近年來，國內(nèi)外橋梁頻發(fā)安全事故，特別是大型橋梁，如美國明尼蘇達(dá)州一座跨越密西西比河的大橋坍塌事故、我省九江大橋撞擊事故、重慶綦江彩虹橋垮塌事故、湖南沱江鳳凰城大橋事故等，都給廣大人民群眾造成巨大人員傷亡和財產(chǎn)損失。根據(jù)美國橋梁管理和養(yǎng)護(hù)協(xié)會提供的不完全統(tǒng)計資料，橋梁的破壞呈早期與后期高危險的“盆”式曲線。
我國自上世紀(jì)八十年代以來，由于經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，在短短二十年的時間內(nèi)，一大批結(jié)構(gòu)新穎、造型優(yōu)美的超大、特大型現(xiàn)代化橋梁以極快的速度出現(xiàn)在各條國、省道干線公路和城市主干路跨越江、河、湖、海灣的咽喉控制部位。相繼建設(shè)完成世界上最大跨徑的鋼管拱橋（盧浦大橋、主跨550米）、世界上最大跨徑斜拉橋（蘇通大橋，主跨1088米）、世界上第二大跨徑懸索橋（西堠門大橋、主跨1650米）等等世界頂級橋梁。目前，中國橋梁設(shè)計和建設(shè)水平已躋身世界強(qiáng)國之列。
相對大橋的設(shè)計和建設(shè)水平，國內(nèi)大型橋梁管理方式仍比較落后，諸多橋梁仍處于只建不養(yǎng)或養(yǎng)護(hù)管理不到位的現(xiàn)狀，以致不少橋梁長期帶病工作，甚至出現(xiàn)突發(fā)性破壞事故，造成了巨大的損失。根據(jù)近年來我們所完成的橋梁檢測工作，經(jīng)分析研究，危及我市城市橋梁安全的病害及其成因主要有以下8類。1、砌體結(jié)構(gòu)開裂；2、梁板整體性差，單梁板受力現(xiàn)象突出；3、鋼筋混凝土雙曲拱、剛架拱、肋拱剛度偏小；4、大跨度連續(xù)箱梁、T構(gòu)跨中下?lián)稀⒘后w開裂；5、地基基礎(chǔ)軟弱，樁基下沉；6、道路升級改造加大既有橋梁荷載；7、河道污水腐蝕橋梁下部結(jié)構(gòu)；8、附屬設(shè)施缺失，橋梁伸縮縫狀況較差。因此加強(qiáng)橋梁運營期間管理，對于重要的橋梁實施安全監(jiān)控，及時掌握橋梁的安全狀態(tài)，對保障道路通行安全具有十分重要的意義。
一、項目概況
東莞市大汾北水道特大橋位于市區(qū)環(huán)城路，跨越大汾北水道三叉交匯口，主橋橋型為單孔128m下承式鋼管混凝土系桿拱橋。每幅橋設(shè)2片拱肋，全橋拱肋共46對92根吊桿。橋面系由橫梁、加勁縱梁和π型車行道板及橋面后澆層組成。下部結(jié)構(gòu)主墩墩身及承臺設(shè)為兩個分離式鋼筋砼結(jié)構(gòu)，主墩基礎(chǔ)每墩8根φ180的鉆孔灌注樁，墩身采用空心閉合箱型截面。橋面按雙向八車道外加人行道設(shè)計。橫橋向分為左右兩幅完全獨立且對稱的橋，每幅橋面寬24m，具體組成為：3.75m（人行道）+0.5m（防撞護(hù)欄）+15.5m（車行道）+ 0.5m（防撞護(hù)欄）+ 3.75m（過橋水管和檢修道）。橋梁整體布置圖見下圖。設(shè)計荷載：汽車—超20，掛車—120。人群荷載3.5KN/m2（按人行道凈寬2.85m布載）。該橋2005年4月28日建成通車，目前車流量約每天約10萬車次。由于車流量密集，重型車輛多，一旦發(fā)生事故，后果將非常嚴(yán)重。為及時掌握橋梁運行狀況，防患于未然，根據(jù)《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范（CJJ99－2003）》要求計劃在該橋?qū)嵤┌踩O(jiān)控系統(tǒng)。
二、系統(tǒng)需求及設(shè)計原則
影響橋梁安全運行有各種各樣因素，其中危害最大的主要是結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)改變、結(jié)構(gòu)損傷及兩種因素綜合作用。由于橋梁所處環(huán)境各異，在分析產(chǎn)生以上因素時，必須充分考慮周圍環(huán)境及交通荷載等動態(tài)狀況的影響。
（一）本系統(tǒng)具體包括如下幾個方面內(nèi)容：
1、對交通荷載狀況進(jìn)行監(jiān)測，確定橋梁實際運營荷載水平及其對今后可能增長的交通荷載的承受適應(yīng)能力，控制超限運輸對橋梁結(jié)構(gòu)造成的不利影響；
2、對橋梁運營狀態(tài)下應(yīng)力、變形以及變位等響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測，掌握橋梁的實際受力狀態(tài)和使用工作狀況，評估不同應(yīng)力和變形變位水準(zhǔn)下結(jié)構(gòu)的安全可靠度，并通過疲勞分析等理論確定構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的使用壽命，預(yù)報可能存在的隱患或質(zhì)量衰退；
3、對橋梁的振動響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測分析，掌握其動力性能，判斷是否有對大橋有害的振動，并為損傷識別、抗風(fēng)抗震性能評估提供依據(jù)；
4、紀(jì)錄大橋可能經(jīng)歷的重大荷載及事故歷程，如地震、超重交通荷載以及被車、船等撞擊情況下的狀況，并判斷大橋是否因此而損傷；
