健康监测系统设计方案.docx

天津市海河大桥结构健康监测系统初步设计方案天津市市政工程研究院2009年3月1 / 14天津市海河大桥结构健康监测系统初步设计方案1桥梁健康监测的必要性由于气候、环境等自然因素的作用和日益增加的交通流量及重车、超重车过桥 数量的不断增加，大跨度桥梁结构随着桥龄的不断增长，结构的安全性和使用性能 必然发生退化。自1940年美国Tacoma悬索桥发生风毁事故以后，桥梁结构安全监 测的重要性就引起人们的注意。但是受科技水平的限制和人们对自然认识的局限 性，早期的监测手段比较落后，在工程应用上一直没有得到很好的发展。20世纪80 年代以来，在北美、欧洲和亚洲的一些国家和地区，相继发生了桥梁结构的突然性 断裂事件，这些灾难性事故不仅引起了公众舆论的严重关注，也造成国家财产的严 重损失，威胁到人民生命安全。国外从20世纪80年代中后期开始建立各种规模的 桥梁健康监测系统。例如，英国在总长522mM的三跨变高度连续钢箱梁桥Foyle桥 上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风荷载作用下主梁的振动、挠度和应变 等响应，同时监测环境风和结构温度场。国外建立健康监测的典型桥梁还有英国主 跨194mM的Flintshire独塔斜拉桥、日本主跨为1991mM的明石海峡大桥和主跨 1100m的南备赞濑户大桥、丹麦主跨1624m的Great Belt East悬索桥、挪威主跨 为 530m 的 Skarnsunder 斜拉桥、美国主跨为 440m 的 Sunshine Skyway Bridge 斜拉 桥以及加拿大的Confederatio Bridge桥。中国自20世纪90年代起也在一些大型 重要桥梁上建立了不同规模的长期监测系统，如香港的Lantau Fixed Crossing和 青马大桥、内地的虎门大桥、徐浦大桥，江阴长江大桥等在施工阶段已安装健康监 测用的传感设备，以备运营期间的实时监测。导致桥梁结构发生破坏和功能退化的原因是多方面的，有些桥梁的破坏是人为 因素造成的，但大多数桥梁的破坏和功能退化是自然因素造成的。自然原因中，循 环荷载作用下的裂缝失稳扩展是造成许多桥梁结构发生灾难性事故的主要原因。近 年来，国内发生的几起大桥坍塌或局部破坏事故在很大程度上是由于构件疲劳和监 测养护措施不足，从而严重影响构件的承重能力和结构的使用，进而发生事故。理 论研究和经验都表明，成桥后的结构状态识别和桥梁运营过程中的损伤检测，预警 及适时维修，有助于从根本上消除隐患及避免灾难性事故的发生。现代大跨桥梁设计方向是更长、更轻柔化、结构形式和功能日趋复杂化。虽然 在设计阶段已经进行了结构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气候环境，要在设计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特性和行为是非常困难的。为确保桥梁结构的结构安全、实施经济合理的维修计划、实现安全经济的运行 及查明不可接受的响应原因，建立大跨桥梁结构健康监测系统是非常必要的。通过 健康监测发现桥梁早期的病害，能大大节约桥梁的维修费用，避免出现因频繁大修 而关闭交通所引起的重大经济损失。桥梁健康监测就是通过对桥梁结构进行无损检测，实时监控结构的整体行为， 对结构的损伤位置和程度进行诊断，对桥梁的服役情况、可靠性、耐久性和承载能 力进行智能评估，为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发 预警信号，为桥梁的维修、养护与管理决策提供依据和指导。安装结构健康监测系 统是提高桥梁的养护管理水平，保证桥梁安全运营的高效技术手段。