湛江海湾大桥分布式健康监测系统

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1、湛江海湾大桥分布式健康监测系统开发研究曹映泓（广东省路桥建设发展有限公司，广东广州510635）朱利明（中铁大桥勘测设计院有限公司东南桥梁诊治研究中心，江苏南京210003）摘要：本文提出了分布式桥梁健康监测系统的原理，介绍了湛江海湾大桥分布式健康监测系统的开发情况、系统设计、硬件布置和软件功能，重点突出了数据预处理、分级传输、用户定制监测内容和分析报告、以及紧紧围绕工程养护决策需要来尽量少地布置最必要的监测内容等研究策略。关键词：健康监测；系统布置；软件1前言随着大跨度桥梁设计理论和施工技术的发展，近50年来建造了许多大型桥梁。为了确保这些庞然大物的安全需要开发安装长期的健康监测系统。典型

2、的例子包括CommodoreBarry桥监测系统（美国）、金岛大桥监测系统（韩国）、明石海峡大桥检测系统（日本）、Alamillo桥监测系统（西班牙）、Hummer桥监测系统（英国）等等。在这些长期监测系统中，设计最完善的要数香港青马大桥的风和结构健康监测系统（WASHMS）。该系统由近350个传感器及相关元件组成，包括最新的GPS定位系统。然而，当前的健康监测系统缺乏能够提供可靠的桥梁状态诊断信息的技术。多数系统仅能够从传感器收集数据并做简单的数据树立。数据分析和评估工作还得由技术专家借助各种独立的分析工具来进行。对于一个象WASHMS这样的实时监测系统，每天按高采样频率（例如100Hz）

3、收集到的海量数据将使工程师的电脑不堪重负，分析评估非常困难而且效果不好。本文介绍了湛江海湾大桥健康监测系统的开发。湛江海湾大桥位于广东省西南部。它跨越雷州半岛麻斜海湾连接湛江市赤坎区和坡头区。该桥具有如下不利条件：高地震烈度（7度）、高风速、厚粘土层覆盖海床、高腐蚀性的海水、雷暴频繁、高温、高湿度等。所有这些不利条件在设计中都考虑到了。但是，作为一个国家生命线的工程，它建成后的安全将更为重要。因此，很有必要监测该桥施工和营运期间的实时健康状态。该桥健康监测系统的设计指导原则为：简洁、实用、可靠及廉价。基于世界各地既有桥梁监测系统的经验，该系统被设计为利用最少的传感器和数据分析结构最关键部位的

4、实时静态和动态参数。该系统在大桥设计阶段即开始了研究，并实现了和大桥的施工同步安装，同步建成。2大桥健康监测内容湛江海湾大桥（图1）是一座双塔双索面混合梁斜拉桥，主跨480m，总长3981m。主桥边跨60m箱梁为混凝土箱梁，在辅助墩处与钢箱梁连接。桥塔为预应力钢筋混凝土结构，塔从承台顶高155.1m、从桥面高113.8m。桥塔是圆弧曲线的A型桥塔。湛江麻斜海湾位于广东省西部和雷州半岛东北部，面向南海。夏秋两季经常有热带风暴登陆。最大风速超过36m/s。台风出现在5~11月，尤其是7~9月。根据过去的记录，每年台风登陆几率为46%。湛江海湾大桥位于两个横向地质断裂带中间。桥梁东南方处于南311

5、海康断层的东北部。但最危险的地震地区主要位于桥梁的东北边和南边。大地震有可能在这些地区发生。图1、湛江海湾大桥（在建）效果图图2是湛江海湾大桥监测系统的传感器布置图。根据系统设计方案，我们将安装16个EM传感器来监测斜拉索索力变化；20个温度传感器记录箱梁温度梯度；18个振弦式应力计监测主桥应力应变；2个风速仪监测风速风向；3个GPS接收器用于分析两个桥塔和主跨位移；振弦式倾斜仪用于分析扭转和变形。BCA路由器数据预处理-GPS基站专家系统转换器GPS参考接收器EM传感器传感器基站A传感器基站B传感器基站CGPS接收器(1)风速仪(1)VW应变计(10)温度传感器(4)加速度计(3)EM传感

6、器(4)倾斜仪(1)BBCCAA-监测系统GPS网络GPS接收器(1)风速仪(1)VW应变计(4)温度传感器(8)EM传感器(6)风速仪(1)VW应变计(4)温度传感器(8)EM传感器(6)(1)GPS接收器(1)图2、湛江海湾大桥传感器布置2．1桥梁环境条件监测桥梁工作条件通常由交通流及荷载、温度、湿度、风速风向组成。温度变化对结构荷载条件有显著影响。湿度变化影响混凝土的收缩徐变以及钢筋的腐蚀。桥梁所处的位置基本设计风速高达46m/s，风速对桥梁变形和正常使用有巨大的影响。因此很有必要监测桥梁的工作条件。首先，监测信息对于结构损坏的自动识别很关键。其次，这些原始数据和分析资料对设计和施工人

7、员有很大价值。这些信息可以作为今后设计和施工的基础。交通流监测是个独立的工作，将由交通管理部门来完成。桥梁健康监测系统将监测温度、湿度、风速和风向。图3为混凝土箱梁上的温度传感器安装方案。图3、温度传感器安装位置2．2斜拉索内力监测斜拉索是湛江海湾大桥的主要传力部件。主梁和铺装的恒载及汽车活载都将通过斜拉索传递到主塔上。拉索中的内力不仅与桥塔的荷载条件有关，还与桥梁的线型及行车条件有关。拉索中内力的变化对桥梁