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摘要：在阐述悬索桥健康监测的重要性的基础上，以重庆涪陵青草背长江大桥为例，阐述了本桥健康监测系统的组成、结构和功能的研究，以影响桥梁结构响应的动、静力参数为依据，对本桥健康监测系统中传感器的选型和布设进行设计，并给出了本桥健康监测传感器系统的总体设计。
关键词： 悬索桥 健康监测 传感器 算例
中图分类号：K928.78 文献标识码：A 文章编号：
0前言
随着交通建设项目日益增多，一些大跨度桥梁以及特大跨度的桥梁越来越多见，人们对这些桥梁的耐久性、安全性和正常使用功能越来越关注和重视。桥梁结构健康监测系统建立了，就能够及时准确掌握桥梁的工作性能，从而为桥梁的维护工作做准备，这样就确保了桥梁的结构安全并实现桥梁的安全运行，所以建立健康监测系统是非常必要的。
桥梁健康监测就是通过对桥梁结构的无损检测、实时监控结构的整体行为，对结构的损伤位置和损伤程度进行诊断，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。 目前国内外悬索桥健康监测著名的桥梁有：日本明石海峡大桥（主跨1991m，目前世界上最长的悬索桥）桥上安装了包括地震仪、风速计、加速度计、速度计、GPS等监测系统;香港青马大桥（主跨1377米的悬索桥）健康监测系统永久性地安装了800多个各类传感器用于监测桥梁的健康状态及运营状况；润扬大桥南汊桥（主跨1490m，国内第一）。中国是一个桥梁大国，目前大跨度桥梁建设发展迅速，因而如何有效地对大跨度悬索桥进行健康监测成为我国桥梁界研究的热点和重点。
1工程背景
重庆市南川至涪陵高速公路第LJ15～LJ16合同段涪陵青草背长江大桥位于路线K48+657～K50+376处。本桥桥型为单跨788m悬索桥，加劲梁为流线型扁平钢箱梁，门形框架式索塔，钻孔群桩基础，全桥长1719m。主缆跨径布置为，中跨788m；南北边跨均为245m（无吊索）。中跨理论垂度为78.8m，垂跨比为1:10。主缆中心距为28.7m；吊索间距为16m（近塔吊索距中心线18m）。本文采用脊梁模式建立悬索桥空间有限元模型，在有限元分析时，加劲梁、塔柱和塔横梁等简化为空间梁单元，主缆和吊杆则简化为只受拉索单元，主梁和吊杆间采用刚性连接。桥梁上部结构立面布置如 图1所示。
图1桥梁上部结构立面图（单位：cm）
Fig.1 Elevation drawing of the bridge superstructure
2青草背长江大桥健康监测系统构成与设计
2.1青草背长江大桥健康监测系统的构成
为确保青草背长江大桥的使用安全，有必要针对本桥特点，建立和发展一个长期健康监测系统，利用现代化的诊断量测手段，通过对大桥关键部位的空间位置、力学性能及其变化的长期和定期监测、分析。青草背长江大桥健康监测系统包括硬件和软件2个部分，主要包括5个主体系统，即：①传感器系统；②数据采集与预处理系统；③数据通信与传输系统；④仿真分析处理及数据管理系统；⑤综合评估决策与自动安全预警智能系统。各系统间通过光纤网络联系而进行运作。
2.2青草背长江大桥健康监测系统设计
决策者可以通过健康监测系统提供的桥梁结构监测的信息，针对关心的目标做出正确的决策。然而，对于营运期间的桥梁结构而言，政府、桥梁管理部门、维修养护部门等关心的问题各不相同。因此，青草背大桥健康监测系统，在进行设计时，主要把握以下几个原则：
①可靠性：因为桥梁结构健康监测系统是长期野外实时运行，所以必须保证系统的可靠性。根据青草背大桥的地理位置特征和结构特征，选择国内外有业绩的成熟产品和技术，保证其功能和指标要求的实现。②先进性：青草背大桥结构复杂，技术含量高。系统采用的技术要与大桥的重要性相适合，使其监测能力能达到国际先进水平。③可操作和易维护性：系统正常运行后应易于管理、易于操作，应避免因复杂操作带来的困难和失误。选用的系统产品升级换代方便，不至于因为系统维护和调整而破坏整个系统。
