湛江海灣大橋分布式健康監(jiān)測系統(tǒng)

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1、湛江海灣大橋分布式健康監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)研究曹映泓（廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司，廣東廣州510635）朱利明（中鐵大橋勘測設(shè)計院有限公司東南橋梁診治研究中心，江蘇南京210003）摘要：本文提出了分布式橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的原理，介紹了湛江海灣大橋分布式健康監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)情況、系統(tǒng)設(shè)計、硬件布置和軟件功能，重點突出了數(shù)據(jù)預(yù)處理、分級傳輸、用戶定制監(jiān)測內(nèi)容和分析報告、以及緊緊圍繞工程養(yǎng)護(hù)決策需要來盡量少地布置最必要的監(jiān)測內(nèi)容等研究策略。關(guān)鍵詞：健康監(jiān)測；系統(tǒng)布置；軟件1前言隨著大跨度橋梁設(shè)計理論和施工技術(shù)的發(fā)展，近50年來建造了許多大型橋梁。為了確保這些龐然大物的安全

2、需要開發(fā)安裝長期的健康監(jiān)測系統(tǒng)。典型的例子包括CommodoreBarry橋監(jiān)測系統(tǒng)（美國）、金島大橋監(jiān)測系統(tǒng)（韓國）、明石海峽大橋檢測系統(tǒng)（日本）、Alamillo橋監(jiān)測系統(tǒng)（西班牙）、Hummer橋監(jiān)測系統(tǒng)（英國）等等。在這些長期監(jiān)測系統(tǒng)中，設(shè)計最完善的要數(shù)香港青馬大橋的風(fēng)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)（WASHMS）。該系統(tǒng)由近350個傳感器及相關(guān)元件組成，包括最新的GPS定位系統(tǒng)。然而，當(dāng)前的健康監(jiān)測系統(tǒng)缺乏能夠提供可靠的橋梁狀態(tài)診斷信息的技術(shù)。多數(shù)系統(tǒng)僅能夠從傳感器收集數(shù)據(jù)并做簡單的數(shù)據(jù)樹立。數(shù)據(jù)分析和評估工作還得由技術(shù)專家借助各種獨立的分析工具來進(jìn)行。對于

3、一個象WASHMS這樣的實時監(jiān)測系統(tǒng)，每天按高采樣頻率（例如100Hz）收集到的海量數(shù)據(jù)將使工程師的電腦不堪重負(fù)，分析評估非常困難而且效果不好。本文介紹了湛江海灣大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)。湛江海灣大橋位于廣東省西南部。它跨越雷州半島麻斜海灣連接湛江市赤坎區(qū)和坡頭區(qū)。該橋具有如下不利條件：高地震烈度（7度）、高風(fēng)速、厚粘土層覆蓋海床、高腐蝕性的海水、雷暴頻繁、高溫、高濕度等。所有這些不利條件在設(shè)計中都考慮到了。但是，作為一個國家生命線的工程，它建成后的安全將更為重要。因此，很有必要監(jiān)測該橋施工和營運期間的實時健康狀態(tài)。該橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計指導(dǎo)原則為：簡潔、實

4、用、可靠及廉價?；谑澜绺鞯丶扔袠蛄罕O(jiān)測系統(tǒng)的經(jīng)驗，該系統(tǒng)被設(shè)計為利用最少的傳感器和數(shù)據(jù)分析結(jié)構(gòu)最關(guān)鍵部位的實時靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)。該系統(tǒng)在大橋設(shè)計階段即開始了研究，并實現(xiàn)了和大橋的施工同步安裝，同步建成。2大橋健康監(jiān)測內(nèi)容湛江海灣大橋（圖1）是一座雙塔雙索面混合梁斜拉橋，主跨480m，總長3981m。主橋邊跨60m箱梁為混凝土箱梁，在輔助墩處與鋼箱梁連接。橋塔為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，塔從承臺頂高155.1m、從橋面高113.8m。橋塔是圓弧曲線的A型橋塔。湛江麻斜海灣位于廣東省西部和雷州半島東北部，面向南海。夏秋兩季經(jīng)常有熱帶風(fēng)暴登陸。最大風(fēng)速超過36m/s

5、。臺風(fēng)出現(xiàn)在5~11月，尤其是7~9月。根據(jù)過去的記錄，每年臺風(fēng)登陸幾率為46%。湛江海灣大橋位于兩個橫向地質(zhì)斷裂帶中間。橋梁東南方處于南311海康斷層的東北部。但最危險的地震地區(qū)主要位于橋梁的東北邊和南邊。大地震有可能在這些地區(qū)發(fā)生。圖1、湛江海灣大橋（在建）效果圖圖2是湛江海灣大橋監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器布置圖。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案，我們將安裝16個EM傳感器來監(jiān)測斜拉索索力變化；20個溫度傳感器記錄箱梁溫度梯度；18個振弦式應(yīng)力計監(jiān)測主橋應(yīng)力應(yīng)變；2個風(fēng)速儀監(jiān)測風(fēng)速風(fēng)向；3個GPS接收器用于分析兩個橋塔和主跨位移；振弦式傾斜儀用于分析扭轉(zhuǎn)和變形。BCA路由器數(shù)據(jù)

6、預(yù)處理-GPS基站專家系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器GPS參考接收器EM傳感器傳感器基站A傳感器基站B傳感器基站CGPS接收器(1)風(fēng)速儀(1)VW應(yīng)變計(10)溫度傳感器(4)加速度計(3)EM傳感器(4)傾斜儀(1)BBCCAA-監(jiān)測系統(tǒng)GPS網(wǎng)絡(luò)GPS接收器(1)風(fēng)速儀(1)VW應(yīng)變計(4)溫度傳感器(8)EM傳感器(6)風(fēng)速儀(1)VW應(yīng)變計(4)溫度傳感器(8)EM傳感器(6)(1)GPS接收器(1)圖2、湛江海灣大橋傳感器布置2．1橋梁環(huán)境條件監(jiān)測橋梁工作條件通常由交通流及荷載、溫度、濕度、風(fēng)速風(fēng)向組成。溫度變化對結(jié)構(gòu)荷載條件有顯著影響。濕度變化影響混凝土的收縮徐

7、變以及鋼筋的腐蝕。橋梁所處的位置基本設(shè)計風(fēng)速高達(dá)46m/s，風(fēng)速對橋梁變形和正常使用有巨大的影響。因此很有必要監(jiān)測橋梁的工作條件。首先，監(jiān)測信息對于結(jié)構(gòu)損壞的自動識別很關(guān)鍵。其次，這些原始數(shù)據(jù)和分析資料對設(shè)計和施工人員有很大價值。這些信息可以作為今后設(shè)計和施工的基礎(chǔ)。交通流監(jiān)測是個獨立的工作，將由交通管理部門來完成。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)將監(jiān)測溫度、濕度、風(fēng)速和風(fēng)向。圖3為混凝土箱梁上的溫度傳感器安裝方案。圖3、溫度傳感器安裝位置2．2斜拉索內(nèi)力監(jiān)測斜拉索是湛江海灣大橋的主要傳力部件。主梁和鋪裝的恒載及汽車活載都將通過斜拉索傳遞到主塔上。拉索中的內(nèi)力不僅與橋塔的

8、荷載條件有關(guān)，還與橋梁的線型及行車條件有關(guān)。拉索中內(nèi)力的變化對橋梁