1、大型桥梁结构健康监测系统的设计方法 李 惠 欧进萍 （哈尔滨工业大学土木工程学院） 摘要 结构智能健康监测愈来愈成为重大工程结构健康与安全的重要保障技术，也愈来愈成为重大工程结构损伤积累、乃至灾害演变规律重要的研究手段。由于我国重大工程结构建设日新月异、突飞猛进，智能健康监测方法、技术和系统的研究、开发与应用吸引了我国土木工程领域众多科技工作者很大的兴趣和积极的参与，并且得到了快速的发展。我国是桥梁大国，而桥梁结构是服役性能退化较显著的重大工程之一。本文首先研究了大型桥梁结构健康监测系统的设计总则，结合与桥梁结构健康监测系统有关的理论、方法和技术，分析了健康监测系统的传感器子系统、数据采集子系
2、统、信号传输子系统、损伤识别与模型修正及安全评定、数据管理子系统及系统集成技术等的设计原则与方法及功能要求；采用上述桥梁健康监测系统设计方法，为山东滨州黄河公路大桥和松花江斜拉桥设计并实现了不同等级的健康监测系统，系统运行表明，所建立的桥梁结构健康监测系统协调运行，系统性能很好。 关键词： 桥梁；健康监测系统；光纤光栅传感器；无线传输技术；系统集成；数据库；工程应用 Design and implementation of health monitoring systems for cable-stayed bridges LI Hui OU Jinping (School of Civil
3、Engineering, Harbin Institute of Technology) ABSTRACT The intelligent health monitoring system more and more becomes a technique for ensuring the health and safety of civil infrastructures and also an important approach for research of the damage accumulation or even disaster evolving characteristic
4、s of civil infrastructures, and attracts prodigious research interests and active development interests of scientists and engineers since a great number of civil infrastructures are planning and building each year in mainland China. Number of cable-stayed bridges have been constructed and are planni
5、ng to be constructed in mainland China, however, the performance of cable-stayed bridges deteriorates rapidly in long-term service. General design principles of the health monitoring systems for cable-stayed bridges are studied. The design methods of the sensors, software and hardware of data acquis
6、ition module, signal transmission, damage detection, model updating, safety evaluation, database and system integrated technologies are analyzed and the basic functions of the health monitoring systems are pointed out. An on-line health monitoring system for the Shandong Binzhou Yellow River Bridge
