懸索橋運(yùn)營期遠(yuǎn)程健康監(jiān)測系統(tǒng)初探
2015-06-30
1項目概況
成都市二環(huán)路跨清水河交叉口立交工程，是成都市二環(huán)路上重要工程之一，在成都市道路交通網(wǎng)中占有重要的地位。該立交橋主橋橋型采用雙幅獨(dú)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(shè)四根主纜，采用預(yù)制平行索股逐根架設(shè)的施工方法(PPWS)。吊索采用鉛垂布置，在標(biāo)準(zhǔn)段間距4m，索塔兩側(cè)為7m，每個吊點(diǎn)設(shè)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(qiáng)鋼絲組成，選擇其中的3 股鋼絲進(jìn)行索力監(jiān)測，6 根大纜共計24 個測點(diǎn)。吊索的監(jiān)測方案是選擇具有代表性的吊索進(jìn)行監(jiān)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(diǎn)。傳感器布置見所示。
2．系統(tǒng)的工作內(nèi)容和集成方案
根據(jù)國內(nèi)外類似橋梁健康監(jiān)測技術(shù)研究和應(yīng)用情況，我們提出的清水河大橋健康安全監(jiān)控系統(tǒng)的集成方案如圖2所示。
在上述系統(tǒng)總體框架中各部分的主要工作內(nèi)容及關(guān)聯(lián)關(guān)系分述如下：
自動化傳感測試數(shù)據(jù)采集傳輸子系統(tǒng)：由傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)三個子系統(tǒng)構(gòu)成。
傳感器子系統(tǒng)：完成應(yīng)變、結(jié)構(gòu)溫度、索力、幾何變形、環(huán)境參數(shù)、動力特性等參數(shù)的參數(shù)采集工作。
數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)：負(fù)責(zé)傳感器信號的采集、調(diào)理、預(yù)處理、傳輸?shù)取?br />
數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)：將采集系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后提交給后續(xù)子系統(tǒng)使用。
結(jié)構(gòu)健康評估子系統(tǒng)：根據(jù)自動化傳感測試數(shù)據(jù)采集傳輸子系統(tǒng)采集回來的數(shù)據(jù)對橋梁狀況進(jìn)行綜合評估。
用戶界面子系統(tǒng)：安全監(jiān)測系統(tǒng)由諸多子系統(tǒng)及功能模塊組成，若各子系統(tǒng)及功能模塊均采用各自的用戶界面系統(tǒng)，用戶操作就極為不便，因此必須建立統(tǒng)一的用戶界面系統(tǒng)。用戶界面子系統(tǒng)主要實現(xiàn)諸如向用戶提供操作及管理界面、向用戶提供數(shù)據(jù)展示、提供系統(tǒng)的遠(yuǎn)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(tǒng)需完成結(jié)構(gòu)溫度、大纜索力、吊索索力、幾何變形、環(huán)境參數(shù)、動力特性等參數(shù)的參數(shù)采集工作。傳感器系統(tǒng)的選擇依照以下原則進(jìn)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(yīng)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(yīng)該和采集與傳輸模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊匹配。因此傳感器的精度選擇應(yīng)本著服務(wù)于評估子系統(tǒng)的原則來進(jìn)行。
選擇滿足長期穩(wěn)定性與可更換性要求的傳感器
傳感器在實橋工作環(huán)境下能夠長期穩(wěn)定工作，其必須具備溫漂小、時漂小、可靠性高的特點(diǎn)。由于橋梁設(shè)計年限大大高于傳感器等光、電產(chǎn)品，因此在整個橋梁的生命周期內(nèi)，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(shù)要求的傳感器
橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)始終處在不斷的變化中，因此，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行指定時間的實時監(jiān)測是必要的。通過實時監(jiān)測可以獲得橋梁結(jié)構(gòu)在變化荷載作用下的響應(yīng)，這對于分析橋梁各時期結(jié)構(gòu)剛度狀態(tài)、記錄橋梁的加載變化歷程從而進(jìn)行疲勞壽命分析有重要的作用。傳感器系統(tǒng)具有較高的采樣頻率的另外一個好處就在于便于實現(xiàn)全橋傳感器系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)的同步，否則各傳感器數(shù)據(jù)不同步將導(dǎo)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(shù)的監(jiān)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(yīng)盡量選擇便于采集的傳感器。這樣可以大大簡化采集系統(tǒng)的設(shè)計，并且具有更高的可靠性。一般而言，按照監(jiān)測內(nèi)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(jiān)測項目的擬定
健康監(jiān)控系統(tǒng)必須監(jiān)控橋梁關(guān)鍵部位的重要信息，包括：
重要的環(huán)境參數(shù)（環(huán)境溫度）
關(guān)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(jié)構(gòu)的監(jiān)控（大纜、吊索的索力）
橋上交通情況
4.2環(huán)境溫濕度儀的布置
橋址小氣象觀測采用環(huán)境溫濕度儀在線監(jiān)測，環(huán)境溫濕度測點(diǎn)分別布置在索塔（1個）和主梁（2個），共計3個測點(diǎn)。
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(qiáng)鋼絲組成，選擇其中的3股鋼絲進(jìn)行索力監(jiān)測，6根大纜共計24個測點(diǎn)。
吊索的監(jiān)測方案是選擇具有代表性的吊索進(jìn)行監(jiān)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(diǎn)。
4.4主梁位移測點(diǎn)的布置
主梁的撓度測點(diǎn)布置在主跨的跨中，共4個測點(diǎn)。
錨梁的縱向位移計布置在錨固梁端部支座處，共4個測點(diǎn)。
4.5大纜線形測點(diǎn)的布置
大纜線形測點(diǎn)布置在大纜的處，共4個測點(diǎn)。
4.6索塔偏位測點(diǎn)的布置
索塔偏位測點(diǎn)布置在索塔的塔頂處，共2個測點(diǎn)。
各種傳感器的測點(diǎn)位置和測點(diǎn)總數(shù)見表2
5 結(jié)束語
現(xiàn)代化大型橋梁是交通主干道的重要節(jié)點(diǎn)，對交通運(yùn)輸區(qū)域發(fā)展具有重大影響，是國家、地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步的象征，因此橋梁運(yùn)營期的健康監(jiān)測近年來受到了業(yè)內(nèi)人士的普遍關(guān)注。本文以成都市清水河大橋為工程依托，對橋梁安全運(yùn)營期遠(yuǎn)程健康監(jiān)測的實施原理、傳感器選擇布置及監(jiān)測內(nèi)容等技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，豐富了橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的方法。
