李家沱大桥健康监测实施方案

1、重庆李家沱长江大桥 长期健康监测实施方案 重庆桥都桥梁技术有限公司重庆桥都桥梁技术有限公司 重庆交通大学重庆交通大学 重庆竣翔桥梁维护有限公司重庆竣翔桥梁维护有限公司 2011 年年 6 月月 目目 录录 一、项目概况及意义.1 1.1 工程概况 .1 1.2 混凝土斜拉桥常见病害及原因.1 1.3 李家沱长江大桥的运营现状.2 1.4 本桥健康监测意义及特殊要求.3 二、大桥健康监测系统总体设计.5 2.1 设计原则.5 2.2 系统功能总框架.6 2.3 系统硬件总框架.6 三、健康监测范围.7 四、监测项目及监测方法.8 4.1 桥梁位移变形监测.8 4.2 主梁、索塔控制截面应力监测.

2、16 4.3 温度监测.18 4.4 大桥结构动力特性监测.20 4.5 斜拉索索力监测.22 4.6 裂缝监测 .24 4.7 交通流量检测系统 .34 4.8 全桥传感器测点布设情况汇总.43 4.9 全桥传感器清单.44 五、数据采集、传输、处理和控制子系统.45 5.1 数据采集子系统.45 5.2 数据传输子系统.51 5.3 数据处理和控制子系统.52 六、辅助支持系统.55 6.1 外场机柜 .55 6.2 中心机房 .55 7.1 主梁竖向挠度监测仪sen-hor 光纤光栅静力水准仪的安装 .56 7.2 主梁纵向位移监测仪sen-d2 光纤光栅拉线式位移传感器的安装 .56

3、7.3 索塔位移监测仪光纤光栅倾斜计的安装 .57 7.4 主梁应力监测应变传感器表面安装式光纤光栅应变传感器的安装 .57 7.5 索塔应力监测应变传感器表面安装式光纤光栅应变传感器的安装 .57 7.6 主梁温度监测仪sen-t1 表面式光纤光栅温度传感器的安装 .58 7.7 索塔温度监测仪sen-t1 表面式光纤光栅温度传感器的安装 .58 7.8 大桥主梁结构动力特性监测仪sen-al 光纤光栅加速度计的安装 .58 7.9 大桥塔柱结构动力特性监测仪sen-al 光纤光栅加速度计的安装 .59 7.10 斜拉索索力监测仪jmzr-2901 型数字化传感器的安装 .59 7.11、车

4、辆检测系统及全天候远程数字化航道监控系统安装位置 .60 7.11、裂缝监测机敏网粘贴及中间处理器的安装 .60 八、系统软件的设计.63 8.1 数据采集管理系统.63 8.2 结构监测信息管理系统.64 8.3 数据库管理系统.65 九、数据分析及综合评估预警系统.66 9.1 安全评估预警总体方案 .66 9.2 系统静态层次分析法安全状态评估方案 .68 9.3 系统动态安全评估方案 .69 十、系统运行管理.71 10.1 系统管理.71 10.2 人员培训.71 十一、监测系统后期服务项目内容及费用.73 11.1 维护服务 .73 11.2 咨询服务 .73 11.3 现场服务

5、.73 11.4 售后服务费用 .74 十二、计划实施年限、经费概算与资金筹措.75 12.1 年度计划.75 12.2 组织机构及人员组成.75 12.3 经费概算.76 一、项目概况及意义一、项目概况及意义 1.11.1工程概况工程概况 重庆李家沱长江大桥位于重庆市西郊九龙坡地区，大桥南岸为李家沱工业 区，北岸为九龙坡区。主桥全长 1288m，跨径组合为：过渡孔(53m)+主孔 (169m+444m+169m)+过渡孔(53m)+南引桥(8x50m)，桥面宽度为 4 车道（中间 设置分隔带） ，宽 24m。 图图 1.1 重庆李家沱长江大桥全景重庆李家沱长江大桥全景 该桥结构体系为双塔双索