7、and an off-line health monitoring system for the Harbin Songhua River Bridge are designed and implemented. The two systems have been running for several months and data measured by these two systems are also presented in this paper. Keywords: cable-stayed bridges; health monitoring systems; optical
8、fiber Bragg-grating sensors; wireless communication techniques; system integration; database; implementation 国家自然科学基金重大国际合作研究项目（编号：50410133）的资助 1. 前言 我国经济正处于高速增长时期，为适应经济建设的需要，我国交通事也得到了大规模的发展，大跨度桥梁的建设方兴未艾，并将在未来仍然保持高速增长。然而，大跨桥梁结构的使用期长达几十年、甚至上百年，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗
9、力衰减，从而抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力下降，极端情况下引发灾难性的突发事故。因此，为了保障结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，在新建和已经建成使用的大跨度桥梁结构上急需采用有效的手段监测和评定其安全状况、修复和控制损伤（欧进萍， 1996； Ou, 2003） 。 发达国家在 80 年代末期开始在桥梁结构上安装健康监测系统，以把握桥梁结构的服役安全状态；然而，由于传感器耐久性较差，导致桥梁结构上安装的健康监测系统一般不能满足桥桥梁结构长期服役安全性监测的要求，同时系统的自动化、实时性、集成化和网络化的程度较低。 近年来，智能材料的出现、计算机科学和通讯技术的飞速发展，为研究和应用高
10、性能和耐久性好的智能传感器以及高度集成和网络化的智能健康监测系统奠定了基础 (。 90 年代后期，美国科学基金会提出了“智能感知技术与智能结构系统”的研究计划（ www.sfc.gov） ，从而极大地推动了智能传感器的发展，并带动了世界范围内结构智能健康监测系统研究的高潮 (Wu and Abe, 2003)。 我国正处于大规模的土木工程和基础设施建设时期， 许多世界瞩目的重大工程与基础设施已经建成或正在规划建设之中，如已经建成的三峡工程、正在建设的苏通大桥、渤海海域多座海洋平台和海底管线、2008 年奥运会场馆等。我国政府、研究人员与工程技术人员十分重视这些重大工程结构长期服役的安全性和耐久
11、性，并积极研究、开发和应用结构智能健康监测系统、实时监测其服役期间的安全状况以便避免重大事故的发生。同时，我国重大工程建设和安全运行的需求也为重大工程结构健康监测系统的研究、开发与应用提供了广阔的平台和前所未有的机遇(Ou,2004)。 结构健康监测系统包括传感器子系统、数据采集子系统、信号传输子系统、损伤识别与模型修正以及安全评定子系统、数据管理子系统，上述各个子系统分别涉及不同的硬件和软件，需要通过系统集成技术将它们集成为一个协调共同工作的健康监测系统。结构健康监测系统涉及多门学科领域，系统的设计与实现比较复杂，系统本身的构成不仅与其性能和功能有关，还需要考虑其未来运行和养护管理情况。 目
12、前国内外在结构健康监测领域，对智能传感器以及结构损伤识别方法的研究较多，但有关桥梁结构健康监测系统的性能分析、设计、集成与实现的研究较少。本文研究了桥梁结构健康监测系统的总体设计原则，各个子系统的设计原则、方法、性能和功能要求，以及结构健康监测系统的集成技术；采用上述方法，为山东滨州黄河公路大桥设计了最高等级的健康监测系统，还为哈尔滨松花江四方台大桥设计了中等等级的健康监测系统，这两个系统运行表明，本文建立的桥梁结构健康监测系统的设计方法与实现技术是可行的。 2. 健康监测系统的设计方法 2.1 健康监测系统设计总则 桥梁结构监测系统的总体设计时需要考虑监测内容、监测系统的等级和功能三个方面。
