的距离一般限制在5米以内。通过选择合适的镜头，根据成像公式，测量的精度能得到保证。当激光器发生位移时，照射在接收屏上的激光光斑也发生相应的位移，通过采集处理前后两次的图片，比较中心位置的变化，能获得被测结构的位移大小。该方法利用了激光光束良好的方向性，实现了对远点位移信息的传输。在接收端设置接收屏，远处激光器发出的光照在接收屏上形成光斑，然后再用成像法测量激光光斑在屏上的移动。接收屏的大小可以根据测量要求制作，扩大了原来激光法的量程，实现二维测量。接收屏和摄像机的距离很短且固定，解决了原成像法分辨力低和分辨力随着物距改变变化的问题，可以实现恒定分辨力的动态大量程二维位移测量。图2.31 激光图像位移测量系统Fig 2.31 Laser image displacement measuring system2.5.4 墩顶位移的倾斜传感器向家坡立交桥，是全国少有的墩高、坡陡、弯急的特殊结构。高耸的桥墩墩顶具有较大的位移，不能以邻近的桥墩作为测量基准。桥墩地基附近的地质松软、土壤随雨水冲刷、滑移严重，不可能在塔根部设置永久性测量基准。即使设置地面基准，也由于其敞露于旷野、易于受到人为破坏。任何需要在现场选取固定不变测量基准的方案都不适用，上述的两种监测位移的方法，都不适合于向家坡立交桥。考察向家坡立交桥桥面的受力情况，当车辆行驶到桥面时，一边转弯、一边制动，同时存在转弯、制动两个动作。车辆转弯时给桥面施加一个沿桥面弧线法向的离心力，车辆制动时给桥面施加一个沿桥面弧线切向的制动力。这两个力传递到桥墩上，使桥墩的墩顶产生沿桥面弧线法线和切向的两个位移分量。图2.33 顶端位移简化模型示意图Fig 2.33 Simplified model diagram of pier top displacement图2.32 倾角传感器原理图Fig 2.32 Rotation sensor schematic diagram 假设桥墩为一匀质、等截面、根部固定的理想杆件，如图2.32和图2.33所示。当墩顶发生横向位移d时，在偏离铅垂线上产生倾斜角。将倾斜传感器分别安装在墩顶的法向和切向位置上，测量出墩顶法向和切向倾斜角的变化，从而可求出墩顶沿法向和切向的位移。利用倾角传感器测量位移的方法，是通过测量测点前后产生的倾斜角变化，推导出倾斜角和位移的关系，从而计算获得测点的位移。这种方案将线位移的测量转换为角位移测量。该方法是利用绝对重力方向为参照方向，在具体实施时不需要另设基准，解决了现场无法选择测量基准的问题。因此非常适合于高墩桥墩顶位移的监测。倾斜传感器全密封，不惧灰尘、水雾、阳光等环境影响，已有国外实际应用的先例，成功的把握性大。倾斜传感器有多种商用产品，挑选余地较大，成熟度高。通过比较，从液体摆式、振弦式以及力平衡式三种倾斜传感器中选择了能够长期工作于野外、接口简单、性能可靠的液体摆式，另购置了倾角传感器核心部件，按照实际监测要求进行了传感器的设计并进行了相应的温度补偿，并在实验室进行了稳定性实验，解决了外界温度对测量精度影响的实际问题。2.6 系统集群2.6.1 总体要求图2.34 马桑溪大桥现场硬件系统总体示意Fig 2.34 General indication of Masangxi Bridge hardware system “桥梁安全远程智能集群监测系统”由马桑溪长江大桥监测子系统、高家花园嘉陵江大桥监测子系统、向家坡立交桥监测子系统，以及一个集群监测中心组成。三个监测子系统分别由各自的传感器系统以及本地计算机组成，三个监测子系统与集群监测中心之间，以局域网的方式组成集群监测网络。三座桥各自的传感器系统，在本地计算机的控制下，实时采集桥梁的状态参数，经各自的本地计算机预处理之后，将数据远程传输至集群监测中心，并在集群监测中心内对数据进行自动分析处理，从而完成安全评价与预警38。图2.35 现场软件系统总体示意Fig 2.35 General indication of site software system 马桑溪长江大桥监测系统对其状态进行自动检测，其硬件系统包含主梁应变监测子系统、主梁挠度监测子系统、主塔塔顶位移监测子系统、拉索索力监测子系统、环境温湿度监测子系统等，还包含数据自动采集及控制子系统、数据远程传输子系统（如图2.34所示）。而其软件包含传感器子系统控制、数据采集与处理、数据库管理、数据双向传输等部分（如图2.35所示）。高家花园嘉陵江大桥监测系统对其状态进行自动监测，其硬件系统包含主梁应变监测子系统、主梁挠度监测子系统、环境温湿度监测子系统等。还包含数据自动采集及控制子系统、数据远程传输子系统（如图2.36所示）。而其软件包含传感器子系统控制、数据采集与处理、数据库管理、数据双向传输等部分，与马桑 图2.36 高家花园大桥硬件系统 Fig2.36 Hardware system of Gaojia Garden bridge 溪大桥类似。 