重慶李家沱長江大橋長期健康監測實施方案重慶橋都橋梁技術重慶交通大學重慶竣翔橋梁維護2011年6月目錄TOC\o"1-2"\h\z\u23163一、工程概況及意義 1169121.1工程概況 1296081.2混凝土斜拉橋常見病害及原因 148121.3李家沱長江大橋的運營現狀 248101.4本橋健康監測意義及特殊要求 320226二、大橋健康監測系統總體設計 5103592.1設計原那么 5270562.2系統功能總框架 654842.3系統硬件總框架 631603三、健康監測范圍 710077四、監測工程及監測方法 8318864.1橋梁位移變形監測 8228764.2主梁、索塔控制截面應力監測 16144014.3溫度監測 18236324.4大橋結構動力特性監測 2030324.5斜拉索索力監測 22205674.6裂縫監測 24222834.7交通流量檢測系統 3476874.8全橋傳感器測點布設情況匯總 43288564.9全橋傳感器清單 445867五、數據采集、傳輸、處理和控制子系統 45189295.1數據采集子系統 45324305.2數據傳輸子系統 51314785.3數據處理和控制子系統 5227345六、輔助支持系統 5542516.1外場機柜 5553426.2中心機房 55261417.1主梁豎向撓度監測儀——SEN-HOR光纖光柵靜力水準儀的安裝 56234207.2主梁縱向位移監測儀——SEN-D2光纖光柵拉線式位移傳感器的安裝 56303337.3索塔位移監測儀——光纖光柵傾斜計的安裝 57206847.4主梁應力監測應變傳感器——外表安裝式光纖光柵應變傳感器的安裝 57107137.5索塔應力監測應變傳感器——外表安裝式光纖光柵應變傳感器的安裝 57268667.6主梁溫度監測儀——SEN-T1外表式光纖光柵溫度傳感器的安裝 5816257.7索塔溫度監測儀——SEN-T1外表式光纖光柵溫度傳感器的安裝 58127377.8大橋主梁結構動力特性監測儀——SEN-AL光纖光柵加速度計的安裝 58106607.9大橋塔柱結構動力特性監測儀——SEN-AL光纖光柵加速度計的安裝 5912437.10斜拉索索力監測儀——JMZR-2901型數字化傳感器的安裝 59222777.11、車輛檢測系統及全天候遠程數字化航道監控系統安裝位置 60286187.11、裂縫監測——機敏網粘貼及中間處理器的安裝 601953八、系統軟件的設計 63107118.1數據采集管理系統 6354868.2結構監測信息管理系統 64280808.3數據庫管理系統 657880九、數據分析及綜合評估預警系統 66320219.1平安評估預警總體方案 66286379.2系統靜態層次分析法平安狀態評估方案 6818349.3系統動態平安評估方案 6926692十、系統運行管理 711181010.1系統管理 711804110.2人員培訓 713922十一、監測系統后期效勞工程內容及費用 732050511.1維護效勞 73230211.2咨詢效勞 731767811.3現場效勞 73495011.4售后效勞費用 7415626十二、方案實施年限、經費概算與資金籌措 752827712.1年度方案 751895612.2組織機構及人員組成 751368012.3經費概算 76一、工程概況及意義1.1工程概況重慶李家沱長江大橋位于重慶市西郊九龍坡地區，大橋南岸為李家沱工業區，北岸為九龍坡區。主橋全長1288m，跨徑組合為：過渡孔(53m)+主孔(169m+444m+169m)+過渡孔(53m)+南引橋(8x50m)，橋面寬度為4車道〔中間設置分隔帶〕，寬24m。圖1.1重慶李家沱長江大橋全景該橋結構體系為雙塔雙索面預應力混凝土斜拉橋，塔、墩固結。主梁為縱向懸浮體系，塔梁交叉處設置橫向限位裝置，在過渡孔與北臺及南引橋結合處設置大位移量伸縮縫。主梁采用扁平的實心雙主梁斷面，主梁肋高2.5m，寬1.7m。橫梁間距為4.5m，設置橫向預應力鋼束。主梁在中跨的中間局部及邊跨的局部區段設置有縱向預應力鋼束，采用OVM錨具及高強度低松弛鋼絞線。主塔呈花瓶形，塔全高141.5m，塔身為矩形空心斷面。拉索采用扇形雙索面布置，梁上索距為9m，在塔上采用不等距排列，索距1.5～1.6m。每個索面中有24對斜拉索。錨具采用LM7型冷鑄錨錨具。主橋兩個主墩根底根據地形及地質條件并結合施工難易程度作了不同的處理。2#墩采用Φ2.6～3.2m的變截面挖孔樁根底，3#墩采用沉井根底。該橋于1991年開始施工，1997年建成通車。1.2混凝土斜拉橋常見病害及原因大量的文獻資料顯示,斜拉橋運營期病害與事故主要集中在斜拉索的銹蝕與斷絲、主梁和主塔的裂縫和變形等方面。1.2.1拉索病害及原因拉索是斜拉橋的重要組成局部,拉索病害通常主要分為三類:(1)拉索護套病害(2)拉索鋼絲病害(3)斜拉索錨具的銹蝕。不少已建斜拉橋出現了上述斜拉索的病害。斜拉索病害的主要原因可以分為累積損傷和自然損傷。拉索的長期積累損傷主要是疲勞和腐蝕。對于自然損傷,主要是指偶發性事故如洪水、交通事故、船撞擊等不可預見的偶然事件導致的斜拉索損傷。1.2.2主梁的裂縫病害及其主要原因斜拉橋的主梁不僅承受彎矩,同時也承受斜拉索的水平分力,處于受組合力狀態,是斜拉橋上部結構的主要受力結構,主梁及橋面板在橋梁運營階段出現最多的病害就是主梁頂板、橫隔梁及腹板出現裂縫。裂縫產生的原因很多,如荷載作用、混凝土組成成分、溫度變化、混凝土收縮和徐變、根底的不均勻沉降以及鋼筋的銹蝕等,而許多裂縫往往是幾種不同因素聯合作用的結果。1.2.3索塔病害及其主要原因斜拉橋的索塔是承受荷載的主要構件,索塔病害的主要表現為主塔偏位和混凝土裂縫。對于主塔偏位其主要原因有:斜拉橋的索塔是一種懸臂結構,每根索的索力都會使索塔產生沿其水平方向的位移。許多水平作用經過相互消減,疊加后在塔柱上反映出綜合位移,其中以塔頂最為顯著;索塔混凝土普通裂縫的原因根本與上述主梁發生裂縫的原因相同。索塔的疲勞損傷,其主要原因是車輛荷載作用、風力、溫差等因素會造成索力的變化。這些反復的、有周期的作用將會使混凝土斜拉橋的索塔出現疲勞損傷,導致索塔錨固區的混凝土過早出現裂紋、承載能力下降、使用壽命減少。1.3李家沱長江大橋的運營現狀1997年建成通車后，隨著交通量的增長和運營時間的增多，逐漸發現在中跨主梁和主塔斜拉索錨固區出現了大量裂縫。業主委托西南交通大學對全橋的裂縫進行了普查及成因分析，得到以下結論：(1)主梁裂縫數量大，主要分布在主梁底面及其內側面上，裂縫走向以沿橋跨縱向為主。(2)少數主梁節段梁底面的側面上存在橫向和豎向裂縫。從裂縫形態上看，此類裂縫屬于混凝土收縮裂縫。(3)橫隔板及頂板裂縫主要集中在梗肋部位，并沿梗肋向頂板延伸。(4)個別錨箱之間存在的裂縫，根本上呈水平走向。(5)主梁和橋塔混凝土裂縫為非結構性受力裂縫。(6)既有裂縫不會影響橋梁目前的正常運營。(7)考慮到梁體混凝土裂縫的數量、寬度、深度等均較大，局部裂縫已經深入到主筋以內，將會嚴重影響到橋梁的耐久性。根據裂縫成因綜合結論，當時對橋塔和主梁的裂縫進行整治，同時也對塔柱上封錨砼進行整治，以到達封閉裂縫、防止裂縫進一步擴展的目的。2008年底進行的橋梁外觀檢查，反映出該橋目前主要缺陷有：1〕主塔塔柱砼外觀共發現裂縫20條；多處由于鋼筋銹蝕膨脹引起的砼脫落；個別預埋鋼板外露并有不同程度的銹蝕；約80%的拉桿位置鋼管頭外露銹蝕；塔柱外觀涂裝多處大面積開裂、起殼、脫落。2〕主橋車行道局部出現原修補處的瀝青砼鋪裝層周邊冒漿，瀝青砼路面出現網狀裂縫及橫、縱、斜向裂縫并同時有洞穴、坑函等現象，在主橋車行道2號墩邊跨，3號墩下游中跨處出現了穿透型裂縫和瀝青砼脫落的現象。3〕主橋主梁底板局部出現了滲水和露筋，橫系梁出現了斜裂縫，主引橋鋼護欄和立柱出現點狀銹蝕，在交接處銹蝕嚴重，主梁底部已銹穿。