13、 1）健康监测系统的监测内容 桥梁的监测内容概括起来有两大类：荷载监测和响应监测。桥梁上的荷载主要有风荷载、温度荷载、湿度和车辆荷载等；结构响应分为局部性态变量响应和整体性态变量响应，局部性态变量主要为应变，整体性态变量主要为加速度和位移等，索力既可以通过局部性态变量应变获得，也可以通过整体性态变量加速度获得。桥梁结构的监测变量如表 1 所示。 表 1 桥梁健康监测系统的监测变量 监测变量类型 监测变量 荷载 车辆、风、温度、湿度、雨量 全局性态变量 静动位移、加速度、索力 响应 局部性态变量 应变、索力 2）健康监测系统的等级 根据桥梁结构的规模、重要性、投资、服役环境及其服役期内性能退化情
14、况，桥梁结构健康监测系统的等级也不同，按照其运行方式，桥梁结构健康监测系统划分为三个等级：即在线实时监测系统一级；定期离线监测系统二级；定期检测系统三级。一级健康监测系统一般用于大跨度重要桥梁，如悬索桥或斜拉桥；二级用于中等跨度的悬索桥和斜拉桥、大中型跨度的连续梁桥及拱桥；三级用于一般跨度的桥梁。显然，不同等级的健康监测系统的自动化、实时性、网络化、规模、监测系统硬件和软件将有所不同，其功能也不同。桥梁结构健康监测系统的等级划分如表 2 所示。 表 2 桥梁健康监测系统的等级 等级 桥型 监测系统的性能 一级 大跨度斜拉桥和悬索桥 监测内容全、系统硬软件先进、系统自动化、实时性、集成化和网络化
15、程度高 二级 中等跨度的悬索桥和斜拉桥、 大中型跨度的拱桥和连续梁桥 监测内容较全、系统硬软件先进、系统离线定期连续监测（每次连续监测多天） 、自动化程度较高、数据管理系统网络化运行 三级 一般跨度桥梁 检测内容、检测系统硬软件、检测制度等符合国家桥梁养维护技术手册的相应要求，数据管理系统网络化运行。 桥梁结构健康监测系统的等级是桥梁结构健康监测系统硬软件设计与选型原则、系统集成技术及其水平确定的依据。 图 1 健康监测系统的基本功能 3）健康监测系统的功能 健康监测系统的等级不同，其功能也不同，但一个桥梁结构的健康监测系统至少应满足图 1 所示的四个基本功能。 2.2 传感器测点优化理论与传
16、感器选型原则 1）传感器及其测点优化理论 根据监测内容，桥梁健康监测系统传感器测点优化布设分别采取不同的方法。 荷载监测：风荷载一般采用风速仪测试，风速仪应安装在风荷载较大和受桥梁结构外形影响较小的位置，如桥塔顶部或桥面合拢段；车辆荷载一般采用动态地秤，往往设在桥头或收费站处；引起桥梁结构内力的温度有季节温差和日照温差，温度传感器的布设需要能够监测环境温度和温度在传感器能够监测： 环境荷载 全局性态变量响应 局部性态变量响应 数据采集与传输： 多种类海量数据同步采集 数据管理 数据 远 程传输结构模型修正： 原始结构模型 损伤识别与定位 模型修正 健康诊断功能： 荷载标准 健康标准 结构分析
17、健康评定 构件内的梯度分布，目前性能最好的温度传感器是光纤光栅温度传感器。 局部性态变量监测：局部性态变量主要是应变，应变传感器按照热点应力法和保证一定冗余度的原则布设，目前常用光纤光栅应变传感器、干涉型光纤传感器、振弦式应变传感器等。 整体性态变量监测：整体性态变量主要为静动位移和加速度。桥梁结构的静位移可以采用 GPS系统、全站仪或连通管测试，上述传感器测点应布设在静变形较大和桥墩处（沉降） ；测试动位移和加速度反应可以采用加速度传感器或 GPS 系统， 按照测点优化理论确定它们的最小数量和最优位置，同时考虑一定的冗余度，也可以根据桥梁结构主要参与振动的模态确定传感器的数量和位置。 斜拉索
18、索力的监测：斜拉索索力可以通过测试斜拉索的应变或其自振频率获得，考虑到短索受力不利，长索振动较大，所以应在短索和长索上布设传感器，并适当在中长度的斜拉索上也布设少量的传感器。 斜拉桥每一个索塔至少布设一个测试整体性态变量的传感器。 2）传感器选型原则 本着技术先进、经济合理、性能可靠适用、长期稳定、满足监测要求的目的确定传感器的选型。 先进性原则：根据监测要求，尽量选用技术成熟、性能先进的传感器； 实用、可靠性原则：保证系统在桥梁服役环境下安全可靠运行，经济实用； 耐久性原则：选用耐久性好和抗干扰强的传感器和传输线； 可维护、可扩展原则：传感器易于维护和更换； 精度适中：根据桥梁受力和变形特点