特别值得一提的是，桥梁的健康监测和施工监控系统均是通过检测和监测手 段，测试桥梁结构的内力、变形、环境和荷载，因此，它们在传感器系统、数据传 输系统和数据采集系统都具有很大的共享性和重复性。此外，两个阶段在时间顺序 上具有衔接性，施工监控阶段的监测数据是健康监测阶段的基础。为了节约资源、 降低工程造价，应充分发挥两个系统的共享性，对上述两个系统进行统筹规划和实 施，即采取统一设计、统一施工和统一管理的方式，以实现海河大桥的健康监测和 施工监控两位一体的工程实施。海河大桥工程简况集疏港公路二期中段工程起点于津沽一线立交以北，向北过津沽公路、海河大 桥南侧收费站，与现状海河大桥相邻向北跨越海河后沿现状临港路、东海路向北分 别跨越进港铁路一线，新港二号路，三号路，进港铁路二线，新港四号路，泰达大 街，会展中心入口，第五大街，第八大街，第九大街，丰田七号路，与疏港二线立 交相接。该段桩号范围K9+342.802K20+419.245，路线全长11.076公里，除起点 引路约500M和海河大桥南侧收费站前后各约300M为道路外，其余将近9.8公里均 为高架桥。从南向北依次有津沽公路支线上跨分离式立交一座，海河特大桥一座， 临港立交、泰达大街立交、第九大街立交互通式立交三座，其他与现状及规划道路 交叉位置为直线上跨。海河特大桥工程为海滨大道工程的一部分，设计速度V=80km/h，双向八车道。本桥位于海河入海口处，新港船闸和防潮闸内侧，现状建有双向四车道特大桥 一座，桥宽23M，桥梁起点位于海河南岸现状海河大桥收费站处，终点止于新港二 号路，与城区段高架桥相接，桥梁全长 2030M，其中跨越海河主桥采用独塔斜拉 桥，利用河中岛屿布置主塔，主跨为310M，具体跨径布置为46+3X48+310M，主桥 全长500M。两侧引桥为预应力T梁。新建斜拉桥结构采用与原桥基本相同、主塔与原桥塔对称布置的单塔斜拉桥， 具体跨径布置为310+2X50+2X40M。该方案在结构上与现状斜拉桥基本统一，主桥 立面图如图1所示。图1海河大桥立面图本桥主梁采用混合梁结构，即主跨310M大部分采用钢梁，全部边跨以及主跨靠 近主塔20.8M长度范围内梁段采用预应力混凝土梁结构，梁高均为3M，如图2、图 3所示。钢箱梁采用单箱闭口断面形式，梁高3.0M，高跨比为1/103，高宽比为 1/7.3。主梁每16M为一段，在索锚点处设置主横梁，其他位置每隔3.2M设置普通 横梁。预应力混凝土箱梁，普通段采用与钢梁外形一致的单箱闭口断面形式。梁高 3.0M，横梁间距为4.0M。钢梁与预应力混凝土梁连接形式，根据混合梁斜拉桥的受 力特点，结合部位置选择310M主跨内距塔中心15m处，结合部的作用是平顺地将工图2混凝土主梁横截面图作应力从钢主梁传递到PC梁，本桥利用充填混凝土局部连接方案，即将钢箱梁的端 部改为多室结构填入无收缩的混凝土。为使应力有效均匀扩散，在钢室内设置剪力 销，对接合部内填充混凝土并施加预应力，以确保钢箱梁与预应力混凝土梁连成整 体。主塔造型与原桥一致，为“钻石”型。直接坐落在承台顶面上，塔座以上全高 为163.3M，桥面以上为126.9M，见图4所示。图3钢主梁横截面图塔身采用矩形空心截面，RC结构，有上下两道预应力混凝土横梁，上横梁位于 拉索锚固区之下，梁高5M；下横梁位于主梁之下，高度6M。桥塔主要构造与尺寸如 下:塔柱顺桥向宽68M；横桥向宽:下塔柱为4.57.0M，上塔柱为3.04.5M。横 断面为箱型断面，壁厚60150cm不等，箱壁配置横向预应力钢束。桥塔采用爬模 施工，塔柱内配置型钢焊接而成的劲性骨架。本桥总体上采用塔墩固结、塔梁分离，主梁在桥塔处设置 0号索的全漂浮体 系。