3传感器布设
对于大跨度悬索桥来说，受动力荷载作用较大，桥梁结构动力特性明显。而对采集结构振动信号的加速度传感器等的布设，就需要结构的固有频率和模态等信息，进行传感器布设的优化。即将最佳数目的传感器布设在结构信息最丰富的位置，尽可能多地反映出结构总体运行状态信息，降低成本，提高损伤诊断能力。传感器的优化布设方法很多，依采用的不同标准而各异。如模态动能法（MKE）、特征向量乘积法（ECP）、模态分量加和法（MSSP）及MinMAC法等。对于青草背长江大桥结构健康监测系统，应遵循从状态评估的需要出发，以有效和经济为目标，使测点能够发挥最大效应的原则，综合结构评估、传感器布设优化理论等因素，进行传感器的优化布设。本桥采用有限元软件Midas/civil计算，对本桥的有限元模型取前10阶模态进行特征值分析。本桥前10阶模态计算结果如表1所示：
表1 青草背长江大桥前10阶模态
1)主梁和主缆吊杆的监测由表1中的振型特征可知，本桥在实际健康监测中除了要监测竖向振动特性，还需监测横向振动特性。根据全桥每个节点各自由度前十阶模态分量加和值（MSSPi）数据信息的计算、整理和分析结果，在振动幅值较大的位置布置相应类型的动力传感器。在主梁中跨的两1/4截面和跨中截面处布设单向加速度传感器，在主缆跨中布置双向加速度传感器。而对于静力传感器，根据桥梁结构的有限元计算结果，一般布置在应力较大或者应力集中点、结构支承点，结构响应明显处及对结构荷载重新分配影响较大的构件上即可满足监测要求。本桥做健康监测用的应变传感器选用光纖光栅应变传感器，布置在1/5处。主梁线形监测采用GPS在跨中截面布置测点。主梁的纵向位移监测采用线位移传感器，分别布置在悬索桥的梁两端。主梁温度监测选择跨中截面。吊杆监测选取第1、4、7、10、39、42、45、48号对称布置加速度传感器。
2)索塔的监测南北索塔上横梁各布置2个加速度传感器；南北索塔1/4处布置倾角仪；南北索塔中横梁处各布置12个应变传感器。
3)锚碇的监测在南北锚跨各布置6个加速度传感器监测索力；南北锚碇各布置2个位移计监测锚碇位移。
4)环境监测风环境的监测通过安装在跨中的风速仪进行监测。全桥传感器布设如图2所示。
4结束语
大跨径悬索桥健康监测属于多学科交叉技术，而环境影响也具有很大的随机性和不确定性，这些都使得目前桥梁健康监测系统还存在很多不足。目前传感器的布置依据经验，还缺乏统一有效的传感器优化布设的算法；传感器优化布置的评价标准不一，各种方法各有侧重，很难说哪个更优于另外一个。本论文在现有的传感器技术条件下，对青草背大桥健康监测系统进行了设计，到达了对桥梁的运行状态进行实时监测的目的，对目前同类型桥梁健康监测系统的设计具有一定的借鉴作用，也为今后系统准确和有效的工作奠定了坚实的基础。
图2 青草背长江大桥传感器布设图
Fig.2 Sensors’ layout drawing of the bridge
参考文献(References)：
[1] 李爱群，缪长青，李兆霞，等.润扬长江公路大桥结构健康监测系统研究[J]．东南大学学报(自然科学版)，2003，33(5)：544—548.
[2] 缪长青，李爱群，韩晓林，李兆霞，等.润扬大桥结构健康监测策略[J].东南大学学报（自然科学版）,2005,33(5)：780—785.
[3] 周建庭,向毓志,郝炜,等.在役大跨径桥梁基于远程监测的可靠性评价[J].重庆交通大学学报（自然科学版）,2007,26(4):32-35.
[4] 李东升,张莹,任亮,李宏男.结构健康监测中的传感器布置方法和评价准则[J].力学进展,2011,41(1):39-50.