19、，选用精度满足监测要求的传感器。 用于桥梁健康监测系统的常用传感器的选型原则具体分述如下。 风速仪：能测量脉动风，进行风谱分析，按照桥梁的设计风速确定精度和量程，可以适用于风吹雨淋环境，工作温度满足桥梁建设地点的冬季和夏季的最低和最高温度。 地秤：能测试车辆的重量和车速、精度满足有关规范要求、抗电磁干扰强、耐久性好。 温度传感器：能实现绝对测量、测量精度满足有关规范要求、量程满足桥梁建设地点历史统计资料的最低和最高温度、抗电磁干扰强、耐久性好。 应变传感器：能绝对测量、精度满足有关规范要求、最大量程与所用钢筋的极限应变相同或略高、工作温度满足桥梁建设地点的最低和最高温度要求、抗电磁干扰强、耐久
20、性好。 加速度传感器：根据桥梁动态响应确定加速度传感器的精度、量程和轴向（单轴、双轴和三轴） ；根据桥梁的自振特性确定加速度传感器的频响特性；根据桥梁建设地点的历史统计资料，确定加速度传感器的适宜工作温度和环境。 位移传感器：根据桥梁静态响应确定测量精度和量程。其他指标与加速度传感器相同。 2.3 数据采集硬软件系统及其总线方案 数据采集系统硬软件的设计原则是根据桥梁结构健康监测系统的等级并结合传感器的性能指标和信号特征以及结构响应特点确定的。桥梁结构的监测信号按照随时间变化的特征可以分为静态信号和动态信号，从感知机理上分为光信号和电信号等。 对所有传感器信号的真实记录是数据采集硬件系统选择的
21、最终要求。传感器信号特征、信号采样频率、 I/O 数据吞吐量及对信号的预处理等要求决定了数据采集硬件系统的基本方式和具体硬件设备的选择。通常，遵循简单协议和接口标准的基于串口并口的数据采集硬件即可满足单一特征信号及较低信号采样频率等的要求，而基于 ISA、 PCI、 PXI 等局部总线标准以及基于 CAN、 LonWorks等现场总线的数据采集硬件更可以满足较高的信号采集要求甚至目前现有桥梁结构信号采集的所有要求。另外，对信号进行放大、滤波、去噪、隔离等硬件设备在必要时也可采用。 软件是数据采集系统的关键，选择正确的软件系统可以最大限度发挥硬件的性能。目前有多种程序开发语言或软件开发平台可供选
22、择。一般来说，越低级的语言开发出的数据采集系统效率越高，但开发技术复杂；利用高级语言或软件开发平台进行数据采集软件的开发通常较为简单易学，数据处理方式简单，但效率较低，常用于非严格场合。目前从低级到高级的开发工具主要有：汇编语言、BASIC 语言、 C 语言、 Visual C+开发平台、 LabWindows/CVI 开发平台、 LabVIEW 开发平台。 数据采样频率是数据采集系统设计中的一个重要问题，采样频率过高，将对数据采集、传输和存储系统的硬件性能的要求非常高，导致系统造价大幅度提高，若采样频率过低，将使采集的数据不能真实反映桥梁的振动特性。数据采样频率需要根据桥梁结构动态响应的频响
23、范围确定，此外，所有传感器的信号应同步采集或间隔同步采集；桥梁结构健康监测系统的数据量大，需要考虑监测数据的存储策略，一般可以通过设定阈值的方法对桥梁较小反应的数据不存储，另一种方法是根据交通流量和环境变化来分时间段确定数据采集和存储策略，如分别在交通流量较大和交通流量特别少（消除交通车辆对桥梁自振特性的影响）的时间段内采集数据等。对于特别多传感器或采样频率很高的情况，实时采集和需要存储的数据量也会非常大，对这种情况，通常采用缓存技术进行延时存储，但在地震等极端荷载作用下的桥梁结构或可能发生突然失稳破坏的大跨度悬索桥中，延时存储可能导致结构紧急情况下数据的丢失，因此本地硬盘的二进制数据应急存储
24、（备份存储）在这种情况下是有必要的，该部分冗余数据可以定期清楚。 2.4 数据传输技术 数据传输技术分为现场传输和远程传输。现场传输是指从传感器至工控机；远程传输是指从工控机至服务器接入 Intranet/Internet 网络（实现 Intranet/Internet 网络存储和发布数据） 。对现场传输而言， GPS 系统和无线传感器一般采用无线传输技术将传感器的信号直接传输至工控机，其它传感器采用有线传输；对远程传输而言，若桥梁建设地点本身有 Internet 网络可以利用，则可以将监测数据直接存入服务器，进而实现网上存储和发布数据，若桥梁建设地点没有 Internet 网络可用，则可以采
25、用微波等无线通讯技术将监测系统采集的数据从工控机传输至有 Internet 网络地点的某个服务器上，进而实现网络存储和发布数据。对远程无线传输系统，传输数据量和传输距离是无线通讯系统的主要性能指标。 2.5 损伤识别、模型修正与安全评定方法 在桥梁上安装健康监测系统的目的是对桥梁的损伤进行识别，建立损伤桥梁的计算分析模型，进一步对桥梁的健康和安全状态进行评定，并及时预警。 桥梁的安全评定分为基于构件的安全评定和基于整体桥梁的安全评定。基于构件的安全评定可以按照下述原则在线实时进行：监测的关键构件关键截面上的应力是否超过规范的允许值；监测的加速度是否超过舒适度的要求；监测的位移是否超过规范的允许