在桥塔横梁和主梁之间设置纵向阻尼装置和抗震拉索，限制主梁纵向位移，在 塔柱和主梁之间设置限位支座来限制主梁在主塔处的横向位移。主梁分别在两端边 墩和辅助墩设置支座，形成多跨连续梁体系。斜拉索采用空间扇形布置,索面在主塔上索距为1.52.5M，在主梁上主跨范围内 的索距为16m，边跨范围内设8m10m的索距。全桥共有37对、合计74根斜拉索。 斜拉索采用直径7mm的低松弛高强平行镀锌钢丝成品束，标准强度为1670PMa。外层 防护采用热挤双层高密度PE防护套，斜拉索两端采用冷铸镦头锚具，斜拉索采用上端 张拉、下端固定方式。图4塔柱立面及剖面图系统设计原则与功能目标系统设计依据(1 关于市政公路大型桥梁健康监测系统建设和管理工作的批复，天津市建设管理委员会建城2007934号(2 “关于转发市建委关于市政公路大型桥梁健康监测系统建设和管理工作的批复的通知”，天津市市政公路管理局，管2007459号(3天津市桥梁健康监测系统技术指南，天津市市政公路管理局，2007.9(4天津市桥梁健康监测系统建设与管理办法，天津市市政公路管理局，2007.9(5天津市海河大桥设计图纸天津市市政设计研究院(6公路桥涵设计通用规范JTG D60-2004(7公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-2004(8公路斜拉桥设计规范试行)JTJ 027-96(9工程测量规范GB 50026 - 93(10工程振动测量仪器和测试技术标准中国计量出版社，1999(11电气装置安装工程电缆路施工及验收规范GB50168-1992(12建筑与建筑群综合布线系统工程设计及验收规范GB/T50311-12(13建筑电气安装工程质量检验评定标准GBJ 303-88系统设计原则海河大桥健康监测系统工程设计原则是：(1结合桥梁结构的设计、施工和运营的具体特点和实际情况，遵循适用、经 济、长期、高效的原则进行健康监测集成共享系统的优化设计。(2采用技术成熟、性价比高的配套产品，保证系统的精确性、稳定性；设置 适度冗余的传感器及相关设备，保证系统的可靠性，并满足系统改进、扩展和完善 的需求。(3采用开放式设计，保证系统具有良好的升级性、远程数据共享性及人工录 入功能；(4采用实时监测和人工巡检相结合的办法，减少数据采集量和后处理难度。（5设计合理、直观、易用的前后处理模块，以便有效处理、分析和管理采集 的数据。（6组织专业化的监测、实验队伍，贯彻质量方针和目标，精心组织，科学实 施，严格质量控制，确保工程质量和施工安全。功能目标桥梁运营阶段健康监测系统主要监测大桥的环境，荷载，主梁的应力、变形及 振动，斜拉索的索力、桥塔应力、变形及振动，对桥梁结构的内力状态改变及损伤 进行评估，以保障桥梁在运营过程的安全，也可以在结构遭受突发性荷载、严重超 载、损伤，危及结构安全性时及时报警。健康监测系统可以较全面系统地把握结构 的健康状态，据此对桥梁结构进行及时和恰当的养护与维修，从而尽量延长结构安 全运营的时间，降低桥梁的寿命成本。修改内容2008年10月23日海滨大道公司组织相关专家对海河大桥健康监测系统初步设计 方案进行评审，根据专家提出的关于原方案索力监测、线形监测、环境监测、动 力特性监测等11个方面的意见和建议，对原设计方案进行修改，编制此文件。健康监测系统方案设计传感器子系统根据海河大桥的结构特点，需要对该桥的以下部位及内容进行监控：（4主梁和桥塔应力（5 斜拉索索力（6结构动力特性主梁、主塔振动）为达到以上监测目的，同时需要结合环境的变化情况进行分析数据。传感器子 系统是由对环境参数、应力应变、结构温度、主梁挠度和主塔变位、结构动力特性 等参数进行监测的传感器组成的模块。各种传感器完成监测参数的直接采集任务， 根据监测参数的不同形成不同的光或电信号供数据采集模块分析处理。