李家沱大桥健康监测实施方案

重庆李家沱长江大桥长期健康监测实施方案重庆桥都桥梁技术重庆交通大学重庆竣翔桥梁维护2011年6月目录TOC\o"1-2"\h\z\u23163一、工程概况及意义 1169121.1工程概况 1296081.2混凝土斜拉桥常见病害及原因 148121.3李家沱长江大桥的运营现状 248101.4本桥健康监测意义及特殊要求 320226二、大桥健康监测系统总体设计 5103592.1设计原那么 5270562.2系统功能总框架 654842.3系统硬件总框架 631603三、健康监测范围 710077四、监测工程及监测方法 8318864.1桥梁位移变形监测 8228764.2主梁、索塔控制截面应力监测 16144014.3温度监测 18236324.4大桥结构动力特性监测 2030324.5斜拉索索力监测 22205674.6裂缝监测 24222834.7交通流量检测系统 3476874.8全桥传感器测点布设情况汇总 43288564.9全桥传感器清单 445867五、数据采集、传输、处理和控制子系统 45189295.1数据采集子系统 45324305.2数据传输子系统 51314785.3数据处理和控制子系统 5227345六、辅助支持系统 5542516.1外场机柜 5553426.2中心机房 55261417.1主梁竖向挠度监测仪——SEN-HOR光纤光栅静力水准仪的安装 56234207.2主梁纵向位移监测仪——SEN-D2光纤光栅拉线式位移传感器的安装 56303337.3索塔位移监测仪——光纤光栅倾斜计的安装 57206847.4主梁应力监测应变传感器——外表安装式光纤光栅应变传感器的安装 57107137.5索塔应力监测应变传感器——外表安装式光纤光栅应变传感器的安装 57268667.6主梁温度监测仪——SEN-T1外表式光纤光栅温度传感器的安装 5816257.7索塔温度监测仪——SEN-T1外表式光纤光栅温度传感器的安装 58127377.8大桥主梁结构动力特性监测仪——SEN-AL光纤光栅加速度计的安装 58106607.9大桥塔柱结构动力特性监测仪——SEN-AL光纤光栅加速度计的安装 5912437.10斜拉索索力监测仪——JMZR-2901型数字化传感器的安装 59222777.11、车辆检测系统及全天候远程数字化航道监控系统安装位置 60286187.11、裂缝监测——机敏网粘贴及中间处理器的安装 601953八、系统软件的设计 63107118.1数据采集管理系统 6354868.2结构监测信息管理系统 64280808.3数据库管理系统 657880九、数据分析及综合评估预警系统 66320219.1平安评估预警总体方案 66286379.2系统静态层次分析法平安状态评估方案 6818349.3系统动态平安评估方案 6926692十、系统运行管理 711181010.1系统管理 711804110.2人员培训 713922十一、监测系统后期效劳工程内容及费用 732050511.1维护效劳 73230211.2咨询效劳 731767811.3现场效劳 73495011.4售后效劳费用 7415626十二、方案实施年限、经费概算与资金筹措 752827712.1年度方案 751895612.2组织机构及人员组成 751368012.3经费概算 76一、工程概况及意义1.1工程概况重庆李家沱长江大桥位于重庆市西郊九龙坡地区，大桥南岸为李家沱工业区，北岸为九龙坡区。主桥全长1288m，跨径组合为：过渡孔(53m)+主孔(169m+444m+169m)+过渡孔(53m)+南引桥(8x50m)，桥面宽度为4车道〔中间设置分隔带〕，宽24m。图1.1重庆李家沱长江大桥全景该桥结构体系为双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，塔、墩固结。主梁为纵向悬浮体系，塔梁交叉处设置横向限位装置，在过渡孔与北台及南引桥结合处设置大位移量伸缩缝。主梁采用扁平的实心双主梁断面，主梁肋高2.5m，宽1.7m。横梁间距为4.5m，设置横向预应力钢束。主梁在中跨的中间局部及边跨的局部区段设置有纵向预应力钢束，采用OVM锚具及高强度低松弛钢绞线。主塔呈花瓶形，塔全高141.5m，塔身为矩形空心断面。拉索采用扇形双索面布置，梁上索距为9m，在塔上采用不等距排列，索距1.5～1.6m。每个索面中有24对斜拉索。锚具采用LM7型冷铸锚锚具。主桥两个主墩根底根据地形及地质条件并结合施工难易程度作了不同的处理。2#墩采用Φ2.6～3.2m的变截面挖孔桩根底，3#墩采用沉井根底。该桥于1991年开始施工，1997年建成通车。1.2混凝土斜拉桥常见病害及原因大量的文献资料显示,斜拉桥运营期病害与事故主要集中在斜拉索的锈蚀与断丝、主梁和主塔的裂缝和变形等方面。1.2.1拉索病害及原因拉索是斜拉桥的重要组成局部,拉索病害通常主要分为三类:(1)拉索护套病害(2)拉索钢丝病害(3)斜拉索锚具的锈蚀。不少已建斜拉桥出现了上述斜拉索的病害。斜拉索病害的主要原因可以分为累积损伤和自然损伤。拉索的长期积累损伤主要是疲劳和腐蚀。对于自然损伤,主要是指偶发性事故如洪水、交通事故、船撞击等不可预见的偶然事件导致的斜拉索损伤。1.2.2主梁的裂缝病害及其主要原因斜拉桥的主梁不仅承受弯矩,同时也承受斜拉索的水平分力,处于受组合力状态,是斜拉桥上部结构的主要受力结构,主梁及桥面板在桥梁运营阶段出现最多的病害就是主梁顶板、横隔梁及腹板出现裂缝。裂缝产生的原因很多,如荷载作用、混凝土组成成分、温度变化、混凝土收缩和徐变、根底的不均匀沉降以及钢筋的锈蚀等,而许多裂缝往往是几种不同因素联合作用的结果。1.2.3索塔病害及其主要原因斜拉桥的索塔是承受荷载的主要构件,索塔病害的主要表现为主塔偏位和混凝土裂缝。对于主塔偏位其主要原因有:斜拉桥的索塔是一种悬臂结构,每根索的索力都会使索塔产生沿其水平方向的位移。许多水平作用经过相互消减,叠加后在塔柱上反映出综合位移,其中以塔顶最为显著;索塔混凝土普通裂缝的原因根本与上述主梁发生裂缝的原因相同。索塔的疲劳损伤,其主要原因是车辆荷载作用、风力、温差等因素会造成索力的变化。这些反复的、有周期的作用将会使混凝土斜拉桥的索塔出现疲劳损伤,导致索塔锚固区的混凝土过早出现裂纹、承载能力下降、使用寿命减少。1.3李家沱长江大桥的运营现状1997年建成通车后，随着交通量的增长和运营时间的增多，逐渐发现在中跨主梁和主塔斜拉索锚固区出现了大量裂缝。业主委托西南交通大学对全桥的裂缝进行了普查及成因分析，得到以下结论：(1)主梁裂缝数量大，主要分布在主梁底面及其内侧面上，裂缝走向以沿桥跨纵向为主。(2)少数主梁节段梁底面的侧面上存在横向和竖向裂缝。从裂缝形态上看，此类裂缝属于混凝土收缩裂缝。(3)横隔板及顶板裂缝主要集中在梗肋部位，并沿梗肋向顶板延伸。(4)个别锚箱之间存在的裂缝，根本上呈水平走向。(5)主梁和桥塔混凝土裂缝为非结构性受力裂缝。(6)既有裂缝不会影响桥梁目前的正常运营。(7)考虑到梁体混凝土裂缝的数量、宽度、深度等均较大，局部裂缝已经深入到主筋以内，将会严重影响到桥梁的耐久性。根据裂缝成因综合结论，当时对桥塔和主梁的裂缝进行整治，同时也对塔柱上封锚砼进行整治，以到达封闭裂缝、防止裂缝进一步扩展的目的。2008年底进行的桥梁外观检查，反映出该桥目前主要缺陷有：1〕主塔塔柱砼外观共发现裂缝20条；多处由于钢筋锈蚀膨胀引起的砼脱落；个别预埋钢板外露并有不同程度的锈蚀；约80%的拉杆位置钢管头外露锈蚀；塔柱外观涂装多处大面积开裂、起壳、脱落。2〕主桥车行道局部出现原修补处的沥青砼铺装层周边冒浆，沥青砼路面出现网状裂缝及横、纵、斜向裂缝并同时有洞穴、坑函等现象，在主桥车行道2号墩边跨，3号墩下游中跨处出现了穿透型裂缝和沥青砼脱落的现象。