26、值；与历史同期数据相比，是否某些监测的变量有明显的变化？ 但基于整体桥梁的安全评定需要在损伤识别和修正模型的基础上进行。考虑到目前准确地识别结构的损伤、建立较精确的修正模型和进行整体桥梁的安全评定还有一定的困难，因此，在设计桥梁在线健康监测系统时，一般还需要离线进行更细致的分析。 2.6 数据管理系统设计原则与功能 数据管理系统是健康监测系统的“仓库” ，它存储和管理桥梁及其健康监测系统所有的硬件和软件以及监测和分析结果全过程的信息。桥梁结构健康监测数据管理系统的设计包括数据库结构设计和数据库功能设计。为了使多用户能同时访问桥梁结构健康监测的数据，同时使监测数据通过Internet 网络发布，
27、一般采用网络数据库，这也便于与我国桥梁养护管理系统接口。 桥梁健康监测系统的数据库结构应包括桥梁地理位置子库、桥梁设计 CAD 图纸子库、桥梁施工监控子库、成桥试验子库、健康监测系统硬件和软件信息子库、桥梁结构监测数据子库、桥梁结构分析结果子库等。桥梁结构健康监测系统的数据管理系统如图 2 所示。 图 2 桥梁健康监测系统数据管理系统 数据管理系统具有数据库的一切功能。 2.7 健康监测系统集成技术 结构健康监测系统的各子系统分别涉及不同的硬软件、完成各自的功能，各部分需要协调共同工作，完成桥梁结构健康监测的任务，因此，在各个子系统构建完成后，就需要采用集成技术将各个子系统集成为完整的桥梁结构
28、健康监测系统。集成技术主要通过一个公共平台软件来完成，系统在该软件环境下运行，该软件是健康监测系统的“大脑” ，由它“指挥” 、 “调用”和“驱动”各个子系统的运行和数据的交互与通讯，管理健康监测系统的所有软件和硬件，并允许系统通过以太网、局网和 WWW 网实现数据的现场和远程传输和交互。 2.8 施工监控、成桥试验和运营健康监测系统的共享性 按照桥梁结构设计规范，大型桥梁施工过程均需要进行施工监控、桥梁合拢通车前需要进行成桥试验，运营阶段需要进行健康监测。上述三个部分在时间顺序上是相互衔接的，如图 3 所示。施工监控和成桥试验均需要在桥梁结构上布设临时传感器和测试系统，因此，充分考虑桥梁结构
29、施工监控、成桥试验和运营健康监测系统的共享性，将不仅节省大量的费用，而且有关数据将形成桥 图 3 施工监控、成桥试验和运营健康监测系统的共享性 施工控制 0.总体方案设计 1.方案设计 2.监控系统布设 3.监控数据采集与处理 4.施工控制 荷载试验 6.方案设计 7.监控系统布设9.试验数据采集与处理8.静动荷载试验10.有限元模型修正运营健康监测 12.方案设计 11.有限元模型分析 13.健康监测系统布设 15.损伤识别、模型修正、 安全评定、可靠度预测 16.数据库开发与建立 14.数据采集与处理 5.有限元模型分析桥梁结构地理位置 桥梁结构设计 CAD 图桥梁结构施工监控 桥梁结构成
30、桥试验 监测系统硬软件信息桥梁结构实时监测数据 桥梁结构健康安全分桥梁结构健康安全分析 静态数据库 动态数据库 梁结构建造和运行的档案，根据成桥试验获得的模型作为桥梁的健康模型，从而为建立未来桥梁结构损伤模型提供参考模型。因此，桥梁结构健康监测系统的设计与实现应充分考虑在传感器、数据采集系统和采集数据上共享。山东东营黄河公路大桥就采用了施工监控、成桥试验和运营健康监测三位一体的综合监测系统。 3. 桥梁健康监测系统的实现 3.1 山东滨州黄河公路大桥健康监测系统 1）工程概况 山东滨州黄河公路大桥是三塔双索面固接半漂浮双边箱预应力混凝土梁斜拉桥体系。主桥全长 768m，桥跨布置方案为： 84m
31、（边跨） +300m（主跨） +300m（主跨） +84m（边跨） 。索塔为双柱式索塔， 中塔和边塔高分别为 123.25m 和 75.78m（塔座以上） 。 本桥采用 7 高强镀锌钢丝斜拉索，外套聚乙烯防护套，全桥共计 100 对斜索。 山东滨州黄河公路大桥于 2003 年 11 月合拢， 2004 年 7 月 3 6 日进行了成桥试验， 2004 年 7月 18 日正式通车。该桥如图 4 所示。 图 4 山东滨州黄河公路大桥 2）系统总体设计 山东滨州黄河公路大桥是目前跨越黄河的最大规模的桥梁， 其跨度在我国同类桥梁中排名第三，同时该桥是连接华东和华北经济圈的重要通道，桥梁的车流量大。 根