传感器子系统按照监测对象不同，划分为6个子模块，见表1，测点布置见附 图 J-1。（1环境（风、湿度、温度环境监测（2交通状况（3结构变形主塔塔顶变位和主梁挠度、梁端位移）表1 传感器子系统划分子模块监测对象1环境监测子模块温度、湿度、风速等2视频子模块桥面交通状况3变形监测子模块桥塔变位、主梁线形4应变（应力监测子模块关键截面应变（力及其变化5斜拉索索力监测子模块斜拉索索力及其变化6结构动力特性监测子模块主梁和塔振动由于桥位处环境与气象站差异较大，且桥址位于临海地区，受海洋气候影响， 因此应在桥位处安装环境监测设备。环境监测的主要目的和作用是：通过环境监测 选择合适的监测时机；通过环境监测激活危险状态数据采集；通过风荷载监测，把 握该桥址处的风荷载真实状况；利用温度监测结果修正监测的应力和桥梁的动力特 性；通过湿度和温度监测桥梁材料的耐久性。全桥布置9个温、湿度计，2个风速仪，2个梯形阳极腐蚀监测仪。风速仪安装 于塔顶和主跨跨中，监测环境风速、风向和风攻角；温湿度计分别安装于主塔和箱 梁内，监测桥塔和钢箱梁内的温度和相对湿度，塔柱水位变化位置和主梁内埋设梯 形阳极腐蚀监测仪，监测外部环境对结构耐久性的影响，测点布置见图J-2。视频监测系统在本桥上安装视频监测系统的目的是使结构响应监测子系统与视频监测系统协 同工作，当结构响应子系统反映受力指标超限时，通过视频监测系统能获取此刻的 桥面荷载信息，便于对照分析，由此也可以用于监测超载车在桥上的行驶状况，并 做下纪录，以为桥梁监控评估提供实证。同时，便于追溯桥面以上的交通事故发生 的原因。根据监测需求，在桥塔上横梁双向各架设1台监测摄像机，对主塔两侧交通状 况进行监控，在主梁下安装两台摄像机，监测桥下通行状况。因摄像机24小时在室 外工作，所以摄像机安装有云台、风扇、防护罩、加热器、雨刷等设施。铺设同轴 电缆，将视频信号传输到中控室的网络视频服务器。(1结构变形监测的重点：主梁变形、主塔变形结构变形是结构状态改变最灵敏与最精确的反映，因此对结构变形的监测能够 更为准确地把握结构恒载内力状态的改变；另外，部分的结构损伤也将导致变形情 况的异常，通过对变形的监测也可识别出这些损伤来；桥面的变形与桥梁线形直接 相关，通过桥梁线形的变化也可以判断桥梁的适用性。因此，结构变形的监测对于 内力状态及损伤识别均有重要的意义。通过变形监测能够达到以下目的：修正计算 结构内力的有限元模型；根据监测结果直接判断桥梁的适用性。结构变形监测传感器布设及实施方案主梁标高变化的监测采用液压连通测压管监测主梁静态线形，斜拉桥一侧布置 1套(1个基站+9个传感器，其工作原理如图5所示。主桥变形安装1+2套GPS进行监测，其中GPS基站建立在津沽公路侧固定处， GPS监测点安装在桥塔顶部和主跨挠度最大部位。在梁端伸缩缝位置布设位移传感 器，监测伸缩缝变形。各测点传感器布置见附图J-3。凌压连旬慎结构变形监测应变(应力及温度场监测(1应力监测重点图5连通测压管工作原理结构应力是判断结构安全最直接的指标，结构亚健康状态往往将导致应力超限 或应力异常重分布，所以对于应力的异常变化应给予足够的重视，并结合环境、变 形等其它监测结果来综合判定结构状态是否处在安全及可控的范围。结构应力监测 主要目的在于：直接判断测试位置应力是否处于安全水平；校核结构模型修正及损 伤识别的结果。结构温度场对结构的应力和变形具有显著的影响。结构温度场监测的主要目 的：将温度场作为参数作用于结构有限元模型，研究温度应力及温度导致的结构变 形变化；完成应变传感器的补偿。结构健康监测要求传感器应具有较好的长期稳定性和耐久性。