5、對大橋所處環(huán)境及關(guān)鍵部位長期變化進(jìn)行監(jiān)測，通過時間序列分析，及時查明大橋關(guān)鍵部位的變化趨勢與變化規(guī)律，進(jìn)而判斷大橋可能存在的質(zhì)量隱患、可能發(fā)展態(tài)勢及其對結(jié)構(gòu)安全運營造成的潛在威脅，為大橋評估、養(yǎng)護(hù)以及維修加固提供科學(xué)依據(jù)；
6、設(shè)定大橋安全預(yù)警值，提供等級預(yù)警信息。大橋在運營中若某種響應(yīng)超過預(yù)警值，會及時給出警報，提示出現(xiàn)非正常荷載或大橋某部位性能退化，以便加強(qiáng)大橋檢查或加固維修。
?。ǘ└鶕?jù)以上需求，確定東莞市大汾北水道特大橋安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計原則：
1、根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特點，把握影響結(jié)構(gòu)安全的主要因素，建立一套功能齊備、性能完善、經(jīng)濟(jì)合理的健康監(jiān)測及診斷系統(tǒng)；
2、采用技術(shù)成熟的系統(tǒng)配套產(chǎn)品，保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性；
3、采用模塊化設(shè)計，保證系統(tǒng)的可替換性、經(jīng)濟(jì)性；
4、采用開放式系統(tǒng)設(shè)計，保證系統(tǒng)具有良好的升級、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享及監(jiān)控功能；
5、設(shè)置適度冗余的傳感器及相關(guān)設(shè)備，保證系統(tǒng)的可靠性，并滿足系統(tǒng)改進(jìn)、擴(kuò)展和完善的需求；
6、采用日常監(jiān)測和定期監(jiān)測相結(jié)合的辦法，減少數(shù)據(jù)采集量和后處理難度；
7、設(shè)計強(qiáng)大、合理、易用的前、后處理模塊，以有效處理、分析和管理采集的數(shù)據(jù)。
?。ㄈ└鶕?jù)以上原則，監(jiān)控系統(tǒng)要達(dá)到如下目標(biāo)要求：
1、 為大橋運營期科學(xué)有序的監(jiān)測巡檢養(yǎng)護(hù)運營管理提供一個平臺；
2、盡早發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)自身及行車所面臨的危險狀況，能夠在橋梁結(jié)構(gòu)危險萌芽階段發(fā)出預(yù)警；
3、有效的掌控運營期大橋的結(jié)構(gòu)使用狀態(tài)，在結(jié)構(gòu)安全及行車安全受到威脅的情況下采取適當(dāng)?shù)拇胧崿F(xiàn)主動安全控制，切實提高結(jié)構(gòu)的全壽命安全度；
4、制定合理的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施，有效降低大橋運營成本，為橋梁結(jié)構(gòu)的科學(xué)養(yǎng)護(hù)維修提供依據(jù)；
5、建立損傷及內(nèi)力狀態(tài)管理機(jī)制，追蹤其演變過程，推測其預(yù)期的發(fā)展，并為制定相應(yīng)的大橋管養(yǎng)對策提供技術(shù)支持；
6、為橋梁管理者提供橋梁的巡檢養(yǎng)護(hù)手冊以指導(dǎo)并規(guī)范其養(yǎng)護(hù)行為，有效提高和保障橋梁運營的檢測、養(yǎng)護(hù)和管理水平；
7、輔助大橋管養(yǎng)者制定高效、經(jīng)濟(jì)、合理的運營管養(yǎng)措施，最大限度延長橋梁的安全使用年限。
三、系統(tǒng)設(shè)計總體框架
橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及診斷系統(tǒng)是一個系統(tǒng)工程，其核心任務(wù)是獲得環(huán)境荷載以及結(jié)構(gòu)的響應(yīng)、局部損傷等信息，在對監(jiān)測信息進(jìn)行綜合評估的基礎(chǔ)上獲得行車和結(jié)構(gòu)的雙重安全狀態(tài)信息。為了更好地完成上述目標(biāo)要求，系統(tǒng)主要包括以下內(nèi)容：
1、傳感器監(jiān)測子系統(tǒng)。用于信號監(jiān)測，主要將各類監(jiān)測信號轉(zhuǎn)換為電（光）信號作為監(jiān)測評估的依據(jù)，為結(jié)構(gòu)安全、高效、經(jīng)濟(jì)運營提供技術(shù)支持。
2、電子化人工巡檢養(yǎng)護(hù)管理子系統(tǒng)。用于制訂橋梁的巡檢體制以及巡檢養(yǎng)護(hù)手冊，并要求運營期根據(jù)手冊設(shè)定的結(jié)構(gòu)巡檢任務(wù)，安排人員設(shè)備進(jìn)行定時、定量、程序化的系統(tǒng)巡檢，完成巡檢的管理、記錄、歸檔、分析和評估等工作；