32、据该桥梁的规模和重要性，该桥的健康监测系统设计为一等，即在线实时健康监测系统，该健康监测的实时性、自动化、集成化、网络化的程度是目前最高等级。 桥梁的监测内容有荷载和响应。荷载主要为风荷载和温度荷载；响应主要为应变、位移、加速度和索力。该健康监测系统的功能是实时监测该桥的受力状态，对该桥的健康安全状况进行评定。 3）传感器及其性能与测点 （ a）超声风速仪 （ b）涡轮式风速仪 图 5 风速仪 应变采用光纤光栅应变传感器，其测试精度为 2 ，耐久性好、绝对测量、分布式测量，光风荷载采用了超声风速仪和涡轮式风速仪， 分别安装在中塔顶部和桥面上，如图 5 所示。超声风速仪可以监测风速、风向和温度等
33、，能直接计算风谱，采样频率为 4 32Hz， 适宜工作温度为 -50oC 50oC，风速测量范围为 0-40m/s；涡轮式风速仪可以监测风速。温度采用光纤光栅温度传感器，其耐久性好，能绝对测量，测试精度为 0.1，温度传感器的布设既考虑了温度在梁内的分布特点， 同时也考虑了光纤光栅应变传感器的温度补偿。 纤光栅应变传感器及其测点布设如图 6 所示。 图 6 光纤光栅应变传感器在主梁和斜拉索上的布设位置 (a) 斜拉索上布设的单轴和双轴加速度传感器 (b) 桥面上布设的加速度传感器 图 7 加速度传感器 根据桥梁结构的自振频率，分别选用了力平衡式和压电式加速度传感器。按照振动特点，在桥塔顶部安装
34、了 1 个双轴的加速度传感器，在主跨合拢处安装了 2 个三轴加速度传感器；在桥梁主跨上下游分别布设了 7 个单轴加速度传感器；在斜拉索上分别布设了单轴和双轴加速度传感器；该桥上共布设了 39 个加速度传感器，如图 7 所示。 位移采用 JAVAD 公司的 GB-1000 双频 GPS，在该桥上共安装了 1 4 套 GPS 系统，分别设置在中塔顶部、合拢段的上下游和岸边，如图 8 所示。 设置于主梁处的光纤传感器 设置于斜拉索处的光纤传感器 20 311 滨州 6 7 89 12 13 14 15 1617 1821 22 23 24 25 2627 28 29 30 2 5 4 3 10 11
35、 19桥面 GPS 监测站 岸边 GPS 基站 图 8 山东滨州黄河公路大桥布设的 GPS 系统 (a) 数据采集系统及其总线方案 （ c）超声式风速仪程序源代码及用户界面 图 9 山东滨州黄河公路大桥健康监测系统的数据采集系统硬软件及总线方案 模拟电压信号 加速度传感器光纤光栅温度传感器光纤光栅应变传感器风速仪GPS 系统光纤光栅 波长解调仪 交换机 数字信号数字信号经 RS-485 总线 或无线设备服务器 无线局域网 数据采集工控机 数据采集工控机 4）数据采集系统的硬软件及其总线方案 本桥健康监测系统传感器的信号既有电信号、也有光信号。所有的电信号都直接采用数据采集卡采集，然后存入桥梁中
36、控室内的控制中心的工控机内；光信号采用光纤光栅解调仪进行采集。所有的数据采集软件均采用 LabVIEW 编写。采用 PCI 总线。加速度和桥面涡轮式风速仪的采用频率是 50Hz，塔顶超声风速仪的采样频率为 20Hz，光纤光栅应变和温度的采用频率为 100Hz， GPS 系统的采样频率为 100Hz。 5）无线传输系统 在所有布设的传感器中， 从传感器至工控机的信号现场传输只有 GPS 系统采用了无线传输技术，其它信号的现场传输均有有线传输，并将所有采集的数据存储在桥梁现场中控室内的工控机内。由于该桥建设地点附近没有 Internet 网络可以利用，无法直接实现网上数据存储和发布，为此，采用微波
37、无线通讯系统将工控机内的数据实时传输至 10km 处的桥梁收费站内设置的服务器内，从而实现了数据实时网上存储和发布。 无线通讯系统分别设在桥塔顶部和收费站建筑物的顶部， 如图 10 所示。 (a) 塔顶远程无线设备 (b) 收费站远程无线设备 图 10 山东滨州黄河公路大桥微波无线通讯系统 在整个建成的 GPS 数据传输无线链路中，提供的带宽将达到 2MB，从桥中控室到市中心点的带宽将保证在 1MB，最大传输距离为 15km。 桥梁上现场采集数据和收费站内服务器内采集数据的比较表明，两者的数据完全相同，说明该系统传输数据的实时性和再现性均满足本监测系统的要求。 5）模型修正 本桥当前是一座新建
