实桥监测方案(5)

此，可采用激光图像传感系统。

该系统是激光法与图像法的组合[45]。其原理如图2.31所示。激光器固定在被测结构上，从激光器发出的准直激光束照射在远处固定的半透射接收屏上形成一个圆形光斑。摄像机置于接收屏正后方不远处，根据光斑的直径大小和测量的范围要求，可适当调整接收屏至摄像机之间的距离，但两者之间的距离一般限制在5米以内。通过选择合适的镜头，根据成像公式，测量的精度能得到保证。当激光器发生位移时，照射在接收屏上的激光光斑也发生相应的位移，通过采集处理前后两次的图片，比较中心位置的变化，能获得被测结构的位移大小。

laseryTestedstructure?y?y'receiverCCD camera 图2.31 激光图像位移测量系统 Fig 2.31 Laser image displacement measuring system 该方法利用了激光光束良好的方向性，实现了对远点位移信息的传输。在接收端设置接收屏，远处激光器发出的光照在接收屏上形成光斑，然后再用成像法测量激光光斑在屏上的移动。接收屏的大小可以根据测量要求制作，扩大了原来激光法的量程，实现二维测量。接收屏和摄像机的距离很短且固定，解决了原成像法分辨力低和分辨力随着物距改变变化的问题，可以实现恒定分辨力的动态大量程二维位移测量。

2.5.4 墩顶位移的倾斜传感器

向家坡立交桥，是全国少有的墩高、坡陡、弯急的特殊结构。高耸的桥墩墩顶具有较大的位移，不能以邻近的桥墩作为测量基准。桥墩地基附近的地质松软、土壤随雨水冲刷、滑移严重，不可能在塔根部设置永久性测量基准。即使设置地面基准，也由于其敞露于旷野、易于受到人为破坏。任何需要在现场选取固定不变测量基准的方案都不适用，上述的两种监测位移的方法，都不适合于向家坡立交桥。

考察向家坡立交桥桥面的受力情况，当车辆行驶到桥面时，一边转弯、一边制动，同时存在转弯、制动两个动作。车辆转弯时给桥面施加一个沿桥面弧线法向的离心力，车辆制动时给桥面施加一个沿桥面弧线切向的制动力。这两个力传

递到桥墩上，使桥墩的墩顶产生沿桥面弧线法线和切向的两个位移分量。

假设桥墩为一匀质、等截面、根部固定的理想杆件，如图2.32和图2.33所示。当墩顶发生横向位移d时，在偏离铅垂线上产生倾斜角θ。将倾斜传感器分别安装在墩顶的法向和切向位置上，测量出墩顶法向和切向倾斜角的变化，从而可求出墩顶沿法向和切向的位移。

图2.32 倾角传感器原理图

Fig 2.32 Rotation sensor schematic diagram

??d倾斜传感器H

图2.33 顶端位移简化模型示意图

Fig 2.33 Simplified model diagram of pier top displacement

利用倾角传感器测量位移的方法，是通过测量测点前后产生的倾斜角变化，推导出倾斜角和位移的关系，从而计算获得测点的位移。这种方案将线位移的测量转换为角位移测量。该方法是利用绝对重力方向为参照方向，在具体实施时不需要另设基准，解决了现场无法选择测量基准的问题。因此非常适合于高墩桥墩顶位移的监测。

倾斜传感器全密封，不惧灰尘、水雾、阳光等环境影响，已有国外实际应用的先例，成功的把握性大。倾斜传感器有多种商用产品，挑选余地较大，成熟度高。通过比较，从液体摆式、振弦式以及力平衡式三种倾斜传感器中选择了能够长期工作于野外、接口简单、性能可靠的液体摆式，另购置了倾角传感器核心部件，按照实际监测要求进行了传感器的设计并进行了相应的温度补偿，并在实验

室进行了稳定性实验，解决了外界温度对测量精度影响的实际问题。

2.6 系统集群

2.6.1 总体要求

“桥梁安全远程智能集群监测系统”由马桑溪长江大桥监测子系统、高家花园嘉陵江大桥监测子系统、向家坡立交桥监测子系统，以及一个集群监测中心组成。三个监测子系统分别由各自的传感器系统以及本地计算机组成，三个监测子系统与集群监测中心之间，以局域网的方式组成集群监测网络。三座桥各自的传感器系统，在本地计算机的控制下，实时采集桥梁的状态参数，经各自的本地计算机预处理之后，将数据远程传输至集群监测中心，并在集群监测中心内对数据进行自动分析处理，从而完成安全评价与预警[38]。

