某大桥在线健康与安全监测系统设计方案.pdf
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1、目目录录1.引言.11.1 桥梁在线健康与安全监测目的、意义及必要性.11.2 传统检测与无线监测.21.3 桥梁在线健康与安全监测系统示意图.31.3.1 桥梁在线健康与安全监测系统的优点.31.3.2 桥梁在线健康与安全监测系统优势.32.项目概述、设计依据和原则.52.1 项目概述.52.2 设计依据.52.3 在线健康与安全监测系统设计原则.63系统总体设计思路和目标.73.1 系统设计总体思路.73.2 总体目标.84大桥健康监测系统的设计.114.1 监测子系统.114.1.1 监测子系统参数的确定.114.2 传感器的选型.124.2.1 传感器选型原则.124.2.2 传感器的
2、选型.134.3 桥梁测点的确定.154.3.1 环境参数监测.154.3.2 桥梁结构整体性能监测.164.3.3 结构应力/应变监测.184.3.4 结构振动特性与振动水平.194.4 供电系统设计.204.5 监控中心.204.5.1 设计原则.204.5.2 总体布置.214.5.3 设备选型.214.5.4 系统连接示意图.214.5.5 监控中心平面布置图.224.6 系统防雷.225.系统数据的采集与传输.245.1 在线健康与安全监测系统无线数据传输方式.245.1.1 无线数传模块.245.1.2 无线远程实时监测结构图.255.1.3 无线远程数传采集系统具备的特点.255
3、.2 系统自诊断.266.数据处理与控制系统.286.1 数据处理.286.2 数据优化控制.287.软件系统.17.1 软件系统设计.17.2 软件系统功能.17.3 软件功能演示.27.4 系统预警功能.611.引言引言1.1 桥梁桥梁在线健康在线健康与安全与安全监测目的、意义及必要性监测目的、意义及必要性多年来,桥梁结构的安全状况一直是公众特别关心的问题。现代化大型桥梁是交通主干道的重要节点,对交通运输区域发展具有重大影响,是国家、地区经济发展与技术进步的象征。然而,目前国内外许多桥梁都存在不同程度的隐患,我国许多重要的大型桥梁都没有建立保证安全性和耐久性的维护系统。由于缺乏大桥结构整体
4、性的安全监测系统,对结构状态的任何异常不能及时发现,以做出相应的防患措施,一些城市已发生大桥严重的质量事故,造成很大的经济损失和不良的社会影响。分析产生上述事故的原因很复杂,除设计与施工方面的原因以外,这些桥梁长期处于超负荷运营状态,致使许多构件的疲劳损伤加剧,也是导致倒塌的重要原因。如果能对桥梁的疲劳损伤进行监测,从而对桥梁的健康状况给出评估,在灾难来临之前给出预警,将会大大减少惨剧的发生。现代桥梁设计方向是更长、更轻柔化、结构形式与功能日趋复杂化。虽然在设计阶段已经进行了大量的勘测、结构动力性能模拟实验等科研工作,然而由于大型桥梁的力学和结构特点以及所处的特定地质条件和气候环境,在大桥设计
5、阶段完全掌握和预测结构在各种复杂环境和运营条件下的结构力学特性和行为是非常困难的。因此,为确保特大桥的运营期间的结构安全、实施经济合理的维修计划、实现安全经济的运营及查明结构响应原因,建立桥梁安全监控系统是非常必要的。桥梁安全监控系统是桥梁安全控制、结构养护决策系统的支撑条件之一。建立结构健康监测系统的目的在于保证桥梁结构的可靠性,监测结构的承载能力、运营状态和耐久性能等,以满足桥梁设计预定的功能要求。主要目的为以下几个方面:对成桥目标进行有效控制,修正在施工过程中各种影响成桥目标的参数误差对成桥目标的影响,确保成桥运营期间结构受力和线形满足设计要求。1、受力要求。反映大桥受力的因素包括主梁关
