近年来，国内外桥梁频发安全事故，特别是大型桥梁，如美国明尼苏达州一座跨越密西西比河的大桥坍塌事故、我省九江大桥撞击事故、重庆綦江彩虹桥垮塌事故、湖南沱江凤凰城大桥事故等，都给广大人民群众造成巨大人员伤亡和财产损失。根据美国桥梁管理和养护协会提供的不完全统计资料，桥梁的破坏呈早期与后期高危险的“盆”式曲线。
我国自上世纪八十年代以来，由于经济的高速发展，在短短二十年的时间内，一大批结构新颖、造型优美的超大、特大型现代化桥梁以极快的速度出现在各条国、省道干线公路和城市主干路跨越江、河、湖、海湾的咽喉控制部位。相继建设完成世界上最大跨径的钢管拱桥（卢浦大桥、主跨550米）、世界上最大跨径斜拉桥（苏通大桥，主跨1088米）、世界上第二大跨径悬索桥（西堠门大桥、主跨1650米）等等世界顶级桥梁。目前，
设计和建设水平已跻身世界强国之列。
相对大桥的设计和建设水平，国内大型桥梁管理方式仍比较落后，诸多桥梁仍处于只建不养或养护管理不到位的现状，以致不少桥梁长期带病工作，甚至出现突发性破坏事故，造成了巨大的损失。根据近年来我们所完成的桥梁检测工作，经分析研究，危及我市城市桥梁安全的病害及其成因主要有以下8类。1、砌体结构开裂；2、梁板整体性差，单梁板受力现象突出；3、钢筋混凝土双曲拱、刚架拱、肋拱刚度偏小；4、大跨度连续箱梁、T构跨中下挠、梁体开裂；5、地基基础软弱，桩基下沉；6、道路升级改造加大既有桥梁荷载；7、河道污水腐蚀桥梁下部结构；8、附属设施缺失，桥梁伸缩缝状况较差。因此加强桥梁运营期间管理，对于重要的桥梁实施安全监控，及时掌握桥梁的安全状态，对保障道路通行安全具有十分重要的意义。
一、项目概况
东莞市大汾北水道特大桥位于市区环城路，跨越大汾北水道三叉交汇口，主桥桥型为单孔128m下承式钢管混凝土系杆拱桥。每幅桥设2片拱肋，全桥拱肋共46对92根吊杆。桥面系由横梁、加劲纵梁和π型车行道板及桥面后浇层组成。下部结构主墩墩身及承台设为两个分离式钢筋砼结构，主墩基础每墩8根φ180的钻孔灌注桩，墩身采用空心闭合箱型截面。桥面按双向八车道外加人行道设计。横桥向分为左右两幅完全独立且对称的桥，每幅桥面宽24m，具体组成为：3.75m（人行道）+0.5m（防撞护栏）+15.5m（车行道）+ 0.5m（防撞护栏）+ 3.75m（过桥水管和检修道）。桥梁整体布置图见下图。设计荷载：汽车—超20，挂车—120。人群荷载3.5KN/m2（按人行道净宽2.85m布载）。该桥2005年4月28日建成通车，目前车流量约每天约10万车次。由于车流量密集，重型车辆多，一旦发生事故，后果将非常严重。为及时掌握桥梁运行状况，防患于未然，根据《城市桥梁养护技术规范（CJJ99－2003）》要求计划在该桥实施安全监控系统。
二、系统需求及设计原则
影响桥梁安全运行有各种各样因素，其中危害最大的主要是结构内力状态改变、结构损伤及两种因素综合作用。由于桥梁所处环境各异，在分析产生以上因素时，必须充分考虑周围环境及交通荷载等动态状况的影响。
（一）本系统具体包括如下几个方面内容：
1、对交通荷载状况进行监测，确定桥梁实际运营荷载水平及其对今后可能增长的交通荷载的承受适应能力，控制超限运输对桥梁结构造成的不利影响；
2、对桥梁运营状态下应力、变形以及变位等响应进行监测，掌握桥梁的实际受力状态和使用工作状况，评估不同应力和变形变位水准下结构的安全可靠度，并通过疲劳分析等理论确定构件或结构的使用寿命，预报可能存在的隐患或质量衰退；
3、对桥梁的振动响应进行监测分析，掌握其动力性能，判断是否有对大桥有害的振动，并为损伤识别、抗风抗震性能评估提供依据；
4、纪录大桥可能经历的重大荷载及事故历程，如地震、超重交通荷载以及被车、船等撞击情况下的状况，并判断大桥是否因此而损伤；
5、对大桥所处环境及关键部位长期变化进行监测，通过时间序列分析，及时查明大桥关键部位的变化趋势与变化规律，进而判断大桥可能存在的质量隐患、可能发展态势及其对结构安全运营造成的潜在威胁，为大桥评估、养护以及维修加固提供科学依据；
6、设定大桥安全预警值，提供等级预警信息。大桥在运营中若某种响应超过预警值，会及时给出警报，提示出现非正常荷载或大桥某部位性能退化，以便加强大桥检查或加固维修。
（二）根据以上需求，确定东莞市大汾北水道特大桥安全监控系统的设计原则：
1、根据桥梁的结构特点，把握影响结构安全的主要因素，建立一套功能齐备、性能完善、经济合理的健康监测及诊断系统；
2、采用技术成熟的系统配套产品，保证系统的准确性、稳定性；
3、采用模块化设计，保证系统的可替换性、经济性；
4、采用开放式系统设计，保证系统具有良好的升级、远程数据共享及监控功能；
5、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；
6、采用日常监测和定期监测相结合的办法，减少数据采集量和后处理难度；
7、设计强大、合理、易用的前、后处理模块，以有效处理、分析和管理采集的数据。
（三）根据以上原则，监控系统要达到如下目标要求：
1、 为大桥运营期科学有序的监测巡检养护运营管理提供一个平台；
2、尽早发现桥梁结构自身及行车所面临的危险状况，能够在桥梁结构危险萌芽阶段发出预警；
3、有效的掌控运营期大桥的结构使用状态，在结构安全及行车安全受到威胁的情况下采取适当的措施实现主动安全控制，切实提高结构的全寿命安全度；
4、制定合理的预防性养护措施，有效降低大桥运营成本，为桥梁结构的科学养护维修提供依据；