3、數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程傳輸子系統(tǒng)。采集準(zhǔn)確、可靠、具有代表性、如實反映結(jié)構(gòu)狀態(tài)的各種特征信息，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心直接關(guān)系到橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)能否對橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)作出正確的評估，能否為驗證設(shè)計和橋梁管養(yǎng)提供科學(xué)的依據(jù)。
4、數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)。對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選與挖掘，將有效數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心數(shù)據(jù)處理與控制服務(wù)器。
5、綜合安全評估子系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)狀態(tài)與損傷識別，并綜合識別的結(jié)果以及人工巡檢結(jié)果對橋梁結(jié)構(gòu)的安全使用狀況進(jìn)行評估。包括結(jié)構(gòu)評估識別子系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)安全控制輔助決策子系統(tǒng)。
6、中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的支撐系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)的歸檔、查詢、存儲等工作。
7、用戶界面子系統(tǒng)。將各種數(shù)據(jù)向用戶展示，并且接受用戶對系統(tǒng)的控制與輸入。各子系統(tǒng)之間運行時的相互關(guān)系見下圖。
系統(tǒng)安全的信息來源于兩個主要途徑，一是利用自動傳感測試系統(tǒng)獲得力學(xué)指標(biāo)的監(jiān)測結(jié)果，二是利用人工巡檢獲得損傷的直接監(jiān)測結(jié)果。對于損傷信息，系統(tǒng)可以直接進(jìn)行記錄與簡單的分析；對于力學(xué)監(jiān)測指標(biāo)則通過狀態(tài)識別、損傷識別及無模型預(yù)警獲得相關(guān)的信息。最后利用綜合評估模塊對以上損傷及狀態(tài)信息進(jìn)行綜合評估從而獲得直觀、簡潔、易懂、對養(yǎng)護(hù)管理具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義的橋梁結(jié)構(gòu)綜合評估報告，具體框圖如下。
四、傳感器監(jiān)測子系統(tǒng)
傳感器模塊的核心任務(wù)是獲得環(huán)境荷載以及結(jié)構(gòu)的響應(yīng)、局部損傷等信息，主要將各類監(jiān)測信號轉(zhuǎn)換為電（光）信號作為監(jiān)測評估的依據(jù)，為結(jié)構(gòu)安全、高效、經(jīng)濟(jì)運營提供技術(shù)支持。
?。ㄒ唬┍O(jiān)測內(nèi)容及測點布置
橋梁的工作環(huán)境包括風(fēng)力風(fēng)向、環(huán)境溫度濕度、車輛荷載等多方面的因素，這些因素對結(jié)構(gòu)的影響都是直接且重要的。根據(jù)東莞大汾北水道特大橋的具體情況，主要監(jiān)測內(nèi)容包括：環(huán)境風(fēng)、溫度、濕度監(jiān)測；結(jié)構(gòu)幾何狀態(tài)，包括主拱肋線形監(jiān)測、主梁線形監(jiān)測及基礎(chǔ)沉降監(jiān)測；結(jié)構(gòu)響應(yīng)與損傷，包括應(yīng)力監(jiān)測及吊桿索力監(jiān)測；動態(tài)特性與振動響應(yīng)，包括結(jié)構(gòu)的頻率、振型和阻尼特性，振動響應(yīng)監(jiān)測；交通荷載源，包括超重、超限、超速車輛特征、運營車輛荷載的統(tǒng)計特性等。具體測點及監(jiān)測項目詳見下表。
大汾北水道特大橋監(jiān)測項目及測點布置（單幅）
序號
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監(jiān)測項目
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測點數(shù)
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測試方法
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測點位置
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1
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風(fēng)力風(fēng)向
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2
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通過風(fēng)速儀進(jìn)行自動監(jiān)控