3〕主桥主梁底板局部出现了渗水和露筋，横系梁出现了斜裂缝，主引桥钢护栏和立柱出现点状锈蚀，在交接处锈蚀严重，主梁底部已锈穿。伸缩缝锚固混凝土开裂，出现裂缝现象。4〕拉索边中跨总索力差值最大变化至成桥索力值的4.15％〔2＃墩2008年6月中跨下游〕，设计值的8.06％〔3＃墩2008年6月中跨下游〕。1.4本桥健康监测意义及特殊要求李家沱长江大桥为大跨径双索面混凝土斜拉桥，投入运营时间较长，在多种因素作用下出现了局部病害。为确保桥梁平安运营、延长桥梁使用寿命，同时通过早期桥梁病害的发现能大大节约桥梁的维修费用，所以建设李家沱长江大桥健康监测系统是非常必要的。作为在既有桥梁上建立的健康监测系统，为制定适合本桥的健康监测方案，采取以下具体措施：1、结构静、动力分析计算：本桥自建成已运营多年，相比于桥梁的设计状态而言，结构刚度、桥梁线形、拉索索力等方面均有所改变，因此，在对桥梁进行理论计算分析时，应充分考虑到结构退化对计算模型、计算方法和计算结果的影响，并据此提出合理的传感器布设方式；2、结构应力监测：由于全部的传感器均为后安装方式，监测的数值多为相对量的概念，虽然不影响对结构健康长期趋势的把握，但无法获得可以和设计值直接比拟的绝对值，一定程度上影响了结构健康评估，为此，需建立结构健康监测数据与施工监测数据、成桥试验数据的关系，使结构健康监测数据能在一定程度上转换成绝对值；3、主梁横隔板应力监测：本桥中跨主墩附近的主梁横隔板出现了竖向及斜向裂缝，为确定造成裂缝的原因，研究混凝土徐变和剪力滞对横隔板受力的影响，观察裂缝的开展趋势，指导桥梁管理养护工作，可在出现病害的横隔板处布置应变传感器，建立横隔板的长期监测机制；4、索力监测：根据索力长期健康监测的需要，需要对关键索布设索力传感器进行实时监测，但在大桥长期运营过程中，可能存在其它拉索也出现索力变化较大的病害，因此，监测系统应具有适应索力测点位置改变或索力测点数量增加的功能；5、索力计算：由于李家沱长江大桥斜拉索使用阻尼器，会影响使用振动法测得的绝对索力数据的准确性，为此，有必要专项分析成桥后的索力计算公式，并需收集施工阶段、成桥试验、定期检测的索力数据，与以健康监测所测得的索力数据做比对分析；二、大桥健康监测系统总体设计2.1设计原那么李家沱长江大桥健康监测系统是一个集结构分析计算、计算机技术、通信技术、网络技术、传感器技术等高新技术于一体的综合系统工程。为使李家沱长江大桥健康监测系统成为一个功能强大并能真正长期用于结构损伤和状态评估，满足桥梁养护管理和运营的需要，同时又具经济效益的结构健康监测系统，遵循如下设计原那么：1〕遵循总体设计，分步实施的指导思想；2〕遵循简洁、实用、性能可靠、经济合理的原那么；3〕系统设置首先需满足李家沱长江大桥养护管理和运营的需要，立足实用性原那么第一，兼顾考虑科学试验和设计验证等方面因素。4〕根据结构易损性分析的结果及养护管理的需求进行监测点的布设。5〕易损性分析原那么考虑以下方面：不同类型的结构受力特点、构件的工作特征；设计时不同类型结构的控制断面、控制点；结构不同类型材料的材料特性、使用特性；结构受外部环境及荷载影响后最易损伤部位；基于既有同类型结构已发生的损伤部位；目前阶段尚未有足够资料验证的关键部位。6〕监测与结构平安性密切相关内容，主要监测一些有代表性的结构、必须进行监测的重要结构以及日常养护无法检查或检查非常困难的结构响应。7〕从动力、静力、耐久性对结构进行监测，力求用最少的传感器和最少的数据量完成工作；8〕以结构位移监测为主，以力、应力、模态分析为辅助。9〕系统应具有可扩展性。2.2系统功能总框架图2.2系统功能总框架图2.3系统硬件总框架图2.3系统硬件总框架图三、健康监测范围监测范围的选取应遵循传感器实时监测的功能，监测内容能覆盖结构评估的要求。根据以上原那么，考虑到本桥建设过程中的特点并结合大桥近期实际运营状况，本桥健康监测系统的监测范围如下：表3.1实时监测内容序号实时监测内容监测目的1索力斜拉索索力及振幅掌握主要索的索力及加速度振幅情况2变形实时位移掌握主梁挠度变形及主塔偏位实时情况3结构温度掌握大桥梁部、塔部主要结构断面的结构温度情况4环境大气温度掌握大桥塔内外的大气温度5动力振动掌握大桥梁部、塔部结构实时振动响应，用以计算结构模态参数6应变掌握大桥动静荷载作用下的结构应力、应变情况，用以设置响应预警阀值7梁端位移掌握大桥伸缩缝位置梁端实时位移8裂缝裂缝开展掌握大桥塔柱、主梁裂缝发生开展情况9交通流量掌握通过大桥的车辆情况和超重车情况10航道掌握桥位区域航道船只运行情况四、监测工程及监测方法4.1桥梁位移变形监测桥梁位移变形监测是利用测量手段，对桥梁各控制断面的位移变形进行监测，并绘编相应的位移变形影响线和影响面以检测各控制部位位移变形状态，从而为总体评估大桥的承载能力、营运状态和耐久能力提供依据。4.1.1主梁位移变形监测根据大桥的受力控制断面，主梁的变形测量主要选择了以下几个工程。主梁竖向挠度监测1)主梁竖向挠度变形观测：采用了基于连通管液位测量原理的静力水准仪，沿重庆李家沱长江大桥的主梁两侧安装连通管，并在关键位置〔主跨取7个测量截面，分别为1/8、2/8、3/8、4/8、5/8、6/8、7/8截面,边跨各取3截面，分别为1/4、2/4、3/4截面，共计13截面〕引出支管，安装28个精密液位计〔两个不动点各1个，安装在主塔侧壁内与主梁同一高程处〕。液位计布置情况见图4.1~4.3所示。图4.1主梁挠度监测液位计纵向布置图图4.2主梁挠度监测液位计横断面布置图液位计基点〔主塔侧壁内〕液位计基点〔主塔侧壁内〕图4.3主梁挠度监测液位计基点布置图图4.4主梁测试断面、连通液位沉降计及采集系统结构示意图静力水准仪是一种智能型位移传感器，由精密液位计〔图4.4〕、液位罐和连通管组成。适用于建筑物多点沉降精密测量，适应长期监测和自动化测量。安装时将精密液位计设置在被测点，液位罐设置在不动点〔水平基点〕，并用连通管连接。其原理是通过液位的变化测量被测点相对水平基点的沉降变形。温度变化蒸发的因素引起的液位变化对基准和各个测点有相同的影响，可以通过相减抵消，而挠度引起的液位变化对基准点和测点的影响不同，相减后那么保存下来，而这一系统测量不受温度和液体蒸发的影响。数据采集、计算、处理采用SEN-HOR光纤光栅静力水准仪〔图4.5〕，该系统具有测试精度高，可远程监测，组网能力强，自带温度补偿等优点，可与其他类型的光纤光栅传感器组成全光监测网。图4.5SEN-HOR光纤光栅静力水准仪其仪器主要技术参数见下表：表4.1静力水准仪参数表工程参数标准量程0-100mm〔注〕测量精度1‰F.S.分辨率0.01mm〔在与SEN-01解调仪配套情况下〕波长范围1525nm～1565nm尺寸Ф90×200mm连接方式FC/PC或熔接外封装不锈钢外壳铠装引线安装方式打孔或焊接安装温度补偿形式自补偿使用温度-30℃～85℃〔注〕：为确保待测挠度不超出仪器测量量程，安装时在主跨4/8截面处选择更大量程的静力水准仪。2)仪器安装〔1〕检查各测点顶面水平及高程是否符合设计要求。〔2〕检查测点预埋件及安装仪器螺杆是否符合设计要求〔3〕预先用水和蒸馏水冲洗仪器主体容器及塑料连通管〔4〕将仪器主体安装在测墩钢板上，将水准器在主体顶盖外表垂直交替放置，调节螺杆螺丝使仪器外表水平及高程满足要求。〔5〕将仪器及连通管系统连接好，从仪器末端徐徐注入SG溶液，排除管中所有气泡。连通管需有槽架保护。静力水准管路安装完毕后用专用的芯屏蔽电缆与光纤焊熔并进行绝缘处理，注意光纤和尾纤的保护主梁纵向位移监测主梁纵向位移监测也是对大桥伸缩缝伸缩量的实时监测，是大桥健康监测的一项重要内容。影响伸缩缝伸缩量的根本因素较多，首先温度变化是影响伸缩量的主要因素，由于温度使桥梁内部温度分布不均匀会引起大跨径桥梁端部产生角变位。其次，活载、恒载等会使桥梁端部发生角变位，从而使伸缩装置产生垂直、水平及角变位。