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【摘 要】 桥梁健康监测离不开传感器布置，我国在健康监测领域的研究尚处于初期，与发达国家差距较大，本文结合张家口通泰大桥论述传感器布置方案，可供同类桥梁监测参考。
【关键词】 桥梁结构；健康监测；传感器布置
1 工程概况
清水河通泰大桥位于河北省张家口市城市快速路北环线，主跨190米，是世界上跨度最大的下承式钢结构悬索拱桥（国外同样桥型结构的桥有2座，跨度仅为90米，一座在英国境内，一座在巴西境内），也是国内第一例主梁为下承式钢结构悬索拱桥。通泰大桥南承清水河东互通，西接清水河西互通和大境门高架桥，共同构成首尾相连的庞大桥梁群，错落有致，气势磅礴，宏伟壮观，向西经西太平山隧道穿山而去，犹如一条纽带，将隔河对峙的东西太平山一线相牵。
该桥主梁位于半径为600米的平曲线上，为单箱单室钢箱梁，箱梁宽度为34.144米。主桥横断面布置为2.4025米（索区）+0.5米（护栏）+13.25米（车行道）+1米（中央分隔）+13.25米（车行道）+0.5米（护栏）+2.4025（索区）=33.305米（桥面），设置双向2%的横坡。所属道路等级为双向六车道城市快速路。
2 传感器布置原则
在通泰大桥监测系统设计过程中，传感器布置的原则如下：
1）荷载监测：荷载监测必须反映频遇荷载、偶然荷载的主要特征，能够建立荷载源与结构内力、应力的对应关系，以进行结构的可靠度分析及构件安全性的校核；
2）特殊、敏感部位监测：对特殊、重要部位进行重点监测，以便分析、计算、评估重要构件的工作状态及预测其他构件的内力分布与变化；
3）考虑构件的危险性与易损性评价需求：对结构的主要构件进行危险性和易损性评级，将评级结果作为传感器布置的参考指标；
4）考虑结构评估的要求：根据结构整体损伤与局部损伤检测的要求，一部分传感器用于整体损伤监测，另一部分进行局部损伤诊断；
5）测得的时程记录应对模态参数的变化最为敏感；
6）测量的参数应能够与模型分析的结果建立起对应关系。
3 风速风向传感器布置
对于通泰大桥这样大跨度缆索支撑桥梁，风力是一个重要的外荷载。尤其在桥址处于典型的风口及宽阔水面位置，在出现强风的情况下，桥梁将在风荷载作用下发生较大变形或产生有害风致振动，并造成附属结构的损坏和失效，其环境风荷载输入情况值得重点关注，因此需要布设风速风向传感器，以监测桥址环境风荷载，为相关力学行为分析提供荷载输入依据。
测点布置于西桥头，全桥共1个测点，进行连续监测，连续存储；风向风速仪由钢管立柱安装在预埋的地脚螺栓和底座钢板上，支架安装固定后，安装风速仪探头，安装风速信号输出线缆，并安装避雷装置，风向风速仪所测得的数据通过屏蔽电缆沿热镀锌金属线槽接入采集仓房2中，采样频率为0.2Hz。布置图见下图：
4 环境温度及湿度传感器布置
环境温度通过热传导作用于桥梁结构，在结构内部形成温度场。超静定结构中温度场的变化将会导致温度次内力的产生（长大构件中尤为明显），同时材料随温度的胀缩也会导致结构整体形变。因此，结构温度是对结构力学行为影响显著的因素。
由于受热不均和不同部位构件导热性能的不同，结构中各部位温度场分布是不均匀的。为全面掌握结构温度场分布，进而准确分析结构温度效应，方案设计在全桥具有代表性的构件（包括主梁、拱肋）截面大量布设应变/温度传感器。采用数字应变/温度传感器对结构温度场进行监测，其测点布置于钢箱梁和拱肋内，各温度监测断面与应变测点相同，全桥共92个测点。采样频率为0.0003Hz。
通泰大桥属于大跨度轻柔结构，环境湿度也是重要的荷载输入源，结构内外环境湿度一方面是影响结构的腐蚀、老化的重要因素，另一方面也可能是影响自动化监测系统工作的物理量。环境湿度传感器选用北京捷测科技有限公司的JCT-T@H-01，环境湿度传感器测点布置于主梁端部及跨中内，拱肋跨中内共3个点；环境湿度传感器布置见下图：