[5] 杨斌.谈大跨度桥梁结构的健康监测[J].科技信息,2011,36(8):397-398
[6] 丁小俊,朱艳,刘杰,等.桥梁健康监测之传感器优化布置[J].山西建筑,2011,37(27):187-189
关键词： 悬索桥 健康监测 传感器 算例
中图分类号：K928.78 文献标识码：A 文章编号：
0前言
随着交通建设项目日益增多，一些大跨度桥梁以及特大跨度的桥梁越来越多见，人们对这些桥梁的耐久性、安全性和正常使用功能越来越关注和重视。桥梁结构健康监测系统建立了，就能够及时准确掌握桥梁的工作性能，从而为桥梁的维护工作做准备，这样就确保了桥梁的结构安全并实现桥梁的安全运行，所以建立健康监测系统是非常必要的。
桥梁健康监测就是通过对桥梁结构的无损检测、实时监控结构的整体行为，对结构的损伤位置和损伤程度进行诊断，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。 目前国内外悬索桥健康监测著名的桥梁有：日本明石海峡大桥（主跨1991m，目前世界上最长的悬索桥）桥上安装了包括地震仪、风速计、加速度计、速度计、GPS等监测系统;香港青马大桥（主跨1377米的悬索桥）健康监测系统永久性地安装了800多个各类传感器用于监测桥梁的健康状态及运营状况；润扬大桥南汊桥（主跨1490m，国内第一）。中国是一个桥梁大国，目前大跨度桥梁建设发展迅速，因而如何有效地对大跨度悬索桥进行健康监测成为我国桥梁界研究的热点和重点。
1工程背景
重庆市南川至涪陵高速公路第LJ15～LJ16合同段涪陵青草背长江大桥位于路线K48+657～K50+376处。本桥桥型为单跨788m悬索桥，加劲梁为流线型扁平钢箱梁，门形框架式索塔，钻孔群桩基础，全桥长1719m。主缆跨径布置为，中跨788m；南北边跨均为245m（无吊索）。中跨理论垂度为78.8m，垂跨比为1:10。主缆中心距为28.7m；吊索间距为16m（近塔吊索距中心线18m）。本文采用脊梁模式建立悬索桥空间有限元模型，在有限元分析时，加劲梁、塔柱和塔横梁等简化为空间梁单元，主缆和吊杆则简化为只受拉索单元，主梁和吊杆间采用刚性连接。桥梁上部结构立面布置如 图1所示。
图1桥梁上部结构立面图（单位：cm）
Fig.1 Elevation drawing of the bridge superstructure
2青草背长江大桥健康监测系统构成与设计
2.1青草背长江大桥健康监测系统的构成
为确保青草背长江大桥的使用安全，有必要针对本桥特点，建立和发展一个长期健康监测系统，利用现代化的诊断量测手段，通过对大桥关键部位的空间位置、力学性能及其变化的长期和定期监测、分析。青草背长江大桥健康监测系统包括硬件和软件2个部分，主要包括5个主体系统，即：①传感器系统；②数据采集与预处理系统；③数据通信与传输系统；④仿真分析处理及数据管理系统；⑤综合评估决策与自动安全预警智能系统。各系统间通过光纤网络联系而进行运作。
2.2青草背长江大桥健康监测系统设计
决策者可以通过健康监测系统提供的桥梁结构监测的信息，针对关心的目标做出正确的决策。然而，对于营运期间的桥梁结构而言，政府、桥梁管理部门、维修养护部门等关心的问题各不相同。因此，青草背大桥健康监测系统，在进行设计时，主要把握以下几个原则：
①可靠性：因为桥梁结构健康监测系统是长期野外实时运行，所以必须保证系统的可靠性。根据青草背大桥的地理位置特征和结构特征，选择国内外有业绩的成熟产品和技术，保证其功能和指标要求的实现。②先进性：青草背大桥结构复杂，技术含量高。系统采用的技术要与大桥的重要性相适合，使其监测能力能达到国际先进水平。③可操作和易维护性：系统正常运行后应易于管理、易于操作，应避免因复杂操作带来的困难和失误。选用的系统产品升级换代方便，不至于因为系统维护和调整而破坏整个系统。
3传感器布设