5、建立损伤及内力状态管理机制，追踪其演变过程，推测其预期的发展，并为制定相应的大桥管养对策提供技术支持；
6、为桥梁管理者提供桥梁的巡检养护手册以指导并规范其养护行为，有效提高和保障桥梁运营的检测、养护和管理水平；
7、辅助大桥管养者制定高效、经济、合理的运营管养措施，最大限度延长桥梁的安全使用年限。
三、系统设计总体框架
桥梁结构健康监测及诊断系统是一个系统工程，其核心任务是获得环境荷载以及结构的响应、局部损伤等信息，在对监测信息进行综合评估的基础上获得行车和结构的双重安全状态信息。为了更好地完成上述目标要求，系统主要包括以下内容：
1、传感器监测子系统。用于信号监测，主要将各类监测信号转换为电（光）信号作为监测评估的依据，为结构安全、高效、经济运营提供技术支持。
2、电子化人工巡检养护管理子系统。用于制订桥梁的巡检体制以及巡检养护手册，并要求运营期根据手册设定的结构巡检任务，安排人员设备进行定时、定量、程序化的系统巡检，完成巡检的管理、记录、归档、分析和评估等工作；
3、数据采集与远程传输子系统。采集准确、可靠、具有代表性、如实反映结构状态的各种特征信息，并通过网络传输到数据处理中心直接关系到桥梁健康监测系统能否对桥梁结构的健康状态作出正确的评估，能否为验证设计和桥梁管养提供科学的依据。
4、数据处理与控制子系统。对数据采集系统收集到的数据进行筛选与挖掘，将有效数据通过远程传输到远程监控中心数据处理与控制服务器。
5、综合安全评估子系统。根据监测数据进行结构状态与损伤识别，并综合识别的结果以及人工巡检结果对桥梁结构的安全使用状况进行评估。包括结构评估识别子系统和结构安全控制辅助决策子系统。
6、中心数据库子系统。各子系统数据的支撑系统，完成数据的归档、查询、存储等工作。
7、用户界面子系统。将各种数据向用户展示，并且接受用户对系统的控制与输入。各子系统之间运行时的相互关系见下图。
系统安全的信息来源于两个主要途径，一是利用自动传感测试系统获得力学指标的监测结果，二是利用人工巡检获得损伤的直接监测结果。对于损伤信息，系统可以直接进行记录与简单的分析；对于力学监测指标则通过状态识别、损伤识别及无模型预警获得相关的信息。最后利用综合评估模块对以上损伤及状态信息进行综合评估从而获得直观、简洁、易懂、对养护管理具有现实指导意义的桥梁结构综合评估报告，具体框图如下。
四、传感器监测子系统
传感器模块的核心任务是获得环境荷载以及结构的响应、局部损伤等信息，主要将各类监测信号转换为电（光）信号作为监测评估的依据，为结构安全、高效、经济运营提供技术支持。
（一）监测内容及测点布置
桥梁的工作环境包括风力风向、环境温度湿度、车辆荷载等多方面的因素，这些因素对结构的影响都是直接且重要的。根据东莞大汾北水道特大桥的具体情况，主要监测内容包括：环境风、温度、湿度监测；结构几何状态，包括主拱肋线形监测、主梁线形监测及基础沉降监测；结构响应与损伤，包括应力监测及吊杆索力监测；动态特性与振动响应，包括结构的频率、振型和阻尼特性，振动响应监测；交通荷载源，包括超重、超限、超速车辆特征、运营车辆荷载的统计特性等。具体测点及监测项目详见下表。
大汾北水道特大桥监测项目及测点布置（单幅）
序号
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监测项目
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测点数
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测试方法
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测点位置
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1
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风力风向
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2
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通过风速仪进行自动监控
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主梁跨中、拱顶
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2
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结构温度
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8
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数字温度传感器
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拱脚，拱肋1/4、拱顶断面位置的钢管及管内混凝土各1个，主梁底跨中及1/4处各1个。
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3
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环境温湿度
