润扬长江大桥结构 安全健康监测系统

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近年来，随着大跨度桥梁设计的轻柔化以及结构形式与功能的日趋复杂化，大型桥梁结构安全健康监测已成为国内外工程界和学术界关注的热点。本文介绍了润扬长江大桥结构安全健康监测系统，包括系统构成、系统功能、主要监测内容和监测仪器。该系统对推动和发展数字化、智能化桥梁工程具有重要的作用。
　　润扬长江大桥 北连同江至三亚国道主干线，南接上海至成都国道主干线，是江苏省高速公路网建设的重要组成部分。它由特大型悬索桥、斜拉桥形成一座组合桥梁。包括：主跨406m的三跨（176m+406m+176m）双塔双索面钢箱梁斜拉桥和主跨1490m的单跨双铰简支钢箱梁悬索桥两部分。
　　南汊悬索桥主梁为全宽38.7m，高3.0m的全焊接扁平流线型钢箱梁，正交异性板桥面；主梁由91对吊索支撑，吊索标准间距16.1m；主缆由采用 PPWS预制平行法的184股索股组成；悬索桥索塔为多层门式框架钢筋混凝土塔柱，塔高210.28m，塔柱为变厚度矩形单箱式结构，设三道横梁。北汊斜拉桥主梁亦为扁平流线型钢箱梁，正交异性板桥面，宽37.4m，梁高3m；主梁由13×4对斜拉索支承，斜拉索由多股无粘结高强度平行钢铰线组成，斜拉索与钢箱梁主梁以锚箱的方式连接；斜拉桥索塔为花瓶形钢筋混凝塔柱，桥面以上呈倒Y形，下塔柱呈V形，塔高146.03m，设三道横梁。
　　设立润扬大桥结构安全监测系统，主要应用现代化的传感技术、测试技术、计算机技术、现代网络通讯通信技术对桥梁的工作环境、桥梁的结构状态、桥梁在车载等各类外部荷载因素作用下的响应进行实时监测，及时掌握桥梁的结构状态，全面了解桥梁的运营条件及质量退化状况，为桥梁的运营管理、养护维修、可靠性评估以及科学研究提供依据。
　　系统构成
　　整个结构安全监测系统包括硬件和软件两个部分，其中硬件部分包括四个系统，即：传感器系统；数据采集系统；数据通信与传输系统；数据分析和处理系统。各系统间通过光纤网络联系而进行运作。
　　网络结构由网络服务器、PC机、专用工控机以及各种放大器、传感器等组成。每个网络节点往下由工控机、信号调理器、传感器等构成微型网络，以保证系统的可维护性和扩充性，以便系统的进一步开发和监测规模的扩大。整个系统采用环状网络结构，以提高系统正常运行的可靠性。
　　●传感器系统：根据对润扬大桥整体结构模型的优化分析，在整个大桥安装传感器及有关附件，包括有：风速仪、温度传感器、几何测量系统（位移计、水平仪、倾角仪、EDM/GPS）、应变计、测力传感器、车轴车速仪、加速度传感器，以及信号放大器、调理器等附件。
　　●数据采集系统：包括安装在大桥箱梁内的数个由微电脑控制的数据采集站。每个采集站是基于PC的数据采集和分站。主要功能是收集由传感器传来的数据；进行读数的信号调理、采集数据的初步处理和储存；然后通过光缆传到监测中心的数据处理和分析系统。
　　●数据通信与传输系统：网络操作系统平台、站点的设立、安全监测局域网的网络协议、与其他局域网或主干网的连接。
　　●数据处理和分析系统：用数台高性能工作站连接桥上数台数据采集站形成一个计算机网络。工作站是台式计算机，安装在大桥监控管理中心，并配置所需的数据显示软件。工作站分别实现采集数据处理、结构监测图形显示、系统控制管理与维护、结构分析评估及专家诊断。
　　系统功能
　　润扬长江大桥结构安全监测与评估系统主要包括如下几个方面的功能：
　　●报告大桥在各种工作环境下的结构载荷变化；
　　●设定日常信道报警系统，用于桥梁的日常运营管理；
　　●报告大桥各主要构件的实际工作状况，为结构维护提供依据；
　　●报告大桥主要构件有否任何损坏或者累积性的损伤并设立报警系统；
　　●对大桥主要构件有否潜在损坏及其主要构件的剩余使用寿命进行评估；
　　●对大桥结构的健康状况、结构安全可靠性进行评估。
　　主要监测内容
　　除了对整个润扬长江大桥的车流量、车载状况（车载、车速及车流量）、日常的气候环境（风速、风向）、地动脉、索塔沉降等进行常规监测之外，对于南汊悬索桥和北汊斜拉桥要针对结构形式分别进行监测。
　　●南汊悬索桥：其监测内容包括：主跨纵向横向竖向位移；主跨钢箱梁的位移、截面的应力分布、温度等；锚室主缆索股拉力；部分吊索拉力；主跨箱梁和悬吊体系(主缆与吊索)的振动特性；索塔的振动特性。
　　●北汊斜拉桥：其监测内容包括：斜拉索拉力；斜拉索振动；主梁线型；钢箱梁截面内部应力监测；钢箱梁振动；索塔振动。
　　主要监测仪器的选择
　　——主梁线形的测量
　　关于主梁线形（竖向、横向、纵向的位移）的监测，目前常用的方法是光电测距（EDM）和GPS方法。