本工程通过测量主桥主梁梁端与相邻引桥梁端上固定点之间的距离变化来测定主梁纵向位移变化规律，梁端各设2个测点，共计4个测点，采用SEN-D2光栅光纤拉线式位移传感器〔图4.6〕，图4.6SEN-D2光纤光栅拉线式位移传感器其主要技术参数为：表4.2拉线式位移传感器参数表工程参数标准量程0-1m测量精度5‰F.S.分辨率1mm〔在与SEN-01解调仪配套情况下〕波长范围1525nm～1565nm尺寸221.5×103×30mm连接方式FC/PC或熔接温度补偿形式自补偿使用温度-30℃～85℃本桥主梁纵向位移测点及横断面布置如图4.7~4.8所示：图4.7主梁纵向位移监测位移传感器纵向布置图图4.8主梁纵向位移监测位移传感器横断面布置图4.1.2索塔位移监测索塔作为索支承桥梁的主要承重构件，其刚度远大于柔性的斜拉索和桥面主梁。涉及索塔结构平安的主要问题有：塔身在强风、地震等荷载作用下的稳定性；在纵向不平衡荷载作用下可能导致横梁与塔身连接部的开裂；塔身混凝土的徐变收缩导致斜拉索下垂和相应的索力变化。仪器选型主塔侧移监测：采用倾斜计进行测量。李家沱大桥跨度大，监控室离大桥较远，传统传感器的信号无法传输，采用光纤传感器可以组成分布式传感网络，用解调仪对传感器进行同步实时监测、分析。不同种类的光纤光栅传感器〔如应变、温度、位移、加速度等〕可连接到同一台解调仪上进行实时的综合监测与分析。因此采用SEN-TILT光纤光栅倾斜计〔图4.9〕对本桥主塔整体倾斜进行实时监测。传感器底座通过焊接或打孔安装，此系统具有自动温度补偿功能。光纤光栅倾斜计具有精度高、灵敏度高，自动温度补偿，实时动态监测等优点，并与其他类型的光纤光栅传感器组成全光监测网。图4.9倾斜计表4.3光纤光栅倾斜计技术参数表工程参数标准量程±5º测量精度±0.05º分辨率0.005º〔在与SEN-01解调仪配套情况下〕波长范围1525nm～1565nm尺寸113×32×50mm连接方式FC/PC或熔接温度补偿形式自补偿使用温度-30℃～85℃测点布置重庆李家沱长江大桥上共需安装8套SEN-TILT光纤光栅倾斜计，4个塔柱顶各安装2套，分别对主塔横桥向和纵桥向进行侧移监测。布置情况见图4.10。塔顶塔顶图4.10主塔侧移监测倾斜计传感器布置图安装方法1〕确定安装外表的安装位置和方向，根据传感器的尺寸大小在安装外表用铅笔确定传感器底座的安装点；2〕用冲击钻在安装外表垂直打出这两个安装点，孔位的直径应略大于传感器底座支杆的直径，施工时应注意预应力钢筋的位置，严禁切断此类钢筋，且打孔后应以不低于原结构混凝土标号的砂浆进行封堵，所有传感器的定位应有明显的永久性标记，以便后期更换时可找到以前的位置；3〕将两个传感器底座放入安装孔，确定底座与安装面为垂直关系后，将校直棒装上底座并拧紧螺丝，注意拧螺丝的时候两边对称，确保底座对校直棒只产生平行于安装面的力，否那么用冲击钻重新打安装孔；4〕用砂纸打磨安装外表，保证外表的光滑平整；5〕用酒精〔丙酮〕棉清洁安装面打磨外表的粉尘，更换酒精〔丙酮〕棉单方向擦拭安装面和安装底座外表去污；6〕在安装面和安装底座外表涂上适量的环氧胶，在安装孔内可适量多涂胶；7〕将两个安装底座放入安装孔，并用力挤压，使底座下外表完全接触安装外表，然后装上校直棒，拧紧螺丝，注意拧螺丝的时候两边对称，等待环氧胶完全固化，允许的话可在上面加上重物使底座下外表更好地接触安装外表，但是必须保证底座只受垂直与安装外表的压力；8〕胶完全固化后将校直棒取出，小心将传感器放上底座，先拧紧一个底座的螺丝，然后再逐渐拧紧另一个底座的螺丝〔两个螺丝一边拧一下，注意保持受力对称〕，之后观察解调仪上传感器的波长变化，当加给传感器少许拉力或压力，撤消时，传感器波长应能够及时回到中心波长，否那么应拧松螺丝重新安装；9〕观察解调仪上传感器的中心波长值，并和传感器测试单上的原点值作对照，如果二者不相符，调节传感器上的螺母使传感器的中心波长对应上测试单上的原点值〔传感器外侧螺母向内旋增大波长值，内侧螺母向外旋减小波长值，并注意内侧螺母不得向内旋导致顶住中间的保护管——螺母调节波长是通过螺母的移动产生对螺母间的钢管产生的挤压力来到达拉长或者压缩光栅从而到达调节波长的目的，所以外侧螺母过度向外旋以及内侧螺母过度向内旋都没有实际意义〕；10〕传感器的保护；11〕光纤和尾纤的保护。其他光纤光栅传感器，如应变、温度、位移、加速度等在混凝土外表的安装方式均与光纤光栅倾斜计相同，可按相同方法安装。4.2主梁、索塔控制截面应力监测4.2.1主梁应力监测监测主梁应力的目的在于通过对主梁结构的控制部位和重点部位内力的监测，研究主梁结构的内力分布、局部结构及连结处在各种载荷下的响应，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。本桥应力监测截面包括两边跨和主跨的跨中截面、主跨1/4截面和墩顶附近的主梁截面共7个截面，实际安装时，可在该7个截面附近，结合以往应变检测测点布置情况以及现场实际情况等因素适当位调整位置。每个截面上布置6个正应力监测点〔5个纵向布置，断面中心1个横向布置〕。同时，在主墩附近的横隔板梗肋处增设纵向应变传感器8个，主跨跨中附近的横隔板跨中上下缘分别增设横向应变传感器2个，全桥共计52个应力应变传感器，测点布置情况如图4.11~4.12所示。图4.11主梁应力监测应变传感器纵向布置图图4.12主梁截面应力测点布置图4.2.2索塔应力监测斜拉桥的索塔是承受荷载的主要构件,确保索塔结构的正常,是桥梁平安使用的关键。车辆荷载作用、风力、温差等因素会造成索力的变化，同时不停变化的索力对索锚固区的混凝土产生一种疲劳作用,导致索塔锚固区的混凝土过早出现裂纹,为防止裂纹出现，掌握主塔受力情况，应对主塔关键截面进行应力监测。结合李家沱长江大桥实际情况，在主塔关键应力截面即主梁附近的塔体截面〔距下横梁轴心6米处〕，每截面布置4个SEN-S1外表安装式光纤光栅应变传感器小计16个，塔身拉索锚固区顶部截面布置SEN-S1外表安装式光纤光栅应变传感器进行实时监测，每截面布置2个应变传感器小计8个，主梁附近塔体截面竖向布置测量主塔应力，拉索锚固区顶部截面纵向布置，全桥塔柱传感器共计24个。其测点布置情况如图4.13所示。图4.13主塔应力监测应变传感器布置图4.2.3系统主要配置应变传感器——SEN-S1外表安装式光纤光栅应变传感器〔图4.14〕。SEN-S1外表安装式光纤光栅应变传感器主要用于测试主梁及主塔的应变，可以进行长期监测。安装方法与光纤光栅倾斜计相同，可先将底座固定在混凝土外表，然后通过螺母将传感器方便地固定在底座上，也可以采用焊接的方式实现对主梁外表的非胶封装工艺，与同类产品相比，具有精度高，灵敏度高，寿命长等优点，可与其他类型的光纤光栅传感器组成全光监测网。图4.14SEN-S1外表安装式光纤光栅应变传感器表4.4光纤光栅应变传感器技术参数表工程参数标准量程±1500με测量精度1‰F.S.分辨率0.1με〔在与SEN-01解调仪配套情况下〕波长范围1525nm～1565nm尺寸Ф12×188mm连接方式FC/PC或熔接安装方式打孔安装或焊接使用温度-30℃～120℃4.3温度监测通过对桥梁温度场分布状况的监测,可为桥梁设计中温度影响的计算分析提供原始依据，对不同温度状态下桥梁的工作状态变化,如桥梁变形、应力变化等进行比拟和定量分析。本健康监测系统中采用光纤光栅温度传感器,构成单线多点温度测量系统进行桥梁结构温度分布状况的监测。各温度传感器以并联方式与网络节点连接,通过网络总线实现与计算机进行通信,实现对温度的自动远程监测。4.3.1主梁温度监测主梁截面温度分布测量的目的是为了梁体的温度场情况，并对温度应变传感器得到的应变数据进行温度修正，由于同一高度处大气温度变化不大，应选择边、中跨跨中三个断面布置，考虑主梁顶板测点温度根本相同，故只在腹板底侧上、下游布置温度测点，每个截面布置2个，全桥主梁共布置6个温度测点。