浅析建立桥梁安全监测系统的探究
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摘要：近年来，桥梁坍塌事故频发，给桥梁的安全管理带来巨大压力，加强桥梁的动态监控，实现桥梁的预防性养护是桥梁管养工作的重点。本文介绍了桥梁安全监测系统的运行原理和布设原则，并通过实例详细论述了该系统在桥梁安全监测方面的应用。
Abstract：Frequent accidents in recent years, the bridge collapse, the safety management of the bridge to bring huge pressure, strengthen the dynamic monitoring of the bridge, the bridge of preventive maintenance is the key work of custody bridge. This paper introduces the operation principle of bridge safety monitoring system and setting principle, and through the example of the system are discussed in bridge safety monitoring applications.
关键词：桥梁安全监测系统
Key words：Bridge safetyMonitoring system
中图分类号：X924.2文献标识码：A
1 引言
近几年不断出现的桥梁坍塌事故，成为民生关注的焦点，随着公路建设事业的持续发展，为顺应桥梁发展新形势的需要，保障基础设施通畅运行，如何加强服役期桥梁的养护、维修和加固是公路部门的工作重点，而桥梁结构运营期的安全监测正是桥梁养护管理工作的前提基础，它可实现对桥梁状态变化趋势的把握，并支持桥梁预防性养护和事故应急处理工作。
2意义及总体目标
桥梁安全监测系统以路网内桥梁群为主要监测对象，实现桥梁群的集中管理、信息共享、资源整合等功能。由于桥梁数量众多，在路网内根据关键节点桥梁选取原则，遴选需要安装监测系统的重点桥梁，并通过关键节点桥梁重车荷载监测掌握整个路网重车荷载分布状况，对提升路网安全管理水平、把握路网运营状况具有重大意义。
① 对影响桥梁结构安全、超界结构响应的多级报警；
② 对安装监测系统的桥梁在各种环境与运营条件下的工作状态进行实时自动监测和结构状态评估；
③ 开发具有高度可扩展性的监测系统，以适用桥梁群安全监测的长期规划和分批投资，能够快速构建监测子系统，从而减少单一监测系统的重复建设；
④ 通过对关键线路、关键节点桥梁的重车荷载数量统计把握整个路网内重车荷载分布特征，并通过关键节点桥梁安全状况有效反映整条关键线路及路网桥梁的最不利状态，为养护部门巡检工作及监管部门荷载控制工作提供更具针对性的指导数据。
3 桥梁安全监测系统的组成及工作流程
桥梁安全监测系统由：传感器子系统、数据采集与传输子系统、数据处理与管理子系统、结构状态评估子系统，四大系统组成。
安全监测系统的数据处理与管理子系统和结构状态评估子系统位于远程监控室中，如图1上层结构示意图所示；传感器子系统和数据采集与传输子系统位于各桥梁处，如图1下层结构示意图所示。
图1：桥梁安全监测系统体系框架
图2显示了桥梁安全监测系统分布式桥梁数据传输的网络结构示意图。
图2数据采集及传输流程
4 系统功能要求
① 显示刷新周期：≤1s
②系统无故障间隔时间：≥10000h
③系统故障修复时间： 对于一般故障，具有自动回复启动功能，对于特殊功能，在24小时内对故障做出技术支持响应，3天内恢复，对地震等特殊灾害，在3天内回复功能；
④系统24小时连续工作；
⑤系统具有人机友好界面；
⑥系统能够对桥梁环境温度及车辆荷载进行监测；
⑦系统能够对桥梁自振特性、关键截面应变、挠度、索力进行监测；
⑧系统能够实现桥梁异常状态下的报警；
⑨系统能对监测数据进行存储、分析处理，并应用监测数据对桥梁状况进行评估。
5 实施原则
5.1路网内关键节点桥梁选取原则
表1 关键桥梁选择评价指标
指标 影响因子 权重
重要性 道路等级 0.09 0.45
桥梁总长 0.08
桥梁造价 0.05
修复难度系数 0.05
日均交通量 0.12
设计寿命 0.06
安全性 桥梁技术等级（病害程度） 0.13 0.35
设计荷载、实际荷载 0.1
环境影响（风、地震、温度）恶劣程度 0.07
桥型分类 0.05
可行性 设备成本 0.05 0.2
安装成本 0.05
施工难度 0.05
系统维护成本 0.05
5.2传感器测点布设原则
① 可对结构总体温度进行监控的控制点；
② 结构最大应力响应截面或应力传递明确截面；
③ 结构模态分析低阶振型所必须的监控控制点；
④ 结构最大位移控制点或能推算结构几何线形的控制点。
5.3 桥梁监测内容
5.3.1温度监测
（1）测量方法
考虑测试方法的兼容性，温度传感器采用长沙金码的半导体类传感器，在-20℃～85℃范围内温度测量精度为±0.5℃；温度计由优质不锈钢外壳和专用电缆组成，具有优越的防水性能，信号稳定。
表2温度传感器主要技术指标
测量范围 -20～+85℃
精度 ±0.5℃
灵 敏 度 0.1℃
2）测量频率
数据采集由计算机自动控制，采集的频率和时间可以预先设定。一般情况下，可以设定5～60分钟测量一次。