伸縮縫錨固混凝土開裂，出現裂縫現象。4〕拉索邊中跨總索力差值最大變化至成橋索力值的4.15％〔2＃墩2008年6月中跨下游〕，設計值的8.06％〔3＃墩2008年6月中跨下游〕。1.4本橋健康監測意義及特殊要求李家沱長江大橋為大跨徑雙索面混凝土斜拉橋，投入運營時間較長，在多種因素作用下出現了局部病害。為確保橋梁平安運營、延長橋梁使用壽命，同時通過早期橋梁病害的發現能大大節約橋梁的維修費用，所以建設李家沱長江大橋健康監測系統是非常必要的。作為在既有橋梁上建立的健康監測系統，為制定適合本橋的健康監測方案，采取以下具體措施：1、結構靜、動力分析計算：本橋自建成已運營多年，相比于橋梁的設計狀態而言，結構剛度、橋梁線形、拉索索力等方面均有所改變，因此，在對橋梁進行理論計算分析時，應充分考慮到結構退化對計算模型、計算方法和計算結果的影響，并據此提出合理的傳感器布設方式；2、結構應力監測：由于全部的傳感器均為后安裝方式，監測的數值多為相對量的概念，雖然不影響對結構健康長期趨勢的把握，但無法獲得可以和設計值直接比擬的絕對值，一定程度上影響了結構健康評估，為此，需建立結構健康監測數據與施工監測數據、成橋試驗數據的關系，使結構健康監測數據能在一定程度上轉換成絕對值；3、主梁橫隔板應力監測：本橋中跨主墩附近的主梁橫隔板出現了豎向及斜向裂縫，為確定造成裂縫的原因，研究混凝土徐變和剪力滯對橫隔板受力的影響，觀察裂縫的開展趨勢，指導橋梁管理養護工作，可在出現病害的橫隔板處布置應變傳感器，建立橫隔板的長期監測機制；4、索力監測：根據索力長期健康監測的需要，需要對關鍵索布設索力傳感器進行實時監測，但在大橋長期運營過程中，可能存在其它拉索也出現索力變化較大的病害，因此，監測系統應具有適應索力測點位置改變或索力測點數量增加的功能；5、索力計算：由于李家沱長江大橋斜拉索使用阻尼器，會影響使用振動法測得的絕對索力數據的準確性，為此，有必要專項分析成橋后的索力計算公式，并需收集施工階段、成橋試驗、定期檢測的索力數據，與以健康監測所測得的索力數據做比對分析；二、大橋健康監測系統總體設計2.1設計原那么李家沱長江大橋健康監測系統是一個集結構分析計算、計算機技術、通信技術、網絡技術、傳感器技術等高新技術于一體的綜合系統工程。為使李家沱長江大橋健康監測系統成為一個功能強大并能真正長期用于結構損傷和狀態評估，滿足橋梁養護管理和運營的需要，同時又具經濟效益的結構健康監測系統，遵循如下設計原那么：1〕遵循總體設計，分步實施的指導思想；2〕遵循簡潔、實用、性能可靠、經濟合理的原那么；3〕系統設置首先需滿足李家沱長江大橋養護管理和運營的需要，立足實用性原那么第一，兼顧考慮科學試驗和設計驗證等方面因素。4〕根據結構易損性分析的結果及養護管理的需求進行監測點的布設。5〕易損性分析原那么考慮以下方面：不同類型的結構受力特點、構件的工作特征；設計時不同類型結構的控制斷面、控制點；結構不同類型材料的材料特性、使用特性；結構受外部環境及荷載影響后最易損傷部位；基于既有同類型結構已發生的損傷部位；目前階段尚未有足夠資料驗證的關鍵部位。6〕監測與結構平安性密切相關內容，主要監測一些有代表性的結構、必須進行監測的重要結構以及日常養護無法檢查或檢查非常困難的結構響應。7〕從動力、靜力、耐久性對結構進行監測，力求用最少的傳感器和最少的數據量完成工作；8〕以結構位移監測為主，以力、應力、模態分析為輔助。9〕系統應具有可擴展性。2.2系統功能總框架圖2.2系統功能總框架圖2.3系統硬件總框架圖2.3系統硬件總框架圖三、健康監測范圍監測范圍的選取應遵循傳感器實時監測的功能，監測內容能覆蓋結構評估的要求。根據以上原那么，考慮到本橋建設過程中的特點并結合大橋近期實際運營狀況，本橋健康監測系統的監測范圍如下：表3.1實時監測內容序號實時監測內容監測目的1索力斜拉索索力及振幅掌握主要索的索力及加速度振幅情況2變形實時位移掌握主梁撓度變形及主塔偏位實時情況3結構溫度掌握大橋梁部、塔部主要結構斷面的結構溫度情況4環境大氣溫度掌握大橋塔內外的大氣溫度5動力振動掌握大橋梁部、塔部結構實時振動響應，用以計算結構模態參數6應變掌握大橋動靜荷載作用下的結構應力、應變情況，用以設置響應預警閥值7梁端位移掌握大橋伸縮縫位置梁端實時位移8裂縫裂縫開展掌握大橋塔柱、主梁裂縫發生開展情況9交通流量掌握通過大橋的車輛情況和超重車情況10航道掌握橋位區域航道船只運行情況四、監測工程及監測方法4.1橋梁位移變形監測橋梁位移變形監測是利用測量手段，對橋梁各控制斷面的位移變形進行監測，并繪編相應的位移變形影響線和影響面以檢測各控制部位位移變形狀態，從而為總體評估大橋的承載能力、營運狀態和耐久能力提供依據。4.1.1主梁位移變形監測根據大橋的受力控制斷面，主梁的變形測量主要選擇了以下幾個工程。主梁豎向撓度監測1)主梁豎向撓度變形觀測：采用了基于連通管液位測量原理的靜力水準儀，沿重慶李家沱長江大橋的主梁兩側安裝連通管，并在關鍵位置〔主跨取7個測量截面，分別為1/8、2/8、3/8、4/8、5/8、6/8、7/8截面,邊跨各取3截面，分別為1/4、2/4、3/4截面，共計13截面〕引出支管，安裝28個精密液位計〔兩個不動點各1個，安裝在主塔側壁內與主梁同一高程處〕。液位計布置情況見圖4.1~4.3所示。圖4.1主梁撓度監測液位計縱向布置圖圖4.2主梁撓度監測液位計橫斷面布置圖液位計基點〔主塔側壁內〕液位計基點〔主塔側壁內〕圖4.3主梁撓度監測液位計基點布置圖圖4.4主梁測試斷面、連通液位沉降計及采集系統結構示意圖靜力水準儀是一種智能型位移傳感器，由精密液位計〔圖4.4〕、液位罐和連通管組成。適用于建筑物多點沉降精密測量，適應長期監測和自動化測量。安裝時將精密液位計設置在被測點，液位罐設置在不動點〔水平基點〕，并用連通管連接。其原理是通過液位的變化測量被測點相對水平基點的沉降變形。溫度變化蒸發的因素引起的液位變化對基準和各個測點有相同的影響，可以通過相減抵消，而撓度引起的液位變化對基準點和測點的影響不同，相減后那么保存下來，而這一系統測量不受溫度和液體蒸發的影響。數據采集、計算、處理采用SEN-HOR光纖光柵靜力水準儀〔圖4.5〕，該系統具有測試精度高，可遠程監測，組網能力強，自帶溫度補償等優點，可與其他類型的光纖光柵傳感器組成全光監測網。圖4.5SEN-HOR光纖光柵靜力水準儀其儀器主要技術參數見下表：表4.1靜力水準儀參數表工程參數標準量程0-100mm〔注〕測量精度1‰F.S.分辨率0.01mm〔在與SEN-01解調儀配套情況下〕波長范圍1525nm～1565nm尺寸Ф90×200mm連接方式FC/PC或熔接外封裝不銹鋼外殼鎧裝引線安裝方式打孔或焊接安裝溫度補償形式自補償使用溫度-30℃～85℃〔注〕：為確保待測撓度不超出儀器測量量程，安裝時在主跨4/8截面處選擇更大量程的靜力水準儀。2)儀器安裝〔1〕檢查各測點頂面水平及高程是否符合設計要求。〔2〕檢查測點預埋件及安裝儀器螺桿是否符合設計要求〔3〕預先用水和蒸餾水沖洗儀器主體容器及塑料連通管〔4〕將儀器主體安裝在測墩鋼板上，將水準器在主體頂蓋外表垂直交替放置，調節螺桿螺絲使儀器外表水平及高程滿足要求。〔5〕將儀器及連通管系統連接好，從儀器末端徐徐注入SG溶液，排除管中所有氣泡。連通管需有槽架保護。靜力水準管路安裝完畢后用專用的芯屏蔽電纜與光纖焊熔并進行絕緣處理，注意光纖和尾纖的保護主梁縱向位移監測主梁縱向位移監測也是對大橋伸縮縫伸縮量的實時監測，是大橋健康監測的一項重要內容。影響伸縮縫伸縮量的根本因素較多，首先溫度變化是影響伸縮量的主要因素，由于溫度使橋梁內部溫度分布不均勻會引起大跨徑橋梁端部產生角變位。其次，活載、恒載等會使橋梁端部發生角變位，從而使伸縮裝置產生垂直、水平及角變位。