1 前言
連續(xù)剛構(gòu)橋綜合了連續(xù)梁橋和T型剛構(gòu)橋的受力特點，由連續(xù)梁體與薄壁橋墩固結(jié)而成。它具有改善行車條件、減少支座設(shè)置、減小梁跨中彎矩、降低梁建筑高度等優(yōu)點。連續(xù)剛構(gòu)橋常采用大跨徑、高墩結(jié)構(gòu)，高墩采用柔性薄壁，減小了主梁嵌固作用，使梁的受力接近于連續(xù)梁。
我國橋梁發(fā)展起步較晚，但隨著近十幾年來橋梁建設(shè)速度的逐步加快，主跨跨徑在100m~300m范圍內(nèi)的連續(xù)剛構(gòu)橋比比皆是。由于該橋型在一定跨度范圍內(nèi)具備獨有的優(yōu)勢，因此在設(shè)計跨越大江、大河及山谷的橋梁時常優(yōu)先考慮這種橋型。國內(nèi)已建成的大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋見下表：
國內(nèi)已建的典型剛構(gòu)橋 表1
序號
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橋梁名稱
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竣工年份
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最大跨度（m）
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1
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沅陵大橋
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1991
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140
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2
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三門峽黃河公路大橋
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1993
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160
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3
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廣東南海金沙大橋
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1994
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120
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4
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黃石長江大橋
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1995
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245
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5
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虎門大橋副航運橋
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1997
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270
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6
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重慶黃花園大橋
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1999
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250
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7
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下沙大橋
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2003
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232
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8
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下白石大橋
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2003
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260
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9
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石板坡長江復(fù)線橋
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2006
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330