6、键的截面应力状况。2、线形要求。线形主要是主梁的标高。成桥后(通常是长期变形稳定后)主2梁的标高要满足设计标高的要求。通过实时的结构参数监控,对于桥梁的重要参数的长期变化可以有较为详细地掌握,从而及时有效地反馈大桥的安全状况。其意义主要有:(1)及时把握桥梁结构运营阶段的工作状态,识别结构损伤以及评定结构的安全、可靠性与耐久性;(2)为运营、维护、管理提供决策依据,监控桥梁加固过程中的安全;(3)验证桥梁加固的效果,评估桥梁结构的安全状况,保障结构的使用安全,具有重要的社会意义、经济价值和广泛的应用前景。为了实施有效的养护维修和管理,使该桥的使用性能得以改善,寿命得以延长,减少和避免灾难性事故
7、的发生,推动和促进行业的科技进步。就必须尽快发展与其规模和功能相适应的现代监测技术,加强对养护和管理方面的研究。采用无线数据传输系统的远程实时监测优点具有:(1)长期、全天候、实时监测;(2)自动化多点数据获取;(3)先进的无线网络,实现远程监控与管理;(4)测量费用低;(5)不干扰交通等显著的优点,从而在近几年得到了日益广泛的应用。桥梁在建成后,由于受到气候、腐蚀、氧化或老化等因素影响以及在长期静载和活载的作用下易于受到损伤,相应其强度和刚度会随时间的增加而降低。通过建立大桥结构健康监测,利用收集到的特定信息对大桥状态和安全进行评估,能科学地指导工程决策,实施有效的保养、维修与加固工作。1.
8、2 传统检测与无线监测传统检测与无线监测传统上,对桥梁的监测可以通过人工目测检查或借助于便携式仪器测量得到的信息来进行,但是人工检查方法在实际应用中有很大的局限性。(1)传统检测面临的困扰高风险:检测所处环境复杂险恶,人身安全难以得到保障;高成本:长期监测等于长期投入,成本较高,难以维系;3低效率:人工检测频率受限,受干扰因素多;服务差:测试数据难以评估结构健康状况;在特殊情况如极端天气条件下,难以获取有效数据。(2)在线监测的优点在线监测技术的发展很好的解决了目前传统人工检测中的不足;零风险:通过传感设备智能化的感知结构物信息,无需人员在场;低成本:一次投入,长期监测;高效率:能够全天候 2
9、4 小时实时监测、当结构物出现异常时,系统能够第一时间将预警信息以短信的方式通知相关管理人员;服务优:可测得连续海量数据,监测结构物长期性能发展,提供任意时段报告,在特殊情况如极端天气条件下,可稳定获取有效的数据。1.3 桥梁桥梁在线健康在线健康与安全与安全监测系统示意图监测系统示意图为了更好推动结构监测行业的发展,该桥梁安全监测系统把在线安全监测系统与云计算有机结合,为各个系统进行数据储存,数据分析,实现安全跟踪,实时响应,实时报警等强大功能。基于云物联技术的在线监测系统分为感知层、网络层和应用层三个层面。1.3.1 桥梁桥梁在线健康在线健康与安全与安全监测系统的监测系统的优点优点1、能够实
10、现远程自动化监控,无需人员多次进入施工现场;2、系统可实现无线传输,无需长距离布设线缆、光缆;3、实现测试数据信息化管理,相关人员可以通过不同权限登入以太网或者利用手机取得现场结构安全数据及安全评估信息;4、通过传感器得到丰富的荷载效应等数据,通过系统分析,并与计算结果进行对比,可以得出结构的实际状态变化发展趋势,了解结构的安全状况;5、当结构出现异常信息时,系统自动进行预报警,并通过短信方式将信息及时转达给相关管理人员,并提示后台及时对结构当前状态进行安全评估。1.3.2 桥梁桥梁在线健康在线健康与安全与安全监测系统优势监测系统优势1、结构安全监测提供商,可以为用户提供解决方案。2、行业内率
