２０１１年第２期 ＧｕａｎｇＤｏｎｇ ＧｏｎｇＬｕ Ｊｉ广东公路交通 ａｏＴｏｎｇ 总第１１６期 文章编号：１６７１—７６１９（２０１１）０２—０００１—０４ Ｇ３２５九江大桥斜拉桥健康监测系统 杨琪 ，黄建跃 （１．广东省佛开高速公路有限公司，广东佛山５２８０５１；２．广东省交通集团有限公司，广州５１０１０１） 摘要：介绍了Ｇ３２５广东九江大桥斜拉桥健康监测系统。该系统包括传感器子系统、信号采集与传输子系统、信 号处理与控制子系统、结构状态评估与维护管理子系统。给出了监测系统各类传感器实测的部分结果，与实际 情况对比表明，实测数据真实、有效，满足健康监测的要求。 关键词：健康监测系统；斜拉桥；状态评估 中图分类号：Ｕ４４６．２ 文献标识码：Ｂ ０ 引言 由于桥梁结构在国民经济和社会生活中具 有十分重要的作用，因此，保证桥梁结构的安全 运营已经成为桥梁工程界特别是桥梁管理部门 关注的主要问题之一。然而，相比桥梁设计理论 和建设技术的飞速发展，传统的桥梁测试技术相 对落后，为了保障桥梁的安全，桥梁的长期在线 健康监测技术逐渐发展起来 Ｊ。如重庆的大佛 寺长江大桥、广东的虎门大桥、上海的徐浦大桥、 江苏的江阴大桥和南京二桥、苏通大桥等 大型 桥梁先后开发了桥梁结构健康监测系统，为桥梁 健康监测系统的设计、实施以及监测系统的运营 维护、数据分析和应用等方面积累了宝贵的经验。 广东九江大桥是３２５国道上的一座大型桥梁， 图１广东九江大桥斜拉桥 位于广东省南海市九江镇与鹤山市杰洲之间，跨越 统、信号采集与传输子系统、数据处理与控制子 珠江水系西江主干流（图１）。桥梁全长１６７５．２ｍ， 系统、结构状态评估与安全运营管理子系统组 桥面宽１６ｍ，其中主跨为２×１６０ｍ独塔斜拉桥，采用 成［３ ］。本系统主要监测斜拉桥拉索、周围环 塔、梁、墩固结体系，桥塔为Ｈ形截面，塔高８０ｍ（自 境和主梁应力等项目。通过该系统，及时掌握 桥面起），梁身为单箱四室结构，梁高２．５ｍ，如图１ 结构的工作状态，对桥梁的运营状态、可靠性、 所示。桥梁设计荷载为汽一２０，挂一１００。该桥于 耐久性和承载能力进行评估，防止灾害事件的 １９８５年９月开工，１９８８年６月建成通车。 发生，为桥梁的维修、养护与管理决策提供依据 为了确保该桥梁的安全和畅通，评估结构的 和指导。 运营状态，及时发现结构的损伤，大桥于２００８年底 １．１传感器子系统 开始安装健康监测系统，２００９年上半年已经正式 九江大桥健康监测系统主要监测了拉索索 投入运行。本文将详细介绍该桥的健康监测系 力、主梁应力和空气温湿度，全桥共布置各类传感 统，并给出了部分实测数据。 器６８个，其中，穿 １５、＇式索力传感器３６个，可以监测 １ 健康监测系统设计 拉索索力和温度，应变计３０个、温湿度计２个。安 广东九江大桥健康监测系统由传感器子系 装位置如图２和图３所示。 作者简介：杨琪（１９６７．７一），男，高级工程师，博士，主要从事大跨度桥梁结构分析、高速公路建设管理和养护管理。 Ｅｍａｉｌ：１０５２３６４２５０＠ｑｑ．ｃｏｒｎ ・１・ ２０１１年第２期 广东公路交通 总第１１６期 堕／ ’ｌ 盅 ㈣ ， ｝ ｊ ｌ 图２九江大桥斜拉桥健康监测系统传感器布置图（１） 茎 应变截面 ＪＭ６．２ ＪＭ６－－３ ＪＭ６－４ Ｌ 口口Ｅ ≥ 应变截面５ ＪＭ５．１ ——一——— ＪＭ５．５ ＪＭ５－２ ＪＭ５．３ ＪＭ５－４ 三 三 应变截面 ＪＭ４－２ ＪＭ４—３ ＪＭ４—４ 三 三 应变截面 ＪｌＶＩ３．２ ＪＭ３－３ ＪＭ３—４ 三 应贼 ＪＭ２－２ ＪＭ２－３ ＪＭ２．４ Ｅ三 ∈三 应变截面 九江侧索力计位置图 湛江侧索力计位置图 应变传感器位置图 图３ 九江大桥斜拉桥健康监测系统传感器布置图（２） １．２信号采集与传输子系统 数据采集与传输子系统由信号调理模块和数 据采集与传输网络组成。各传感器匹配相应的信 号调理器，进行Ａ／Ｄ转换后，数字信号传输到数据 处理与控制服务器。九江大桥健康监测系统采用 ＪＭＺＸ一２５６型集成式自动化综合测试系统，传感 器采集的数据通过有线接人综合测试模块，全桥 共布置３２通道综合测试模块８个，ｌ６通道综合测 试模块４个，综合模块之间通讯采用４８５分布式网 络，全部信号采用ＧＰＲＳ手机发射模块无线传输至 佛开公司系统监控室。ＪＭＺＸ一２５６型自动化综合 测试系统是一种功能强大的分布式全自动静态网 图４ 自动化综合测试系统及其安装箱 络数据采集系统，由上位机、采集模块（ＭＣＵ）、系 １．３数据处理与控制子系统 统软件及相关配件组成，如图４所示。该系统采 数据处理与控制子系统对采集系统收集到的 用全密封设计，能够有效防水防潮、防雷击，提高 数据进行预处理、图形显示以及数据管理。其主 了系统的使用寿命。 