本工程通過測量主橋主梁梁端與相鄰引橋梁端上固定點之間的距離變化來測定主梁縱向位移變化規律，梁端各設2個測點，共計4個測點，采用SEN-D2光柵光纖拉線式位移傳感器〔圖4.6〕，圖4.6SEN-D2光纖光柵拉線式位移傳感器其主要技術參數為：表4.2拉線式位移傳感器參數表工程參數標準量程0-1m測量精度5‰F.S.分辨率1mm〔在與SEN-01解調儀配套情況下〕波長范圍1525nm～1565nm尺寸221.5×103×30mm連接方式FC/PC或熔接溫度補償形式自補償使用溫度-30℃～85℃本橋主梁縱向位移測點及橫斷面布置如圖4.7~4.8所示：圖4.7主梁縱向位移監測位移傳感器縱向布置圖圖4.8主梁縱向位移監測位移傳感器橫斷面布置圖4.1.2索塔位移監測索塔作為索支承橋梁的主要承重構件，其剛度遠大于柔性的斜拉索和橋面主梁。涉及索塔結構平安的主要問題有：塔身在強風、地震等荷載作用下的穩定性；在縱向不平衡荷載作用下可能導致橫梁與塔身連接部的開裂；塔身混凝土的徐變收縮導致斜拉索下垂和相應的索力變化。儀器選型主塔側移監測：采用傾斜計進行測量。李家沱大橋跨度大，監控室離大橋較遠，傳統傳感器的信號無法傳輸，采用光纖傳感器可以組成分布式傳感網絡，用解調儀對傳感器進行同步實時監測、分析。不同種類的光纖光柵傳感器〔如應變、溫度、位移、加速度等〕可連接到同一臺解調儀上進行實時的綜合監測與分析。因此采用SEN-TILT光纖光柵傾斜計〔圖4.9〕對本橋主塔整體傾斜進行實時監測。傳感器底座通過焊接或打孔安裝，此系統具有自動溫度補償功能。光纖光柵傾斜計具有精度高、靈敏度高，自動溫度補償，實時動態監測等優點，并與其他類型的光纖光柵傳感器組成全光監測網。圖4.9傾斜計表4.3光纖光柵傾斜計技術參數表工程參數標準量程±5o測量精度±0.05o分辨率0.005o〔在與SEN-01解調儀配套情況下〕波長范圍1525nm～1565nm尺寸113×32×50mm連接方式FC/PC或熔接溫度補償形式自補償使用溫度-30℃～85℃測點布置重慶李家沱長江大橋上共需安裝8套SEN-TILT光纖光柵傾斜計，4個塔柱頂各安裝2套，分別對主塔橫橋向和縱橋向進行側移監測。布置情況見圖4.10。塔頂塔頂圖4.10主塔側移監測傾斜計傳感器布置圖安裝方法1〕確定安裝外表的安裝位置和方向，根據傳感器的尺寸大小在安裝外表用鉛筆確定傳感器底座的安裝點；2〕用沖擊鉆在安裝外表垂直打出這兩個安裝點，孔位的直徑應略大于傳感器底座支桿的直徑，施工時應注意預應力鋼筋的位置，嚴禁切斷此類鋼筋，且打孔后應以不低于原結構混凝土標號的砂漿進行封堵，所有傳感器的定位應有明顯的永久性標記，以便后期更換時可找到以前的位置；3〕將兩個傳感器底座放入安裝孔，確定底座與安裝面為垂直關系后，將校直棒裝上底座并擰緊螺絲，注意擰螺絲的時候兩邊對稱，確保底座對校直棒只產生平行于安裝面的力，否那么用沖擊鉆重新打安裝孔；4〕用砂紙打磨安裝外表，保證外表的光滑平整；5〕用酒精〔丙酮〕棉清潔安裝面打磨外表的粉塵，更換酒精〔丙酮〕棉單方向擦拭安裝面和安裝底座外表去污；6〕在安裝面和安裝底座外表涂上適量的環氧膠，在安裝孔內可適量多涂膠；7〕將兩個安裝底座放入安裝孔，并用力擠壓，使底座下外表完全接觸安裝外表，然后裝上校直棒，擰緊螺絲，注意擰螺絲的時候兩邊對稱，等待環氧膠完全固化，允許的話可在上面加上重物使底座下外表更好地接觸安裝外表，但是必須保證底座只受垂直與安裝外表的壓力；8〕膠完全固化后將校直棒取出，小心將傳感器放上底座，先擰緊一個底座的螺絲，然后再逐漸擰緊另一個底座的螺絲〔兩個螺絲一邊擰一下，注意保持受力對稱〕，之后觀察解調儀上傳感器的波長變化，當加給傳感器少許拉力或壓力，撤消時，傳感器波長應能夠及時回到中心波長，否那么應擰松螺絲重新安裝；9〕觀察解調儀上傳感器的中心波長值，并和傳感器測試單上的原點值作對照，如果二者不相符，調節傳感器上的螺母使傳感器的中心波長對應上測試單上的原點值〔傳感器外側螺母向內旋增大波長值，內側螺母向外旋減小波長值，并注意內側螺母不得向內旋導致頂住中間的保護管——螺母調節波長是通過螺母的移動產生對螺母間的鋼管產生的擠壓力來到達拉長或者壓縮光柵從而到達調節波長的目的，所以外側螺母過度向外旋以及內側螺母過度向內旋都沒有實際意義〕；10〕傳感器的保護；11〕光纖和尾纖的保護。其他光纖光柵傳感器，如應變、溫度、位移、加速度等在混凝土外表的安裝方式均與光纖光柵傾斜計相同，可按相同方法安裝。4.2主梁、索塔控制截面應力監測4.2.1主梁應力監測監測主梁應力的目的在于通過對主梁結構的控制部位和重點部位內力的監測，研究主梁結構的內力分布、局部結構及連結處在各種載荷下的響應，為結構損傷識別、疲勞損傷壽命評估和結構狀態評估提供依據。本橋應力監測截面包括兩邊跨和主跨的跨中截面、主跨1/4截面和墩頂附近的主梁截面共7個截面，實際安裝時，可在該7個截面附近，結合以往應變檢測測點布置情況以及現場實際情況等因素適當位調整位置。每個截面上布置6個正應力監測點〔5個縱向布置，斷面中心1個橫向布置〕。同時，在主墩附近的橫隔板梗肋處增設縱向應變傳感器8個，主跨跨中附近的橫隔板跨中上下緣分別增設橫向應變傳感器2個，全橋共計52個應力應變傳感器，測點布置情況如圖4.11~4.12所示。圖4.11主梁應力監測應變傳感器縱向布置圖圖4.12主梁截面應力測點布置圖4.2.2索塔應力監測斜拉橋的索塔是承受荷載的主要構件,確保索塔結構的正常,是橋梁平安使用的關鍵。車輛荷載作用、風力、溫差等因素會造成索力的變化，同時不停變化的索力對索錨固區的混凝土產生一種疲勞作用,導致索塔錨固區的混凝土過早出現裂紋,為防止裂紋出現，掌握主塔受力情況，應對主塔關鍵截面進行應力監測。結合李家沱長江大橋實際情況，在主塔關鍵應力截面即主梁附近的塔體截面〔距下橫梁軸心6米處〕，每截面布置4個SEN-S1外表安裝式光纖光柵應變傳感器小計16個，塔身拉索錨固區頂部截面布置SEN-S1外表安裝式光纖光柵應變傳感器進行實時監測，每截面布置2個應變傳感器小計8個，主梁附近塔體截面豎向布置測量主塔應力，拉索錨固區頂部截面縱向布置，全橋塔柱傳感器共計24個。其測點布置情況如圖4.13所示。圖4.13主塔應力監測應變傳感器布置圖4.2.3系統主要配置應變傳感器——SEN-S1外表安裝式光纖光柵應變傳感器〔圖4.14〕。SEN-S1外表安裝式光纖光柵應變傳感器主要用于測試主梁及主塔的應變，可以進行長期監測。安裝方法與光纖光柵傾斜計相同，可先將底座固定在混凝土外表，然后通過螺母將傳感器方便地固定在底座上，也可以采用焊接的方式實現對主梁外表的非膠封裝工藝，與同類產品相比，具有精度高，靈敏度高，壽命長等優點，可與其他類型的光纖光柵傳感器組成全光監測網。圖4.14SEN-S1外表安裝式光纖光柵應變傳感器表4.4光纖光柵應變傳感器技術參數表工程參數標準量程±1500με測量精度1‰F.S.分辨率0.1με〔在與SEN-01解調儀配套情況下〕波長范圍1525nm～1565nm尺寸Ф12×188mm連接方式FC/PC或熔接安裝方式打孔安裝或焊接使用溫度-30℃～120℃4.3溫度監測通過對橋梁溫度場分布狀況的監測,可為橋梁設計中溫度影響的計算分析提供原始依據，對不同溫度狀態下橋梁的工作狀態變化,如橋梁變形、應力變化等進行比擬和定量分析。本健康監測系統中采用光纖光柵溫度傳感器,構成單線多點溫度測量系統進行橋梁結構溫度分布狀況的監測。各溫度傳感器以并聯方式與網絡節點連接,通過網絡總線實現與計算機進行通信,實現對溫度的自動遠程監測。4.3.1主梁溫度監測主梁截面溫度分布測量的目的是為了梁體的溫度場情況，并對溫度應變傳感器得到的應變數據進行溫度修正，由于同一高度處大氣溫度變化不大，應選擇邊、中跨跨中三個斷面布置，考慮主梁頂板測點溫度根本相同，故只在腹板底側上、下游布置溫度測點，每個截面布置2個，全橋主梁共布置6個溫度測點。測量元件采用SEN-T1外表式光纖光柵溫度傳感器。