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近十幾年來，連續(xù)剛構(gòu)橋逐步向輕巧、纖細方面發(fā)展，但隨著橋梁自重、跨長的不斷增加以及設(shè)計、施工、材料等方面原因，連續(xù)剛構(gòu)橋在使用過程中產(chǎn)生的典型病害如下：
（1） 跨中持續(xù)下?lián)希?br />
?。?） 跨中和L/4截面箱梁腹板和底板出現(xiàn)斜向和橫向受力裂縫；
?。?） 墩頂0號塊梁段開裂。
其中，國內(nèi)大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋典型案例如下：
?。?）黃石長江大橋建于1995年，該橋運營一年后，箱梁內(nèi)外側(cè)腹板出現(xiàn)斜向裂縫。2002年再次檢測時發(fā)現(xiàn)主跨跨中累計下?lián)献畲筮_30.5cm。
?。?）三門峽黃河公路大橋主橋于1999年檢測時發(fā)現(xiàn)，腹板出現(xiàn)大量斜向裂縫。2002年再次檢測時發(fā)現(xiàn)主跨跨中下?lián)献畲筮_22cm。
?。?）廣東南海金沙大橋于2000年檢測時發(fā)現(xiàn)跨中撓度達22cm，主跨箱梁腹板出現(xiàn)大量斜裂縫，最大裂縫寬度達1.15mm。
?。?）虎門輔航道橋于2003年檢測時發(fā)現(xiàn)左幅跨中下?lián)?2.2cm，右幅跨中下?lián)?0.7cm，遠遠超出設(shè)計預(yù)留的10cm徐變預(yù)拱度，箱梁腹板產(chǎn)生斜裂縫且跨中底板附近出現(xiàn)橫向受力裂縫。
大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋梁病害的出現(xiàn)使橋梁的承載能力和耐久性降低，因此，建立大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的健康監(jiān)測和安全評價系統(tǒng)是必要的和緊迫的，大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)對研究連續(xù)剛構(gòu)橋梁在實際過程中的靜動力特性變化、長期工作性能、荷載水平、工作環(huán)境變異、橋梁工作狀況、災(zāi)害預(yù)防和保證橋梁正常使用、科學(xué)決策橋梁養(yǎng)護和維修等具有重要意義。
由于多種原因，我國目前對大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋梁建立監(jiān)測和安全評估系統(tǒng)的案例還為數(shù)不多。本文將以韓家店I號特大橋為工程背景，介紹連續(xù)剛構(gòu)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計思路、監(jiān)測內(nèi)容、儀器選擇、測點布置、信號采集與傳輸?shù)葍?nèi)容的設(shè)計及實現(xiàn)，旨在對類似工程實施起拋磚引玉之用。
2 健康監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用及特點
自80年代中后期，國內(nèi)外已相繼建立各種規(guī)模的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。安裝最早且較為完整的監(jiān)測系統(tǒng)之一是英國在總長522m的鋼箱梁橋Foyle橋上設(shè)置的監(jiān)測系統(tǒng)，通過埋設(shè)傳感器監(jiān)測大橋運營階段在車輛與風(fēng)載作用下主梁的振動、撓度和應(yīng)變等響應(yīng)，同時監(jiān)測環(huán)境風(fēng)和結(jié)構(gòu)溫度場。該系統(tǒng)最早實現(xiàn)了實時監(jiān)測、實時分析和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享。其他典型橋梁如丹麥主跨1624m的Great Belt East懸索橋、挪威的主跨530m的Skarnsundet斜拉橋、美國主跨440m的Sunshine Skyway Bridge斜拉橋、英國主跨194m的Flintshire獨塔斜拉橋以及加拿大的Confederatiot Bridge橋。我國自90年代起也在一些大型重要橋梁上建立了不同規(guī)模的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，如香港青馬大橋、汲水門大橋、汀九大橋、上海徐浦大橋、江陰長江大橋、山東東營黃河公路大橋、廣東虎門大橋、蕪湖長江大橋、潤揚長江大橋、蘇通長江大橋等等。
從已經(jīng)建立的監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測目標(biāo)、功能以及系統(tǒng)運行等方面看，這些監(jiān)測系統(tǒng)具有以下一些共同特點：
?。?）監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)在正常環(huán)境與交通條件下運營的物理與力學(xué)狀態(tài)，對結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息進行記錄并分析；
?。?）除監(jiān)測結(jié)構(gòu)本身的狀態(tài)和行為以外，還對結(jié)構(gòu)環(huán)境條件（如風(fēng)、車輛荷載等）進行監(jiān)測和記錄，以利于進一步分析評價結(jié)構(gòu)環(huán)境對結(jié)構(gòu)的影響；
?。?）服務(wù)于大橋的施工監(jiān)控、成橋靜載動載試驗驗收和運營階段的整個過程，力求連續(xù)、完整地獲取大橋結(jié)構(gòu)信息；
?。?）具有自動采集、通訊與處理大容量信息能力，且實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享。
3 韓家店I號特大橋簡介