38、桥梁，桥梁没有损伤，但目前采集的数据为研究斜拉桥结构的模型修正方法提供了基础，作者及其课题组已经对斜拉索和索塔的参数进行了识别，得到了与设计和实测结果吻合较好的子结构模型。在该健康监测系统中，目前采用了基于构件的安全评定方法。 6）数据管理子系统 采用 SQL Server2000 编制开发数据管理系统，它不仅满足监测系统网络化的要求，同时也满足与桥梁养护管理系统接口的要求。数据管理系统分为静态数据库和动态数据库。其中静态数据库主要包括桥梁结构信息数据库（ StructureInf） ，主要存储桥梁结构的设计资料，如桥梁结构的 CAD设计图纸等。 结构模型数据库，主要存储基于成桥试验的健康分析
39、模型和基于模型修正的损伤桥梁结构分析模型。传感器信息数据库，主要记录传感器在桥梁结构上的安装位置信息，传感器性能指标信息，及传感器与结构构件之间的对应关系。分为加速度传感器、光纤光栅传感器、风速仪、GPS 等。 结构动力性能数据库 (StrucModalInf)，主要记录结构振型、频率、阻尼等动力学参数的健康值、理论计算值和损伤后的数值等。 成桥试验数据库，主要记录成桥试验的加载工况、试验与分析结果以及成桥试验报告等。 施工监控数据库，主要记录施工监控过程的全部信息。动态数据库主要包括：结构外部荷载数据库，主要记录风荷载、温度荷载、湿度、车辆荷载等的时程信息。 结构局部性态变量与整体性态变量数
40、据库，主要记录梁、索（主缆、吊索、斜拉索、吊杆） 、塔和拱等关键构件的应变、加速度、位移等信息。结构安全评定分析结果数据库 (HealEvalu)，主要记录实时在线及离线的各种安全评定结果，以及专家评价结果等信息，该数据库一般可以与桥梁养护管理系统数据库进行接口和数据共享。 7）集成技术 本系统采用 LabVIEW 作为系统集成的开发平台，所有的硬软件的运行均由该软自动“指挥”和“调用”完成。系统在网上运行，有关界面如图 11 所示。 （ a）系统首页界面 （ b）系统功能区界面 （ c）数据查询界面 图 11 系统网络运行界面 8）系统运行结果分析 该健康监测系统在成桥试验阶段开始运行，成桥
41、试验中利用此系统记录了山东滨州黄河公路大桥在试验工况下的受力状态，验证了该系统的性能。下面介绍部分试验结果。 （ 1）光纤光栅传感器 对主梁北主跨塔根部北侧最大负弯矩的中载加载工况，采用光纤光栅传感器测试了主梁截面上的应变，截面如图 12 所示，测试的应变如图 13 所示。 1 2 34 5 6下游 图 12 主梁截面上的应变测点 200 250 300 350 400 450 500-6-5-4-3-2-1010-210-5应变（）荷载 （ 10KN）280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 50001234519-2应变（）荷载 （ 10KN）
42、(a) 北跨中截面 2、 5传感器反应图 (b) 主塔根部北侧主梁截面 2传感器反应图 200 250 300 350 400 450 500-40-35-30-25-20-15-10-50513-113-2应变（）荷载 （ 10KN） 200 250 300 350 400 450 500-50-40-30-20-10012-112-2应变（）荷载 （ 10KN）(c) 中塔北侧下游 N24 索 1、 2传感器反应图 (d) 中塔北侧下游 N22 索 1、 2传感器反应图 图 13 光纤光栅应变传感器静力加载下的测试结果 在无障碍行车试验（在桥面无任何障碍的情况下，用两辆载重分别为 150k
43、N 的汽车以 10、 20、30、 40km/h的速度驶过该桥）下测量桥梁结构在动应变和温度变化，如图 14 所示 图 14 由南向北时速 50km/h 无障碍行车应变、温度反应图 从上述结果可以看出，光纤光栅传感器可以测试静动态应变，测试精度较高；也可以准确测试桥梁结构的温度。 （ 2）加速度响应 斜拉索、桥塔和桥面上均布设了加速度传感器，分别测试了环境激励下桥梁的振动。其中斜拉索在环境激励下的振动时程曲线如图 15（ a）所示，由此得到的频谱曲线如图 15（ b）所示，通过斜拉索的振动频率识别得到的斜拉索的索力如表 3 所示，由此可见，斜拉索索力的识别结果与设计结果相差较小。 桥塔在环境激