其測點布置情況如圖4.15~4.16。圖4.15主梁溫度傳感器縱向布置圖圖4.16主梁截面溫度測點布置圖4.3.2索塔溫度監測索塔溫度分布測量主要是指測量索塔在日照條件下，各塔壁的溫度差異，以便對索塔由塔壁溫度差引起的索塔偏移有一個正確的估計，并了解塔體的溫度場情況，對應變傳感器得到的應變數據進行溫度修正，選擇截面與主塔的應變傳感器布置截面相同。測量元件采用SEN-T1外表式光纖光柵溫度傳感器，每截面布置1個測點，共8個溫度傳感器，測點布置情況如圖4.17。圖4.17主塔截面溫度測點布置圖4.3.3系統主要配置1．溫度傳感器——SEN-T1外表式光纖光柵溫度傳感器〔如圖4.18所示〕：SEN-T1外表式光纖光柵溫度傳感器具有測溫精度高、響應快、防護能力強等優點，可與其他類型的光纖光柵傳感器組成全光監測網，安裝方式與光纖光柵傾斜計相同。圖4.18SEN-T1外表式光纖光柵溫度傳感器表4.5光纖光柵溫度傳感器技術參數表工程參數標準量程-30℃～180℃測量精度±0.5℃分辨率0.01℃〔在與SEN-01解調儀配套情況下〕波長范圍1525nm～1565nm尺寸Φ8×88mm連接方式FC/PC或熔接安裝方式外表安裝或直埋使用溫度-30℃～180℃4.4大橋結構動力特性監測橋梁動態性能的改變反映了橋梁剛度性能的改變，因而獲取橋梁的動力特性即獲取了結構的“指紋”。通過對主梁和索塔振動的監測，不僅可以識別大橋結構的動態特性參數，還可以實現對主梁結構承受波動載荷歷程的記錄。振動特性的監測可采用加速度傳感器來實現，但在選擇傳感器時要充分考慮傳感器的技術性能〔頻率范圍、靈敏度、采樣特性等〕。經過比擬，現選用SEN-AL光纖光柵加速度計〔如圖4.19所示〕。該類型加速度計具有精度高、靈敏度高、抗干擾、壽命長等優點，可與其他類型的光纖光柵傳感器組成全光監測網，安裝方式與光纖光柵傾斜計相同，主要用于大橋、大壩、大型結構等低頻振動監測。圖4.19SEN-AL光纖光柵加速度計SEN-AL光纖光柵加速度計主要技術指標：表4.6光纖光柵加速度計技術參數表工程參數標準量程±1g測量精度1‰F.S.分辨率0.1‰F.S.〔在與SEN-01解調儀配套情況下〕波長范圍1525nm～1565nm尺寸65×56×113mm連接形式FC/PC或熔接溫度補償形式自補償使用溫度-30℃～85℃本橋在主梁跨中、1/4跨中、邊跨跨中以及塔柱附近的主梁截面進行監測，共布置了4個監測截面，其中塔柱附近的主梁截面縱向布置，中跨跨中縱、橫、豎向布置，其余截面橫、豎向布置加速度傳感器。豎向加速度傳感器布置在截面上下游主梁上，橫向和縱向布置在主梁截面頂板跨中，主梁共計11個加速度測點；2個塔柱頂端各布置2個測點，其中縱、橫向各1個，主塔共計4個加速度測點。全橋共布置加速度傳感器15個。其測點布置如圖4.20~4.22所示。圖4.20主塔、主梁加速度計布置斷面及測點圖圖4.21主梁縱、橫、豎向加速度計安裝位置圖圖4.22主塔縱橫向加速度安裝位置圖4.5斜拉索索力監測4.5.1儀器選型拉索是斜拉橋的重要組成局部，根據索力長期健康監測的需要，需要對關鍵索布設索力傳感器進行實時監測，以便實時掌握拉索索力和大橋運營狀況。本工程采用振動頻率法間接測量斜拉索索力，經過比擬，選用長沙金碼JMZR-2901型數字化傳感器〔圖4.23〕，并帶有斜拉索溫度測量功能。圖4.23JMZR-2901型數字化傳感器表4.7JMZR-2901型數字化傳感器技術參數表工程名稱技術參數頻率量圍036Hz頻率量度05%00Hz溫度量圍55℃25℃溫度量度02℃通訊口485數據輸離1200米電源36V交電4.5.2測點布置根據李家沱大橋特點和當前橋梁狀況測點選擇在上下游邊、中跨的最外側各兩根邊索以及1/2索面〔邊跨10號索、中跨12號索〕上，共計24個測點。〔如圖4.24所示〕。圖4.24索力測試布置圖4.5.3安裝方法傳感器布置在靠近主塔一端的拉鎖上，用專用夾具緊固，由主塔內壁引出，沿已敷設管線進入相應機柜。布線要求標準美觀如圖4.25。圖4.25索力計安裝后圖示4.6裂縫監測4.6.1測區布置在兩主索塔上分別安裝兩套神經脈絡仿生裂縫監測系統。一號主索塔的神經脈絡仿生裂縫監測系統，主要在一號索塔上塔中塔結合局部的上游側分三塊區域〔A、B、C區域〕安裝裂縫傳感網〔共11張〕，中塔下塔結合局部的下游側分三塊區域〔D、E、F區域〕安裝裂縫傳感網〔共18張〕，這些傳感器分別對一號索塔的對應局部進行裂縫監測。二號索塔的神經脈絡仿生裂縫監測系統，主要在二號索塔上塔中塔結合局部的下游側分三塊區域〔G、H、I區域〕安裝裂縫傳感網〔共11張〕，中塔下塔結合局部的上游側分三塊區域〔J、K、L區域〕安裝裂縫傳感網〔共18張〕，這些傳感器分別對二號索塔的對應局部進行裂縫監測。主梁的神經脈絡仿生裂縫檢測系統，主要在兩邊邊跨1/4處，主跨跨中和主跨1/4處安裝裂縫傳感網，九龍坡方向的邊跨1/4處(M區域)安裝3張裂縫傳感網，主跨兩處的1/4處〔N、P區域〕安裝各8張裂縫傳感網，主跨跨中〔O區域〕安裝10張裂縫傳感網，李家沱方向的邊跨1/4處〔Q區域〕安裝3張裂縫傳感網。實際安裝時，對已有碳纖維布加固區域,原那么上那么不安裝裂縫監測機敏網，但是對于橋梁關鍵部位,為監測關鍵部位裂縫的發生和開展，在盡量不破壞整體結構的前提下,先去掉局部碳纖維布再粘貼機敏網的粘貼。其示意如圖4.26-4.27：圖4.26李家沱長江大橋裂縫監測總體布置圖圖4.27〔a〕李家沱長江大橋裂縫監測主塔斷面布置圖表4-8主塔裂縫傳感器布置數量、規格表編號ABCDEFGHIJKL規格〔cm〕400*30400*30400*30300*80300*80300*80400*30400*30400*30300*80300*80300*80數量344666344666面積〔㎡〕14.414.44.814.414.414.4總面積〔㎡〕112.8圖4.27(b)李家沱長江大橋裂縫監測主梁斷面布置圖表4-9主梁裂縫傳感器布置數量、規格表編號MNOPQ規格〔cm〕300*80300*80300*30300*80300*80數量381083面積〔㎡〕14.414.4總面積〔㎡〕專用硬件設計設計原那么：考慮到結構裂縫形態以豎向裂縫為主，塔柱外部寬度640cm，內部僅有不大于300cm的位置可用于粘貼機敏網，并且由于傳感布過長不利于粘貼，此外由于已經經過碳纖維加固，大局部外表被碳纖維布包覆。僅有多個30mm寬橫向觀測縫被留出來觀測裂縫開展情況，為此需設計專門的豎向裂縫監測機敏網拓撲，主要適用于豎向裂縫的發生與開展的監測。所以塔內部的傳感布規格設計為〔長〕400cm×〔寬〕30cm、塔外部的傳感布規格設計為〔長〕300cm×〔寬〕80cm。考慮到李家沱大橋處于長江上，且裂縫發生位置主要處于上下游側內外塔柱，以中塔柱裂縫最多。這些位置易受外部陽光產生的紫外線、風吹雨打、橋下河流產生的濕氣及各種直接雷擊和間接雷擊影響。需針對各種可能發生的問題設計相應防護措施。對各個元器件均需根據原那么設計，主要包含仿生機敏網，中間處理器，電源，防雷器，下位機主控制臺〔工控,UPS,防塵機柜,總線轉換器等〕，上位機(效勞器)等設計。仿生機敏網及中間處理器a、機敏網針對性的設計機敏網拓撲結構及中間處理器相應軟硬件，機敏網采用了三種規格的材料，分別為〔長〕400cm×〔寬〕30cm、〔長〕300cm×〔寬〕80cm、〔長〕300cm×〔寬〕30cm。用以監測不同寬度的裂縫。組成機敏網的機敏線漆包銅線構成，密度8.89g/，20℃直流電阻率為0.02740。圖4.28機敏網實物圖b、中間處理器1)根本描述：與仿生機敏網一起對裂縫信息進行初步采樣、存儲和傳送的嵌入式現場處理器件。圖4.29中間處理器實物圖2)功能：向機敏網發送特殊的檢測信號，通過轉換、選通電路依次選取待測機敏網上的機敏線，對機敏線的通斷情況進行判斷和處理，然后將采集得到的信號經過預處理和短暫存儲后，在主機輪詢選擇條件下通過RS485總線將數據遠程傳送到主機。