5.3.2动应变监测
（1）测量方法
动应变测试采用电阻应变片法由电阻应变片配合动态应变仪进行动应变数据采集。动应变采集使用自主研发的动应变数据采集仪，它是智能化的低功耗数据采集设备，适合在低功耗场合使用，具有三个显著优点：一是低功耗；二是本地数据预处理及过滤；三是可远程重启及更新采集设备，有很强的扩展性及可维护性。
表3动态应变测试通道技术指标
电阻值范围 1000Ω
供桥电压 5V
供桥电压精度 0.1%
供桥电压稳定度 < 0.05%
满度值 ±1500με
准确度 < 0.5%（FS）
模数转换器 高速24位A/D
（2）测量频率
考虑到动态设备为主要的耗电设备，桥上的动应变至少得保持一个跨中截面的设备24小时不停采集，用于重车荷载统计，其余截面可采用定时采集，可设置每2小时采集30分钟的方式，或根据供电情况设置间隔采样时间，采样频率设为50～250Hz/s，以节省功耗。
5.3.3自振特性及索力监测
（1）测量方法
主桥结构自振特性采用环境随机振动法，使用电容加速度传感器，即将加速度传感器放在主梁指定位置，根据对随机振动信号的分析，判断结构的自振特性参数，这其中包括自振频率、阻尼比和振型。由于梁体振动一般较弱，采用低频加速度传感器。
（2）测量频率
为了节省功耗，可设置振动及索力数据每隔2小时采集30分钟，或根据供电情况设置间隔采样时间，在功耗允许的情况下，可控制部分监测点24小时不停采样，采样频率设为50～250Hz/s。
5.3.4主梁（系梁）挠度监测
主梁挠度监测采用静力水准技术，静力水准相对于GPS，具有精度高、成本低的特点。
（1）测量原理
静力水准测量采用连通管的方法，测量使用电感式静力水准仪，构成一个差异沉降测量系统。
静力水准测量系统主要由主体容器、连通管、电感式传感器等部分组成。当仪器主体发生高程变化时，主体容器内液面发生变化，使相对于浮子上的屏蔽管仪器主体上的电感式传感器可变电感发生变化，通过测量仪表测出该点的高程变化。测量电路采用非接触比率测量方式，自动平衡出数字量而测出液面相对于主体的升降量。然后，通过各自的升降量计算出结构的沉降值。
表4静力水准仪主要技术指标
测量范围 100～200mm
精度 0.01mm
测点误差 测点误差：
工作温度 -10℃~60℃
品牌 国产
（2）测量频率
数据采集由计算机自动控制，采集的频率和时间可以预先设定。一般情况下，可以设定5～60分钟测量一次。
5.3.5主要桥型监测内容
表5简支空心板梁桥监测内容
序号 监测内容 传感器类型 监测目的 测点布置
1 环境温度 温度传感器 了解结构服役环境特征 与应变测点布置一致
2 动应变 应变传感器 查看关键截面损伤状况，重载车辆统计 跨中截面，个别跨径1/4截面
3 自振特性 加速度传感器 监测主梁自振特性 跨中控制点
4 主梁挠度 静力水准仪 监测主梁几何线形 在跨中及墩顶控制点
表6T梁、箱梁桥监测方案
序号 监测内容 传感器类型 监测目的 测点布置
1 环境温度 温度传感器 了解结构服役环境特征，获取温度荷载 与应变测点布置一致
2 动应变 应变传感器 查看关键截面损伤状况，重载车辆统计 跨中截面，1/4截面（应变花），连续箱梁支座处截面
3 自振特性 加速度传感器 监测主梁自振特性 跨中控制点
4 主梁挠度 静力水准仪 监测主梁几何线形 在跨中及墩顶控制点
表7 拱桥监测方案（含系杆拱）
序号 监测内容 传感器类型 监测目的 测点布置
1 环境温度 温度传感器 了解结构服役环境特征，获取温度荷载 与应变测点布置一致
2 动应变 应变传感器 查看关键截面损伤状况，重载车辆统计 拱肋拱脚截面和跨中截面，个别跨径1/4截面
3 自振特性 加速度传感器 监测拱肋或系梁自振特性（竖向、横向） 拱肋1/4和跨中控制点，系杆拱桥系梁跨中控制点
4 吊杆索力 加速度传感器 监测吊杆索力长期发展趋势 跨中和1/4跨吊杆控制点
5 主梁挠度 静力水准仪 监测系梁几何线形 系梁跨中及墩顶处
6桥梁结构状态评估系统
主要分为四个部分：
1、桥梁荷载评估。主要包含两部分内容：
① 温度荷载评估；
② 车辆荷载统计分类。
2、桥梁结构响应。它主要包含以下几部分工作：
① 设定预警值下的关键截面应力评估；
② 主梁振动特性评估；
③ 吊杆索力评估；
④ 主梁挠度评估。
3、考虑抗力-荷载双重效应的桥梁结构安全评估。
4、为把握整体路网或关键线路内桥梁群安全状况提供有效依据。
7 结论
桥梁实时在线监测及评估系统由于其高度的时效性在桥梁管理中发挥着越来越重要的作用，并与传统人工检测方法相辅相成，可以更加全面地完成对桥梁结构状态的评估工作。
桥梁安全监测系统以路网内桥梁群为主要监测对象，并结合现代传感、通讯及网络等信息技术，实现桥梁群的集中管理、信息共享、资源整合等功能，因此，从监测方案制定、监测系统搭建到数据处理、传输和预警评估实现的每个过程都应具有高度可扩展性，并通过关键节点桥梁重车荷载监测掌握整个路网重车荷载分布状况，对提升路网安全管理水平、把握路网运营状况具有重大意义。
参考文献
[1]《浙江省桥梁安全监测系统可行性研究报告》，2012.
[2] 《公路桥涵养护规范》（JTH H11-2004）
[3] 《计算机软件开发规范》（GB/8566）
[4] 《电气装置安装工程施工及验收规范》 （GB50254-96~ GB50259-96）
[5] 《电气工程电缆设计规范》（GB50217-94）