要实现以下功能： ・２・ ２０１１年第２期 杨琪，黄建跃Ｇ３２５九江大桥斜拉桥健康监测系统 总第１１６期 （１）数据采集、传输的控制； （２）数据库的建立及相关功能的实现，包括数 据的存储、格式化、查询、可视化等工作； （３）数据优劣的评估与优良数据的抽取； （４）建立数据处理与控制的用户界面，响应 用户对已存数据的查询请求及采集数据的控制 请求； （５）自动进行数据存储与删除操作，保留分析 后的数据及部分重要的原始数据，定期删除不再 使用的数据。 数据处理与控制子模块总体构成如图５所示。 …… … ｊ 固 ：…蛭 圃ｌ ； ｌ 圈 重一一 图５数据处理与控制系统构成图 为了实现系统数据采集、处理功能，开发了九 江大桥健康监测系统专用软件。系统软件主要功 能模块包括：设备安装与管理、数据采集、数据管 理、数据查询、报表输出、图表输出、报警等功能。 该软件能最大限度地满足用户的使用要求，人机 交互、界面友好、提示信息多、易于操作。系统软 件结合了当前网络技术，实现无线通讯，可以实时 地、方便地采集数据，利于进行安全监测。软件主 界面如图６所示。 图６ 九江大桥健康监测系统软件界面 １．４结构状态评估子系统 状态评估子系统是桥梁结构健康监测系统的 核心。桥梁状态评估子系统的中心任务是将数据 采集系统获得的结构响应信息转化为反映结构安 全状态的信息，在此基础上对安全状态信息进行 综合评价，即可获得结构在特定时刻的安全程度 及其健康状况，为桥梁结构的运营及维护决策提 供科学依据。九江大桥健康监’？贝０系统实施了斜拉 桥拉索索力、主梁应力和温湿度的监测，安全评估 将以状态预警系统为主体，结合全桥荷载试验资 料，定期开展结构状态评估工作。状态评估的主 要内容有：斜拉桥拉索索力状态评估；主梁状态评 估；桥塔和其他部件状态评估。通过状态评估，实 现异常状态的及时预警，识别异常的位置。 本系统采用神经网络法进行结构状态评估， 并根据该方法，开发了结构状态评估软件。至今， 软件运行正常，达到了预定目标。 ２ 监测结果 广东九江大桥健康监测系统已于２００９年５月 调试安装成功，至今已经正常运行２年多，采集了 大量真实可靠的数据，为桥梁的特性和状态评估 研究提供了大量的数据。 ２．１ 拉索索力 该系统采用两类传感器进行索力监测：振弦 式索力传感器和液压式索力传感器。传感器安装 于拉索的锚固端，通过测量锚固端的压力实现拉 索索力的测量。振弦式索力传感器不仅可以、？贝４量 索力，还可以测量温度。 液压式 振弦式 图７索力传感器 图８为振弦式索力传感器实测的ＪＡ１４、ＺＣ１４ 号拉索的索力和温度曲线。从图中可知，拉索索 力变化与温度之间存在必然的联系，随温度的改 变而发生改变；由于上述两传感器分别位于桥塔 的两侧，光照条件各不相同，因此，实测温度存在 较大差异。实测结果与实际情况相符。 ． ・ ２０１１年第２期 广东公路交通 总第１１６期 图８振弦式索力传感器实测数据图（ＪＡ１４，ＺＣ１４索力和温度曲线） ２．２主梁应变 由于弦式应变计技术相对成熟，且已经被广 泛用于桥梁应变测量，因此，本桥采用一种弦式应 变计进行主梁应变测量，并且具有温度测量的功 能，如图９所示。 的应力和温度曲线。从图中可知，主梁应力变化 与温度之间存在必然的联系，随温度的改变而发 生改变；温度曲线较为吻合，与实际相符；应力差 异较大，这与应变计安装位置相关。实测结果与 实际情况相符。 图ｌＯ为弦式应变计实测的ＪＭ２—２、ＪＭ２—５ 图９弦式应变计及其安装图 图１０弦式应变计实测数据图（ＩＭ２—２，ＪＭ２—５应变和温度曲线） ・（下转第１０页） ４・ ２０１１年第２期 广东公路交通 总第１１６期 ［５］王军文，梁志广，李建中．部分预应力混凝土梁的 聚合物结构混凝土材料及其制备方法［Ｐ］．中国发明专利 应力和变形［Ｊ］．工程力学，２００２，１９（１０）：１０８—１１３ 申请号：２０１１１０００９５１８．８，２０１１．１ ［６］虞庐松，朱东生．部分斜拉桥塔梁固结点局部应 ［８］郑顺潮，黄培彦，郭馨艳．钢纤维聚合物高强混凝 力分析［Ｊ］．桥梁建设，２００８，（１）：５４—５７． 土疲劳性能的实验研究［Ｊ］．实验力学，２０１１，（１）：ｌ一７． ［７］黄培彦，郭馨艳，郑小红，郑顺潮，郭文瑛．钢纤维 （收稿日期：２０１１—０４—１０） Ｌａｒｇｅ——ｓｐａｎ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｒｉｎｄ ｆｒａｍｅ ｂｒｉｄｇｅ ｐｉｅｒ ｔｏｐ ｂｌｏｃｋ ｓｔｒｅｓｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｒａｃｋ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ＨＡＮ Ｐｉｎ—ｊｉａ ．ＺＨＥＮＧ Ｓｈｕｎ—ｃｈａｏ （１．ＧｕａｎｇＭｉｎｇ Ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．Ｆｏｓｈａｎ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｆｏｓｈａｎ ５２８５００； ２．Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６４０） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ｍａｋｉｎｇ ｕｓｅ ｏｆ ＭＩＤＡＳ ａｎｄ ＡＮＳＹＳ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｓｐａｃｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｒａｃｋ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｐｅｒ． ｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｐｉｅｒｓ ｔｏｐ ｂｌｏｃｋ（ｂｌｏｃｋ ０）ｏｆ ａ ｌａｒｇｅ ｍａｉｎ—ｓｐａｎ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｉｒｇｉｄ ｆｒａｍｅ ｂｒｉｄｇｅ ｉｎ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ｐｒｏｖｉｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｈａｓｅ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｐｈａｓｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｈａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｒｇｅｓｔ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｌｏａｄｓ，ｔｈｅ ｄｉａｐｈｒａｇｍ ｈｏｌｅ ａｔ ｈｔｅ ｔｏｐ ｏｆ ｍａｎｈｏｌｅ，ｔｈｅ ｄｉａｐｈｒａｇｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｂｏｔｔｏｍ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉａｐｈｒａｇｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｗｅｂ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ ｌｏｃａｌ ａｒｅａ ｈａｖｅ ａ ｇｒｅａｔｅｒ ｐｕｌｌ ｓｔｒｅｓｓ．Ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ Ｃ６０ ｃｏｎｃｒｅｔｅ． ｗｈｉｃｈ ｃａｎｎｏｔ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ０４ ｓｐｅｃｉｉｆｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｈｔｅ ｃｒａｃｋ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：山ｅ ｕｓｅ ｏｆ ｎｅｗ ｍａｔｅｒｉａｌｓ“ｓｔｕｒｃｔｕｒ－ ａｌ ｓｔｅｅｌ ｆｉｂｅｒ ｐｏｌｙｍｅｒ ｃｏｎｃｒｅｔｅ（ＳＦＰＳＣ）”ｃａｎ ｆｕｌｌｙ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｃｒａｃｋ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｒｉｇｉｄ ｆｒａｍｅ ｂｒｉｄｇｅ；ｐｉｅｒ ｔｏｐ ｂｌｏｃｋ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｃｒａｃｋ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ （上接第４页） ３ 结语 ［３］李惠，欧进萍．斜拉桥结构健康监测系统的设计与实 广东九江大桥健康监澳０系统涉及测量技术、计 现（Ｉ）：系统设计［Ｊ］．土木工程学报，２００６，３６（４）：３９—４４． 算机技术、通讯技术和土木工程等，通过系统集成 ［４］李惠，欧进萍．斜拉桥结构健康监测系统的设计与实 技术集成为一个协同工作的整体，实现了桥梁的静 现（Ⅱ）：系统实现［Ｊ］．土木工程学报，２００６，３９（４）：４５—５４． 力学、环境参数的实时在线监测。开发了九江大桥 ［５］黄方林，王学敏，陈政清，等．大型桥梁健康监测研 究进展［Ｊ］．中国铁道科学，２００５，２６（２）：１—６ 健康监测系统软件，其中包括应用神经网络技术的 ［５］赵玲，李爱群．基于神经网络技术的斜拉桥损伤分 状态评估软件，能够实时在线进行桥梁状态预警和 步识别方法［Ｊ］．