3)組成結構：中間處理器主要由五大局部組成：微處理器，多路選擇器，總線驅動器，485總線驅動器、防雷擊器件和開關電源模塊。微處理器：中間處理器的核心，控制機敏網上每條特定機敏線的選通，以及向機敏網發送特殊的檢測信號，從而對機敏網的狀態作出分析和處理，得到結構物是否出現裂縫；控制RS485總線驅動器，接收并執行上位機傳來的控制命令，根據控制命令在一定條件下，將采集到的機敏網狀態信息發送給上位機。多路選擇器：將機敏網上每條機敏線傳回的檢測信號分割開，分別送往微處理器進行處理。總線驅動器：增加微處理器的驅動能力，使其能夠驅動較多的機敏線。485總線驅動器：從上位機接收控制命令并根據命令將處理后的信息通過RS485總線送往工控機。防雷擊器件：通過高性能防雷擊器件，防止雷雨天氣產生的瞬間電涌對中間處理器造成嚴重破壞，提高通信的可靠性。開關電源模塊：為中間處理器上的所有元器件提供穩定電源。圖4.30中間處理器系統組成框圖4)生產工藝：為了保障在各種惡劣工作條件下的應用，兼顧產品小型化等要求，中間處理器采用性能穩定優異的工業級芯片和軍品級芯片構成，其中95%以上的元器件為外表粘貼元件，從而最大限度內減小了中間處理器的體積。向專業廠家訂制自主設計的專用雙層電路板。生產時首先使用專用設備將適量錫膏均勻覆蓋于相應的焊盤上，將貼片元件固定于電路板的相應位置上，再通過回流焊機使芯片完好地焊接在電路板上。最后用電烙鐵將直插元件焊接在電路板上。焊接完成后的中間處理器，使用專業儀器進行綜合測試，測試通過后對其進行防水保護。索塔上元件的防護措施雷擊防護措施：中間處理器外部安裝金屬接地外殼和防雷器紫外線防護措施：中間處理器涂敷環氧樹脂，安裝金屬外殼酸雨防護措施：中間處理器涂敷塑封，安裝金屬外殼，機敏網外涂敷環氧樹脂溫度防護措施：中間處理器涂敷環氧樹脂，安裝金屬外殼其它防護措施：安裝PVC套盒保護線路下位機主控制臺通過光纖實現遠程Internet網絡通信，所有設備安裝于防塵機柜內部，工控機總體管理現場系統，UPS提供持續穩定供電，總線轉換器將裂縫監測RS485信號總線轉換成RS232總線信號送入工控機。下位機主控制臺安裝于塔柱下橫梁附近的外場機柜，總體實現現場預處理、存儲、管理、通信。供電系統供電采用現場電力連接，為防止雷電產生的瞬間電涌對系統造成破壞，在總電源和支路電源前均加有防雷器。上位機上位機位于李家沱長江大橋橋頭管理處，根據需要配置性能穩定遠程監測效勞器及固定IP網絡，下位機采用光纖將數據傳輸到上位機。裂縫監測子系統的上位機歸屬重慶市城投路橋管理公司管理。4.6.3專用軟件設計軟件系統原理:仿生機敏網裂縫監測器負責24小時監測仿生機敏網的通斷狀態，一旦裂縫產生，監測器會及時的將裂縫信息傳輸到位于橋頭管理處的上位機中。上位機經過處理判斷，確認該信息后，通過光纖傳輸數據及時將信息傳輸回遠程監測效勞器中。監測效勞器接收到數據后，自動對其進一步進行分析、處理，一旦確認裂縫的產生后自動發出警報信號。4.裂縫仿真系統對采集到的數據進行形象化顯示，專家組利用仿真系統對數據進行計算分析、病害會診，做出相應的措施：如果結論是結構問題不大，監測人員繼續進行監控；如果結論是結構問題嚴重，將派相關專家及人員到現場進行進一步的評估及建議采取相應的措施。軟件系統組成：橋梁裂縫監測系統主要由現場采集、分析系統，Internet網絡傳輸系統和遠程監控、仿真系統三大系統組成現場采集系統主要由假設干個機敏網裂縫控制器、網絡通訊系統、工控機系統、數據庫系統、Internet數據發送系統組成，主要負責及時收集裂縫產生信號，分析、處理數據以消除干擾數據和錯誤數據，數據的長期存儲，數據的Internet發送及遠程命令的接收。機敏網裂縫控制器：主要負責收集機敏網狀態信息，過濾干擾信號，信息傳輸。流程〔圖4.32〕是：向上位機注冊該控制器；收集機敏網狀態信息分析信息，過濾其中的干擾信號將狀態信息發送到上位機。圖4.31軟件系統構成圖4.32軟件系統流程網絡通訊系統：網絡采用總線型網絡，可以方便的替換、追加機敏網裂縫控制器，通訊協議采用競爭式介質訪問控制協議。工控機系統：主要負責控制機敏網裂縫控制器，收集匯總所有控制器采集的裂縫數據，裂縫信息存放在數據庫中。Internet數據發送系統：從數據庫中提取未被發送的數據，利用Internet系統連接到遠程效勞器，將數據打包發送到遠程效勞器，得到效勞器確認后將數據的狀態改為已發送。術語說明:遠程監控系統由數據接收及控制系統、裂縫監視與再現系統組成，主要功能有對數據的正確、完整接收，數據的長期存儲，裂縫出現時的自動報警，裂縫的模擬再現等。數據接收及控制系統：負責接收從采集系統傳輸回來的數據，驗證接收到的數據是否正確，存儲數據，對采集系統發出指令進行控制。裂縫監視與再現系統：監視裂縫信息，當出現裂縫時及時報警，并提供詳細的數據和使用仿真系統模擬顯示出現的裂縫來供專家組參考、分析。4.6.4監測制度設計系統安裝完畢后將實施準實時監測，根據需要現場監測系統定時將數據傳送至遠程監測中心。遠程檢測中心自動分析數據。沒有裂縫出現時，安排專人每天查看數據正常情況，定期向業主做出監測報告。遠程監測中心一旦監測到裂縫出現，監測小組將分析裂縫出現情況，派專人到現場〔即塔柱內外部〕核實是否與監測數據一致，排除各種誤差信息。如果確認裂縫出現，向業主做出監測報告。如果不需要進一步處理，將加強監測密度，密切關注裂縫發生開展情況。有進一步處理必要，向業主提出進一步處置建議。圖4.33索塔結構裂縫監測現場核實及預警制度4.7交通流量檢測系統4.7.1系統概述為了加快橋梁交通管理系統的信息化、智能化進程，在現有的規模上提高橋梁路網的通行能力，保證車輛的平安行駛，提高管理橋梁交通系統的效率和執行力，車流量檢測系統顯得極為重要。智能交通系統〔ITS〕〔IntelligentTransportSystems〕是世界興旺國家于上世紀60年代開始提出的概念，旨在解決日益嚴重的交通問題。90年代以后，ITS以驚人的速度開展，今天已得到相當廣泛的應用。該系統是交通、計算機、信息、通信和系統科學與工程的有效結合，能夠產生極大的交通管理效益，最大限度的發揮路網功能，標準行車秩序，減少交通違法現象，緩解交通擁堵狀況。車流量檢測系統采用模塊化設計，并采用先進的在線學習技術，對各模塊進行動態分配和調整，使系統能夠自適應學習各種應用環境變化，從而大幅度提高系統的魯棒性和應用性。該系統采用基于IP的網絡接口或其它數據接口方式，易于與其它設備接口。系統控制中心管理計算機與各監控點計算機的連接采用星形拓撲結構，每個監控點均可以通過網絡互聯與控制中心直接連接以傳輸交通事件通行數據信息和監控圖像數據。網絡互聯采用光纖或DDN∕ISDN∕PSDN∕LAN∕ATM∕Internet/無線方式等通信方式。4.7.2設計原那么和目標在系統設計中，力求滿足以下要求，以最優的性能價格比保護投資，我們將遵循以下設計原那么：1、合理性：嚴格以系統工程學及其它先進理論指導設計，使系統的各局部合理配置，盡可能地發揮硬件設備的潛力和軟件功能，最大限度地提高系統性能價格比。2、先進性：在系統設計和設備選型方面，在考慮系統的實用性前提下，采用國際上先進的多目標識別與跟蹤技術等視頻圖像算法與數字通訊技術，確保系統在國內的領先地位，使系統具有完備的功能，并且易于升級換代，在保證其先進性的前提下具有較長的生命周期。3、實用性：系統功能充分滿足用戶的實際需求，人機界面友好，易于使用、管理、維護和擴展。4、可行性：系統設計、選材、選型符合國家和地方政府的法規政策，與用戶及上級管理部門的管理制度相適應，用戶在經濟能力方面的實際情況相吻合。5、可靠性：系統采用高集成設備，采用自動監測、自動監控和容錯等技術來保證可靠性。