测量元件采用SEN-T1外表式光纤光栅温度传感器。其测点布置情况如图4.15~4.16。图4.15主梁温度传感器纵向布置图图4.16主梁截面温度测点布置图4.3.2索塔温度监测索塔温度分布测量主要是指测量索塔在日照条件下，各塔壁的温度差异，以便对索塔由塔壁温度差引起的索塔偏移有一个正确的估计，并了解塔体的温度场情况，对应变传感器得到的应变数据进行温度修正，选择截面与主塔的应变传感器布置截面相同。测量元件采用SEN-T1外表式光纤光栅温度传感器，每截面布置1个测点，共8个温度传感器，测点布置情况如图4.17。图4.17主塔截面温度测点布置图4.3.3系统主要配置1．温度传感器——SEN-T1外表式光纤光栅温度传感器〔如图4.18所示〕：SEN-T1外表式光纤光栅温度传感器具有测温精度高、响应快、防护能力强等优点，可与其他类型的光纤光栅传感器组成全光监测网，安装方式与光纤光栅倾斜计相同。图4.18SEN-T1外表式光纤光栅温度传感器表4.5光纤光栅温度传感器技术参数表工程参数标准量程-30℃～180℃测量精度±0.5℃分辨率0.01℃〔在与SEN-01解调仪配套情况下〕波长范围1525nm～1565nm尺寸Φ8×88mm连接方式FC/PC或熔接安装方式外表安装或直埋使用温度-30℃～180℃4.4大桥结构动力特性监测桥梁动态性能的改变反映了桥梁刚度性能的改变，因而获取桥梁的动力特性即获取了结构的“指纹”。通过对主梁和索塔振动的监测，不仅可以识别大桥结构的动态特性参数，还可以实现对主梁结构承受波动载荷历程的记录。振动特性的监测可采用加速度传感器来实现，但在选择传感器时要充分考虑传感器的技术性能〔频率范围、灵敏度、采样特性等〕。经过比拟，现选用SEN-AL光纤光栅加速度计〔如图4.19所示〕。该类型加速度计具有精度高、灵敏度高、抗干扰、寿命长等优点，可与其他类型的光纤光栅传感器组成全光监测网，安装方式与光纤光栅倾斜计相同，主要用于大桥、大坝、大型结构等低频振动监测。图4.19SEN-AL光纤光栅加速度计SEN-AL光纤光栅加速度计主要技术指标：表4.6光纤光栅加速度计技术参数表工程参数标准量程±1g测量精度1‰F.S.分辨率0.1‰F.S.〔在与SEN-01解调仪配套情况下〕波长范围1525nm～1565nm尺寸65×56×113mm连接形式FC/PC或熔接温度补偿形式自补偿使用温度-30℃～85℃本桥在主梁跨中、1/4跨中、边跨跨中以及塔柱附近的主梁截面进行监测，共布置了4个监测截面，其中塔柱附近的主梁截面纵向布置，中跨跨中纵、横、竖向布置，其余截面横、竖向布置加速度传感器。竖向加速度传感器布置在截面上下游主梁上，横向和纵向布置在主梁截面顶板跨中，主梁共计11个加速度测点；2个塔柱顶端各布置2个测点，其中纵、横向各1个，主塔共计4个加速度测点。全桥共布置加速度传感器15个。其测点布置如图4.20~4.22所示。图4.20主塔、主梁加速度计布置断面及测点图图4.21主梁纵、横、竖向加速度计安装位置图图4.22主塔纵横向加速度安装位置图4.5斜拉索索力监测4.5.1仪器选型拉索是斜拉桥的重要组成局部，根据索力长期健康监测的需要，需要对关键索布设索力传感器进行实时监测，以便实时掌握拉索索力和大桥运营状况。本工程采用振动频率法间接测量斜拉索索力，经过比拟，选用长沙金码JMZR-2901型数字化传感器〔图4.23〕，并带有斜拉索温度测量功能。图4.23JMZR-2901型数字化传感器表4.7JMZR-2901型数字化传感器技术参数表工程名称技术参数频率量围036Hz频率量度05%00Hz温度量围55℃25℃温度量度02℃通讯口485数据输离1200米电源36V交电4.5.2测点布置根据李家沱大桥特点和当前桥梁状况测点选择在上下游边、中跨的最外侧各两根边索以及1/2索面〔边跨10号索、中跨12号索〕上，共计24个测点。〔如图4.24所示〕。图4.24索力测试布置图4.5.3安装方法传感器布置在靠近主塔一端的拉锁上，用专用夹具紧固，由主塔内壁引出，沿已敷设管线进入相应机柜。布线要求标准美观如图4.25。图4.25索力计安装后图示4.6裂缝监测4.6.1测区布置在两主索塔上分别安装两套神经脉络仿生裂缝监测系统。一号主索塔的神经脉络仿生裂缝监测系统，主要在一号索塔上塔中塔结合局部的上游侧分三块区域〔A、B、C区域〕安装裂缝传感网〔共11张〕，中塔下塔结合局部的下游侧分三块区域〔D、E、F区域〕安装裂缝传感网〔共18张〕，这些传感器分别对一号索塔的对应局部进行裂缝监测。二号索塔的神经脉络仿生裂缝监测系统，主要在二号索塔上塔中塔结合局部的下游侧分三块区域〔G、H、I区域〕安装裂缝传感网〔共11张〕，中塔下塔结合局部的上游侧分三块区域〔J、K、L区域〕安装裂缝传感网〔共18张〕，这些传感器分别对二号索塔的对应局部进行裂缝监测。主梁的神经脉络仿生裂缝检测系统，主要在两边边跨1/4处，主跨跨中和主跨1/4处安装裂缝传感网，九龙坡方向的边跨1/4处(M区域)安装3张裂缝传感网，主跨两处的1/4处〔N、P区域〕安装各8张裂缝传感网，主跨跨中〔O区域〕安装10张裂缝传感网，李家沱方向的边跨1/4处〔Q区域〕安装3张裂缝传感网。实际安装时，对已有碳纤维布加固区域,原那么上那么不安装裂缝监测机敏网，但是对于桥梁关键部位,为监测关键部位裂缝的发生和开展，在尽量不破坏整体结构的前提下,先去掉局部碳纤维布再粘贴机敏网的粘贴。其示意如图4.26-4.27：图4.26李家沱长江大桥裂缝监测总体布置图图4.27〔a〕李家沱长江大桥裂缝监测主塔断面布置图表4-8主塔裂缝传感器布置数量、规格表编号ABCDEFGHIJKL规格〔cm〕400*30400*30400*30300*80300*80300*80400*30400*30400*30300*80300*80300*80数量344666344666面积〔㎡〕14.414.44.814.414.414.4总面积〔㎡〕112.8图4.27(b)李家沱长江大桥裂缝监测主梁断面布置图表4-9主梁裂缝传感器布置数量、规格表编号MNOPQ规格〔cm〕300*80300*80300*30300*80300*80数量381083面积〔㎡〕14.414.4总面积〔㎡〕专用硬件设计设计原那么：考虑到结构裂缝形态以竖向裂缝为主，塔柱外部宽度640cm，内部仅有不大于300cm的位置可用于粘贴机敏网，并且由于传感布过长不利于粘贴，此外由于已经经过碳纤维加固，大局部外表被碳纤维布包覆。仅有多个30mm宽横向观测缝被留出来观测裂缝开展情况，为此需设计专门的竖向裂缝监测机敏网拓扑，主要适用于竖向裂缝的发生与开展的监测。所以塔内部的传感布规格设计为〔长〕400cm×〔宽〕30cm、塔外部的传感布规格设计为〔长〕300cm×〔宽〕80cm。考虑到李家沱大桥处于长江上，且裂缝发生位置主要处于上下游侧内外塔柱，以中塔柱裂缝最多。这些位置易受外部阳光产生的紫外线、风吹雨打、桥下河流产生的湿气及各种直接雷击和间接雷击影响。需针对各种可能发生的问题设计相应防护措施。对各个元器件均需根据原那么设计，主要包含仿生机敏网，中间处理器，电源，防雷器，下位机主控制台〔工控,UPS,防尘机柜,总线转换器等〕，上位机(效劳器)等设计。仿生机敏网及中间处理器a、机敏网针对性的设计机敏网拓扑结构及中间处理器相应软硬件，机敏网采用了三种规格的材料，分别为〔长〕400cm×〔宽〕30cm、〔长〕300cm×〔宽〕80cm、〔长〕300cm×〔宽〕30cm。用以监测不同宽度的裂缝。组成机敏网的机敏线漆包铜线构成，密度8.89g/，20℃直流电阻率为0.02740。图4.28机敏网实物图b、中间处理器1)根本描述：与仿生机敏网一起对裂缝信息进行初步采样、存储和传送的嵌入式现场处理器件。