公路交通科技，２００９，２６（９）：７０—７５． 识别桥梁损伤。 ［６］杨杰，李爱群，缪长青．ＢＰ神经网络在大跨斜拉桥 系统至今已经运营２年多，采集了大量的数 的斜拉索损伤识别中的应用［Ｊ］．土木工程学报，２００６，３９ 据，为研究桥梁结构在外界荷载，如温度荷载、汽车 （５）：７２—７７． 荷载等作用下的动静力特性，提供了可靠依据。 ［７］刘潇轶，李胡生．桥梁损伤预警系统的设计与实现 参考文献： ［Ｊ］．防灾减灾工程学报，２０１０，３０（增刊）：２３５—２３７． ［１］朱永，符欲梅，陈伟民，等．大佛寺长江大桥健康监 ［８］ＪＭＫｏ，ＺＧＳｕｎ，ＹＱＮｉ．Ｍｕｌｔｉ—ｓｔａｇｅｉｄｅｎｔｉｉｆｅａｔｉｏｎ 测系统［Ｊ］．土木工程学报，２００５，３８（１０）：６６—７１． ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｄａｍａｇｅ ｉｎ ｃａｂｌｅ ｓｔａｙｅｄ Ｋａｐ Ｓｈｕｉ Ｍｕｎ ［２］冯良平，李娜，张革军，等．中国长大跨桥梁结构安 Ｂｒｉｄｇｅ［Ｊ］．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ２４（２００２）８５７—８６８． 全监测系统研发现状及趋势［Ｊ］．公路，２００９，５：１７６—１８１． （收稿日期：２０１１—０３—２３） Ｈｅａｌｔｈ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｃａｂｌｅ—－ｓｔａｙｅｄ Ｂｒｉｄｇｅ ｏｆ Ｇ３２５ Ｊｉｕｊｉａｎｇ Ｂｒｉｄｇｅ ＹＡＮＧ Ｑｉ ，ＨＵＡＮＧ Ｊｉａｎ—ｙｕｅ （１．Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｆｏｋａｉ Ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｆｏｓｈａｎ ５２８０５１； ２．Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０１０１） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｈｅａｌｈｔ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｃａｂｌｅ—－ｓｔａｙｅｄ ｂｒｉｄｇｅ ｏｆ Ｊｉｕｊｉａｎｇ Ｂｒｉｄｇｅ ｏｆ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｇ３２５ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｈｉｇｈｗａｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ．ｓｉｇｎａｌ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｕｂ— ｓｙｓｔｅｍ，ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ，ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ａｎｄ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ．Ｖａｒｉｏｕｓ ｏｆ ｓｅｎｓｏｒｓ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｓｕｂｍｉｔｔｅｄ，ｗｈｅｎ ｂｅｉｎｇ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｈｔ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｉｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｓｈｏｗｎ ｈｔａｔ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｄａｔａ ｉｓ ｒｅａｌ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ，ａｎｄ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｈｅａｌｈｔ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｅａｌｈｔ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｃａｂｌｅ—ｓｔａｙｅｄ ｂｒｉｄｇｅ；ｓｔａｔｅ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ・】０・