图2.38 集群系统结构示意Fig2.38 Structure indication of cluster system 2.37 向家坡立交桥硬件系统 Fig2.37 Hardware system of Xiangjiapo overpass 向家坡立交桥监测系统的硬件系统，包含主墩侧移监测子系统、温度监测子系统、墩梁错位监测子系统等。还包含数据自动采集及控制子系统、数据远程传输子系统（如图2.37所示）。而其软件包含传感器子系统控制、数据采集与处理、数据库管理、数据双向传输等部分，与马桑溪大桥类似。集群监测中心是将三座桥梁获取的监测数据汇集后，自动进行分析处理、集中计算（如图2.38所示），从而判断各桥的安全状态，并对可能发生的安全事故进行预警。其硬件包含数据远程传输系统、中心主计算机系统、结果显示与报警系统；而软件则包含分析计算、安全评估、数据传输与数据库管理、系统管理、结果显示与预警预报。集群中心远程监测系统，要有一个恰当的位置与建筑，由统一的主监控计算机工作站，对各桥的监测数据进行远程收集、集中分析，并统一显示结果，实现三座桥的集群监测。此外还通过统一的服务器，通过互联网、与外界进行通信，提供整个系统对外的访问服务，以能在集群中心以外的任意地点、通过互联网随时了解任一座桥梁、任一个参数的状态。另外还能根据需要、对各桥的现场子系统远程发送指令。为了为成果后续的推广、发展留出空间，集群系统必须具有通用性、先进性、开发性、可扩展性，并在主服务器与工作站中都留出足够的硬件、软件接口与空间，以利于扩展集群的规模。使之不仅适应于此三座桥，还可以在完全不改变系统硬件的条件下，根据具体情况增加所监测桥梁的数目（即扩大集群系统的容量），更具有在其他桥上推广、扩展的空间。因此，集群中心的设计，应该满足以下的要求：(1) 系统能够在远离桥梁的地方对多座不同桥梁的状态进行集中监测；(2) 系统能够在远离桥梁的任意地点随时了解、控制桥梁及监测系统的工作状态；(3) 系统能够对多种状态参量进行实时监测，能对动、静态参量进行选择性测量；(4) 桥梁的静态监测的数据采集周期可以根据实际情况进行设置；(5) 能够完整保留桥梁的历史数据，以作为健康评价的依据；(6) 具有无人职守功能，能够作到市电停电时根据实际情况进行关闭系统处理，来电时则系统自动启动；(7) 具有相应的保护电路，防止过流、过压和雷击，确保系统能够正常工作；(8) 能够对用户的权限进行分配，不同权限的用户操作该系统的不同功能模块；(9) 能够按照用户的要求进行数据备份、报表生成以及相应的图形生成、显示、打印等功能；(10) 具有一定的先进性、可扩展性。2.6.2 现场监测系统软硬件方案根据上述方案。桥梁现场监测子系统具有图2.39所示的硬件结构。其中，现场计算机通过开关电路控制各传感器及读出设备的电源，在需要采集的时候打开电源，采集完成则关闭电源，这样可以极大地增加传感器及其读出设备的寿命。另外，为了保证采集系统能够长时间工作，满足野外恶劣环境下正常工作的要求，因此在各传感器及读出设备的电源及信号线上均连接了防雷器等保护设施，能够保证系统在恶劣环境下正常工作。为了达到集群监测的功能，现场计算机还通过网络接口与集群中心系统相连接，实现集群监测。以马桑溪大桥为例，其现场自动监测与控制子系统能自动控制现场各个传感器子系统进行数据采集、处理、存储等，将数据实时、远程传输给集群中心。马桑溪大桥现场系统配备光纤、PCI、Camera-Link、RS485四套总线系统。与之相应，配备48路光纤接口、96路动态信号接口、26路图像信号接口、4路RS485接口，如图2.40所示。为保证系统正常工作，采用12路D/A控制卡、配合48只继电器，通过软件控制各个传感器系统的工作。同时，采用3000VA的专用大功率UPS、电源隔离器、避雷器，还在所有部件上设计防止短路、防止雷击的辅助电路，以适应现场突然的断电、短路，电源的波动与冲击，雷击等意外事故。图2.39 现场监测系统总体硬件框图Fig.2.39 Overall hardware framework of site monitoring system由于传感器种类或型号不同，传感器与采集设备之间的接口也各不相同，因此传感器种类数量的不同会带来采集策略的变化以及数据存储的差异。如果分别针对这些传感器、接口设计系统控制与数据采集软件，那么就需要设计多个子系统，其开发效率很低。因此项目组提出了编制一个系统的通用控制及数据采集软件平台系统。具体在设计中，用“虚拟桥梁监测类”来定义桥梁状态监测，用“虚拟桥梁监测类”的属性定义传感器数量和种类，用“虚拟桥梁监测类”的方法来定义采集策略和传感器的访问方法，通过利用数据库技术，管理“虚拟桥梁监测类”的方法和属性。“虚拟桥梁监测类”的派生类即为一座具体桥梁的状态监测。若需针对某一具体桥梁进行监测，只需修改数据库中对应的配置，指明传感器的数量、种类和访问方式，实现通用性监测。其实际软件框图如图2.41所示。 图2.40 马桑溪大桥现场总线控制系统Fig. 2.40