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懸索橋運營期遠程健康監測系統初探
2015-06-30 
   1項目概況

   成都市二環路跨清水河交叉口立交工程,是成都市二環路上重要工程之一,在成都市道路交通網中占有重要的地位。該立交橋主橋橋型采用雙幅獨塔兩跨自錨式懸索橋。主跨布置為26m+70m+70m+26m,其中一跨跨越清水河,另一跨跨越大石西路路口,主橋全長192m。全橋共設四根主纜,采用預制平行索股逐根架設的施工方法(PPWS)。吊索采用鉛垂布置,在標準段間距4m,索塔兩側為7m,每個吊點設一根吊索。全橋總計安裝56臺穿心式錨索計,錨索計在大纜和有代表性的吊桿上布置。每根大纜由14 股127 絲φ5.3mm 的鍍鋅高強鋼絲組成,選擇其中的3 股鋼絲進行索力監測,6 根大纜共計24 個測點。吊索的監測方案是選擇具有代表性的吊索進行監測,包括:最長吊索、最短的兩根吊索以及跨中附近的吊索,共計32 個測點。傳感器布置見所示。

   2.系統的工作內容和集成方案

   根據國內外類似橋梁健康監測技術研究和應用情況,我們提出的清水河大橋健康安全監控系統的集成方案如圖2所示。

   在上述系統總體框架中各部分的主要工作內容及關聯關系分述如下:

   自動化傳感測試數據采集傳輸子系統:由傳感器子系統、數據采集與傳輸子系統、數據處理與控制子系統三個子系統構成。

   傳感器子系統:完成應變、結構溫度、索力、幾何變形、環境參數、動力特性等參數的參數采集工作。

   數據采集與傳輸子系統:負責傳感器信號的采集、調理、預處理、傳輸等。

   數據處理與控制子系統:將采集系統收集到的數據進行預處理后提交給后續子系統使用。

   結構健康評估子系統:根據自動化傳感測試數據采集傳輸子系統采集回來的數據對橋梁狀況進行綜合評估。

   用戶界面子系統:安全監測系統由諸多子系統及功能模塊組成,若各子系統及功能模塊均采用各自的用戶界面系統,用戶操作就極為不便,因此必須建立統一的用戶界面系統。用戶界面子系統主要實現諸如向用戶提供操作及管理界面、向用戶提供數據展示、提供系統的遠程訪問接口、向用戶提供報告等功能。

   3.傳感器選型原則

   傳感器子系統需完成結構溫度、大纜索力、吊索索力、幾何變形、環境參數、動力特性等參數的參數采集工作。傳感器系統的選擇依照以下原則進行:

   選擇合適的傳感器精度

   傳感器的精度往往與價格是矛盾的,因此在傳感器的選擇上不能一味追求高精度,應在適用的前提下選擇精度合適的傳感器。另外,傳感器的精度選擇還應該和采集與傳輸模塊以及數據處理模塊匹配。因此傳感器的精度選擇應本著服務于評估子系統的原則來進行。

   選擇滿足長期穩定性與可更換性要求的傳感器

   傳感器在實橋工作環境下能夠長期穩定工作,其必須具備溫漂小、時漂小、可靠性高的特點。由于橋梁設計年限大大高于傳感器等光、電產品,因此在整個橋梁的生命周期內,傳感器必然面臨更換的問題,所以傳感器的可更換性也是極其重要的。

   選擇滿足采樣頻率或時間系數要求的傳感器

   橋梁結構狀態始終處在不斷的變化中,因此,對橋梁結構進行指定時間的實時監測是必要的。通過實時監測可以獲得橋梁結構在變化荷載作用下的響應,這對于分析橋梁各時期結構剛度狀態、記錄橋梁的加載變化歷程從而進行疲勞壽命分析有重要的作用。傳感器系統具有較高的采樣頻率的另外一個好處就在于便于實現全橋傳感器系統采樣數據的同步,否則各傳感器數據不同步將導致較大的分析誤差。

   選擇方便采集的傳感器類型

   對某種參數的監測可能可以選擇不同的傳感器,這些傳感器都能夠滿足上述要求,這時,應盡量選擇便于采集的傳感器。這樣可以大大簡化采集系統的設計,并且具有更高的可靠性。一般而言,按照監測內容比例輸出電壓、電流等信號的傳感器較為容易采集。

   4.傳感器布置原則

   4.1監測項目的擬定

   健康監控系統必須監控橋梁關鍵部位的重要信息,包括:

   重要的環境參數(環境溫度)

   關鍵部位的變形狀況(塔頂變位、主跨撓度、錨梁縱向位移等)

   索結構的監控(大纜、吊索的索力)

   橋上交通情況

   4.2環境溫濕度儀的布置

   橋址小氣象觀測采用環境溫濕度儀在線監測,環境溫濕度測點分別布置在索塔(1個)和主梁(2個),共計3個測點。

   4.3錨索計的布置

   錨索計在大纜和有代表性的吊桿上布置。

   每根大纜由14股127絲φ5.3mm的鍍鋅高強鋼絲組成,選擇其中的3股鋼絲進行索力監測,6根大纜共計24個測點。

   吊索的監測方案是選擇具有代表性的吊索進行監測,包括:最長吊索、最短的兩根吊索以及跨中附近的吊索,共計32個測點。

   4.4主梁位移測點的布置

   主梁的撓度測點布置在主跨的跨中,共4個測點。

   錨梁的縱向位移計布置在錨固梁端部支座處,共4個測點。

   4.5大纜線形測點的布置

   大纜線形測點布置在大纜的處,共4個測點。

   4.6索塔偏位測點的布置

   索塔偏位測點布置在索塔的塔頂處,共2個測點。

   各種傳感器的測點位置和測點總數見表2

   5 結束語

   現代化大型橋梁是交通主干道的重要節點,對交通運輸區域發展具有重大影響,是國家、地區經濟發展與技術進步的象征,因此橋梁運營期的健康監測近年來受到了業內人士的普遍關注。本文以成都市清水河大橋為工程依托,對橋梁安全運營期遠程健康監測的實施原理、傳感器選擇布置及監測內容等技術進行了詳細的闡述,豐富了橋梁健康監測系統的方法。
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