因此，在健康监 测系统中，应变监测选用光纤光栅传感器，因为其精度满足要求、测试通道容量 大、长期工作性能稳定、不受电磁干扰，尽管温漂大，但通过在应变测点布设的光 纤温度传感器对温漂进行修正后可以基本上消除温度影响。应变监测传感器布设及实施方案共布置13个应变监测断面，测点布置见附图J-4。1在主梁边跨、主跨、钢箱梁与预应力钢筋混凝土梁结合处布设9个断面，每 个断面布设78个光纤光栅应变传感器，共67个应变传感器。2在下塔柱、中塔柱底部各布设1个断面，每个断面8个光纤光栅应变传感 器。3在塔柱上横梁中部布设2个断面，共8个光纤光栅应变传感器。4为了对光纤光栅应变传感器进行温度补偿，在主梁各截面每个截面应变传感 器相同位置布设光纤光栅温度传感器。同时在主塔上布置 8个光纤光栅温度传感 器，横梁上布置4个光纤光栅温度传感器，在对光纤光栅应变传感器进行补偿的同 时，监测主塔两侧及横梁顶底面的日照温差变化。斜拉索索力监测海河大桥的主梁自重及汽车荷载均由拉索承担，拉索是特别容易产生疲劳和腐 蚀损伤的构件，其寿命往往比桥梁其它构件的寿命都短，但拉索是桥梁中的重要构 件，起着牵一发动全身的作用，因此准确及时掌握拉索的内力及其变化特征至关重 要。为了监测索力的变化，以及在斜拉索发生损伤时，能够及时通过安装索力监测 系统的传感器监测其变化，系统中对长、中、短索，都选择部分斜拉索进行监测。拉索的索力可以采用基于动力法索力测试、光纤光栅智能索和磁通量传感器等 方法测试，其中振动法测索力技术应用比较广泛，该方法对长索具有较好的精度， 但对短索误差较大；磁通量技术测试精度高，但其造价较高、数据采集系统较复 杂，对传输线的要求较高；光纤光栅智能索可以较准确地测量拉索的应变，但是成 品索的制作和运输要求较高，本方案采用磁通量传感器监测斜拉索索力，从而直接 进行拉索的安全评定。全桥共计74根斜拉索，在其中24根索内布置传感器，测点布置见附图J-5。结构动力性能监测(1结构动力特性监测重点：主梁、主塔振动结构损伤实质上是结构局部刚度、质量的损失，反映在结构动力特性上是结构 模态参数，如固有频率和振型的变化。本系统利用结构动力特性的变化来对结构的 整体性能进行损伤监测，即将结构系统的实测结构模态特性与健康结构的模态特性 进行比较，判断结构是否发生损伤；进一步对有限元模型进行修正，从而可以进行 多荷载和复杂环境条件下桥梁结构的系统深入计算分析并进行桥梁结构的安全评定 和预警。结构动力特性监测传感器布设及实施方案为监测斜拉桥主梁的动力特性，对斜拉桥主梁选定9个断面对称布置18个加速 度传感器，其中12个竖向单轴加速度传感器，为了监测主梁的横向振动，在布设6 个横向+竖向双向加速度传感器；在塔顶布置1个三向加速度传感器，横桥向在每个 横梁位置各布设2个单向加速度传感器，测点布置见附图J-6。全桥共布置16个单轴加速度传感器，6个双轴加速度传感器，1个三向加速度 传感器。监测传感器统计海河大桥健康监测采用传感器数量如表2所示，括号内数值为采用磁通量传感 器测索力方案。表2海河大桥健康监测系统传感器数量统计监测工程测点选择传感器选择数量备注环境与外荷载风荷 载塔顶风速仪2监测风速和风向（兼具测温度温湿 度斜拉桥主梁光纤光栅温度传感 器67温度补偿和温度场桥塔光纤光栅温度传感 器12塔内温湿度计6环境温度和相对湿 度主跨钢箱梁温湿度计12环境温度和相对湿 度腐蚀桥塔、主梁梯形阳极腐蚀监测 仪2环境腐蚀视频桥塔/桥面视频系统4视频监测结构性态响应加速 度桥面单向加速度传感器12采用差容式力平衡 加速度传感器桥塔单向加速度传感器4桥面双向加速度传感器6桥塔三向加速度传感器1位移桥塔GPS系统1塔顶位移岸边基准点GPS系统1桥面GPS系统1主梁线形斜拉桥主梁线 形液压连通管10伸缩缝位移位移传感器4应变斜拉桥主梁光纤光栅应变传感 器67应力监测桥塔光纤光栅应变传感 器24斜拉索磁通量传感器24锚下测力计2合计262数据采集系统数据采集制度需采用阈值和定时两种方式，本次设计为：在桥梁结构运行的初 期，采取24小时连续采集的策略；运行30天后，对数据进行分析，揭示桥梁结构 实际受力特点和规律，根据桥梁结构的实际受力特点和规律，确定触发采集系统的 阈值和确定定时采集的具体时间段。