11、先提出系统集成标准化,最大化压缩项目时间、成本,复制性4高。3、系统都是自有产品,产品线长,对产品熟悉度高。4、建立云计算服务平台,实现远程无人在线健康监测。5、自成立来,服务于多个结构物,项目稳定性高。52.项目概述项目概述、设计依据和原则设计依据和原则2.1 项目概述项目概述此大桥主桥为 54+490+54 米预应力混凝土连续梁桥,桥梁全长 1255.4 米。主桥为分离式单箱双室断面,箱梁顶板宽 17 米,底板宽 11 米,跨中梁高 2.5 米,根部梁高 5.3 米。桥梁设计荷载为汽超20 级,通航等级为 V 级,地震基本烈度八度。540090009000图 2-1 此大桥结构示意图本项目
12、研究开发的桥梁结构健康与安全监测预警系统将直接应用于吴忠黄河大桥,为大桥今后的营运管理提供一个科学的智能决策系统。桥梁结构健康与安全监控预警系统不仅能节省桥梁建设与维护的巨额投资,保证大跨桥梁的安全施工与运营,而且还能大大提高大跨径桥梁的检查养护维修功效,合理分配使用桥梁养护维修资金,及时掌握大跨径桥梁的当前运营状态,防患于未然,延长桥梁结构的服务年限。2.2 设计依据设计依据桥梁在线健康与安全监测系统的实施,执行过程必须严格按照国家的相关规程有据、有序的组织实施。本桥梁在线健康与安全监测系统工程的主要依据如下:1.“大桥结构施工图设计文件”2.公路桥涵养护规范JTG H11-20043.桥梁
13、工程检测手册,人民交通出版社,201064.工程振动测量仪器和测试技术,中国计量出版社,20015.公路桥梁承载能力检测评定规程,交通部公路科学研究所,20116.桥涵工程试验检测技术,人民交通出版社,20047.公路工程质量检验评定标准JTG F80/1-20048.公路数据库编目编码规则JT/T 132-20039.自动控制系统设计标准,国家标准局,199910.软件工程国家标准GB/T8567-8811.综合布线系统工程验收规范GB 50312-200712.电子设备雷击保护导则GB/T7450-198713.计算机场地安全要求GB/T9361-201114.计算机软件可靠性和可维护性管
14、理GB/T1439320082.3 在线在线健康与安全健康与安全监测系统设计原则监测系统设计原则监测系统是提供获取桥梁结构信息的工具,使决策者可以针对特定目标做出正确的决策。(1)保证系统的可靠性可靠性:由于桥梁结构安全监测系统是长期野外实时运行,保证系统的可靠性。否则先进的仪器,在系统损坏的前提下也发挥不出应有的作用及效果。(2)保证系统的先进性先进性:设备的选择、监测系统功能与现在技术成熟监测及测试技术发展水平、结构安全监测的相关理论发展相适应,具有先进和超前预警性。(3)可操作和易于维护操作和易于维护性:系统正常运行后应易于管理、易于操作,对操作维护人员的技术水平及能力不应要求过高,方便
15、更新换代。(4)具有完整和扩容功能完整和扩容功能:系统在监测过程能够使监测内容完整、逻辑严密、各功能模块之间能够即相互独立、又能相互关联;能避免故障发生时整个系统的瘫痪。(5)以最优成本以最优成本控制:本方案的一个原则就是利用最优布控方式做到既节省项目成本、后期维护投入的人力及物力,又能最大限度发挥出实际监测、监测的效果。73系统总体设计思路和目标系统总体设计思路和目标3.1 系统设计总体思路系统设计总体思路此大桥在线健康与安全监控系统工程要紧密结合大桥实际情况,结合相关技术的发展。注重实用性实用性、可靠性可靠性、先进性先进性、可操作性可操作性、易维护性易维护性、完整性完整性和可扩可扩容性容性