对于大跨度悬索桥来说，受动力荷载作用较大，桥梁结构动力特性明显。而对采集结构振动信号的加速度传感器等的布设，就需要结构的固有频率和模态等信息，进行传感器布设的优化。即将最佳数目的传感器布设在结构信息最丰富的位置，尽可能多地反映出结构总体运行状态信息，降低成本，提高损伤诊断能力。传感器的优化布设方法很多，依采用的不同标准而各异。如模态动能法（MKE）、特征向量乘积法（ECP）、模态分量加和法（MSSP）及MinMAC法等。对于青草背长江大桥结构健康监测系统，应遵循从状态评估的需要出发，以有效和经济为目标，使测点能够发挥最大效应的原则，综合结构评估、传感器布设优化理论等因素，进行传感器的优化布设。本桥采用有限元软件Midas/civil计算，对本桥的有限元模型取前10阶模态进行特征值分析。本桥前10阶模态计算结果如表1所示：
表1 青草背长江大桥前10阶模态
1)主梁和主缆吊杆的监测由表1中的振型特征可知，本桥在实际健康监测中除了要监测竖向振动特性，还需监测横向振动特性。根据全桥每个节点各自由度前十阶模态分量加和值（MSSPi）数据信息的计算、整理和分析结果，在振动幅值较大的位置布置相应类型的动力传感器。在主梁中跨的两1/4截面和跨中截面处布设单向加速度传感器，在主缆跨中布置双向加速度传感器。而对于静力传感器，根据桥梁结构的有限元计算结果，一般布置在应力较大或者应力集中点、结构支承点，结构响应明显处及对结构荷载重新分配影响较大的构件上即可满足监测要求。本桥做健康监测用的应变传感器选用光纖光栅应变传感器，布置在1/5处。主梁线形监测采用GPS在跨中截面布置测点。主梁的纵向位移监测采用线位移传感器，分别布置在悬索桥的梁两端。主梁温度监测选择跨中截面。吊杆监测选取第1、4、7、10、39、42、45、48号对称布置加速度传感器。
2)索塔的监测南北索塔上横梁各布置2个加速度传感器；南北索塔1/4处布置倾角仪；南北索塔中横梁处各布置12个应变传感器。
3)锚碇的监测在南北锚跨各布置6个加速度传感器监测索力；南北锚碇各布置2个位移计监测锚碇位移。
4)环境监测风环境的监测通过安装在跨中的风速仪进行监测。全桥传感器布设如图2所示。
4结束语
大跨径悬索桥健康监测属于多学科交叉技术，而环境影响也具有很大的随机性和不确定性，这些都使得目前桥梁健康监测系统还存在很多不足。目前传感器的布置依据经验，还缺乏统一有效的传感器优化布设的算法；传感器优化布置的评价标准不一，各种方法各有侧重，很难说哪个更优于另外一个。本论文在现有的传感器技术条件下，对青草背大桥健康监测系统进行了设计，到达了对桥梁的运行状态进行实时监测的目的，对目前同类型桥梁健康监测系统的设计具有一定的借鉴作用，也为今后系统准确和有效的工作奠定了坚实的基础。
图2 青草背长江大桥传感器布设图
Fig.2 Sensors’ layout drawing of the bridge
参考文献(References)：
[1] 李爱群，缪长青，李兆霞，等.润扬长江公路大桥结构健康监测系统研究[J]．东南大学学报(自然科学版)，2003，33(5)：544—548.
[2] 缪长青，李爱群，韩晓林，李兆霞，等.润扬大桥结构健康监测策略[J].东南大学学报（自然科学版）,2005,33(5)：780—785.
[3] 周建庭,向毓志,郝炜,等.在役大跨径桥梁基于远程监测的可靠性评价[J].重庆交通大学学报（自然科学版）,2007,26(4):32-35.
[4] 李东升,张莹,任亮,李宏男.结构健康监测中的传感器布置方法和评价准则[J].力学进展,2011,41(1):39-50.
[5] 杨斌.谈大跨度桥梁结构的健康监测[J].科技信息,2011,36(8):397-398
[6] 丁小俊,朱艳,刘杰,等.桥梁健康监测之传感器优化布置[J].山西建筑,2011,37(27):187-189