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3
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通过温湿度仪进行自动监控
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主梁跨中和1/4处
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4
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拱肋变形
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6
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全站仪
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主跨拱顶、1/4、3/4处
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5
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主梁桥面线型
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10
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精密水准仪
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主跨1/4、跨中、3/4处
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6
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吊杆、系杆索力
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14
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磁通量传感器
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长、短吊索和系杆
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7
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动力特性
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16
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加速度传感器
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拱肋4分点、拱顶
主梁4分点、跨中
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8
|
应变测试
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40
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光纤光栅应变传感器监测
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拱脚，拱肋1/4、拱顶断面，主跨主梁1/4、跨中、3/4处
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9
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车辆监测
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3
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车流量监测仪(3车道)
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桥面
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（二）设备选型
设备选型直接影响到系统运行的可靠度、维护及工程造价。无疑设备选型是系统建设的重要环节。本系统设备选型遵循如下原则。
1、传感器
测试元件以及监测仪表的好坏从根本上决定了整个系统中自动化测试数据采集传输是否有效。由于国内外生产、销售可用于土木工程结构监测、监测设备很多，各厂家生产的传感器性能及价格千差万别，即便是同一类型的传感器，不同型号技术性能和价格亦不尽相同，因此在进行系统监测仪器的选择上宜以可靠、精确、耐久、简便、经济实用、自动化程度及可更换性等为原则。具体如下：
（1）选择合适的传感器精度，根据桥型及环境状况选择合适的传感器布设位置；
（2）传感器应能保证长期稳定工作，须选用国内外知名品牌以满足长期健康监测服务的需要，寿命要至少在10年以上；
