橋梁結構健康監測系統
光纖儀器監測子系統、振弦儀器監測子系統設計
方案北京基康科技****
橋梁結構健康監測系統設計方案
——光纖儀器監測子系統、振弦儀器監測子系統
1、設計依據與目標
由於橋梁在運營期間會受到氣候、氧化、腐蝕或老化等因素的影響，及長期在恆載和活載的作用下遭受損壞，其強度和剛度會隨時間的增加而降低，這不僅影響了安全行車，也會使橋梁的使用壽命縮短。因此有必要在現有技術水平的基礎上，設計集計算機通訊及網路、現代感測器檢測、監測技術的，基於監測、狀態分析評估和橋梁養護管理等方面的健康監測系統，用以監測和評估橋梁營運狀態，為養護管理提供科學依據。
所建立的橋梁健康監測系統與傳統的檢測技術不同，它不僅要求在測試上具有快速大容量的資訊採集與通訊能力，而且力求對結構整體行為的實時監控和對結構狀態的智慧型化評估。它通過對以下幾個方面進行監控：
·橋梁結構在正常環境與交通條件下運營的物理與力學狀態
·橋梁重要非結構構件（阻尼器）和附屬設施（如振動控制項）的工作狀態
·結構構件耐久性
·大橋所處環境條件等等
獲得對橋梁結構狀態的監控與評估，達到為大橋在特殊氣候、交通條件下或橋梁運營狀況嚴重異常時觸發預警訊號，為橋梁維護維修與管理決策提供依據和指導的目的。
2、結構健康監測設計
為達到上述目標，大橋在工程建設的同時，以主航道橋以及深水區105m跨連續梁橋為重點監測段，以其中的主塔、箱梁為主要監測物件，以結構靜力、樑端轉角變形、結構不均勻沉降以及結構與環境溫度為重點監測內容，布設相應的監測儀器，建立起結構健康監測系統。具體監測設計如下：
2.1 主航道橋
對主航道橋的監測包括梁部的監測和主塔監測。詳細儀器布設見設計圖紙「主通航橋監測儀器總布置圖」及各「截面監測儀器布置圖」。
2.1.1 梁部的監測
對箱梁的監測包括箱梁結構靜力、樑端轉角變形以及箱梁結構與環境的溫度監測，以主航道橋中跨處所在9號鋼箱梁為主監測斷面，具體監測布設如下圖1，詳細如下：
1、結構靜力監測：按主航道橋結構應力計算分析為依據，以主航道橋中跨處所在9號鋼箱梁為重點，共選擇5個觀測截面，分別在3＃、5＃、9＃、13＃、15＃鋼箱梁中間部位。其中在3＃、5＃、13＃、15＃鋼箱梁頂板和底板沿縱向各布設4支應變計，以及溫補用溫度計4支。
9＃鋼箱梁則是在頂板和底板沿縱向各布設6支應變計，另沿橫向各布設4支應變計，頂板布設溫補用溫度計7支，底板布設溫補用溫度計5支，另外布設6支鋼溫度計以監測鋼結構本身溫度。
2、溫度監測：選擇在9＃鋼箱梁觀測斷面處，沿頂板、底板共布設18支溫度計，用於監測結構溫度。另為監測環境溫度，在箱梁外部布設1支氣溫計，在箱梁內部空間布設2支氣溫計。
3、橋梁轉角監測：為監測橋梁轉角變化情況，在主通航橋梁兩端各選擇乙個觀測截面，每個觀測截面在橋的上下游側各布設1支位移計，共設4支位移計，監測位移變形情況；另在橋的上下游側各布設1支傾角計，監測橫向傾斜變化。
2.1.2 塔部監測
以兩主塔為監測物件，設計布設有結構靜力和溫度監測儀器，具體如下：
1、主塔靜力監測：在兩混凝土主塔各布設乙個觀測斷面，每個斷面沿縱向布設4支混凝土應變計。
2、溫度監測：在兩混凝土主塔觀測斷面，每個斷面各布設8支溫度計，監測結構溫度。另為監測環境溫度，選擇在其中乙個主塔上，布設1支氣溫計。
2.1.3 阻尼器變形監測
在兩主塔阻尼器上各布設乙個觀測斷面，每個斷面在大橋上下游側各布設1支位移計，共布設4支位移計，監測阻尼器在橋梁執行期間的變形情況。
2.2 深水區105m連續梁
除主航道橋的監測外，還選擇深水區105m跨連續結合梁布設觀測儀器，對連續梁的結構靜力、溫度以及橋梁不均勻變形進行監測，主測斷面選擇布設在連續梁主跨跨中所在的8＃箱梁，詳細監測儀器布設見設計圖紙「105m連續梁橋監測儀器總布置圖」及各「截面感測器布置圖」。具體監測布設如圖2，詳述如下：
圖2 105m連續梁監測布置圖
2.2.1連續梁結構靜力監測