图4.29中间处理器实物图2)功能：向机敏网发送特殊的检测信号，通过转换、选通电路依次选取待测机敏网上的机敏线，对机敏线的通断情况进行判断和处理，然后将采集得到的信号经过预处理和短暂存储后，在主机轮询选择条件下通过RS485总线将数据远程传送到主机。3)组成结构：中间处理器主要由五大局部组成：微处理器，多路选择器，总线驱动器，485总线驱动器、防雷击器件和开关电源模块。微处理器：中间处理器的核心，控制机敏网上每条特定机敏线的选通，以及向机敏网发送特殊的检测信号，从而对机敏网的状态作出分析和处理，得到结构物是否出现裂缝；控制RS485总线驱动器，接收并执行上位机传来的控制命令，根据控制命令在一定条件下，将采集到的机敏网状态信息发送给上位机。多路选择器：将机敏网上每条机敏线传回的检测信号分割开，分别送往微处理器进行处理。总线驱动器：增加微处理器的驱动能力，使其能够驱动较多的机敏线。485总线驱动器：从上位机接收控制命令并根据命令将处理后的信息通过RS485总线送往工控机。防雷击器件：通过高性能防雷击器件，防止雷雨天气产生的瞬间电涌对中间处理器造成严重破坏，提高通信的可靠性。开关电源模块：为中间处理器上的所有元器件提供稳定电源。图4.30中间处理器系统组成框图4)生产工艺：为了保障在各种恶劣工作条件下的应用，兼顾产品小型化等要求，中间处理器采用性能稳定优异的工业级芯片和军品级芯片构成，其中95%以上的元器件为外表粘贴元件，从而最大限度内减小了中间处理器的体积。向专业厂家订制自主设计的专用双层电路板。生产时首先使用专用设备将适量锡膏均匀覆盖于相应的焊盘上，将贴片元件固定于电路板的相应位置上，再通过回流焊机使芯片完好地焊接在电路板上。最后用电烙铁将直插元件焊接在电路板上。焊接完成后的中间处理器，使用专业仪器进行综合测试，测试通过后对其进行防水保护。索塔上元件的防护措施雷击防护措施：中间处理器外部安装金属接地外壳和防雷器紫外线防护措施：中间处理器涂敷环氧树脂，安装金属外壳酸雨防护措施：中间处理器涂敷塑封，安装金属外壳，机敏网外涂敷环氧树脂温度防护措施：中间处理器涂敷环氧树脂，安装金属外壳其它防护措施：安装PVC套盒保护线路下位机主控制台通过光纤实现远程Internet网络通信，所有设备安装于防尘机柜内部，工控机总体管理现场系统，UPS提供持续稳定供电，总线转换器将裂缝监测RS485信号总线转换成RS232总线信号送入工控机。下位机主控制台安装于塔柱下横梁附近的外场机柜，总体实现现场预处理、存储、管理、通信。供电系统供电采用现场电力连接，为防止雷电产生的瞬间电涌对系统造成破坏，在总电源和支路电源前均加有防雷器。上位机上位机位于李家沱长江大桥桥头管理处，根据需要配置性能稳定远程监测效劳器及固定IP网络，下位机采用光纤将数据传输到上位机。裂缝监测子系统的上位机归属重庆市城投路桥管理公司管理。4.6.3专用软件设计软件系统原理:仿生机敏网裂缝监测器负责24小时监测仿生机敏网的通断状态，一旦裂缝产生，监测器会及时的将裂缝信息传输到位于桥头管理处的上位机中。上位机经过处理判断，确认该信息后，通过光纤传输数据及时将信息传输回远程监测效劳器中。监测效劳器接收到数据后，自动对其进一步进行分析、处理，一旦确认裂缝的产生后自动发出警报信号。4.裂缝仿真系统对采集到的数据进行形象化显示，专家组利用仿真系统对数据进行计算分析、病害会诊，做出相应的措施：如果结论是结构问题不大，监测人员继续进行监控；如果结论是结构问题严重，将派相关专家及人员到现场进行进一步的评估及建议采取相应的措施。软件系统组成：桥梁裂缝监测系统主要由现场采集、分析系统，Internet网络传输系统和远程监控、仿真系统三大系统组成现场采集系统主要由假设干个机敏网裂缝控制器、网络通讯系统、工控机系统、数据库系统、Internet数据发送系统组成，主要负责及时收集裂缝产生信号，分析、处理数据以消除干扰数据和错误数据，数据的长期存储，数据的Internet发送及远程命令的接收。机敏网裂缝控制器：主要负责收集机敏网状态信息，过滤干扰信号，信息传输。流程〔图4.32〕是：向上位机注册该控制器；收集机敏网状态信息分析信息，过滤其中的干扰信号将状态信息发送到上位机。图4.31软件系统构成图4.32软件系统流程网络通讯系统：网络采用总线型网络，可以方便的替换、追加机敏网裂缝控制器，通讯协议采用竞争式介质访问控制协议。工控机系统：主要负责控制机敏网裂缝控制器，收集汇总所有控制器采集的裂缝数据，裂缝信息存放在数据库中。Internet数据发送系统：从数据库中提取未被发送的数据，利用Internet系统连接到远程效劳器，将数据打包发送到远程效劳器，得到效劳器确认后将数据的状态改为已发送。术语说明:远程监控系统由数据接收及控制系统、裂缝监视与再现系统组成，主要功能有对数据的正确、完整接收，数据的长期存储，裂缝出现时的自动报警，裂缝的模拟再现等。数据接收及控制系统：负责接收从采集系统传输回来的数据，验证接收到的数据是否正确，存储数据，对采集系统发出指令进行控制。裂缝监视与再现系统：监视裂缝信息，当出现裂缝时及时报警，并提供详细的数据和使用仿真系统模拟显示出现的裂缝来供专家组参考、分析。4.6.4监测制度设计系统安装完毕后将实施准实时监测，根据需要现场监测系统定时将数据传送至远程监测中心。远程检测中心自动分析数据。没有裂缝出现时，安排专人每天查看数据正常情况，定期向业主做出监测报告。远程监测中心一旦监测到裂缝出现，监测小组将分析裂缝出现情况，派专人到现场〔即塔柱内外部〕核实是否与监测数据一致，排除各种误差信息。如果确认裂缝出现，向业主做出监测报告。如果不需要进一步处理，将加强监测密度，密切关注裂缝发生开展情况。有进一步处理必要，向业主提出进一步处置建议。图4.33索塔结构裂缝监测现场核实及预警制度4.7交通流量检测系统4.7.1系统概述为了加快桥梁交通管理系统的信息化、智能化进程，在现有的规模上提高桥梁路网的通行能力，保证车辆的平安行驶，提高管理桥梁交通系统的效率和执行力，车流量检测系统显得极为重要。智能交通系统〔ITS〕〔IntelligentTransportSystems〕是世界兴旺国家于上世纪60年代开始提出的概念，旨在解决日益严重的交通问题。90年代以后，ITS以惊人的速度开展，今天已得到相当广泛的应用。该系统是交通、计算机、信息、通信和系统科学与工程的有效结合，能够产生极大的交通管理效益，最大限度的发挥路网功能，标准行车秩序，减少交通违法现象，缓解交通拥堵状况。车流量检测系统采用模块化设计，并采用先进的在线学习技术，对各模块进行动态分配和调整，使系统能够自适应学习各种应用环境变化，从而大幅度提高系统的鲁棒性和应用性。该系统采用基于IP的网络接口或其它数据接口方式，易于与其它设备接口。系统控制中心管理计算机与各监控点计算机的连接采用星形拓扑结构，每个监控点均可以通过网络互联与控制中心直接连接以传输交通事件通行数据信息和监控图像数据。网络互联采用光纤或DDN∕ISDN∕PSDN∕LAN∕ATM∕Internet/无线方式等通信方式。4.7.2设计原那么和目标在系统设计中，力求满足以下要求，以最优的性能价格比保护投资，我们将遵循以下设计原那么：1、合理性：严格以系统工程学及其它先进理论指导设计，使系统的各局部合理配置，尽可能地发挥硬件设备的潜力和软件功能，最大限度地提高系统性能价格比。2、先进性：在系统设计和设备选型方面，在考虑系统的实用性前提下，采用国际上先进的多目标识别与跟踪技术等视频图像算法与数字通讯技术，确保系统在国内的领先地位，使系统具有完备的功能，并且易于升级换代，在保证其先进性的前提下具有较长的生命周期。3、实用性：系统功能充分满足用户的实际需求，人机界面友好，易于使用、管理、维护和扩展。4、可行性：系统设计、选材、选型符合国家和地方政府的法规政策，与用户及上级管理部门的管理制度相适应，用户在经济能力方面的实际情况相吻合。