（3）传感器应具有较适合的频响范围以满足指定时间的实时监测的需要，应能够较容易满足组网使用的要求，主要传感器尽量选用相同类型；
（4） 采用高质量数据传输线，以保障使用寿命及数据可靠性。
2、索力测试设备
对于桥梁索结构的索力监测，目前国内外尚无经过长期工程实践传感器，业界基本采用直接测力法、振动频率法和磁通量法。
（1）直接测力法，主要是指通过监测应变方式或采用油压方式直接获得索力，如直接安装在拉索锚头端的压力环式整体索力计、直接在拉索中布设光纤光栅传感器等，采用此方法测试精度高，但其仍处于研发阶段，其使用性能、耐久性和可靠性均没有得到工程的长期考验，而且其安装复杂，不可更换，因直接参与受力，对结构的安全性影响有待于长时间考证，尽管在大桥结构的监测系统中部分已使用，但是仍需慎重考虑。
（2）振动频率法，振动测试法是通过安装在斜拉索、吊索、主缆缆索上的速度传感器获得索自振频率，再利用索频率与索力的对应关系来计算索力。该设备容易受风及主梁自身振动的影响，分析算法和软件也不是很成熟，难以实现索力自动转换，无法编程做到频率法测试索力的实时性，仍需要人工寻找测试峰值，再利用结构计算频率与索力的对应关系。
（3）磁通量法，磁通量传感器的基本原理是：索结构是一种铁磁性材料，当它受外荷载其内应力发生变化时，引起其磁导率发生变化，通过测定磁导率变化来反映应力变化，进而测出索力，主要由磁通量传感器和磁弹仪两部分组成，磁弹仪可直接显示索力。该传感器具有精度高，分辨率高，温度补偿精确，长期稳定性好，坚固耐用，寿命长，可更换等优点，但造价较高。
（4）索力测试设备对比，应该说各种监测方法均在桥梁的监测中能够具有一席之地，但考虑到本项目是长期实时监测，应着重于采集设备的耐久性，所以对于索结构的测试设备宜采用磁通量传感器进行监测。
五、电子化人工巡检养护管理子系统
为弥补传感器监测子系统的不足，确保大桥安全、健康运营，同时节省工程造价，系统辅助定期电子化人工测量、检查。内容包括：桥面系、吊杆的防护、锚头、伸缩缝等局部构件，也包括主拱及桥面线型等。人工检测数据输入“数据分析和处理系统”，通过自动监测与人工巡检数据对比，对桥梁结构状况进行综合评估。
（一）桥面系构造的检查。
1．桥面铺装层纵、横坡是否顺适，有无严重的裂缝（龟裂、纵横裂缝）、坑槽、波浪、桥头跳车、防水层漏水。
2．伸缩缝是否有异常、破损、脱落、漏水，是否造成明显的跳车。
3．人行道构件、栏杆、护栏有无撞坏、断裂、错位、缺件、剥落、锈蚀等。
4．桥面排水是否顺畅，泄水管是否完好、畅通，桥头排水沟功能是否完好，锥坡有无冲蚀、塌陷。
（二）钢管混凝土拱肋的检查。
1．构件（特别是受压构件）是否扭曲变形、局部损伤。
2．焊缝边缘（热影响区）有无裂纹或脱开。
3．油漆层有无裂纹、起皮、脱落，构件有无锈蚀。
4．钢管与混凝土是否脱空，脱空的范围、长度如何，能否满足钢管与混凝土协同工作的要求等。
（三）系杆吊杆系统的检查。
1．检查系杆吊杆的空间位置，注意是否有异常变位。
2．检测吊杆振动频率、索力有无异常变化，索体振动频率观测应在多种典型气候下进行。
3．系杆吊杆索体的表面封闭、防护是否完好，有无破损老化，垫圈是否破损老化，减振装置是否损坏失效。
4．逐个检查系杆吊杆的锚具，锚具是否渗水、锈蚀或损坏，是否有锈水流出的痕迹，周围混凝土是否开裂。必要时可打开锚具后盖抽查锚杯内是否积水、潮湿、防锈油是否结块、乳化失效，锚杯是否锈蚀。
（四）支座的检查。
1．支座组件是否完好、清洁，有无断裂、错位、脱空。
2．活动支座是否灵活，实际位移量是否正常，固定支座的锚销是否完好。
3．支承垫石是否有裂缝。
（五）墩台与基础的检查。
1．墩台及基础有无滑动、倾斜、下沉或冻拔。
2．台背填土有无沉降或挤压隆起。
3．混凝土墩台及帽梁有无冻胀、风化、开裂、剥落、露筋等。
4．墩台顶面是否清洁，伸缩缝处是否漏水。
5．基础下是否发生不许可的冲刷或淘空现象，扩大基础的地基有无侵蚀。桩基顶段在水位涨落、干湿交替变化处有无冲刷磨损、颈缩，有无环状冻裂，是否受到污水、咸水或生物的腐蚀。
（六）拱肋、桥墩三维坐标定期监测
1．设立永久性观测点，定期进行控制检测。永久性观测点的编号、位置均应在竣工图上标明，桥梁主体结构维修、加固或改建前后，必须进行控制测量，以保持观测资料的连续性，若控制点有变动，应及时检测，建立基准数据。
2．桥梁永久性观测点的设置要牢固可靠，当永久控制测点与国家大地测量网联络有困难时，可建立相对独立的基准测量系统。永久性观测点和检测项目如下表：
检测项目
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观测点
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1
|
墩顶及桥面高程
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沿行车道两边，按边跨支点、跨中，主跨跨中、L/4、3L/4等，共16个点高程监测点
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2
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拱肋空间位置
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每根拱肋设3个观测点，跨中、L/4、3L/4，共12个点三维拱肋坐标监测点