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主梁跨中、拱頂
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2
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結(jié)構(gòu)溫度
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8
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數(shù)字溫度傳感器
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拱腳，拱肋1/4、拱頂斷面位置的鋼管及管內(nèi)混凝土各1個，主梁底跨中及1/4處各1個。
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3
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環(huán)境溫濕度
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3
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通過溫濕度儀進(jìn)行自動監(jiān)控
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主梁跨中和1/4處
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4
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拱肋變形
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6
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全站儀
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主跨拱頂、1/4、3/4處
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5
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主梁橋面線型
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10
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精密水準(zhǔn)儀
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主跨1/4、跨中、3/4處
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6
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吊桿、系桿索力
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14
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磁通量傳感器
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長、短吊索和系桿
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7
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動力特性
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16
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加速度傳感器
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拱肋4分點、拱頂
主梁4分點、跨中
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8
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應(yīng)變測試
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40
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光纖光柵應(yīng)變傳感器監(jiān)測
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拱腳，拱肋1/4、拱頂斷面，主跨主梁1/4、跨中、3/4處
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9
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車輛監(jiān)測
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3
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車流量監(jiān)測儀(3車道)
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橋面
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?。ǘ┰O(shè)備選型
設(shè)備選型直接影響到系統(tǒng)運行的可靠度、維護(hù)及工程造價。無疑設(shè)備選型是系統(tǒng)建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)設(shè)備選型遵循如下原則。
1、傳感器
測試元件以及監(jiān)測儀表的好壞從根本上決定了整個系統(tǒng)中自動化測試數(shù)據(jù)采集傳輸是否有效。由于國內(nèi)外生產(chǎn)、銷售可用于土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測、監(jiān)測設(shè)備很多，各廠家生產(chǎn)的傳感器性能及價格千差萬別，即便是同一類型的傳感器，不同型號技術(shù)性能和價格亦不盡相同，因此在進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測儀器的選擇上宜以可靠、精確、耐久、簡便、經(jīng)濟(jì)實用、自動化程度及可更換性等為原則。具體如下：
?。?）選擇合適的傳感器精度，根據(jù)橋型及環(huán)境狀況選擇合適的傳感器布設(shè)位置；
?。?）傳感器應(yīng)能保證長期穩(wěn)定工作，須選用國內(nèi)外知名品牌以滿足長期健康監(jiān)測服務(wù)的需要，壽命要至少在10年以上；
（3）傳感器應(yīng)具有較適合的頻響范圍以滿足指定時間的實時監(jiān)測的需要，應(yīng)能夠較容易滿足組網(wǎng)使用的要求，主要傳感器盡量選用相同類型；
?。?） 采用高質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸線，以保障使用壽命及數(shù)據(jù)可靠性。
2、索力測試設(shè)備
對于橋梁索結(jié)構(gòu)的索力監(jiān)測，目前國內(nèi)外尚無經(jīng)過長期工程實踐傳感器，業(yè)界基本采用直接測力法、振動頻率法和磁通量法。
?。?）直接測力法，主要是指通過監(jiān)測應(yīng)變方式或采用油壓方式直接獲得索力，如直接安裝在拉索錨頭端的壓力環(huán)式整體索力計、直接在拉索中布設(shè)光纖光柵傳感器等，采用此方法測試精度高，但其仍處于研發(fā)階段，其使用性能、耐久性和可靠性均沒有得到工程的長期考驗，而且其安裝復(fù)雜，不可更換，因直接參與受力，對結(jié)構(gòu)的安全性影響有待于長時間考證，盡管在大橋結(jié)構(gòu)的監(jiān)測系統(tǒng)中部分已使用，但是仍需慎重考慮。
?。?）振動頻率法，振動測試法是通過安裝在斜拉索、吊索、主纜纜索上的速度傳感器獲得索自振頻率，再利用索頻率與索力的對應(yīng)關(guān)系來計算索力。該設(shè)備容易受風(fēng)及主梁自身振動的影響，分析算法和軟件也不是很成熟，難以實現(xiàn)索力自動轉(zhuǎn)換，無法編程做到頻率法測試索力的實時性，仍需要人工尋找測試峰值，再利用結(jié)構(gòu)計算頻率與索力的對應(yīng)關(guān)系。
?。?）磁通量法，磁通量傳感器的基本原理是：索結(jié)構(gòu)是一種鐵磁性材料，當(dāng)它受外荷載其內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化時，引起其磁導(dǎo)率發(fā)生變化，通過測定磁導(dǎo)率變化來反映應(yīng)力變化，進(jìn)而測出索力，主要由磁通量傳感器和磁彈儀兩部分組成，磁彈儀可直接顯示索力。該傳感器具有精度高，分辨率高，溫度補償精確，長期穩(wěn)定性好，堅固耐用，壽命長，可更換等優(yōu)點，但造價較高。
（4）索力測試設(shè)備對比，應(yīng)該說各種監(jiān)測方法均在橋梁的監(jiān)測中能夠具有一席之地，但考慮到本項目是長期實時監(jiān)測，應(yīng)著重于采集設(shè)備的耐久性，所以對于索結(jié)構(gòu)的測試設(shè)備宜采用磁通量傳感器進(jìn)行監(jiān)測。
五、電子化人工巡檢養(yǎng)護(hù)管理子系統(tǒng)
為彌補傳感器監(jiān)測子系統(tǒng)的不足，確保大橋安全、健康運營，同時節(jié)省工程造價，系統(tǒng)輔助定期電子化人工測量、檢查。內(nèi)容包括：橋面系、吊桿的防護(hù)、錨頭、伸縮縫等局部構(gòu)件，也包括主拱及橋面線型等。人工檢測數(shù)據(jù)輸入“數(shù)據(jù)分析和處理系統(tǒng)”，通過自動監(jiān)測與人工巡檢數(shù)據(jù)對比，對橋梁結(jié)構(gòu)狀況進(jìn)行綜合評估。
?。ㄒ唬蛎嫦禈?gòu)造的檢查。
1．橋面鋪裝層縱、橫坡是否順適，有無嚴(yán)重的裂縫（龜裂、縱橫裂縫）、坑槽、波浪、橋頭跳車、防水層漏水。