設計、設備選型、施工及調試等環節都將嚴格貫徹質量條例，完全滿足系統的招標要求，符合國家及行業的有關標準，確保系統能夠長期穩定、可靠平安地運行。6、平安性：系統具有防病毒，防誤操作特性，有較強的抗干擾、抗靜電能力，同時提供數據備份、恢復功能。系統還將提供用戶等級權限保護，有效排除人為因素的干擾。7、標準性：系統設計時，所采用的技術手段遵循業界標準，特別是提供了標準接口，使系統具有較高的靈活性，與其它系統方便互聯，同時可適應今后的升級或引進新技術。系統具有良好的互聯、互控及升級能力，遵循最新的國際標準、國家標準和行業標準，遵循開放的原那么。并提供相關系統設備的技術標準、接口。系統網絡結構易于擴充，以適應今后的較大任務負載。硬件平臺可升級，當需要時可以通過新的設備同原有設備一起工作以提高系統的處理能力，從而保護原有投資。8、可擴展性：系統功能充分滿足實際需求，人機界面友好，易于使用、管理、維護、擴展。例如可擴展為壓黃線抓拍設備。4.7.3系統結構系統由前端路口控制局部、網絡傳輸局部和中心管理局部構成。系統拓撲圖圖4-34系統拓撲圖前端路口控制局部該局部主要有車流量檢測攝像機，根據實際需求，在監測區域安裝車流量檢測攝像機，并都通過光纖將現場視頻傳輸到中心進行統一處理。網絡傳輸局部該局部主要將前端局部的全景視頻信號通過光纖傳輸到交警數據中心，同時通過網絡實現web式中心系統管理。車流量檢測局部車流量檢測局部可以在前端處理，也可以通過光纖將信號接至中心進行處理，可以根據實際情況進行選擇。車流量檢測局部對視頻信號進行檢測、識別、分析。綜合得出車輛行為信息和流量信息，保存并上傳至中心管理系統。中心管理局部中心系統完成對路口的設備、數據通訊管理和數據處理工作。主要包括：數據查詢、處理、發布模塊；車流量統計分析模塊；設備管理監控模塊；監測報警模塊；用戶管理監控模塊。整個系統的模塊結構如以下圖4-35如示。圖4-35系統模塊結構圖數據查詢、處理、發布模塊主要用于各類數據的綜合查詢和統計工作，包括車流量、類型等數據查詢、統計、分析等。車流量統計分析模塊主要完成對各道路車流量〔包括車輛的軸重、總重、超重〕、平均車輛速度、占有率等相關信息的計算、統計和處理，并可以根據以上數據對各道路實際情況進行科學預測和綜合分析。設備管理監控模塊主要完成對相關各硬件設備運行情況的監控，保證系統正常平安的運行監測報警模塊的主要功能是根據車流量檢測結果進行判定，假設發現異常情況，那么立即發出警報，以提醒相關人員及時進行處理。用戶管理監控模塊功能主要是對使用本系統的人員進行管理，其重點是對各類人員的操作權限進行嚴格控制，以保證系統的正常、高效運行。4.7.4系統結構工作原理車流量檢測原理系統由拍攝及圖像采集單元、數據傳輸單元、檢測單元以及中心管理單元組成。如圖4-36所示。圖像數字化模塊：前端采集的視頻圖像通過圖像數字化模塊轉換成數字信號進入車流量檢測系統。自學習背景劃分區域、分析模塊：對劃定的區域背景進行分析，提取相應的特征。檢測運動物體〔車輛〕模塊：車流量檢測系統的核心模塊之一，在監測區域內依據車輛特征檢測車輛，可以檢測多個車輛，并可以區分大小車輛〔即重車與普通車的區別〕。校準模塊：這和以下的跟蹤模塊、判別模塊以及上面的車輛檢測模塊是在循環中互相影響，互相修正的，通過綜合前面的綜合信息，判斷車輛檢測的正確與否，正是通過屢次的校正、修改，保證了我們整個系統的正確率、有效率。多目標跟蹤模塊：車流量檢測系統的核心模塊之一，根據背景特征、車輛特征、以及前后幾幀直接的信息連接，到達對多個目標的跟蹤和分析，為判斷車輛行為提供根底和依據。行為判斷模塊：根據多目標跟蹤模塊跟蹤區域內車輛行為的結果，綜合判定車輛行為。車流量處理模塊：對行為判斷模塊所輸出的結果信息按照事件類別進行保存、上傳和報警。圖4-36系統原理結構圖車流量檢測系統主要功能針對城市交通、交通路口、高速公路、隧道和橋梁等車輛狀況而設計，可以同時處理多車道，單方向或多方向交叉路口。主要功能：車流量：通過車輛檢測和多目標跟蹤技術，可以統計單位時間內通過相應車道的車輛數目，并查詢瀏覽當日的超限超載車輛數據記錄,并顯示每輛車對應的軸明細，可進行車號輸入保存與打印指定車輛的軸明細，即車流量；超限車輛匯總：統計指定時間段的超限運輸車輛情況登記報表。

平均車速：通過對視頻進行標定，可以視頻測算出一段時間內車道中車輛的平均速度；車道占有率：通過換算公式，可以得到單位時間內車道上車輛占有時間的比例；排隊長度：通過車輛檢測，可以估算出各方向車輛長度〔數目〕；車間距：通過標定，可以估算出一段時間內車輛之間的平均間隔距離；行車時間：一定時間內各方向車輛的平均行駛時間；平均等待時間：一定時間內各方向車輛的平均等待時間；擁堵預測：通過計算機智能算法科學預測各方向車輛行駛狀況。中心管理單元該單元由計算機硬件及專業的中心管理軟件組成，硬件主要有數據效勞器、計算機工作站、網絡設備、電源設備等。車流量檢測系統中心系統處理功能：實時檢測數據：中心系統實時接收前端上傳的車流量檢測數據，為數據處理和統計計算做好準備，并實時檢測當天是否有檢測數據傳到中心，以監測檢測設備和通信是否工作正常。對于錯誤信息，可以及時進行修改調整。交通事件報警：對擁堵等事件按照事件類別進行分級報警。車流量統計分析：為了從更高的角度挖掘數字化處理的優勢，系統提供了多種手段，對交通事件的發生地點、時間、車輛等角度進行各方面的統計和比擬分析；圖示化的結果顯示，更有助于管理人員對交通事件的進一步分類和調查，從而制定出更好的交通管理方案。系統平安性處理：參與本系統操作的人員較多，包括：數據錄入人員、交通事件處理人員、交管部門的高層管理人員、計算機系統維護人員等。為了保證系統的平安性，在設計上為以上所有操作人員進行分級，規定了各自的操作“身份”，每個“身份”都只能有相應的權限，不允許任何越級操作。工作人員業務統計：系統能夠對數據錄入員、交通事件處理人員的工作量進行統計，從而為強化對業務操作員的管理提供了數字依據。自動日志記錄：記錄系統設備運行情況和操作員登陸情況，同時記錄交通事件報警日志。系統主要功能特點視頻檢測功能：系統軟件具有先進的視頻檢測技術，可以對大范圍區域進行檢測，取代了現在的人工檢測的繁瑣勞動；測速及車流量統計功能：檢測控制主機采用先進的計算機智能算法，檢測速度極快，在完成車流量檢測的同時，還具備車流量檢測及速度檢測的功能；車輛跟蹤功能：可以多目標跟蹤多個車輛并記錄其軌跡；識別大小車功能：系統可以智能判斷車輛類型，可以區分大車小車；斷點續傳功能：在發生網絡等故障時，系統能將數據、圖片等保存在路口前端，待故障排除后系統自動將數據、圖片等上傳到交警數據中心；中心管理軟件功能強大：對圖像質量、保存圖像的大小、保存錄像的長短、保存天數、傳輸設置等參數的設置。4.7.5技術指標及要求技術指標：1、車流量檢測系統可以自動學習適應新的背景畫面，2—3分鐘后立即自動進行車流量檢測。如果攝像機角度發生變化，系統可以自動學習，適應新的背景畫面。2—3分鐘后立即自動進行車流量的檢測。2、輸入視頻信號切換后，系統可以自動學習、適應新的背景。2—3分鐘后立即自動進行車流量的檢測。3、視頻檢測系統的自診斷警報系統在分析儀上運行自診斷程序，在處理器上自動檢測以下錯誤。1)攝像機位置發生移動2)攝像機信號喪失3)攝像機視頻信號質量的降低包括模糊、偏色、雪花、滾屏、凍結、過亮、過暗等4)視頻處理器出現的故障5)網絡通訊故障系統4、平均檢測報警時間：＜10秒〔從發生事件到檢測出報警事件〕5、初始化時間：＜1分鐘6、車流量檢測正確率：白天：＞95%，夜晚：〉85%7、拍攝光照條件：白天自然光線，包括晴朗天氣、多云天氣、雨雪天氣、陰天，大面積陰影下；夜間有人工照明裝置。技術要求：1、能準確測算出通過大橋的車輛數量。2、能準確的檢測出超重車〔超載、超寬、超高〕與普通車的區別。