選擇在2＃箱梁中間部位、3＃、7＃箱梁墩台支點處以及8＃箱梁的中間部位，布設應變計對箱梁的靜力進行監測。這四個觀測截面所有布設的應變計沿縱向布設，每個觀測斷面共布設8支應變計，其中2支為混凝土應變計，布設在頂板下部箱梁內側，其餘6支為鋼應變計，布設在箱梁下部的鋼體內側。在2＃、3＃、7＃、8＃箱梁上緊貼度變計各布設8支溫度計用於溫度補償。
8＃箱梁除了布設的8支溫補用溫度計外，再加布3支鋼溫度計和3支砼溫度計，以監測鋼體及混凝土溫度。
2.2.2 溫度監測
為監測箱梁結構的溫度，在連續樑僅布設乙個觀測斷面，該斷面選擇在連續梁主跨跨中的8＃箱梁上，其中在頂部混凝土板的上面布設3支度計，下面布設2支溫度計，作溫補的同時也監測混凝土溫度。在箱梁底部的鋼體上布設9支溫度計，監測鋼體溫度，同時為應變計作溫補。另為監測環境溫度，在箱梁內部布設1支氣溫計。
2.2.3 連續梁不均勻沉降變形
為監測連續梁可能的不均勻沉降變形，選擇在連續梁每跨跨中及墩台支點處，各布設乙個沉降測點，採用靜力水準系統進行觀測，共布設一套該監測系統，共布設測點21個。
2.3 各監測專案技術要求
針對上述各監測專案的儀器，按本專案設計目標的要求，對其測量範圍、測量精度以及測讀頻次，設計要求如下：
2.3.1 主通航橋
1、混凝土及鋼結構靜力監測的應變計
要求測量範圍至少2000με，測量精度1με，取樣頻率為20hz。
2、混凝土及鋼結構溫度監測以及環境大氣溫度監測的溫度計（氣溫計）
要求測量範圍至少在-20℃～70℃，測量精度0.2℃，取樣頻率為1min/次。
3、樑端轉角變形監測
用於樑端位移監測的位移計，量程200mm，測量精度1mm，取樣頻率為20hz。用於監測樑端橫向傾斜的傾角計，量程±2°，測量精度0.1°，取樣頻率為10min/次。
4、阻尼器位移監測的位移計
用於阻尼器位移監測的位移計，量程200mm，測量精度1mm，取樣頻率為20hz。
2.3.2 105m跨連續梁
1、混凝土及鋼結構靜力監測的應變計
要求測量範圍至少2000με，測量精度1με，取樣頻率為20hz。
2、混凝土及鋼結構溫度監測以及環境大氣溫度監測的溫度計（氣溫計）
要求測量範圍至少在-20℃～70℃，測量精度0.2℃，取樣頻率為1min/次。
3、連續梁不均勻沉降監測的靜力水準儀
要求測量範圍50mm，測量精度為0.1mm，取樣頻率為2次/天。
2.4 監測儀器工程量
依據上述監測設計布置，各部位布設的監測儀器工程量清單如下表1。
表1－1主通航橋監測儀器工程量清單
表1－2深水區105m跨連續梁結合橋工程量清單
3、監測儀器選型
3.1 選型依據
由於橋梁空間跨度大、約束點多、結構變形複雜，為獲得反映整個橋梁健康狀態的引數，需要在橋梁的各個重要部位設計布設並安裝各種不同型別的感測器。這些不同型別的感測器離散的分布在橋梁上，組成感測器網路，而要實時獲取這些感測器的監測資料，需要配套建立起自動採集系統，而比較各類採集系統，採用分布式資料採集系統是最適合工程需要的。另外由於橋梁空間跨度較大，經常是幾百公尺甚至上千公尺，這就要求這個資料採集系統具有一定遠距離資料採集和資料傳輸能力。
而且做為橋梁長期實時監測系統，一般都要把該系統放置在離橋梁有些距離的橋梁監控室，所以這就要求測試系統中的感測器也需要有一定的遠距離訊號傳輸能力。
3.1.1 光纖光柵感測器
光纖光柵（fiberbragggrating,fbg）感測器作為一種新型光纖感測器，可以用來測量包括應變、應力、溫度、振動、壓力、電壓以及一些化學量等多個物理量，其應用領域非常廣泛。同時fbg感測器陣列可以實現分布式的感測器網路，對被測物件進行多點測量，提取相關的訊號，進行狀態分析，達到示警以及故障診斷的目的，而且其傳輸距離可以達50多公里，能進行動態監測。
橋梁健康監測描述
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