16、等几个原则。大桥安全综合管理系统除了对安全监测建设中涉及的参数进行综合管理外,还综合考虑桥梁环境参数、运行车辆荷载信息等。总之,本系统坚持贯彻“技术可行、实施可能、经济合理”的基本原则,使得桥梁安全监测系统做到可用、实用、好用的程度,充分发挥作用,为大桥的养护管理以及安全运营提供技术上的支持。对于大桥的安全监测系统必须和桥梁的日常养护管理相结合。在线健康与安全监测系统可以为养护管理系统提供长期实时的监测数据,具有重要意义。8图 3-2 桥梁养护管理系统结构图为保障桥梁在线健康与安全监测系统良好运营,使安全监测系统真正发挥作用,建议建立监测中心监测中心并配备专业人员对系统进行实时监控,负责定期提
17、供监测报告。为桥梁管理部门解决安全监测系统使用的难题。3.2 总体目标总体目标本项目预期总体目标是:直接服务于此大桥的养护管理,为大桥的运营管理服务,确保大桥安全运营。同时,为此类大桥结构的健康与安全监控预警系统研究积累经验。大桥健康与安全预警系统研究成果应达到以下效果:(1)通过对交通荷载状况的监测,确定桥梁结构实际运营荷载水准,为桥梁结构使用工作性能评估提供明确的已知系统输入,并确定其对今后可能增长的交通荷载的适应能力,控制超限运输对桥梁结构造成的不利影响。(2)通过对桥梁结构使用内力、应力、变位等响应的监测与评价分析,了解9结构使用工作状况,评估不同应力水准下结构的安全可靠度,预计其使用
18、寿命。(3)通过对桥梁结构振动响应的监测分析,掌握结构动力性能,论证其抗风、抗震稳定性,确定桥梁使用过程中的振动环境控制条件,研究结构固有动力特性参数的演变,分析结构疲劳损伤,预报结构可能存在的隐患或质量衰退等。(4)记录大桥经历的重大荷载及事故历程,如:地震、超重交通荷载以及被车、船等撞击情况下的状况。可以此为基础,研究大桥构件是否存在损坏。(5)通过对使用中桥梁结构的动态跟踪检查及其所处环境条件的监测,及时查明结构现存缺陷与质量衰变,并评估分析其在所处环境条件下的可能发展势态及其对结构安全运营造成的可能潜在威胁,为养护需求、养护措施采用决策提供科学依据,以达到用较少的有限养护资金获得最佳养
19、护效果,确保结构安全运营的目的。(6)设定结构安全预警值。对大桥结构的健康状况、结构安全可靠性进行评估,进而给大桥运营者提供等级预警信息。当桥梁性能退化,超过预警值时,能给出警报,提示加强结构检查及维修。大桥在线健康与安全监控系统需要考虑多种因素,全面了解桥梁的情况才能建立一套在桥梁运营期真正适用的系统。监控系统首先必须考虑桥梁结构形式的特点,吸取设计单位的有关意见,针对不同桥型特点选取不同侧重点的监控项目及研究方法;还需从运营期养护维修的角度出发,考虑提供详细必要的数据给养护管理系统,为养护需求、养护措施采用决策提供科学依据,确保结构安全运营的目的,真正做到预防性养护;另外还需要根据监控系统
20、的自身要求来选择适合的监测项目,主要考虑到测试手段的可行性、分析方法的可靠性等因素。此大桥在线健康与安全监控预警系统应达到如下目标:(1)通过对使用中桥梁结构的动态跟踪检查及其所处环境条件的监测,及时查明结构现存缺陷与质量衰变,并评估分析其在所处环境条件下的可能发展势态及其对结构安全运营造成的可能潜在威胁,为养护需求、养护措施采用决策提供科学依据,以达到运用有限的养护资金获得最佳养护效果,确保结构安全运营的目的。也即设定结构的健康预警线,当桥梁结构处于“亚健康”状态时,及时提醒管理者进行针对性的检查,并加强相应的养护维修。(2)设定结构安全预警值。对大桥结构的健康状况、结构安全可靠性进行评估,