2．伸縮縫是否有異常、破損、脫落、漏水，是否造成明顯的跳車。
3．人行道構(gòu)件、欄桿、護(hù)欄有無撞壞、斷裂、錯位、缺件、剝落、銹蝕等。
4．橋面排水是否順暢，泄水管是否完好、暢通，橋頭排水溝功能是否完好，錐坡有無沖蝕、塌陷。
（二）鋼管混凝土拱肋的檢查。
1．構(gòu)件（特別是受壓構(gòu)件）是否扭曲變形、局部損傷。
2．焊縫邊緣（熱影響區(qū)）有無裂紋或脫開。
3．油漆層有無裂紋、起皮、脫落，構(gòu)件有無銹蝕。
4．鋼管與混凝土是否脫空，脫空的范圍、長度如何，能否滿足鋼管與混凝土協(xié)同工作的要求等。
（三）系桿吊桿系統(tǒng)的檢查。
1．檢查系桿吊桿的空間位置，注意是否有異常變位。
2．檢測吊桿振動頻率、索力有無異常變化，索體振動頻率觀測應(yīng)在多種典型氣候下進(jìn)行。
3．系桿吊桿索體的表面封閉、防護(hù)是否完好，有無破損老化，墊圈是否破損老化，減振裝置是否損壞失效。
4．逐個檢查系桿吊桿的錨具，錨具是否滲水、銹蝕或損壞，是否有銹水流出的痕跡，周圍混凝土是否開裂。必要時可打開錨具后蓋抽查錨杯內(nèi)是否積水、潮濕、防銹油是否結(jié)塊、乳化失效，錨杯是否銹蝕。
?。ㄋ模┲ё臋z查。
1．支座組件是否完好、清潔，有無斷裂、錯位、脫空。
2．活動支座是否靈活，實際位移量是否正常，固定支座的錨銷是否完好。
3．支承墊石是否有裂縫。
?。ㄎ澹┒张_與基礎(chǔ)的檢查。
1．墩臺及基礎(chǔ)有無滑動、傾斜、下沉或凍拔。
2．臺背填土有無沉降或擠壓隆起。
3．混凝土墩臺及帽梁有無凍脹、風(fēng)化、開裂、剝落、露筋等。
4．墩臺頂面是否清潔，伸縮縫處是否漏水。
5．基礎(chǔ)下是否發(fā)生不許可的沖刷或淘空現(xiàn)象，擴(kuò)大基礎(chǔ)的地基有無侵蝕。樁基頂段在水位漲落、干濕交替變化處有無沖刷磨損、頸縮，有無環(huán)狀凍裂，是否受到污水、咸水或生物的腐蝕。
（六）拱肋、橋墩三維坐標(biāo)定期監(jiān)測
1．設(shè)立永久性觀測點，定期進(jìn)行控制檢測。永久性觀測點的編號、位置均應(yīng)在竣工圖上標(biāo)明，橋梁主體結(jié)構(gòu)維修、加固或改建前后，必須進(jìn)行控制測量，以保持觀測資料的連續(xù)性，若控制點有變動，應(yīng)及時檢測，建立基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。
2．橋梁永久性觀測點的設(shè)置要牢固可靠，當(dāng)永久控制測點與國家大地測量網(wǎng)聯(lián)絡(luò)有困難時，可建立相對獨立的基準(zhǔn)測量系統(tǒng)。永久性觀測點和檢測項目如下表：
檢測項目
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觀測點
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1
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墩頂及橋面高程
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沿行車道兩邊，按邊跨支點、跨中，主跨跨中、L/4、3L/4等，共16個點高程監(jiān)測點
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2
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拱肋空間位置
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每根拱肋設(shè)3個觀測點，跨中、L/4、3L/4，共12個點三維拱肋坐標(biāo)監(jiān)測點
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3
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伸縮縫相對變位
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沿行車道兩邊布置觀測點
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六、數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程傳輸子系統(tǒng)
數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程傳輸是整個監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)。傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)完整地傳送到數(shù)據(jù)中心處理。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)能否對橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)作出正確的評估，能否為驗證設(shè)計和橋梁管養(yǎng)提供科學(xué)的依據(jù)，取決于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能否采集到準(zhǔn)確、可靠、有代表性、如實反映結(jié)構(gòu)狀態(tài)的各種特征信息?；驹砣缦拢?br />