远程传输现场采集、控制主梁应变主梁挠度主梁振动主缆拉力主塔侧移温湿度 图2.34 马桑溪大桥现场硬件系统总体示意 Fig 2.34 General indication of Masangxi Bridge hardware system 马桑溪长江大桥监测系统对其状态进行自动检测，其硬件系统包含主梁应变监测子系统、主梁挠度监测子系统、主塔塔顶位移监测子系统、拉索索力监测子系统、环境温湿度监测子系统等，还包含数据自动采集及控制子系统、数据远程传输子系统（如图2.34所示）。而其软件包含传感器子系统控制、数据采集与处理、数据库管理、数据双向传输等部分（如图2.35所示）。

系统软件传感器控制数据采集数据处理数据库远程传输 图2.35 现场软件系统总体示意 Fig 2.35 General indication of site software system 高家花园嘉陵江大桥监测系统对其状态进行自动监测，其硬件系统包含主梁

应变监测子系统、主梁挠度监测子系统、环境温湿度监测子系统等。还包含数据自动采集及控制子系统、数据远程传输子系统（如图2.36所示）。而其软件包含传感器子系统控制、数据采集与处理、数据库管理、数据双向传输等部分，与马桑溪大桥类似。

远程传输采集、控制主梁应变主梁挠度温湿度 图2.36 高家花园大桥硬件系统 Fig2.36 Hardware system of Gaojia Garden bridge 远程传输采集、控制墩顶侧移温度墩梁错位 2.37 向家坡立交桥硬件系统 Fig2.37 Hardware system of Xiangjiapo overpass 集群中心互联网向家坡马桑溪高家花园 图2.38 集群系统结构示意 Fig2.38 Structure indication of cluster system 向家坡立交桥监测系统的硬件系统，包含主墩侧移监测子系统、温度监测子系统、墩梁错位监测子系统等。还包含数据自动采集及控制子系统、数据远程传输子系统（如图2.37所示）。而其软件包含传感器子系统控制、数据采集与处理、数据库管理、数据双向传输等部分，与马桑溪大桥类似。

集群监测中心是将三座桥梁获取的监测数据汇集后，自动进行分析处理、集中计算（如图2.38所示），从而判断各桥的安全状态，并对可能发生的安全事故

进行预警。其硬件包含数据远程传输系统、中心主计算机系统、结果显示与报警系统；而软件则包含分析计算、安全评估、数据传输与数据库管理、系统管理、结果显示与预警预报。

集群中心远程监测系统，要有一个恰当的位置与建筑，由统一的主监控计算机工作站，对各桥的监测数据进行远程收集、集中分析，并统一显示结果，实现三座桥的集群监测。此外还通过统一的服务器，通过互联网、与外界进行通信，提供整个系统对外的访问服务，以能在集群中心以外的任意地点、通过互联网随时了解任一座桥梁、任一个参数的状态。另外还能根据需要、对各桥的现场子系统远程发送指令。为了为成果后续的推广、发展留出空间，集群系统必须具有通用性、先进性、开发性、可扩展性，并在主服务器与工作站中都留出足够的硬件、软件接口与空间，以利于扩展集群的规模。使之不仅适应于此三座桥，还可以在完全不改变系统硬件的条件下，根据具体情况增加所监测桥梁的数目（即扩大集群系统的容量），更具有在其他桥上推广、扩展的空间。

因此，集群中心的设计，应该满足以下的要求：

(1) 系统能够在远离桥梁的地方对多座不同桥梁的状态进行集中监测； (2) 系统能够在远离桥梁的任意地点随时了解、控制桥梁及监测系统的工作

状态；

(3) 系统能够对多种状态参量进行实时监测，能对动、静态参量进行选择性

测量；

(4) 桥梁的静态监测的数据采集周期可以根据实际情况进行设置； (5) 能够完整保留桥梁的历史数据，以作为健康评价的依据；

(6) 具有无人职守功能，能够作到市电停电时根据实际情况进行关闭系统处

理，来电时则系统自动启动；

(7) 具有相应的保护电路，防止过流、过压和雷击，确保系统能够正常工作； (8) 能够对用户的权限进行分配，不同权限的用户操作该系统的不同功能模

块；

(9) 能够按照用户的要求进行数据备份、报表生成以及相应的图形生成、显

示、打印等功能；

(10) 具有一定的先进性、可扩展性。

2.6.2 现场监测系统软硬件方案

根据上述方案。桥梁现场监测子系统具有图2.39所示的硬件结构。其中，现场计算机通过开关电路控制各传感器及读出设备的电源，在需要采集的时候打开电源，采集完成则关闭电源，这样可以极大地增加传感器及其读出设备的寿命。

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