健康监测可行性建议书.doc

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健康监测系统可行性建议书
一．概况

斜拉桥健康监测系统是一种以桥梁构造为平台，应用当代传感、通信和网络技术，优化组合构造监测、环境监测、交通监测、设备监测、综合报警、信息网络分析解决和桥梁养护管理各功效子系统为一体的综合监测系统，它实时监测桥梁在多个环境、荷载等因素作用下的构造响应，并能有效地提供桥梁管理的科学根据，明显提高桥梁的整体管理水平，从而能够最大程度地确保桥梁安全营运、预诊疗桥梁病害和延长桥梁使用寿命。

根据《有关深港皇岗-落马洲人行通道桥主体构造监测及保养维修安排的合同书》内容规定必须建立长久健康监测系统。
斜拉桥灵活多变的塔、梁、索组合形式，广阔的跨径适应范畴和相对良好的空气动力稳定性，以及便于悬臂施工等优点，使其得到广泛应用。由于斜拉桥在交通干线中的重要作用以及斜拉桥的构造特点和不利的工作条件，人们非常关心斜拉桥构造的安全性和耐久性。近年来营运中发生的斜拉桥构造损坏事故，更引发人们对斜拉桥安全使用与维护的关注。
斜拉桥有许多不同于其它桥梁形式的构造构造和构造材料，并有对应的问题需要研究并加以解决。例如：
（1）细长的斜拉索暴露于高空大气中，直接受日照、温度变化、风、雨作用，在风、雨车辆荷载的激励下会产生多个不同机制的拉索振动，如不采用有效的减振方法，频繁、大幅度的拉索振动会引发拉索防护层功效的失效和拉索钢丝的疲劳。因拉索防护系统失效而引发拉索钢丝和锚具的腐蚀，是影响斜拉桥安全最突出的问题。
（2）斜拉桥是一种内部高次超静定构造，施工误差、混凝土的收缩徐变都会引发斜拉索索力的变化，而不合理的索力状态，会在主梁和索塔内引发不同于设计的内力状态。因此，在施工和营运阶段将斜拉桥的拉索索力偏差严格控制在允许范畴内是斜拉桥的另一种重要问题。
（3）斜拉桥的主梁除了和其它形式的桥梁同样承受自重及荷载引发的弯矩和剪力外，还要承受斜拉索水平分力产生的轴向力，不合理的主梁线形在轴向力的作用下会产生附加弯矩，而这种附加弯矩又会加剧桥面线形对正常位置的偏离。因此，在施工和营运阶段将斜拉桥的主梁线行的偏差严格控制在允许范畴内是斜拉桥的又一重要问题。
在桥梁构造的适宜部位安装对应的传感器，能反映桥梁健康状态的特性参数，如斜拉索索力、索塔和主梁的位置、荷载引发桥面板的应力、主梁和索塔断面上的温度分布、主梁控制断面的振动加速度等，能进行实时监控或定时检查，及时理解桥梁的工作状态及发展趋势。对特性参数的异常值进行分析判断，找出因素，方便组织更进一步的检查、检测或采用对应的营运管理方法或维修养护方法，使桥梁经常保持良好的营运状态，这是桥梁健康监测最直接、最重要的目的。固然，由健康监测系统获得的数据、资料对改善此后的桥梁设计，增进桥梁科学研究同样有十分重要的意义。
3. 斜拉桥健康监测系统的应用
基于对斜拉桥健康监测系统重要性的认识，受到以往桥梁健康监测系统成功经验的启发，通过收集构造和构件的位移、应变、加速度等物理参数以及环境因素对构造的影响资料，理解构造
的工作状态，将起到确保桥梁安全营运、延长使用寿命的作用。但愿能通过早期发现桥梁病害，以节省桥梁的维修费用，提高桥梁的综合作用效益。
二．斜拉桥健康监测系统特点
1．系统特点
从已经建立的监测系统的检测目的、功效以及系统运行等方面看，大型桥梁进行健康监测系统含有下列特点：
（1）通过测量构造多个响应的传感装置获取反映构造行为的多个统计。除检测构造本身的状态和变化外，还强调对构造环境条件（如风、车辆荷载等）的监测统计分析。
（2）在通车营运后持续或间断地监测构造状态，力求获取的大桥构造信息持续而完整。
（3）监测系统含有快速大容量的信息采集、通讯与解决能力。并实现对数据的网络共享。
（4）诸如光纤光栅传感器、MEMS和GPS等先进技术已经逐步在桥梁监测系统中应用。
（5）大型桥梁健康监测系统不只是传统的桥梁检测加构造评定技术，而是被赋予了构造监控与评定、设计验证和研究与发展三方面的意义。
（6）实时监控可达成预警预报的精确性、可靠性、合理地进行管理。可实现实时或者准实时的损伤检测，及时发现桥梁的损伤与质量退化。对大桥在使用过程中出现的损伤进行定性、定位和定量分析，实现防患于未然。并且对检测出来的损伤进行分析，提供维修建议等。