韓家店Ⅰ號特大橋是國家主干線出海通道G75蘭海高速公路上的一座特大型橋梁，主橋為（122+210+122）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，全長為454m。橋梁全寬22.5m，箱梁為三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，采用單箱單室截面，頂板寬22.5m，底板寬11m，箱梁頂面翼緣板設(shè)置2.0％的雙向橫坡。箱梁跨中及邊跨支架現(xiàn)澆段梁高3.5m，箱梁根部及0號梁段梁高12.5m。主墩采用雙薄壁墩身，群樁基礎(chǔ)。該橋設(shè)計荷載：汽-超20級，掛-120，于2006年建成通車。
韓家店Ⅰ號特大橋主橋運營四年時間，出現(xiàn)了主跨跨中下?lián)?，箱梁頂、底板開裂等病害。為延緩結(jié)構(gòu)下?lián)?，提高結(jié)構(gòu)安全儲備，對該橋進行加固維修設(shè)計，加固設(shè)計內(nèi)容主要包括：
?。?）橋面鋪裝改造；
?。?）箱梁內(nèi)增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力；
?。?）箱梁腹板粘貼鋼板并加厚；
（4）箱梁頂、底板粘貼碳纖維布。
目前，韓家店Ⅰ號特大橋主橋正在進行加固施工工作，橋面鋪裝正在鑿除，體外預(yù)應(yīng)力鋼束齒板、轉(zhuǎn)向塊的混凝土澆筑工作正在進行，箱梁內(nèi)側(cè)施工支架、吊架已搭設(shè)完畢，為健康監(jiān)測系統(tǒng)安裝實施提供了便利。
4 韓家店I號特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計
3.1 設(shè)計原則
?。?）通過自動化監(jiān)測系統(tǒng)獲取橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)的變化，進行結(jié)構(gòu)安全評估；
?。?）采用撓度傳感器獲取結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位撓度狀況，分析結(jié)構(gòu)撓度變化趨勢；
（3）對自動監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行分析，為大橋的加固及養(yǎng)護維修決策提供依據(jù)。
3.2 設(shè)計思路
為了確保韓家店Ⅰ號特大橋運營狀態(tài)監(jiān)測與健康診斷系統(tǒng)的科學(xué)性、適用性以及良好的性價比，需要正確的設(shè)計思想，因此系統(tǒng)的監(jiān)測參數(shù)及測點布置、系統(tǒng)硬件、軟件及控制系統(tǒng)、安全評估方法都必須綜合考慮。基于此認識，對系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)、測點布置、硬件系統(tǒng)及軟件作如下考慮：
?。?）系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)
韓家店Ⅰ號特大橋的監(jiān)測重點是恒載下的結(jié)構(gòu)靜態(tài)參數(shù)，通過在關(guān)鍵截面布置位移測點和應(yīng)變測點分別來獲得橋梁安全評價重要指標(biāo)——橋梁的撓度、線形、應(yīng)力以及全橋的溫度場。此外，考慮到外界環(huán)境溫度對橋梁的撓度和應(yīng)變影響很大，在全橋的關(guān)鍵部位布置溫度測點以期獲得全橋的溫度場，實現(xiàn)對撓度和應(yīng)變進行模型修正。
（2）系統(tǒng)硬件選擇
應(yīng)力應(yīng)變傳感器及撓度傳感器擬選用傳統(tǒng)的有線傳輸設(shè)備與無線傳輸設(shè)備相結(jié)合的系統(tǒng)和產(chǎn)品。一方面無線傳輸設(shè)備實現(xiàn)了監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接，實時數(shù)據(jù)傳送；另一方面，有線傳輸設(shè)備又為整個監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)穩(wěn)定輸出提供了保證。
將計算機、處理器、通信模塊、電源模塊等設(shè)置在橋梁現(xiàn)場機房，承擔(dān)大橋監(jiān)測數(shù)據(jù)的集中采集、存儲和預(yù)處理。為便于交通管理部門對大橋健康安全狀態(tài)統(tǒng)一管理，在大橋附近的隧檢所設(shè)置一監(jiān)控中心承擔(dān)橋梁的安全監(jiān)控任務(wù)，同時實現(xiàn)對橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)的備份，避免由于計算機故障或停電的原因造成監(jiān)測數(shù)據(jù)丟失。
?。?）系統(tǒng)軟件
系統(tǒng)軟件采用功能化、模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計并設(shè)置相關(guān)的調(diào)試、診斷模塊，方便調(diào)試、維護、升級，界面設(shè)計簡潔而友好。
?。?）預(yù)警報警
橋梁結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生異常情況，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會捕捉異常信號，同時會以燈光、聲音和網(wǎng)絡(luò)信息的形式進行預(yù)警。
總之、本系統(tǒng)最終要實現(xiàn)的功能是基于無線通訊技術(shù)，對大橋關(guān)鍵部位的位移、應(yīng)變、溫度等參數(shù)進行無線遠程自動實時監(jiān)測；根據(jù)有限點監(jiān)測數(shù)據(jù)，對橋梁關(guān)鍵部位及整體的安全狀況進行評估，評估結(jié)果可視化，根據(jù)安全等級進行自動報警，并與其日常養(yǎng)護管理形成聯(lián)動機制。