　　光电测距方法主要是通过沿钢箱梁选择适当的点布置反射器，与测量用的全站仪配合使用，形成光载波通信系统，利用全站仪的红外激光探测功能，对反射器进行连续监测，测量每个发射器与全站仪的相对角度和距离，经过系统计算，确定梁的外型和移动情况。但是，润扬大桥所处的江面较宽，大风、大雾、雨雪天气时常出现，这些会严重削弱光电测距的有效测程，就是勉强测出距离读数，其精度也会受影响。尤其是对于主跨1490米的南汊悬索桥，这些影响更为明显。
　　而采用GPS技术进行主梁线形的监测可以避免以上问题。从目前的仪器和软件性能看，GPS采用实时差分进行动态测量的定位精度可达毫米级，经过系统集成和二次开发，完全可以用于大型工程结构的微量测量。对于润扬长江大桥南汊桥在主跨中间和四分点处的两侧共六个测点设位置，北汊桥在主跨中间的两侧设测点位置，GPS接收机用特制的密封盒固定在箱梁外侧底板边缘处。测试基准站设在桥址附近的国家GPS网点上。
　　——南汊主缆内力与北汊悬索桥索力的监测
　　主缆对悬索桥的结构安全至关重要，而且不可更换。采用直接监测主缆索力的方法，可以确保检测的可靠性。监测点设在四个锚室内，分别在每个主缆断面的上端索股、下端索股、左侧索股、右侧索股、中间索股进行主缆内力监测。
　　对于斜拉桥，斜拉索对于斜拉桥结构安全至关重要，采用直接监测索力的方法，可以确保检测的可靠性。同时记录环境温度、风况、交通状况和主梁振动、索塔振动等测量值，以评估斜拉索工作的状况，指导索力的校正。监测索的选取根据结构静动力分析和结构设计要素确定。
　　目前，用于缆索拉力监测的装置有：电阻应变仪、钢丝振弦应变仪、磁致弹性测力仪直接测量。因电阻应变仪易损坏，钢丝振弦应变仪等安装难度较大，采用磁致弹性测力仪是较好的选择。磁致弹性测力仪在欧洲应用较为普遍，它是利用磁通量的变化与钢丝为芯的应力改变有关的原理进行测量。磁致弹性测力仪是一个环形装置，它缠绕在索股上。
　　——吊索索力的监测 吊索内力直接影响到悬索桥主梁的内力分布及大桥正常安全运营。对于吊索内力的监测通常采用压力盒和荷载销，为了不影响结构设计的变更可以采用荷载销。吊索与主缆及主梁通过销钉的销结方式连接，测出剪力进而确定吊索中的拉力。
　　——振动监测 桥梁结构的受损和安全性降低主要是由于桥梁主要构件和结构的疲劳损伤的累积结果，而桥梁结构疲劳损伤主要是由于动荷载作用下的交变应力作用的结果。
　　主梁结构的动态响应往往与引起整体振动的强振源相联系，因此，通过对索塔和主梁振动的监测，不但可以识别主梁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。影响主梁振动特性的主要因素是主梁结构本身的刚度、质量分布、阻尼，当然还与其它结构对主梁的支承与约束状态、环境因素等等有关。
　　而对于悬吊支承结构的桥梁，其悬吊体系（悬索桥的主缆和吊索、斜拉桥的斜拉索）不仅影响主梁结构的动力特性和受力特性，而其本身在交变应力与环境腐蚀的相互作用下是导致疲劳和锈蚀损伤扩展的重要原因之一。通过对悬索桥主缆和吊索、斜拉桥斜拉索的振动特性的连续监测，可以考察悬索桥缆索系统以及斜拉桥的疲劳响应，进而考察结构的安全可靠性。
　　振动特性的监测通常应用加速度传感器实现，但是由于索塔、钢箱梁、主缆、吊索、斜拉索各自的固有振动特性不同，因此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）。
　　——主梁应力监测
　　监测主梁应力的目的在于研究主梁的内力分布及各种载荷下的响应，为主桥结构疲劳寿命评估和安全性评价提供依据。同时，通过对主梁结构的重点部位内力的监测，考察局部结构及连结处应力应变随各种外界载荷（交通荷载、温度、风载等）作用的变化历程，为损伤识别、疲劳损伤寿命评估提供依据。
　　一般的应力应变监测采用电阻应变传感器，而电阻式应变仪的零漂、接触电阻变化以及温漂等给系统带来一定的误差。电阻式应变传感器其主要问题是寿命较短，但是应变/应力是一个相对量，指纹无法复现，从长期监测和信号传输等方面考虑，宜采用（或部分采用）适合长期监测用的光纤传感器。
　　润扬大桥结构安全健康监测系统通过传感器系统实时采集大桥在运营状态下的各种数据和信号，并根据采集的数据与信号反演出大桥的结构工作状态和健康状况，识别出可能的结构损伤的程度及其部位，进而给出大桥的安全可靠性评估。润扬大桥结构安全健康监测系统的建立不仅具有重要的现实意义，而且具有重要的科学意义，将对推动和发展数字化智能化桥梁工程发挥积极的作用。

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谢谢分享，长知识了