21、进而给大桥运营者提供等级预警信息。当桥梁性能退化,超过预警值时,能10给出警报,提示需立即对结构进行检查及维修。(3)论证设计、施工两阶段的各种设计假设和设计参数的有效性,对设计、施工进行后验证。总之,通过此大桥建立一个先进实用的桥梁在线健康与安全状况监测系统,监控加固施工过程中的桥梁安全状况,验证加固后的效果,实时掌握桥梁运营状况,实现大桥服务水准的实时安全报警;合理配置大桥养护维修资源,为降低桥梁运营维护成本提供科学技术依据,保证大桥检查维修策略制订具有针对性、及时性和高效性。114此此大桥健康监测系统的设计大桥健康监测系统的设计桥梁结构安全监控及评估系统的基本监控功能是通过传感器系统来实
22、现的,合理布置传感器是保证监控质量的前提。监控系统使用传感器越多,量测信息越丰富。但是由于传感器、存储介质等的费用,一般只能使用有限个传感器。只有有效合理使用有限个传感器以达到近可能多的信息,从状态评估的需求出发,以有效和经济为主,使测点能够发挥最大效应的原则布置传感器位置。同时可以充分利用技术的优势,使测试手段不断丰富,并减少人为的误差,同时通过少数的人工测试方法来对自动采集系统进行校验。通过定期检查系统的稳定性,以保证监控系统稳定准确地运行。结构健康与安全监控预警系统包括多参数的监控及研究,其中包括桥梁工作环境的监控、桥梁结构整体性能的监控、结构应力(应变)和动力特性及振动监控。本方案在满
23、足桥梁健康监测的前提下,从桥梁的监测成本、监测布点进行优化。4.1 监测子系统监测子系统4.1.1 监测子系统参数的确定监测子系统参数的确定监测系统设计中,应该根据每座桥梁的几个方面确定系统的规模、参数的类型以及数量等。基于结构型式的分析;大桥工作环境方面的分析;基于养护管理系统的分析;桥梁易发事故分析;基于桥梁重要程度的分析。根据此大桥的特点,该桥为连续梁桥。针对此大桥的特点,考虑到桥梁的工作环境等,在进行健康监测中,以下各监测子系统是非常重要的:121)环境监测)环境监测:包括环境温度、湿度等多方面的监测;2)桥梁结构整体性能桥梁结构整体性能监测监测:包括桥墩倾斜、桥梁变形等;3)结构应力
24、)结构应力/应变监测应变监测:桥梁重要部位的静态应变测试;4)结构振动特性与振动水平监测)结构振动特性与振动水平监测:包括桥梁的振动幅值以及振动特性的测试与分析;测试参数的确定,需要根据桥型的结构特点选择合适的测试方法以及响应测试指标的设备。4.2 传感器的选型传感器的选型测试用传感器确定需要根据测试参数类型,结合桥梁的实际情况进行选定,首先要考虑传感器的长期稳定性,然后考虑传感器的技术指标与性价比,另外还需重点考虑提供传感器设备厂家的后续服务等问题。4.2.1 传感器选型原则传感器选型原则桥梁在线健康与安全监测系统中,传感器的选择原则为:稳定性:长期监测用传感器必须具备长期稳定性,应保证在使
25、用期限内传感器的量程、精度、线性度等指标不发生变化。避免由于传感器的变化带来安全评估的错误信息。适用性:传感器的选择应选取合适的量程、精度等指标,不能比结构测试的要求低,也不必强求高精度,应根据实际情况选择合理的指标,以保证最优的性价比。耐久性:由于桥梁工作环境较为复杂,在此环境下,选择的传感器应该具有防雷、防尘、防潮等功能。先进性:由于桥梁健康监测是长期的工作,选择的监测设备也应该具有一定的先进性,以保证设备能在长时间内属于较为先进的测试手段,另外作为吴忠大桥这样有影响的项目,在测试技术上也应保持一定的先进性。可更换性:作为电子产品,测试传感器以及采集设备的寿命肯定难以与百年大计的桥梁平齐,
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