数据采集系统设计图6数据处理与控制子系统构成示意图数据采集系统的设计考虑数据采集系统的总体构架、数据采集系统的软件、硬 件、数据采集策略等几个方面。该桥不是很长，信号衰减不明显，因此，采用一个数据采集站进行数据的集中 采集。数据采集站塔梁结合部位主梁桥面上，见附图J-7,为保证监测仪器正常工 作，必须保持24小时连续供电。数据采集策略将分为动态数据采集和静态数据采集，数据采集制度需采用阈值 和定时两种方式，采样频率将根据桥梁结构的计算结果确定，但需保证数据具有间 隔实时对应关系。数据处理与控制子系统完成监测数据的校验、结构化存储、管理、可视化以及 对监测采样的控制等工作。数据处理与控制子系统在整个系统中起到承前启后的重 要作用，其具有以下几个功能：监测数据的校验；数据的初步分析；数据的结构化 以及存储、查询、可视化；能够响应后续功能模块对数据的请求；能够控制传感器 子系统的采样。数据处理与控制子系统总体构成见图6。数据采集系统硬件系统基于PC-BASED的DA&C(数据采集和控制系统，与基于PLC的顺序逻辑控制系 统和基于DCS的大型控制系统相比，硬件价格低、易使用、开放性强、运算能力 强、通讯能力强、开发成本低廉。因此，基于PC-BASED的DA&C系统在中小型的非 专属测控系统中得到了广泛的应用。基于PC-BASED的DA&C系统通常有以下两种形 式：(1基于板卡的集中式数据采集系统其基本方式是采用数据采集卡进行数据采集。主要做法是将一块基于 ISA或 PCI的板卡插入工业计算机上，将外部信号通过导线引至数据采集卡的外部端子板 上，然后通过屏蔽电缆接入数据采集卡。在计算机上，通过定制的软件就可以进行 信号采集。其优点是成本较低，速度块，如1MHz数据采集等，缺点是可靠性一般， 同时布线费用较高。(2基于分布式的数据采集系统基本方式是采用基于现场总线的数据采集智能模块，流行的现场总线如RS-485(非严格、CAN总线、Profibus总线等。这种数据采集系统的基本做法是通过现 场总线将智能模块引入计算机，上位机通过定制的软件和智能模块通讯。优点是易 维护、布线简单、可靠性高，缺点是采样速度低、成本较高。在桥梁监测的数据采集和传输设计中，我们遵循的是与传感器性能以及监测信 号匹配设计原则，即对于静态信号，采用基于分布式的输入/输出（I/O数据采集系 统；对于动态信号，采用基于板卡的集中式数据采集系统。该桥监测传感器的信号包括电信号和光信号、静态信号和动态信号，因此，数 据采集系统采用PCI总线技术。数据采集软件采用美国NI公司的Labwindows软件 平台开发，这样易于整体系统的集成。数据采集硬件包括光纤光栅解调系统（包括解 调仪和相应的配件、静态和动态数据采集卡、工控机、PCI机箱。数据传输系统根据数据传输和传输距离的要求，本系统采用两类传输系统。（1现场有线传输系统（注意请加上护线槽、走线布置图、数据采集站。（2远程无线传输系统监测数据分析与结构安全评定及预警子系统本子系统包括以下内容：监测数据的统计分析，结构有限元模型修正方法，多 种结构安全评定方法，多级结构预警水平和预警系统。风荷载的统计分析，包括平均风速、极值风速、风向及其联合概率分布、脉动 风速谱、疲劳风速谱。温湿度分析：给出温湿度实时变化的曲线。