44、励下的加速度时程反应如图 16 所示， 分别通过傅立叶变换和 Hilbert Huang 变换识别了桥塔的振动频率，其横桥向前三阶振动频率分别为） 0.27Hz、 1.67Hz 和 4.8Hz，根据上述测试的频率，采用模型修正方法，获得了桥塔的修正有限元模型。 成桥试验车辆动荷载和环境激励下桥面合拢处的竖向振动如图 17 所示。 桥面系的动力特性及其修正的有限元模型还需要进一步研究建立。 （ 4） GPS 系统测试的位移反应 通过 GPS 系统测试获得的桥塔顶部在顺桥向和横桥向的座标变化如图 18 所示，进一步处理可以得到 GPS 系统测试的桥塔的位移反应。 （ 5）风速 采用塔顶部超声风速仪
45、和桥面上涡轮式风速仪测试了一段时间的风速（天气为清朗无风） ，如图19 所示。 从测试结果看，两天的风速差别不大，在一般天气下，桥梁建设地点的风速不大。 (a) 加速度反应时程 (b) 加速度反应的频域分析 图 15 环境激励下 N26 索的加速度反应 表 3 山东滨州黄河公路大桥部分斜拉索索力识别结果 位 置 索 号 计算频率(Hz) 实测频率 (Hz) 设计索力值 (kN) 识别索力值 (kN) 差值() 单位长度质量(kg) 锚固点间长度 (m) J10 1.499 1.500 4651 4654.9 0.00 65.384 88.940 南塔 J12 1.281 1.306 6849
46、7121.1 3.97 96.619 103.937 N26 0.632 0.611 7307 6835.7 6.45 95.089 219.410 N24 0.641 0.650 6030 6210 2.99 88.190 204.124 N22 0.716 0.7083 5780 5658 2.11 79.028 188.883 N20 0.765 0.750 5469 5265 3.73 77.558 173.698 N18 0.783 0.792 5215 5341.9 2.43 84.682 158.562 N16 0.890 0.875 4970 4801.5 3.39 76.08
47、1 143.553 N14 1.007 1.000 4488 4424.6 1.41 66.814 128.669 N12 1.134 1.125 4374 4306.5 1.54 65.544 113.924 上 游 中 塔 N10 1.297 1.292 4159 4126.3 0.79 62.658 99.312 J10 1.499 1.453 4651 4367.7 6.09 65.384 88.940 南塔 J12 1.281 1.250 6849 6523.5 4.75 96.619 103.937 N26 0.632 0.625 7307 7152.6 2.11 95.089 2
48、19.410 N24 0.641 0.638 6030 5982.9 0.78 88.190 204.124 N18 0.783 0.750 5215 4790.4 8.14 84.682 158.562 N16 0.890 0.875 4970 4801.5 3.39 76.081 143.553 N14 1.007 0.958 4488 4060.8 9.52 66.814 128.669 N12 1.134 1.157 4374 4555 4.14 65.544 113.924 下 游 中 塔 N10 1.297 1.282 4159 4062.7 2.32 62.658 99.312
49、0 100 200 300 400 500 600 700-0.002-0.0010.0000.0010.002加速度(m/s2)时间 (s)0 100 200 300 400 500 600 700-0.0015-0.0010-0.00050.00000.00050.00100.0015加速度(m/s2)时间 (s)图 16 (a)桥塔沿桥横向 图 16 (b)桥塔沿桥纵向 0 2040608010120140160-0.015-0.010-0.0050.0000.0050.0100.0150.020加速度(m/s2)时间 (s)0 50 100 150 200 250 300 350-0.0010-0.00050.00000.00050.00100.00150.0020加速度(m/s2)时间 (s)图 17(a) 合拢段成桥试