结构温度传感器选用北京捷测科技有限公司的用JCT-S-02型传感器，布置图见下图：
5 车辆称重系统传感器布置
交通流量监测系统用以监测通泰大桥交通流量、行车车速等情况及其变化，为建立大桥交通荷载模型、进行结构评估提供依据，同时可对超载超限特殊车辆作用进行监控统计。本系统采用英国TDC公司的HI-TRAC 100，采用6车道车速车轴仪对桥面车辆荷载进行监测，系统布置于主梁跨中处桥面，为触发采样，有车辆经过时记录，系统布置图见下图：
6 地震响应监测传感器布置
地震对大桥结构而言属突发灾害性外荷载输入，虽然发生概率小，但其产生能量和作用力巨大，往往可对结构造成较大破坏，危及结构安全运营。因此有必要对其进行有效监测，为事后结构状态评估提供可靠荷载输入和响应依据。
本系统采用北京捷测科技有限公司的三向地震加速度传感器，三向加速度传感器对地震突发荷载进行监测，测点分别布置于主梁端盖梁上，全桥共2个测点。采样频率为20Hz，测点布置如下图所示：
7 索力监测
吊索是通泰大桥主要的受力构件，也是自动监测的重点。一方面它是支撑和传递桥面荷载的主要途径；另一方面，索力的变化对结构的整体受力状态有重要影响，反之也是结构受力状态或安全状况的直接反应。因此，应对全桥吊索索力实施全面監测。
本系统采用振动频率法间接测量拉索索力，索力加速度传感器选用北京捷测科技有限公司产品。
结合通泰大桥既有桥梁无法实施测力环等测力传感设备安装的实际情况，方案设计采用单向加速度传感器结合频谱法对吊索索力和振动情况进行监测。全桥吊索索力振动测点共28个，采样频率为128Hz，每小时分析一次索力，索力振动传感器安装位置详见下图： 8 应变静力传感器布置
结构应变（应力）是结构整体和局部受力安全状态的直接反应，是监测的重要方面。其中通泰大桥主梁结构受力状况，拱肋局部受力状况尤其应当重点关注。结合运营期间结构整体和局部计算结果，考虑结构受力特点、既有损伤部位和常见损伤病害易发部位的相关经验，选择活载作用下效应显著、恒载加活载作用下安全系数较低和位置有代表性的构件、截面布置测点，且应变监测为动态监测。
应变传感器选用北京捷测科技有限公司的用JCT-S-02型应变计，全桥共布置92个静应变/温度测点，采样频率为0.00056Hz，测点布置图见下图：
9 结论
经过近几年的运行，以上传感器布置方案在通泰大桥的健康监测系统中性能表现稳定，数据采集全面，为桥梁健康状态的评估提供了详实的基础数据。
现在是信息技术突飞猛进的时代，桥梁健康监测系统对桥梁工程有着特殊的必要性和深远意义，它已经作为一门学科活跃在桥梁工程界的舞台上。传感器是桥梁健康监测系统的眼睛和耳朵，其布置的科学合理性是健康监测系统能够正常发挥作用的基础。可以相信，随着大量工程实践的探索，随着新型传感器的研发和应用，桥梁健康监测系统会得到不断的完善和提高，并为桥梁乃至土木工程的发展做出应有的贡献。
参考文献：
[1] Andrzej S. Nowak. the true story of the design and construction of the golden gate bridge [A ] . Bridge evaluation ，repair and rehabilitation [C] . Dordrecht Kluwer Academic1990 ， 2000.
[2]刘效尧，蔡键，刘晖.桥梁损伤诊断[M]。北京：人民交通出版社，2002。
[3] N. Haritos ，Dynamic Testing Techniques for Structural Identification of Bridge SuperStructures. Advances in Structural Dynamics[A] . Vol. II ，J . M. Ko and Y. L. Xu（ Eds.） .