在设计健康监测系统时，为了避免以往监测系统存在的技术问题，使之成为一种功效强大并能真正长久用于构造操作识别和状态评定，同时又含有经济效益，能达成的桥梁健康监测系统，应遵照以下设计原则：
（1）强调大桥健康监测系统的科学性，遵照“简洁、实用、性能可靠、经济合理”的设计原则。
（2）健康监测系统首先需满足大桥养护管理和营运的需要（养护管理对桥梁信息的需求）。按照实用性原则，根据实际需要，采用实时监测和定时检查相结合的办法，力求用最少的传感器和最少的数据来满足功效规定。
（3）由于采集数据量大，且数据在因特网传输过程中在时间上有一定的滞后，系统在底层网络应设立智能型传感器工作站，在传感器工作站之中嵌入数据的预解决和初级预警模块。工作站在采集数据的同时，就能对数据进行预解决和实时分析，以克服以往系统不能有效解决、分析和解决采集到的大量数据的弊病。
（4）各传感子系统均采用独立模块设计，单个传感器或数据采集单元的维护、更换不会影响系统的运行；系统软件采用模块化设计，确保很强的升级能力。
（5）系统设计以构造工程师为主，他们能深刻理解桥梁构造、掌握各传感器采集信号的关联性，从而能够根据多个传感信息来判断构造工作状态，对的的对桥梁构造设立预警值。
桥梁的健康监测系统成功的设计、安装、调试和使用，将极大地减少大桥管理的现场工作量和养护管理费用，特别是能及时理解桥梁的营运状态、病害和外部事件，从而科学地制订对策，对中长久养护计划及加固、改造发挥作用。
三．深港皇岗-落马洲人行通道桥健康监测系统
深港皇岗-落马洲人行通道桥8月15日开通至今已有两年有余，是深圳市的重要口岸通道之一，随着客流量的日益增多，通道桥的管理及养护尤为重要，仅靠人工手段监测已无法满足桥梁养护规定和有效地防备突发事件的发生，重要体现在：
（1）定时检测间隔时间较长，检测的数据不是动态检测数据，不能随时反映桥梁在极端受力状态和恶劣环境下的营运状态，起不到防止和预报的作用。
（2）现在的高程测量由人工完毕，受读数误差、视角、大气、温度等因素的影响，测量精度不高。
（3）人工检测需耗费大量人力、物力和财力，耗费较长时间。
（4）由于桥梁建筑时，对桥梁的养护考虑不周，诸多位置不易达成，观察较困难，增加了技术人员检测的危险性。
为了确保通道桥的安全营运，延长桥梁的使用寿命，建议在通道桥上安装健康监测系统。
（一）规定与内容
通道桥连接深港两地，过往旅客日渐增多，安全及国际影响的重要性明显。为此桥梁监测的首要任务是掌握桥梁的安全状态。因此选择下列的监测项目作为斜拉桥健康监测系统的重要内容：
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恒载作用下主梁轴线的位置是桥梁整体安全状态的重要标志，荷载作用下主梁的挠度既是桥梁整体刚度的重要标志，也能反映作用于桥梁上荷载状况，通过对桥梁变形的监测能够从整体上把握桥梁的健康状态。重要是构造位移测量监测：
（1）主梁各跨跨中的竖向位移；
（2）主塔塔顶的水平位移；
（3）各支座处主梁的纵桥向位移。