1．布置在橋梁各測點的傳感器采集橋梁結(jié)構(gòu)的整體位移(使用GPS系統(tǒng))、應(yīng)力(動態(tài)采集使用電阻應(yīng)變片及光纖應(yīng)變傳感器。靜態(tài)采集使用振弦式應(yīng)變計)、振動(使用加速度傳感器)和環(huán)境參數(shù)(使用風(fēng)速風(fēng)向儀和溫度計)等信號，并產(chǎn)生相應(yīng)的電信號或光信號，通過導(dǎo)線傳輸至就近的外站。
2．各種信號調(diào)理器或讀數(shù)儀將相應(yīng)的傳感器信號進(jìn)行濾波、放大，調(diào)制成規(guī)范的信號(模擬或數(shù)字)送入外站工控機(jī)，即數(shù)據(jù)采集服務(wù)器(如是模擬信號需要進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換)。外站工控機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件實時采集這些傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并保存在本地工作站。
3．通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)將各外站的監(jiān)測數(shù)據(jù)送人數(shù)據(jù)中心的計算機(jī)服務(wù)器。在中心監(jiān)測系統(tǒng)計算機(jī)中進(jìn)行分類預(yù)處理，并存入服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。如有報警信息，將及時進(jìn)行報警。
4．橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測與評估軟件將存儲在計算機(jī)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合處理，使用直觀的圖形與動畫顯示，統(tǒng)計、分析與評估橋梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)，保證大橋的安全營運。
?。ㄒ唬?shù)據(jù)采集
數(shù)據(jù)采集與傳感器的輸出信號和監(jiān)測變量的特征有關(guān)，需要考慮的內(nèi)容涉及：傳感器輸出信號特征、傳感器輸出信息量和傳感器的空間分布。該子系統(tǒng)實現(xiàn)對多種信息源、不同物理信號的采集與預(yù)處理，并進(jìn)行必要的分解、變換，然后傳輸?shù)竭h(yuǎn)程分析中心子系統(tǒng)。采用一個高性能32位嵌入式處理器Philips LPC2200來驅(qū)動A／D完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、控制采樣頻率、配置采集通道、接收采集到的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)。采用集成了8019以太網(wǎng)控制器和TCP／IP協(xié)議棧的RCM3000來接收用戶采集命令，通過以太網(wǎng)發(fā)送采集數(shù)據(jù)。
1．信號調(diào)理器
本系統(tǒng)采用了多種類型的傳感器，這些傳感器輸出信號的種類也多種多樣，從而大大增加了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)的難度和復(fù)雜性。本系統(tǒng)利用針對橋梁結(jié)構(gòu)特點所研發(fā)的信號調(diào)理器能夠很好地解決這個問題，采用輸出一致的以太網(wǎng)信號調(diào)理器將各種不同的模擬或數(shù)字I/O信號調(diào)理成為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)信號。所研發(fā)的信號調(diào)理器共四類：應(yīng)變信號調(diào)理器、加速度信號調(diào)理器、通用信號調(diào)理器、溫度信號調(diào)理器。該四類信號調(diào)理器具有以下主要特點：
?。?）調(diào)理器統(tǒng)一輸出以太網(wǎng)信號，支持標(biāo)準(zhǔn)MODBUS TCP協(xié)議，UDP，TCP/IP，內(nèi)置WEB Server，便于調(diào)試、管理、維護(hù)和升級；信號調(diào)理器采用16位高精度A/D轉(zhuǎn)換器，對橋路和單端輸入接入不同的電壓基準(zhǔn)，使調(diào)理器誤差控制在0.1%以內(nèi)；
?。?）調(diào)理器內(nèi)置高速緩存，可以存儲多次采集的數(shù)據(jù)一次發(fā)送，從而解決網(wǎng)絡(luò)延時情況下的采集同步性的問題。調(diào)理器中存儲傳感器標(biāo)簽數(shù)據(jù)，保存各個傳感器的所有采樣參數(shù)、標(biāo)定參數(shù)及固定編號等信息；