[4] Mori ，Y and B. R. Ellingwood ，Maintaining Reliability of Concrete Structures. II ：Optimum Inspection/ Repair[J ] . Journal of Structural Engi2neering. 1994 ，120 （3） ，846 – 862
[5]郭迅，閻砺铭，裴强，尚利军，新型数据采集分析系统及其在工程振动中的应用[J].地震工程与工程振动，2002，22（4）
【关键词】 桥梁结构；健康监测；传感器布置
1 工程概况
清水河通泰大桥位于河北省张家口市城市快速路北环线，主跨190米，是世界上跨度最大的下承式钢结构悬索拱桥（国外同样桥型结构的桥有2座，跨度仅为90米，一座在英国境内，一座在巴西境内），也是国内第一例主梁为下承式钢结构悬索拱桥。通泰大桥南承清水河东互通，西接清水河西互通和大境门高架桥，共同构成首尾相连的庞大桥梁群，错落有致，气势磅礴，宏伟壮观，向西经西太平山隧道穿山而去，犹如一条纽带，将隔河对峙的东西太平山一线相牵。
该桥主梁位于半径为600米的平曲线上，为单箱单室钢箱梁，箱梁宽度为34.144米。主桥横断面布置为2.4025米（索区）+0.5米（护栏）+13.25米（车行道）+1米（中央分隔）+13.25米（车行道）+0.5米（护栏）+2.4025（索区）=33.305米（桥面），设置双向2%的横坡。所属道路等级为双向六车道城市快速路。
2 传感器布置原则
在通泰大桥监测系统设计过程中，传感器布置的原则如下：
1）荷载监测：荷载监测必须反映频遇荷载、偶然荷载的主要特征，能够建立荷载源与结构内力、应力的对应关系，以进行结构的可靠度分析及构件安全性的校核；
2）特殊、敏感部位监测：对特殊、重要部位进行重点监测，以便分析、计算、评估重要构件的工作状态及预测其他构件的内力分布与变化；
3）考虑构件的危险性与易损性评价需求：对结构的主要构件进行危险性和易损性评级，将评级结果作为传感器布置的参考指标；
4）考虑结构评估的要求：根据结构整体损伤与局部损伤检测的要求，一部分传感器用于整体损伤监测，另一部分进行局部损伤诊断；
5）测得的时程记录应对模态参数的变化最为敏感；
6）测量的参数应能够与模型分析的结果建立起对应关系。
3 风速风向传感器布置
对于通泰大桥这样大跨度缆索支撑桥梁，风力是一个重要的外荷载。尤其在桥址处于典型的风口及宽阔水面位置，在出现强风的情况下，桥梁将在风荷载作用下发生较大变形或产生有害风致振动，并造成附属结构的损坏和失效，其环境风荷载输入情况值得重点关注，因此需要布设风速风向传感器，以监测桥址环境风荷载，为相关力学行为分析提供荷载输入依据。
测点布置于西桥头，全桥共1个测点，进行连续监测，连续存储；风向风速仪由钢管立柱安装在预埋的地脚螺栓和底座钢板上，支架安装固定后，安装风速仪探头，安装风速信号输出线缆，并安装避雷装置，风向风速仪所测得的数据通过屏蔽电缆沿热镀锌金属线槽接入采集仓房2中，采样频率为0.2Hz。布置图见下图：
4 环境温度及湿度传感器布置
环境温度通过热传导作用于桥梁结构，在结构内部形成温度场。超静定结构中温度场的变化将会导致温度次内力的产生（长大构件中尤为明显），同时材料随温度的胀缩也会导致结构整体形变。因此，结构温度是对结构力学行为影响显著的因素。
由于受热不均和不同部位构件导热性能的不同，结构中各部位温度场分布是不均匀的。为全面掌握结构温度场分布，进而准确分析结构温度效应，方案设计在全桥具有代表性的构件（包括主梁、拱肋）截面大量布设应变/温度传感器。采用数字应变/温度传感器对结构温度场进行监测，其测点布置于钢箱梁和拱肋内，各温度监测断面与应变测点相同，全桥共92个测点。采样频率为0.0003Hz。
通泰大桥属于大跨度轻柔结构，环境湿度也是重要的荷载输入源，结构内外环境湿度一方面是影响结构的腐蚀、老化的重要因素，另一方面也可能是影响自动化监测系统工作的物理量。环境湿度传感器选用北京捷测科技有限公司的JCT-T@H-01，环境湿度传感器测点布置于主梁端部及跨中内，拱肋跨中内共3个点；环境湿度传感器布置见下图：
结构温度传感器选用北京捷测科技有限公司的用JCT-S-02型传感器，布置图见下图：
5 车辆称重系统传感器布置