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3
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伸缩缝相对变位
|
沿行车道两边布置观测点
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六、数据采集及远程传输子系统
数据采集及远程传输是整个监测系统的基础。传输网络将数据完整地传送到数据中心处理。桥梁健康监测系统能否对桥梁结构的健康状态作出正确的评估，能否为验证设计和桥梁管养提供科学的依据，取决于数据采集系统能否采集到准确、可靠、有代表性、如实反映结构状态的各种特征信息。基本原理如下：
1．布置在桥梁各测点的传感器采集桥梁结构的整体位移(使用GPS系统)、应力(动态采集使用电阻应变片及光纤应变传感器。静态采集使用振弦式应变计)、振动(使用加速度传感器)和环境参数(使用风速风向仪和温度计)等信号，并产生相应的电信号或光信号，通过导线传输至就近的外站。
2．各种信号调理器或读数仪将相应的传感器信号进行滤波、放大，调制成规范的信号(模拟或数字)送入外站工控机，即数据采集服务器(如是模拟信号需要进行A／D转换)。外站工控机数据采集软件实时采集这些传感器的监测数据，并保存在本地工作站。
3．通过TCP/IP网络将各外站的监测数据送人数据中心的计算机服务器。在中心监测系统计算机中进行分类预处理，并存入服务器数据库中。如有报警信息，将及时进行报警。
4．桥梁健康监测系统的监测与评估软件将存储在计算机服务器数据库中的数据，进行综合处理，使用直观的图形与动画显示，统计、分析与评估桥梁的结构参数，保证大桥的安全营运。
（一）数据采集
数据采集与传感器的输出信号和监测变量的特征有关，需要考虑的内容涉及：传感器输出信号特征、传感器输出信息量和传感器的空间分布。该子系统实现对多种信息源、不同物理信号的采集与预处理，并进行必要的分解、变换，然后传输到远程分析中心子系统。采用一个高性能32位嵌入式处理器Philips LPC2200来驱动A／D完成模数转换、控制采样频率、配置采集通道、接收采集到的数据并将数据存入缓冲区。采用集成了8019以太网控制器和TCP／IP协议栈的RCM3000来接收用户采集命令，通过以太网发送采集数据。
1．信号调理器
本系统采用了多种类型的传感器，这些传感器输出信号的种类也多种多样，从而大大增加了数据采集系统架构的难度和复杂性。本系统利用针对桥梁结构特点所研发的信号调理器能够很好地解决这个问题，采用输出一致的以太网信号调理器将各种不同的模拟或数字I/O信号调理成为统一的标准以太网信号。所研发的信号调理器共四类：应变信号调理器、加速度信号调理器、通用信号调理器、温度信号调理器。该四类信号调理器具有以下主要特点：
（1）调理器统一输出以太网信号，支持标准MODBUS TCP协议，UDP，TCP/IP，内置WEB Server，便于调试、管理、维护和升级；信号调理器采用16位高精度A/D转换器，对桥路和单端输入接入不同的电压基准，使调理器误差控制在0.1%以内；
（2）调理器内置高速缓存，可以存储多次采集的数据一次发送，从而解决网络延时情况下的采集同步性的问题。调理器中存储传感器标签数据，保存各个传感器的所有采样参数、标定参数及固定编号等信息；
（3）调理器接受POE网络供电，作为PD端的同时还可向传感器供电，符合IEEE 802.3af；MCU内置硬件看门狗，外接有效复位芯片，保证系统可靠运行；
（4）调理器内置光电隔离芯片，确保良好的抗强电冲击性能；可以通过在线编程接口对调理器进行软件升级、维护；
（5）信号调理器可在接受传感器模拟信号的同时接入数字温度传感器；可在桥梁恶劣环境下（工作温度范围：-20~75℃；工作湿度：5~95%无凝结；海洋盐雾环境等）高效、高可靠性地工作，内含防雷模块，能够有效抵御感应雷及电气浪涌的冲击。
（6）内嵌实时时钟，测量数据带时间标签，具备强大的模块间时钟同步功能，同步精度为微妙级，甚至亚微妙级，处于国际领先水平。主要性能指标详见下表。
加速度信号调理器的性能指标
类型
|
性能指标
|
加
速
度
信
号
调
理
器
|
有效分辨率
|
16位
|
通道数
|
1路单端输入
|
输入类型
|
单端电压
|
输入范围
|
±5V
|
采样速率
|
100采样点/秒
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零漂移
|
± 10 uV /℃
|
满量程漂移
|
± 20ppm/℃
|
精度
|
误差≤ ±0.1%
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动态信号处理
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动态范围为96dB以上，带通滤波等功能（截止频率范围为0.01Hz～50Hz）
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CMR@ 50/60Hz
|
100dB
|
NMR@ 50/60Hz
|
100dB
|
输出激励
|
±12V～±14V
|
通用信号调理器的性能指标
类型
|
性能指标
|
通
用
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