3、能準確的檢測出超載車〔噸位按現行標準超過55T〕的過橋數量。4.7.6全天候遠程數字化航道監控系統為了防范意外撞橋事件，對橋區航道、航標、船舶等進行全方位監控，從而保障航道暢通和大橋平安。李家沱長江大橋監測系統預安裝YCA系列多傳感器三視窗遠程晝夜視頻監控一體化監控設備，實現24小時監控，完成大橋平安與航道數字化的管理，從而可以實現突發事故預警、事后錄相取證等相關工作。該系統由YCA透霧攝像機、長焦距日夜型電動變焦鏡頭、FLIR紅外熱像儀、一體化雙視窗防護罩和數字微波傳輸系統等組成，具備剪切、拷貝、編輯、保存等功能。攝像頭能全幅監控幾千米寬的江面，上下最遠距離達1公里，技術人員通過現場畫面傳輸，在計算機上就可以直觀地看到大橋橋區航道內的船舶航行情況。產品特點：1.可見光攝像機CCD+紅外熱成像，可到達完美的監控效果。2.白天：可見光攝像機鎖定、細看目標；薄霧：可見光透霧成黑白圖像；夜晚：因為紅外熱成像與需要微光產生圖像的其它夜視系統不同,它根本不需要可見光，能在全黑、薄霧或煙霧情況下能提供輪廓鮮明和清晰的熱圖像真正意義上到達晝夜、全天候監控。具有透霧功能。3.一體化安裝結構,與傳統的多個照明設備組裝方式相比,具有更高的穩定性和抗風能力；4.具有嚴格的“防水、防震、防腐蝕”三防品質。全天候監控,晝夜均可得到清晰監控圖像。圖4-38熱圖像效果圖4.8全橋傳感器測點布設情況匯總全橋傳感器按就近原那么順接或焊熔到布置在主橋面兩側的主干光纜上，通過人行道下管線預埋管道連接至李家沱大橋橋頭管理中心處。全橋傳感器布設情況匯總如表4.8所示：表4.8全橋傳感器布設情況表序號類型型號數量布設情況1應變傳感器SEN-S1764個塔柱各6套、主梁7個截面各6套、橫隔板10套2溫度傳感器SEN-T1144個塔柱各2套、主梁3個截面各2套、3加速度計SEN-AL152個塔柱頂各2套，主梁4個截面共11套4索力計JMM-268-C244個索面8幅每幅各3套5傾斜計SEN-TILT84個塔柱頂各2套6拉線式位移傳感器SEN-D242個梁端各2套7靜力水準儀SEN-HOR28主梁13個截面各2套，2個不動點各1套8裂縫傳感網90塔柱58張，主梁32張9車流量檢測系統2套布置在橋兩端六車道上10YCA透霧攝像監控系統YCA2套布置在兩個橋塔上全橋傳感器布置圖如圖4.37所示：圖4.37全橋傳感器布置圖4.9全橋傳感器清單序號工程稱規號生家原地單位數量1傳感器子系統1.1砼結構應變計光纖光柵外表安裝應變傳感SEN-S1森首光電上海個761.2砼結構溫度光纖光柵外表安裝溫度傳感器SEN-T1森首光電上海個141.3加速度傳感器光纖光柵加速度傳感器森首光電上海個151.4索力計JMM-268-C長沙金碼長沙個241.5傾斜計光纖光柵傾斜計SEN-TILT森首光電上海個81.6拉線式位移傳感器光纖光柵拉線式位移SEN-D2森首光電上海個41.7靜力水準儀光纖光柵水準儀SEN-HOR森首光電上海個28點1.8裂縫傳感網重慶張901.9車流量檢測系統北京套21.10YCA透霧攝像監控系統YCA深圳套2五、數據采集、傳輸、處理和控制子系統5.1數據采集子系統李家沱長江大橋結構健康監測系統數據采集子系統由光纖光柵傳感網絡分析儀、拉索索力自動化測試系統和綜合信息網絡組成，其總體技術要求如下：5.1.1采集模式一傳感器傳感器外場工作站機柜調理/采集模塊采集計算機綜合監測網監控中心數據接收處理效勞器在此種模式下，采集計算機需使用PI體系的設備，且必須使用實時操作系統平臺，即RealieOeatinSstem，以保證據運算的準確性和數據傳輸的實時性。的電信號輸出和數字信號輸出的傳感器才需就近接入采集計算機。該采集模式使用基于PXI的同步時鐘的同步方式。在本系統中，調理/采集模塊設備主要指NI的8433等板卡。索力測試系統接入PXI的監測子系統描述如下。索力計24套索力計分兩組分別接入ST1〔李家沱處主塔〕、ST2〔九龍坡處主塔〕的PXI系統的8433卡上，各占用8433上的一個485口，具體連接拓撲圖如圖5.2：圖5.1索力計采集拓撲結構圖所有索力計通過一根數據線纜并接到就近工作站的PXI8433板卡上，并通過一根供電線纜并接到就近工作站內的電源上，電源規格為220VAC轉36VAC。稱格位量索力計供電電纜定制米2400索力計數據電纜定制水工電纜米2400索力計供電電源220C轉36C個PXI計機置根據以上描述可得知南北工作站通道使用數量以及剩余通道數如下表所示：號型通數用數余道S1串口48〕413S2串口48〕413由此可得李家沱長江大橋結構健康監測系統工作站的具體模塊組成如下表所示：號稱量〔個〕S1NIP1062Q8槽箱塊配置1PI模塊NIPXIe-8133實時控制器〔擴展溫度)1NIP6672計數器定時塊1NIP6682H模塊1NIP84334隔串塊1剩余位4S2NIP1062Q8槽箱塊配置1PI模塊NIP8133實控器(擴展溫度)1NIP6672計數器定時塊1NIP6682H模塊1NIP84334隔串塊1剩余位4PI匯總清單如下名稱規格單位數量PXIe1062Q 8槽機箱PXIe1062Q〔779633-01〕8槽靜音機箱臺2PXIe8133嵌入式實時控制器PXIe8133〔781479-33〕嵌入式實時控制器帶256G固態硬盤塊24通道2000V隔離串口模塊〔485〕PXI8433〔779539-01〕〔含配套線纜〕塊2PXIe6672計數器定時模塊PXIe6672〔780063-01〕個2PXI6682HGPS同步模塊PXI6682H〔781059-01〕〔含配套線纜〕個工作站的布設李家沱長江大橋結構健康監測系統工作站布設的依據如下：(1)工作站根據傳感器的空間分布情況而布置，主要考慮的因素是傳感器的數量和傳感器的布線長度，選擇合理的位置以減少傳感器電纜長度；(2)綜合考慮工作站到節點交換機的距離、供電要求以及綜合布線的可操作性。(3)綜合考慮未來其它情況新增傳感器的需要，優化現階段監測區段的工作站位置。全橋共布設2臺工作站，編號說明見下表位號置李家沱大橋主橋S1南主塔下梁內S2北主塔下梁內5.1.2采集模式二總描述監控中心監控中心傳感器調理/采集模塊數據接收處理效勞器采用光纖光柵傳感網絡分析儀專用設備適用該采集模式的傳感器：光纖監測傳感器此種模式僅適用于光纖傳感器。該采集模式是將經光纖光柵傳感器變換、放大器放大后的信號直接以模擬量的方式記錄下來或者經過模數轉換以后以數字量的方式進行記錄，將采集后數據通過主光纜傳回監控中心。在本系統中，調理/采集設備主要由光纖光柵傳感網絡分析儀完成。該采集模式使用基于PCI的GPS同步時鐘同步方式。其拓撲結構如下：系時步關于系統各種數據采集時間同步問題我們采用2套GPS授時卡接收絕對時間基準來校準光纖光柵傳感網絡分析儀內部時間。根本原理如下：1〕光纖光柵傳感網絡分析儀工作時采樣頻率為20H，每組采樣間隔50ms，而提取計算機內部時間誤差小于5ms，因此提取計機內部時間〔校準后〕已經足夠同步；2計算機內部絕對時間使用GPS授時卡的PP〔PulsePerSend信號來校準，PPS信號是絕對時〔GT信〔采用NEA標準年月日時分秒與UTC時間相對誤差10us；3〕光纖光柵傳感網絡分析儀每采樣一組數據后，提取當前計算機內部時間〔已被GPS校準〕，打上時間戳后通過TCP/IP協議發送到數據接收效勞器。每組發送到效勞器是數據包格式為：時間〔DWORD〕、數據(float)、數據(float)數據(float)。4〕此種時間同步誤差瓶頸在于提取計算機內部時間存在隨機誤差，但誤差在5ms之內，完全滿足設計要求。