5、可靠性：系统采用高集成设备，采用自动监测、自动监控和容错等技术来保证可靠性。设计、设备选型、施工及调试等环节都将严格贯彻质量条例，完全满足系统的招标要求，符合国家及行业的有关标准，确保系统能够长期稳定、可靠平安地运行。6、平安性：系统具有防病毒，防误操作特性，有较强的抗干扰、抗静电能力，同时提供数据备份、恢复功能。系统还将提供用户等级权限保护，有效排除人为因素的干扰。7、标准性：系统设计时，所采用的技术手段遵循业界标准，特别是提供了标准接口，使系统具有较高的灵活性，与其它系统方便互联，同时可适应今后的升级或引进新技术。系统具有良好的互联、互控及升级能力，遵循最新的国际标准、国家标准和行业标准，遵循开放的原那么。并提供相关系统设备的技术标准、接口。系统网络结构易于扩充，以适应今后的较大任务负载。硬件平台可升级，当需要时可以通过新的设备同原有设备一起工作以提高系统的处理能力，从而保护原有投资。8、可扩展性：系统功能充分满足实际需求，人机界面友好，易于使用、管理、维护、扩展。例如可扩展为压黄线抓拍设备。4.7.3系统结构系统由前端路口控制局部、网络传输局部和中心管理局部构成。系统拓扑图图4-34系统拓扑图前端路口控制局部该局部主要有车流量检测摄像机，根据实际需求，在监测区域安装车流量检测摄像机，并都通过光纤将现场视频传输到中心进行统一处理。网络传输局部该局部主要将前端局部的全景视频信号通过光纤传输到交警数据中心，同时通过网络实现web式中心系统管理。车流量检测局部车流量检测局部可以在前端处理，也可以通过光纤将信号接至中心进行处理，可以根据实际情况进行选择。车流量检测局部对视频信号进行检测、识别、分析。综合得出车辆行为信息和流量信息，保存并上传至中心管理系统。中心管理局部中心系统完成对路口的设备、数据通讯管理和数据处理工作。主要包括：数据查询、处理、发布模块；车流量统计分析模块；设备管理监控模块；监测报警模块；用户管理监控模块。整个系统的模块结构如以下图4-35如示。图4-35系统模块结构图数据查询、处理、发布模块主要用于各类数据的综合查询和统计工作，包括车流量、类型等数据查询、统计、分析等。车流量统计分析模块主要完成对各道路车流量〔包括车辆的轴重、总重、超重〕、平均车辆速度、占有率等相关信息的计算、统计和处理，并可以根据以上数据对各道路实际情况进行科学预测和综合分析。设备管理监控模块主要完成对相关各硬件设备运行情况的监控，保证系统正常平安的运行监测报警模块的主要功能是根据车流量检测结果进行判定，假设发现异常情况，那么立即发出警报，以提醒相关人员及时进行处理。用户管理监控模块功能主要是对使用本系统的人员进行管理，其重点是对各类人员的操作权限进行严格控制，以保证系统的正常、高效运行。4.7.4系统结构工作原理车流量检测原理系统由拍摄及图像采集单元、数据传输单元、检测单元以及中心管理单元组成。如图4-36所示。图像数字化模块：前端采集的视频图像通过图像数字化模块转换成数字信号进入车流量检测系统。自学习背景划分区域、分析模块：对划定的区域背景进行分析，提取相应的特征。检测运动物体〔车辆〕模块：车流量检测系统的核心模块之一，在监测区域内依据车辆特征检测车辆，可以检测多个车辆，并可以区分大小车辆〔即重车与普通车的区别〕。校准模块：这和以下的跟踪模块、判别模块以及上面的车辆检测模块是在循环中互相影响，互相修正的，通过综合前面的综合信息，判断车辆检测的正确与否，正是通过屡次的校正、修改，保证了我们整个系统的正确率、有效率。多目标跟踪模块：车流量检测系统的核心模块之一，根据背景特征、车辆特征、以及前后几帧直接的信息连接，到达对多个目标的跟踪和分析，为判断车辆行为提供根底和依据。行为判断模块：根据多目标跟踪模块跟踪区域内车辆行为的结果，综合判定车辆行为。车流量处理模块：对行为判断模块所输出的结果信息按照事件类别进行保存、上传和报警。图4-36系统原理结构图车流量检测系统主要功能针对城市交通、交通路口、高速公路、隧道和桥梁等车辆状况而设计，可以同时处理多车道，单方向或多方向交叉路口。主要功能：车流量：通过车辆检测和多目标跟踪技术，可以统计单位时间内通过相应车道的车辆数目，并查询浏览当日的超限超载车辆数据记录,并显示每辆车对应的轴明细，可进行车号输入保存与打印指定车辆的轴明细，即车流量；超限车辆汇总：统计指定时间段的超限运输车辆情况登记报表。

平均车速：通过对视频进行标定，可以视频测算出一段时间内车道中车辆的平均速度；车道占有率：通过换算公式，可以得到单位时间内车道上车辆占有时间的比例；排队长度：通过车辆检测，可以估算出各方向车辆长度〔数目〕；车间距：通过标定，可以估算出一段时间内车辆之间的平均间隔距离；行车时间：一定时间内各方向车辆的平均行驶时间；平均等待时间：一定时间内各方向车辆的平均等待时间；拥堵预测：通过计算机智能算法科学预测各方向车辆行驶状况。中心管理单元该单元由计算机硬件及专业的中心管理软件组成，硬件主要有数据效劳器、计算机工作站、网络设备、电源设备等。车流量检测系统中心系统处理功能：实时检测数据：中心系统实时接收前端上传的车流量检测数据，为数据处理和统计计算做好准备，并实时检测当天是否有检测数据传到中心，以监测检测设备和通信是否工作正常。对于错误信息，可以及时进行修改调整。交通事件报警：对拥堵等事件按照事件类别进行分级报警。车流量统计分析：为了从更高的角度挖掘数字化处理的优势，系统提供了多种手段，对交通事件的发生地点、时间、车辆等角度进行各方面的统计和比拟分析；图示化的结果显示，更有助于管理人员对交通事件的进一步分类和调查，从而制定出更好的交通管理方案。系统平安性处理：参与本系统操作的人员较多，包括：数据录入人员、交通事件处理人员、交管部门的高层管理人员、计算机系统维护人员等。为了保证系统的平安性，在设计上为以上所有操作人员进行分级，规定了各自的操作“身份”，每个“身份”都只能有相应的权限，不允许任何越级操作。工作人员业务统计：系统能够对数据录入员、交通事件处理人员的工作量进行统计，从而为强化对业务操作员的管理提供了数字依据。自动日志记录：记录系统设备运行情况和操作员登陆情况，同时记录交通事件报警日志。系统主要功能特点视频检测功能：系统软件具有先进的视频检测技术，可以对大范围区域进行检测，取代了现在的人工检测的繁琐劳动；测速及车流量统计功能：检测控制主机采用先进的计算机智能算法，检测速度极快，在完成车流量检测的同时，还具备车流量检测及速度检测的功能；车辆跟踪功能：可以多目标跟踪多个车辆并记录其轨迹；识别大小车功能：系统可以智能判断车辆类型，可以区分大车小车；断点续传功能：在发生网络等故障时，系统能将数据、图片等保存在路口前端，待故障排除后系统自动将数据、图片等上传到交警数据中心；中心管理软件功能强大：对图像质量、保存图像的大小、保存录像的长短、保存天数、传输设置等参数的设置。4.7.5技术指标及要求技术指标：1、车流量检测系统可以自动学习适应新的背景画面，2—3分钟后立即自动进行车流量检测。如果摄像机角度发生变化，系统可以自动学习，适应新的背景画面。2—3分钟后立即自动进行车流量的检测。2、输入视频信号切换后，系统可以自动学习、适应新的背景。2—3分钟后立即自动进行车流量的检测。3、视频检测系统的自诊断警报系统在分析仪上运行自诊断程序，在处理器上自动检测以下错误。1)摄像机位置发生移动2)摄像机信号丧失3)摄像机视频信号质量的降低包括模糊、偏色、雪花、滚屏、冻结、过亮、过暗等4)视频处理器出现的故障5)网络通讯故障系统4、平均检测报警时间：＜10秒〔从发生事件到检测出报警事件〕5、初始化时间：＜1分钟6、车流量检测正确率：白天：＞95%，夜晚：〉85%7、拍摄光照条件：白天自然光线，包括晴朗天气、多云天气、雨雪天气、阴天，大面积阴影下；夜间有人工照明装置。技术要求：1、能准确测算出通过大桥的车辆数量。2、能准确的检测出超重车〔超载、超宽、超高〕与普通车的区别。