桥梁动力特性涉及桥梁振动的频率、振型和阻尼比，它也是桥梁整体安全的标志。桥梁使用质量的退化会引发自振特性的变化，例如在其它条件不变的状况下，桥梁刚度的减少会引发桥梁自振频率的减少，桥梁局部振型的变化可能预示着桥梁局部损伤的存在。
用环境随机振动办法测量大桥振动特性，如自振频率、振型和阻尼值等。其中振型涉及：
（1）主梁的横向弯曲振型，竖向弯曲振型及扭转振型；
（2）桥塔的顺桥向弯曲振型，横桥向弯曲振型及扭转振型；
（3）索的面内和面外外弯曲振型。

斜拉桥主梁受荷载的影响最直接，极易因异常局部荷载而引发损伤，同时主梁的损伤对桥梁使用性能的影响也最为直接。通过对主梁有代表性断面上的动应力监测，能够理解作为斜拉桥重要受力构件主梁的受力状态，这对控制荷载和进行构件疲劳分析十分必要。其中：
（1）桥上人流荷载
对桥上人流状况进行实时统计。
（2）地震荷载监控
在主塔设三向加速仪，测量桥址在地震时的地面三向加速度并绘制有关的地震反弹谱。
、风向及温度分布监测
（1）桥址处风速和风向监测
①测量平均风速和风向，汇编桥址的风玫瑰图，拟定平均风速、风向和重现频率，用作大桥的构造抗风验算复核，并作为在台风期间大桥交通管制方法的参考。
②测量风的构造，涉及：3s阵风风速，1min平均风速，10min平均风速，1h平均风速垂直面的风角和风速，风在不同方向上的功率谱，不同风向不同平均风速的有关和相干特性。
③测量特定风速的持续周期，以检测桥梁或拉索的涡激共振的平均持续周期。
（2）温度分布监测
①测量在桥址处的环境温度，并和所测得的平均风速和风向作有关性比较。
②测量桥塔截面内的温度分布状况。
③测量底层箱梁内温度及中层梁和顶层梁温度。
④测量室内温度。
通过温度分布监测，特别对主梁及索塔有代表性断面上的温度分布监测，能够验证设计假定或根据实际测量的成果重新计算温度对桥梁内力和变形的影响，方便对桥梁的安全状态作出更加符合实际的评价。

斜拉桥索力监测按随机振动法采用定时人工检测的方式，检测成果存入系统的监测数据库。
（二）系统综述

斜拉桥健康监测系统是大桥养护管理系统的重要构成部分，其预期目的是：
（1）对日常营运状态下主桥的索塔及屋面的温度分布进行实时监测，对斜拉桥的索力进行定时监测。
（2）对以上检测内容提供便于构造工程师和桥梁养护、管理技术人员对桥梁的健康状态作出判断的成果报表。
（3）为此后进一步用于计算机软件进行桥梁异常状态识别及桥梁综合评定积累资料。

（1）桥梁长久健康监测系统还涉及下列内容：
①测量与数据的自动采集；
②数据的解决与传输；
③数据存储管理与查询应用；
④构造实时变形动态显示；
⑤服务水准安全报警；
⑥构造健康与安全评定。
（2）斜拉桥的健康监测系统的工程范畴是：
①安装桥梁上的多个传感器、放大器、数据采集及通信设备。
②安装监控室的数据显示、存储、查询与管理系统。
③连接桥梁现场设备与监控室的通信网络。

（1）全部监测传感器、放大器、数据采集、通信设备及数据管理的硬件购置、安装、调试工作。
（2）健康监测系统中全部的数据采集、通信及数据管理的软件编制及购置。
（3）桥梁现场设备至监控室计算机通信光缆和桥梁现场设备之间的通信光缆的敷设与对应的连接设备。
（4）监控室的室内装修工作及必要的办公用品购置。
（5）系统接受实时监测的荷载的数据及定时检测的拉索索力的数据。

斜拉桥健康监测系统涉及下列互有关联的子系统：
（1）传感器（放大器）系统
系统应用先进的传感技术，通过多个不同功效的传感器，将被测的不同形式的物理量如位移、应变、温度、振动和速度等转变成便于统计及再解决的电压、电流等电信号或光信号。由于从传感器输出的电信号或光信号普通很弱，普通多个传感器都需要有与之相匹配的放大器。放大器的功效是将传感器的输出信号放大或换成便于统计的另一种信号。