光采備單金屬鎧裝單芯光纜金屬鎧裝8芯光纜金屬鎧裝32芯光纜5.1.3采集設清單序號工程名稱規格型號生家原地單位數量2數據采集子系統2.1PI采集計算機2.1aPXIe1062Q8槽機箱PXIe1062(779633-01〕〔含兩年質保〕NI美國臺22.1bPXIe8133嵌入式實時控制器PXIe8133〔781479-33〕(781289-01)NI美國塊22.1c4通道2000V隔離串口模塊-485PXI8433〔779539-01〕〔含配套線纜〕NI美國塊22.1dPXIe6672計數器定時模塊PXIe6672〔780063-01〕〔含配套線纜〕NI美國個22.1ePXI6682HGPS同步模塊PXI6682H〔781059-01〕〔含配套線纜〕NI美國個22.2索力2.2a索力計專用供電電纜長沙金碼金碼中國米24002.2b索力計數據電纜長沙金碼水工電纜金碼中國米24002.2c索力計供電電源220AC轉36AC中國個22.3光纖傳感器采集分析儀2.3a森首光電上海臺22.3b時鐘同步設備PS授時卡森首光電上海塊22.3c截面內光纖傳感器線纜金屬鎧裝單芯光纜森首光電上海米2.3d縱向光纖傳感器線纜金屬鎧裝8芯光纜森首光電上海米2.3e縱向光纖傳感器線纜金屬鎧裝32芯光纜森首光電上海米2.3f光纖跳線定制森首光電上海根光纖續接盒定制森首光電上海個2.3h傳感器保護盒定制森首光電上海個2.3h光纖熔接定制〔含光纖保護盒〕森首光電上海個2.3i水準儀連通管定制森首光電上海米24002.3j標準機柜定制中國個15.2數據傳輸子系統網計及說明本系統同時對主塔、主梁進行在線監測，由于多個光纖應變傳感器具有不同的反射光中心波長，所以可以通過一根光纖串接成為光纖傳感鏈，每個監測截面的應力、溫度、加速度、撓度、位移傳感器用一根光纖連成一串，占用光纖傳感網絡分析儀的一個或多個通道，通過光纖傳感網絡分析儀自動采集各斷面的位移、應力、溫度、加速度等信息；裂縫監測子系統中下位機收集到的數據也將通過光纖傳輸到上位機；同時靠索力自動化采集系統獲取斜拉索索力信息。三種信息依靠光纖網絡傳輸到監控中心，以供數據的分析和處理。其傳輸網絡拓撲結果圖如下所示：整個系統由2臺接入交換機連接進入大橋綜合監控網絡的形式構成，環路帶寬為1Gs，全網基于TC/IP協議集，運行動路由協議，確保傳輸網絡的穩定、可靠；系統中的任一數據采集工作站通過附近的線纜接入交換機接入整個數據采集傳輸網中工作站與網絡上其他任一效勞器或工作站都存在2條通路可以到達在網絡上的任一處光纖斷開的情況下，系統中的各工作站依然可以正常工作。5.2.2設備清單序號工程名稱規格型號生產廠家原產地單位數量3數據傳輸子系統3.1網絡交換機CICOCatalst3750W-C3750G-24T-SCICO美國臺13.2光電轉換儀NTLIN-1000NTLINK中國臺23.3網絡跳線2米RJ45跳線MP中國根105.3數據處理和控制子系統數處流與法數據的預處理：這一過程在數據管理和控制系統效勞器內完成，主要進行簡單的統計計算，比方設定時段內的最大最小值、均值、方差、標準差等，計算結果作為初級預警的輸入，并用以判定信號是否正常。(1)數據的二次處理：這一過程也在數據管理和控制系統效勞器內完成，主要包括數據的時域、頻域、時頻域分析及顯示。(2)數據的后處理：這一過程在終端微機與數據管理效勞器完成。主要進行監測數據的高級分析。由于這一過程的分析數據來自實時現場采集數據和定期人工采集數據，因此往往離線進行。數據的后處理包括各種報表的自動生成功能。監測數據的管理大橋健康監測系統對于數據管理采用的方法是：構造多層次相互關聯的關系型數據庫，直接以數據庫方式存儲原理數據，以便根據各種查詢條件檢索原始數據，降低數據的存儲資源耗用，提高數據存儲與管理效率。系統根據用戶設定自動進行原始數據的預處理，通過圖形界面，用戶可以觀察到數據及其處理結果的過程，即可對原始數據進行動態分析，同時可將指定數據轉換存儲為用戶指定的格式，為數據交換、共享提供接口和平臺。為保證基于網絡的系統平安性，數據管理還應具有訪問控制功能。數據庫訪問采用客戶端用戶系統與效勞器用戶系統的雙重用戶驗證系統。數據庫訪問設有三個訪問級別：最高權限用戶、次高權限用戶、最低權限用戶。最高權限用戶的最大特點就是可以設定和修改系統參數數據庫的各種參數，包括：傳感器的校準數據、傳感器采樣參數、定期采集制度、實時采集制度、數據存儲參數、實時報警閥值、系統分析參數、根本結果參數。整個效勞器系統由數據接收處理效勞器、系統內的網絡設備、工作站終端和數存備設備構成。器設型主系術數求：數接數處分、庫器稱共1臺)CU165G更高64位CUL3速存6B處理個數4系統存4B或高存儲本地硬盤146GB或更高配備光纖存儲卡連接磁盤陣列連接支持兆太連接操作統移站1臺)CPU：雙核不低于1.6G；內存：不低于1GB；硬盤：不低于40GB；連接：10/00100太網操作；系統WndosPPfessinal顯屏中心機房效勞器顯示屏15液晶顯示屏分辨率104*78以上；新率60Hz以上中心機房KVM設備8口KVM終端1臺)CPU：雙核2.8GHz以上內存：512M以上存連接：10/100以太網；操作系統：WindowsXPProfessional5.3.5效勞器系統設備清單序號工程名稱規格型號生產廠家原產地單位數量4數據處理與控制子系統4.1數據接收、處理分析及數據庫效勞器聯想萬全R350G7,IntelXeonE55042.00GHz處理器路；4GBDDR2內存；146GB*3硬盤；2千兆網卡；Lenovo中國臺14.2磁盤陣列300GB/SAS/2.5"硬盤Lenovo中國臺24.3光纖交換機LS-5024P-LI-AC24口光纖交換華為中國臺14.4移開工作站ThinkpadR4002784A52CPU：IntelCoreDuo(Penryn)T6670(2.2G)/顯示：14.1"/內存：1GB/硬盤：250G/5400rpm/連接：1GBEthernet/802.11b/WINXPProLenovo中國臺14.工作站縱端PC機聯想揚天電腦M7100NCPU：AMDPhenomX497502.4G/顯示器：19"/內存:2G/硬盤：320G/100M網卡Lenovo中國臺1六、輔助支持系統6.1外場機柜工件工作站機柜是為戶外使用運行而設計的，與在實驗室和工業環境條件下使用的系統不同工作站機柜完全工作在一個純自然的環境下所以系統要具備在溫度變化范圍大濕度高的環境下工作的能力，建議重慶市城投路橋管理公司在橋塔下橫梁內搭建現場機房，配備空調、除濕設備等，將工作機柜安裝在內。6.1.2外外場工作站機柜內安裝的主要設備如下表稱備寬深m〕度工作柜1接入換機44453781UUS13032603UUS電池213032606U采集備PI17745404U同步鐘機44453501U工作站機柜2接入換機44453781UUS13032603UUS電池213032606U采集備PI17745404U同步鐘機44453501U工單稱號位量機柜定制個2外場機柜US斷電后持續供電2小時個外場配電箱定做，含開關、隔離變壓器個26.2中心機房中心機房為健康監測系統的監控中心，位于李家沱大橋養管所內，放置李家沱長江大橋結構健康監測系統中數據處理與控制子系統的設備包括各類效勞器及存儲藏份設備，以及UPS供電設備等。中心機房需到達電子計算機機房設計標準GB50743要求。七、安裝施工方法及措施該橋檢查輔助設施比擬完備：縱梁有主梁檢修車；塔柱內有爬梯、升降電梯和操作平臺；塔內照明設施齊全；斜拉索有檢修車。該橋管線路徑暢通，從大橋直達大橋管理處。這些為大橋長期健康監測系統的安裝創造了有利條件。本次監測儀器設備的安裝方案以現有輔助設施為根底，根據需要適當增加局部措施。各種儀器、設備的數據傳輸光纖和線路方案利用塔柱、主梁和原有管線通道進行鋪設。具體為：九龍坡岸〔簡稱九岸〕一側橋塔承力范圍內，所有傳輸線均通過主梁進入九岸側橋塔〔簡稱1#塔〕，再進入人行道下管線溝內，通過人行道下管線溝敷設至橋管處監控室。李家沱岸〔簡稱李岸〕一側橋塔承力范圍內，所有傳輸線均通過主梁進入