3.3 監(jiān)測內(nèi)容
韓家店I號特大橋主要進行整體線形監(jiān)測和結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測。此外，還考慮橋梁加固預(yù)應(yīng)力張拉效果測試：① 對新施加體外預(yù)應(yīng)力進行應(yīng)力監(jiān)控；② 對順橋向伸縮量進行監(jiān)控。
4 韓家店I號特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成
韓家店I號特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成圖1所示。
圖1 韓家店I號特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成圖
4.1 測點布置原則
?。?）結(jié)合連續(xù)剛構(gòu)橋受力特點，在跨中、1/4跨、墩頂?shù)汝P(guān)鍵性斷面集中布置測點。盡可能布點均勻，左右對稱。
?。?）在結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生最大位移或最大應(yīng)力處布置測點，特別在結(jié)構(gòu)易發(fā)生病害位置處布置測點，通過監(jiān)測橋梁病變位置的內(nèi)力、變形狀態(tài)，達到安全預(yù)警預(yù)報的目的。
?。?）在滿足監(jiān)測要求的前提下，盡量減少測點以降低成本。
?。?）滿足易拆、可換的原則。
4.2 測點布置方案
?。?）應(yīng)力測點布置方案
根據(jù)對該橋特點和結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，確定橋梁營運階段的最不利截面為6個。
圖2 主要控制截面示意
在9號墩上部支點截面（S2）安裝5個應(yīng)變傳感器（左右腹板各1個，箱梁頂板安裝3個；在跨中截面（S4）安裝6個應(yīng)變傳感器，其中包括箱內(nèi)頂板及底板各三個；其他截面，如邊跨跨中截面和中跨1/4L截面（S1、S3、S5、S6）各安裝4個應(yīng)變傳感器，其中包括箱內(nèi)頂板及底板各兩個，測點布置如圖3所示。
圖3 主要控制截面應(yīng)力測點布置示意
?。?）撓度測點布置方案
撓度測點布置主要為測量橋梁的線形，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力分析，在橋梁縱向6個關(guān)鍵截面布置撓度傳感器。如圖4所示。
圖4 主要控制截面撓度測點布置示意
?。?）溫度、濕度測點布置方案
溫度是影響橋梁撓度的主要因素之一，因此，需對橋面和箱內(nèi)、橋梁的陰面和陽面進行溫度監(jiān)測，獲得與應(yīng)力及位移相對應(yīng)的大氣溫度以及主跨箱體溫度，為應(yīng)力和撓度的測試進行補償修正，并校核設(shè)計取值，評估溫度荷載引起的結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力變化和對結(jié)構(gòu)安全的影響。
溫、濕度測點截面布置在主橋邊跨跨中、中跨跨中處。溫度傳感器、濕度傳感器裝在這些截面所在的主梁腹板、內(nèi)外緣。
圖5 溫度、濕度測點布置示意
4.3儀器的選擇及主要性能指標(biāo)
傳感器的選擇要遵循技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、性能可靠適用、長期穩(wěn)定等原則
來進行選取，韓家店I號特大橋主橋健康監(jiān)測系統(tǒng)選用的儀器類型如下圖所示：
圖7 傳感器
儀器主要性能指標(biāo)表 表2
儀器名稱
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型 號
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量 程
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分辯率
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精 度
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靜力水準儀
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YH-2120A
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200mm
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0.01mm
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0.2mm
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應(yīng)變計
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YH0212
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3000με
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1με
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1%
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濕度計
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YH-4900A
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0-90%