应变和应力分析：剔除徐变的应变和应力分析，应变和应力的分布范围统计分 析，应变和应力的趋势变化分析和极值分析，应变和应力与温湿度之间的关系分变形分析：桥梁的静力变形趋势和极值分析，桥梁静力变形与温度和湿度之间 的关系，根据桥梁静力变形趋势和极值进行预警。拉索索力分析：主要包括基于振动法的斜拉索索力识别，基于斜拉索索力和应 变监测的斜拉索索力极值分析和疲劳损伤分析。根据斜拉索索力极值和疲劳损伤进 行预警。模态分析：根据加速度传感器、GPS和应变传感器的测试结果，采用多种方 法，进行模态分析，获得海河大桥的频率、振型和阻尼比。进一步分析海河大桥的 频率、振型和阻尼比与温湿度、车辆荷载以及风荷载之间的相关性，并采用主成分 分析方法剔除温湿度和风及车辆荷载对海河大桥模态参数的影响，获得真实的模态 参数。模型修正：在模态分析的基础上，对海河大桥的有限元模型进行修正；结合损 伤识别的结果，以及耐久性分析理论，对有限元模型的局部单元进行深入分析；采 用修正的有限元模型，将监测的车辆、风、温湿度等荷载和环境施加在有限元模型 上，进行结构反应分析，与测试结果进行比较，并对未安装传感器但结构反应较大 的部位进行提示性预警；同时根据耐久性理论，计算结构的时变承载力，调整预警 阈值。安全评定：斜拉索强度和疲劳损伤安全评定分析，桥梁整体极限承载力分析， 桥梁可靠度分析。健康监测网络化集成技术和用户界面子系统析，应变和应力与车辆荷载之间的相关性分析，应变和应力与风荷载之间的相关性 分析。对危险状况进行预警。仅供交流学习，勿作商业用途建成后的系统将及时、自动直观地通过报表、屏幕显示或报警的形式向用户提 供以下信息：月、季、年度结构安全评价信息、结构实时安全信息、结构维护及维 修计划信息。系统建成并试运行后2年为系统后期维护及服务周期，在此周期内系统承担单 位将无偿为用户提供系统非人为损坏的维修更换等工作。施工注意事项(1每种传感器必须经过标定合格后，方可安装使用，保证传感器的安装牢 固、长效，安装过程中注意对传感器的保护，严格按照各自的施工说明进行。(2保证数据采集站室内干燥；(3健康监测系统建设的基本步骤：a光纤传感器安装与施工同时进行；员走线管的安装；c GPS基站、监测站安装和数据线的布设；d各种传感器系统数据采集调试；e 数据采集系统的集成；f数据传输系统和监控中心的建设及服务器的调试；g数据采集与分析；健康监测系统的施工进度配合结构施工同步进行。其它(1为保证监测系统的数据采集站、传感器及数据线的安全，需要进行妥善管 理，避免造成人为破坏。个人收集整理资料，健康监测系统包括许多分模块和子系统，涉及不同的软件和硬件，因此，必须 采用系统集成技术将所有的不同的软硬件进行集成，使系统自动运行，并可以通过 网络进行远程控制。用户界面子系统是结构健康监测及综合管理系统最终面向用户的产品，是结构 健康监测子系统、数据库子系统、数据采集子系统以及其它边界子系统的集成界 面，为用户提供一个友好的、一致的、易学的、易用的、美观的、分布式的操作平 台，把整个系统有机地结合起来。本子系统主要集成各子系统的功能，为用户提供统一的操作界面，通过图形的 方式向用户展示需求分析中列举的信息，实现分布式、远程访问的方法与功能。本 子系统具有以下特点：分布式的操作平台，提供本地用户及远程移动用户的访问； 用户操作的友好的、一致性、易学性、易用性、美观性；分级别或权限的展示界 面。中心数据库子系统由于结构健康监测及综合管理系统数据量庞大，数据信息的种类繁多，有多个 系统共享数据信息，同时要支持分布式的处理与访问，也要支持多并发用户的操 作，并且数据的安全性极为重要。通过建立系统的中心数据库子系统，统一管理与 组织数据信息，给系统的维护与管理提供便利，也为各应用子系统提供可靠的分布 式数据交换与存储平台，方便开发与使用。独立桥梁健康监测系统的数据库采用 Oracle 开发。