交通流量监测系统用以监测通泰大桥交通流量、行车车速等情况及其变化，为建立大桥交通荷载模型、进行结构评估提供依据，同时可对超载超限特殊车辆作用进行监控统计。本系统采用英国TDC公司的HI-TRAC 100，采用6车道车速车轴仪对桥面车辆荷载进行监测，系统布置于主梁跨中处桥面，为触发采样，有车辆经过时记录，系统布置图见下图：
6 地震响应监测传感器布置
地震对大桥结构而言属突发灾害性外荷载输入，虽然发生概率小，但其产生能量和作用力巨大，往往可对结构造成较大破坏，危及结构安全运营。因此有必要对其进行有效监测，为事后结构状态评估提供可靠荷载输入和响应依据。
本系统采用北京捷测科技有限公司的三向地震加速度传感器，三向加速度传感器对地震突发荷载进行监测，测点分别布置于主梁端盖梁上，全桥共2个测点。采样频率为20Hz，测点布置如下图所示：
7 索力监测
吊索是通泰大桥主要的受力构件，也是自动监测的重点。一方面它是支撑和传递桥面荷载的主要途径；另一方面，索力的变化对结构的整体受力状态有重要影响，反之也是结构受力状态或安全状况的直接反应。因此，应对全桥吊索索力实施全面監测。
本系统采用振动频率法间接测量拉索索力，索力加速度传感器选用北京捷测科技有限公司产品。
结合通泰大桥既有桥梁无法实施测力环等测力传感设备安装的实际情况，方案设计采用单向加速度传感器结合频谱法对吊索索力和振动情况进行监测。全桥吊索索力振动测点共28个，采样频率为128Hz，每小时分析一次索力，索力振动传感器安装位置详见下图： 8 应变静力传感器布置
结构应变（应力）是结构整体和局部受力安全状态的直接反应，是监测的重要方面。其中通泰大桥主梁结构受力状况，拱肋局部受力状况尤其应当重点关注。结合运营期间结构整体和局部计算结果，考虑结构受力特点、既有损伤部位和常见损伤病害易发部位的相关经验，选择活载作用下效应显著、恒载加活载作用下安全系数较低和位置有代表性的构件、截面布置测点，且应变监测为动态监测。
应变传感器选用北京捷测科技有限公司的用JCT-S-02型应变计，全桥共布置92个静应变/温度测点，采样频率为0.00056Hz，测点布置图见下图：
9 结论
经过近几年的运行，以上传感器布置方案在通泰大桥的健康监测系统中性能表现稳定，数据采集全面，为桥梁健康状态的评估提供了详实的基础数据。
现在是信息技术突飞猛进的时代，桥梁健康监测系统对桥梁工程有着特殊的必要性和深远意义，它已经作为一门学科活跃在桥梁工程界的舞台上。传感器是桥梁健康监测系统的眼睛和耳朵，其布置的科学合理性是健康监测系统能够正常发挥作用的基础。可以相信，随着大量工程实践的探索，随着新型传感器的研发和应用，桥梁健康监测系统会得到不断的完善和提高，并为桥梁乃至土木工程的发展做出应有的贡献。
参考文献：
[1] Andrzej S. Nowak. the true story of the design and construction of the golden gate bridge [A ] . Bridge evaluation ，repair and rehabilitation [C] . Dordrecht Kluwer Academic1990 ， 2000.
[2]刘效尧，蔡键，刘晖.桥梁损伤诊断[M]。北京：人民交通出版社，2002。
[3] N. Haritos ，Dynamic Testing Techniques for Structural Identification of Bridge SuperStructures. Advances in Structural Dynamics[A] . Vol. II ，J . M. Ko and Y. L. Xu（ Eds.） .
[4] Mori ，Y and B. R. Ellingwood ，Maintaining Reliability of Concrete Structures. II ：Optimum Inspection/ Repair[J ] . Journal of Structural Engi2neering. 1994 ，120 （3） ，846 – 862
[5]郭迅，閻砺铭，裴强，尚利军，新型数据采集分析系统及其在工程振动中的应用[J].地震工程与工程振动，2002，22（4）