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1%
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5%
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溫度計
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YH-5100A
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-20℃~+80℃
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0.5℃
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0.01%
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4.4 數(shù)據(jù)的采集與傳輸
連續(xù)剛構(gòu)橋監(jiān)測系統(tǒng)包含的傳感器種類相對單一、分布范圍也相對較集中，只在全橋范圍內(nèi)設(shè)一個采集工作站。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由布設(shè)在大橋橋頭的采集工作站和各監(jiān)測點到工作站間的傳輸網(wǎng)絡(luò)組成。工作站中設(shè)光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀和撓度總線采集模塊，分別對光纖光珊類傳感器信號和撓度信號進行采集、解調(diào)以及顯示。本橋健康監(jiān)測系統(tǒng)建立了一套實用的采集制度：正常情況下監(jiān)測每天溫度最高和溫度最低時段，交通高峰期時段；其余時段根據(jù)設(shè)計值及驗收相關(guān)數(shù)據(jù)對各類參數(shù)設(shè)置采集閥值，當(dāng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)大小超過該閥值時開始采集。
圖8 數(shù)據(jù)采集架構(gòu)
通訊服務(wù)器軟件運行在具有公網(wǎng)IP的中心主站計算機上，負責(zé)在傳輸網(wǎng)絡(luò)中接收并解析下端數(shù)據(jù)采集儀上傳的實時數(shù)據(jù)，并將解析后數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫中以備監(jiān)控中心軟件查詢分析的軟件。此外，通訊服務(wù)器還作為數(shù)據(jù)采集儀遠程設(shè)置和升級的轉(zhuǎn)發(fā)控制功能，其傳輸協(xié)議按國家環(huán)保局數(shù)據(jù)采集儀通訊協(xié)議執(zhí)行，并在此協(xié)議基礎(chǔ)上滿足遠程設(shè)置及升級的協(xié)議命令的轉(zhuǎn)發(fā)。
圖9 數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)
4.5 數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)
橋梁健康監(jiān)測的目的是為了及時發(fā)現(xiàn)橋梁的安全隱患。其數(shù)據(jù)分析處理結(jié)果的有效性和本身的效率對整個數(shù)據(jù)分析處理性能的發(fā)揮起著關(guān)鍵作用，應(yīng)能從監(jiān)測數(shù)據(jù)中準確而有效地尋找出異常（觀測）值，捕捉橋梁一切可能產(chǎn)生病變的線索，對異常數(shù)據(jù)進行可靠性分析，初步判斷異常值產(chǎn)生的原因，根據(jù)原因做出相應(yīng)的處理。
大橋結(jié)構(gòu)的評估控制系統(tǒng)應(yīng)密切結(jié)合本橋的特點和設(shè)計理論控制值、環(huán)境溫度等因素，對橋梁構(gòu)件的不正常表現(xiàn)做出及時診斷并找出其根源，及時發(fā)現(xiàn)災(zāi)難性破壞的隱患，其系統(tǒng)的主要功能有以下幾部分：
1）制定橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)的評價指標(biāo)：主要是對主梁變形、應(yīng)力變化及動力參數(shù)等關(guān)鍵指標(biāo)做出限制，對橋梁結(jié)構(gòu)各部件制定評定標(biāo)準，采用綜合評定方法評定全橋總體技術(shù)狀況。
2）設(shè)定日常報警系統(tǒng)，用于橋梁的日常運營管理。
5 結(jié)語
隨著國民經(jīng)濟快速發(fā)展，人們對于橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和適用性也提出了更高的要求。同時，人工檢測的低效性遠遠落后于橋梁的建設(shè)與發(fā)展，因此開展大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究工作就顯得尤為迫切。本文結(jié)合連續(xù)剛構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)受力特點，以韓家店I號特大橋主橋為依托工程背景，根據(jù)健康監(jiān)測系統(tǒng)以往實際工程應(yīng)用及特點，闡述了大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計思路、監(jiān)測內(nèi)容、儀器選擇、測點布置、信號采集與傳輸?shù)葍?nèi)容的設(shè)計及實現(xiàn)，以期為同類橋梁的健康監(jiān)測、設(shè)計和養(yǎng)護維修提供寶貴的借鑒經(jīng)驗，更好地推進連續(xù)剛構(gòu)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展。