3、能准确的检测出超载车〔吨位按现行标准超过55T〕的过桥数量。4.7.6全天候远程数字化航道监控系统为了防范意外撞桥事件，对桥区航道、航标、船舶等进行全方位监控，从而保障航道畅通和大桥平安。李家沱长江大桥监测系统预安装YCA系列多传感器三视窗远程昼夜视频监控一体化监控设备，实现24小时监控，完成大桥平安与航道数字化的管理，从而可以实现突发事故预警、事后录相取证等相关工作。该系统由YCA透雾摄像机、长焦距日夜型电动变焦镜头、FLIR红外热像仪、一体化双视窗防护罩和数字微波传输系统等组成，具备剪切、拷贝、编辑、保存等功能。摄像头能全幅监控几千米宽的江面，上下最远距离达1公里，技术人员通过现场画面传输，在计算机上就可以直观地看到大桥桥区航道内的船舶航行情况。产品特点：1.可见光摄像机CCD+红外热成像，可到达完美的监控效果。2.白天：可见光摄像机锁定、细看目标；薄雾：可见光透雾成黑白图像；夜晚：因为红外热成像与需要微光产生图像的其它夜视系统不同,它根本不需要可见光，能在全黑、薄雾或烟雾情况下能提供轮廓鲜明和清晰的热图像真正意义上到达昼夜、全天候监控。具有透雾功能。3.一体化安装结构,与传统的多个照明设备组装方式相比,具有更高的稳定性和抗风能力；4.具有严格的“防水、防震、防腐蚀”三防品质。全天候监控,昼夜均可得到清晰监控图像。图4-38热图像效果图4.8全桥传感器测点布设情况汇总全桥传感器按就近原那么顺接或焊熔到布置在主桥面两侧的主干光缆上，通过人行道下管线预埋管道连接至李家沱大桥桥头管理中心处。全桥传感器布设情况汇总如表4.8所示：表4.8全桥传感器布设情况表序号类型型号数量布设情况1应变传感器SEN-S1764个塔柱各6套、主梁7个截面各6套、横隔板10套2温度传感器SEN-T1144个塔柱各2套、主梁3个截面各2套、3加速度计SEN-AL152个塔柱顶各2套，主梁4个截面共11套4索力计JMM-268-C244个索面8幅每幅各3套5倾斜计SEN-TILT84个塔柱顶各2套6拉线式位移传感器SEN-D242个梁端各2套7静力水准仪SEN-HOR28主梁13个截面各2套，2个不动点各1套8裂缝传感网90塔柱58张，主梁32张9车流量检测系统2套布置在桥两端六车道上10YCA透雾摄像监控系统YCA2套布置在两个桥塔上全桥传感器布置图如图4.37所示：图4.37全桥传感器布置图4.9全桥传感器清单序号工程称规号生家原地单位数量1传感器子系统1.1砼结构应变计光纤光栅外表安装应变传感SEN-S1森首光电上海个761.2砼结构温度光纤光栅外表安装温度传感器SEN-T1森首光电上海个141.3加速度传感器光纤光栅加速度传感器森首光电上海个151.4索力计JMM-268-C长沙金码长沙个241.5倾斜计光纤光栅倾斜计SEN-TILT森首光电上海个81.6拉线式位移传感器光纤光栅拉线式位移SEN-D2森首光电上海个41.7静力水准仪光纤光栅水准仪SEN-HOR森首光电上海个28点1.8裂缝传感网重庆张901.9车流量检测系统北京套21.10YCA透雾摄像监控系统YCA深圳套2五、数据采集、传输、处理和控制子系统5.1数据采集子系统李家沱长江大桥结构健康监测系统数据采集子系统由光纤光栅传感网络分析仪、拉索索力自动化测试系统和综合信息网络组成，其总体技术要求如下：5.1.1采集模式一传感器传感器外场工作站机柜调理/采集模块采集计算机综合监测网监控中心数据接收处理效劳器在此种模式下，采集计算机需使用PI体系的设备，且必须使用实时操作系统平台，即RealieOeatinSstem，以保证据运算的准确性和数据传输的实时性。的电信号输出和数字信号输出的传感器才需就近接入采集计算机。该采集模式使用基于PXI的同步时钟的同步方式。在本系统中，调理/采集模块设备主要指NI的8433等板卡。索力测试系统接入PXI的监测子系统描述如下。索力计24套索力计分两组分别接入ST1〔李家沱处主塔〕、ST2〔九龙坡处主塔〕的PXI系统的8433卡上，各占用8433上的一个485口，具体连接拓扑图如图5.2：图5.1索力计采集拓扑结构图所有索力计通过一根数据线缆并接到就近工作站的PXI8433板卡上，并通过一根供电线缆并接到就近工作站内的电源上，电源规格为220VAC转36VAC。称格位量索力计供电电缆定制米2400索力计数据电缆定制水工电缆米2400索力计供电电源220C转36C个PXI计机置根据以上描述可得知南北工作站通道使用数量以及剩余通道数如下表所示：号型通数用数余道S1串口48〕413S2串口48〕413由此可得李家沱长江大桥结构健康监测系统工作站的具体模块组成如下表所示：号称量〔个〕S1NIP1062Q8槽箱块配置1PI模块NIPXIe-8133实时控制器〔扩展温度)1NIP6672计数器定时块1NIP6682H模块1NIP84334隔串块1剩余位4S2NIP1062Q8槽箱块配置1PI模块NIP8133实控器(扩展温度)1NIP6672计数器定时块1NIP6682H模块1NIP84334隔串块1剩余位4PI汇总清单如下名称规格单位数量PXIe1062Q 8槽机箱PXIe1062Q〔779633-01〕8槽静音机箱台2PXIe8133嵌入式实时控制器PXIe8133〔781479-33〕嵌入式实时控制器带256G固态硬盘块24通道2000V隔离串口模块〔485〕PXI8433〔779539-01〕〔含配套线缆〕块2PXIe6672计数器定时模块PXIe6672〔780063-01〕个2PXI6682HGPS同步模块PXI6682H〔781059-01〕〔含配套线缆〕个工作站的布设李家沱长江大桥结构健康监测系统工作站布设的依据如下：(1)工作站根据传感器的空间分布情况而布置，主要考虑的因素是传感器的数量和传感器的布线长度，选择合理的位置以减少传感器电缆长度；(2)综合考虑工作站到节点交换机的距离、供电要求以及综合布线的可操作性。(3)综合考虑未来其它情况新增传感器的需要，优化现阶段监测区段的工作站位置。全桥共布设2台工作站，编号说明见下表位号置李家沱大桥主桥S1南主塔下梁内S2北主塔下梁内5.1.2采集模式二总描述监控中心监控中心传感器调理/采集模块数据接收处理效劳器采用光纤光栅传感网络分析仪专用设备适用该采集模式的传感器：光纤监测传感器此种模式仅适用于光纤传感器。该采集模式是将经光纤光栅传感器变换、放大器放大后的信号直接以模拟量的方式记录下来或者经过模数转换以后以数字量的方式进行记录，将采集后数据通过主光缆传回监控中心。在本系统中，调理/采集设备主要由光纤光栅传感网络分析仪完成。该采集模式使用基于PCI的GPS同步时钟同步方式。其拓扑结构如下：系时步关于系统各种数据采集时间同步问题我们采用2套GPS授时卡接收绝对时间基准来校准光纤光栅传感网络分析仪内部时间。根本原理如下：1〕光纤光栅传感网络分析仪工作时采样频率为20H，每组采样间隔50ms，而提取计算机内部时间误差小于5ms，因此提取计机内部时间〔校准后〕已经足够同步；2计算机内部绝对时间使用GPS授时卡的PP〔PulsePerSend信号来校准，PPS信号是绝对时〔GT信〔采用NEA标准年月日时分秒与UTC时间相对误差10us；3〕光纤光栅传感网络分析仪每采样一组数据后，提取当前计算机内部时间〔已被GPS校准〕，打上时间戳后通过TCP/IP协议发送到数据接收效劳器。每组发送到效劳器是数据包格式为：时间〔DWORD〕、数据(float)、数据(float)数据(float)。4〕此种时间同步误差瓶颈在于提取计算机内部时间存在随机误差，但误差在5ms之内，完全满足设计要求。