系统后期维护、升级和服务等要求（2 GPS基站和数据采集站建设请甲方负责协调，健康监测系统实施单位与桥 梁施工方配合完成，在保证系统完全正常的情况下，系统整体的维护费用主要为硬 件设备的维修与更换，具体费用按各子系统硬件的寿命确定。在现场传感器安装和系统建设时期，需甲方给予全力配合，保护好成品、提 供安装平台等。 数据采集站需提供220V交流电源，24小时连续供电。工程费用海河大桥桥梁结构健康监测系统造价为595.57万元，各项费用明细详见表3。表3海河大桥桥梁结构健康监测系统费用表序号产品名称数量单价 元）总额万 元）、传感器部分1光纤光栅应变传感器个91160014.562光纤光栅温度传感器个79130010.273磁通量传感器个24900021.604锚下测力计个2140002.805加速度传感器单向）个1638006.08加速度传感器双向）个675004.50加速度传感器三向）个1110001.106GPS台318000054.007风速风向仪个26800013.608温度计个975006.759湿度计个945004.0510梯形阳极腐蚀监测仪个2200004.0011位移计个440001.6012视频摄像机台4120004.8013液压传感器台101800018.00小计167.71万元_、数罟采集部分14光纤光栅解调仪台138000038.0015光开关台112000012.0016光纤耦合器台4190007.6017磁弹仪台212000024.0018开关集线箱台3100003.0019嵌入式数据采集仪台1600006.0020数据采集卡个150000.5021信号放大器台1200002.0022信号滤波器台1200002.0023加速度数据采集仪台31350010.8524加速度数据滤波仪台3130009.3025数据采集工控箱台1150001.5026视频服务器台1500005.0027液压传感器采集仪台1120001.20小计122.95万元三、数剖传输部分28工业级交换机台1100001.0029转换器R232转以太 网）台815001.2030数据库服务器台2300006.0031室外机柜个1500005.0032数据传输电缆M8000108.0033光缆M3000039.0034屏蔽线缆磁通量数据M72002518.00传输）35PVC走线管M2000255.0036网络服务器台2400008.0037远程无线传输系统套135000035.00小计96.20万元四、软件部分38光纤光栅传感器数据采 集软件套1600006.0039加速度数据采集软件软 件套1400004.0040GPS数据采集软件套1500005.00个人就整理资料,41磁通量数据米集软件套1500005.0042数据库管理软件套1500005.0043远程实时监测软件套1700007. 0044数据分析和女全评定软件套110000010. 0045系统集成软件套1900009. 0046连通管、风速仪、温湿 度仪数据采集软件1600006. 00小计57. 00万元五、材料费47埋线盒、膨胀螺栓、胶 粘剂、防水剂、绝缘胶 带等项1500005.00六、施工费48传感器、传输系统安装 费项130000030. 0049数据米集站建设费项110000010. 0050GPS基准站建设费项110000010. 0051车辆、办公费用项110000010. 00小计60. 00万元七、设计监理费53<+八）X3. 0%项115270015.2754一+七）XI. 5%项1763007. 63九、税费及管理费55一+.+八）X12.0%项163810063.81合计595. 57 7亍元注：现场数据采集站用房建议与大桥管理用房统一考虑。