?。?）調(diào)理器接受POE網(wǎng)絡(luò)供電，作為PD端的同時還可向傳感器供電，符合IEEE 802.3af；MCU內(nèi)置硬件看門狗，外接有效復(fù)位芯片，保證系統(tǒng)可靠運行；
?。?）調(diào)理器內(nèi)置光電隔離芯片，確保良好的抗強(qiáng)電沖擊性能；可以通過在線編程接口對調(diào)理器進(jìn)行軟件升級、維護(hù)；
?。?）信號調(diào)理器可在接受傳感器模擬信號的同時接入數(shù)字溫度傳感器；可在橋梁惡劣環(huán)境下（工作溫度范圍：-20~75℃；工作濕度：5~95%無凝結(jié)；海洋鹽霧環(huán)境等）高效、高可靠性地工作，內(nèi)含防雷模塊，能夠有效抵御感應(yīng)雷及電氣浪涌的沖擊。
?。?）內(nèi)嵌實時時鐘，測量數(shù)據(jù)帶時間標(biāo)簽，具備強(qiáng)大的模塊間時鐘同步功能，同步精度為微妙級，甚至亞微妙級，處于國際領(lǐng)先水平。主要性能指標(biāo)詳見下表。
加速度信號調(diào)理器的性能指標(biāo)
類型
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性能指標(biāo)
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加
速
度
信
號
調(diào)
理
器
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有效分辨率
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16位
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通道數(shù)
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1路單端輸入
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輸入類型
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單端電壓
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輸入范圍
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±5V
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采樣速率
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100采樣點/秒
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零漂移
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± 10 uV /℃
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滿量程漂移
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± 20ppm/℃
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精度
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誤差≤ ±0.1%
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動態(tài)信號處理
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動態(tài)范圍為96dB以上，帶通濾波等功能（截止頻率范圍為0.01Hz～50Hz）
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CMR@ 50/60Hz
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100dB
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NMR@ 50/60Hz
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100dB
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輸出激勵
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±12V～±14V
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通用信號調(diào)理器的性能指標(biāo)
類型
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性能指標(biāo)
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通
用
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