光采备单金属铠装单芯光缆金属铠装8芯光缆金属铠装32芯光缆5.1.3采集设清单序号工程名称规格型号生家原地单位数量2数据采集子系统2.1PI采集计算机2.1aPXIe1062Q8槽机箱PXIe1062(779633-01〕〔含两年质保〕NI美国台22.1bPXIe8133嵌入式实时控制器PXIe8133〔781479-33〕(781289-01)NI美国块22.1c4通道2000V隔离串口模块-485PXI8433〔779539-01〕〔含配套线缆〕NI美国块22.1dPXIe6672计数器定时模块PXIe6672〔780063-01〕〔含配套线缆〕NI美国个22.1ePXI6682HGPS同步模块PXI6682H〔781059-01〕〔含配套线缆〕NI美国个22.2索力2.2a索力计专用供电电缆长沙金码金码中国米24002.2b索力计数据电缆长沙金码水工电缆金码中国米24002.2c索力计供电电源220AC转36AC中国个22.3光纤传感器采集分析仪2.3a森首光电上海台22.3b时钟同步设备PS授时卡森首光电上海块22.3c截面内光纤传感器线缆金属铠装单芯光缆森首光电上海米2.3d纵向光纤传感器线缆金属铠装8芯光缆森首光电上海米2.3e纵向光纤传感器线缆金属铠装32芯光缆森首光电上海米2.3f光纤跳线定制森首光电上海根光纤续接盒定制森首光电上海个2.3h传感器保护盒定制森首光电上海个2.3h光纤熔接定制〔含光纤保护盒〕森首光电上海个2.3i水准仪连通管定制森首光电上海米24002.3j标准机柜定制中国个15.2数据传输子系统网计及说明本系统同时对主塔、主梁进行在线监测，由于多个光纤应变传感器具有不同的反射光中心波长，所以可以通过一根光纤串接成为光纤传感链，每个监测截面的应力、温度、加速度、挠度、位移传感器用一根光纤连成一串，占用光纤传感网络分析仪的一个或多个通道，通过光纤传感网络分析仪自动采集各断面的位移、应力、温度、加速度等信息；裂缝监测子系统中下位机收集到的数据也将通过光纤传输到上位机；同时靠索力自动化采集系统获取斜拉索索力信息。三种信息依靠光纤网络传输到监控中心，以供数据的分析和处理。其传输网络拓扑结果图如下所示：整个系统由2台接入交换机连接进入大桥综合监控网络的形式构成，环路带宽为1Gs，全网基于TC/IP协议集，运行动路由协议，确保传输网络的稳定、可靠；系统中的任一数据采集工作站通过附近的线缆接入交换机接入整个数据采集传输网中工作站与网络上其他任一效劳器或工作站都存在2条通路可以到达在网络上的任一处光纤断开的情况下，系统中的各工作站依然可以正常工作。5.2.2设备清单序号工程名称规格型号生产厂家原产地单位数量3数据传输子系统3.1网络交换机CICOCatalst3750W-C3750G-24T-SCICO美国台13.2光电转换仪NTLIN-1000NTLINK中国台23.3网络跳线2米RJ45跳线MP中国根105.3数据处理和控制子系统数处流与法数据的预处理：这一过程在数据管理和控制系统效劳器内完成，主要进行简单的统计计算，比方设定时段内的最大最小值、均值、方差、标准差等，计算结果作为初级预警的输入，并用以判定信号是否正常。(1)数据的二次处理：这一过程也在数据管理和控制系统效劳器内完成，主要包括数据的时域、频域、时频域分析及显示。(2)数据的后处理：这一过程在终端微机与数据管理效劳器完成。主要进行监测数据的高级分析。由于这一过程的分析数据来自实时现场采集数据和定期人工采集数据，因此往往离线进行。数据的后处理包括各种报表的自动生成功能。监测数据的管理大桥健康监测系统对于数据管理采用的方法是：构造多层次相互关联的关系型数据库，直接以数据库方式存储原理数据，以便根据各种查询条件检索原始数据，降低数据的存储资源耗用，提高数据存储与管理效率。系统根据用户设定自动进行原始数据的预处理，通过图形界面，用户可以观察到数据及其处理结果的过程，即可对原始数据进行动态分析，同时可将指定数据转换存储为用户指定的格式，为数据交换、共享提供接口和平台。为保证基于网络的系统平安性，数据管理还应具有访问控制功能。数据库访问采用客户端用户系统与效劳器用户系统的双重用户验证系统。数据库访问设有三个访问级别：最高权限用户、次高权限用户、最低权限用户。最高权限用户的最大特点就是可以设定和修改系统参数数据库的各种参数，包括：传感器的校准数据、传感器采样参数、定期采集制度、实时采集制度、数据存储参数、实时报警阀值、系统分析参数、根本结果参数。整个效劳器系统由数据接收处理效劳器、系统内的网络设备、工作站终端和数存备设备构成。器设型主系术数求：数接数处分、库器称共1台)CU165G更高64位CUL3速存6B处理个数4系统存4B或高存储本地硬盘146GB或更高配备光纤存储卡连接磁盘阵列连接支持兆太连接操作统移站1台)CPU：双核不低于1.6G；内存：不低于1GB；硬盘：不低于40GB；连接：10/00100太网操作；系统WndosPPfessinal显屏中心机房效劳器显示屏15液晶显示屏分辨率104*78以上；新率60Hz以上中心机房KVM设备8口KVM终端1台)CPU：双核2.8GHz以上内存：512M以上存连接：10/100以太网；操作系统：WindowsXPProfessional5.3.5效劳器系统设备清单序号工程名称规格型号生产厂家原产地单位数量4数据处理与控制子系统4.1数据接收、处理分析及数据库效劳器联想万全R350G7,IntelXeonE55042.00GHz处理器路；4GBDDR2内存；146GB*3硬盘；2千兆网卡；Lenovo中国台14.2磁盘阵列300GB/SAS/2.5"硬盘Lenovo中国台24.3光纤交换机LS-5024P-LI-AC24口光纤交换华为中国台14.4移开工作站ThinkpadR4002784A52CPU：IntelCoreDuo(Penryn)T6670(2.2G)/显示：14.1"/内存：1GB/硬盘：250G/5400rpm/连接：1GBEthernet/802.11b/WINXPProLenovo中国台14.工作站纵端PC机联想扬天电脑M7100NCPU：AMDPhenomX497502.4G/显示器：19"/内存:2G/硬盘：320G/100M网卡Lenovo中国台1六、辅助支持系统6.1外场机柜工件工作站机柜是为户外使用运行而设计的，与在实验室和工业环境条件下使用的系统不同工作站机柜完全工作在一个纯自然的环境下所以系统要具备在温度变化范围大湿度高的环境下工作的能力，建议重庆市城投路桥管理公司在桥塔下横梁内搭建现场机房，配备空调、除湿设备等，将工作机柜安装在内。6.1.2外外场工作站机柜内安装的主要设备如下表称备宽深m〕度工作柜1接入换机44453781UUS13032603UUS电池213032606U采集备PI17745404U同步钟机44453501U工作站机柜2接入换机44453781UUS13032603UUS电池213032606U采集备PI17745404U同步钟机44453501U工单称号位量机柜定制个2外场机柜US断电后持续供电2小时个外场配电箱定做，含开关、隔离变压器个26.2中心机房中心机房为健康监测系统的监控中心，位于李家沱大桥养管所内，放置李家沱长江大桥结构健康监测系统中数据处理与控制子系统的设备包括各类效劳器及存储藏份设备，以及UPS供电设备等。中心机房需到达电子计算机机房设计标准GB50743要求。七、安装施工方法及措施该桥检查辅助设施比拟完备：纵梁有主梁检修车；塔柱内有爬梯、升降电梯和操作平台；塔内照明设施齐全；斜拉索有检修车。该桥管线路径畅通，从大桥直达大桥管理处。这些为大桥长期健康监测系统的安装创造了有利条件。本次监测仪器设备的安装方案以现有辅助设施为根底，根据需要适当增加局部措施。各种仪器、设备的数据传输光纤和线路方案利用塔柱、主梁和原有管线通道进行铺设。具体为：九龙坡岸〔简称九岸〕一侧桥塔承力范围内，所有传输线均通过主梁进入九岸侧桥塔〔简称1#塔〕，再进入人行道下管线沟内，通过人行道下管线沟敷设至桥管处监控室。李家沱岸〔简称李岸〕一侧桥塔承力范围内，所有传输线均通过主梁进入