6、面预应力混凝土斜拉桥，塔、墩固结。主梁为纵 向悬浮体系，塔梁交叉处设置横向限位装置，在过渡孔与北台及南引桥结合处 设置大位移量伸缩缝。 主梁采用扁平的实心双主梁断面，主梁肋高 2.5m，宽 1.7m。横梁间距为 4.5m，设置横向预应力钢束。主梁在中跨的中间部分及边跨的部分区段设置有 纵向预应力钢束，采用 ovm 锚具及高强度低松弛钢绞线。主塔呈花瓶形，塔 全高 141.5m，塔身为矩形空心断面。拉索采用扇形双索面布置，梁上索距为 9m，在塔上采用不等距排列，索距 1.51.6m。每个索面中有 24 对斜拉索。锚 具采用 lm7 型冷铸锚锚具。 主桥两个主墩基础根据地形及地质条件并结合施工难易

7、程度作了不同的处 理。2#墩采用 2.63.2m 的变截面挖孔桩基础， 3#墩采用沉井基础。 该桥于 1991 年开始施工，1997 年建成通车。 1.21.2 混凝土斜拉桥常见病害及原因混凝土斜拉桥常见病害及原因 大量的文献资料显示,斜拉桥运营期病害与事故主要集中在斜拉索的锈蚀与 断丝、主梁和主塔的裂缝和变形等方面。 1.2.11.2.1拉索病害及原因拉索病害及原因 拉索是斜拉桥的重要组成部分,拉索病害通常主要分为三类:(1)拉索护套病 害(2)拉索钢丝病害 (3)斜拉索锚具的锈蚀。不少已建斜拉桥出现了上述斜拉索 的病害。 斜拉索病害的主要原因可以分为累积损伤和自然损伤。拉索的长期积累损 伤

8、主要是疲劳和腐蚀。对于自然损伤,主要是指偶发性事故如洪水、交通事故、 船撞击等不可预见的偶然事件导致的斜拉索损伤。 1.2.21.2.2主梁的裂缝病害及其主要原因主梁的裂缝病害及其主要原因 斜拉桥的主梁不仅承受弯矩,同时也承受斜拉索的水平分力,处于受组合力状 态,是斜拉桥上部结构的主要受力结构,主梁及桥面板在桥梁运营阶段出现最多的 病害就是主梁顶板、横隔梁及腹板出现裂缝。裂缝产生的原因很多,如荷载作用、 混凝土组成成分、温度变化、混凝土收缩和徐变、基础的不均匀沉降以及钢筋 的锈蚀等,而许多裂缝往往是几种不同因素联合作用的结果。 1.2.31.2.3索塔病害及其主要原因索塔病害及其主要原因 斜拉

9、桥的索塔是承受荷载的主要构件,索塔病害的主要表现为主塔偏位和混 凝土裂缝。 对于主塔偏位其主要原因有:斜拉桥的索塔是一种悬臂结构,每根索的索力都 会使索塔产生沿其水平方向的位移。许多水平作用经过相互消减,叠加后在塔柱 上反映出综合位移,其中以塔顶最为显著; 索塔混凝土普通裂缝的原因基本与上述主梁发生裂缝的原因相同。 索塔的疲劳损伤,其主要原因是车辆荷载作用、风力、温差等因素会造成索 力的变化。这些反复的、有周期的作用将会使混凝土斜拉桥的索塔出现疲劳损 伤, 导致索塔锚固区的混凝土过早出现裂纹、承载能力下降、使用寿命减少。 1.31.3 李家沱长江大桥的运营现状李家沱长江大桥的运营现状 1997

10、 年建成通车后，随着交通量的增长和运营时间的增多，逐渐发现在中 跨主梁和主塔斜拉索锚固区出现了大量裂缝。业主委托西南交通大学对全桥的 裂缝进行了普查及成因分析，得到以下结论： (1)主梁裂缝数量大，主要分布在主梁底面及其内侧面上，裂缝走向以沿桥 跨纵向为主。 (2)少数主梁节段梁底面的侧面上存在横向和竖向裂缝。从裂缝形态上看， 此类裂缝属于混凝土收缩裂缝。 (3)横隔板及顶板裂缝主要集中在梗肋部位，并沿梗肋向顶板延伸。 (4)个别锚箱之间存在的裂缝，基本上呈水平走向。 (5)主梁和桥塔混凝土裂缝为非结构性受力裂缝。 (6)既有裂缝不会影响桥梁目前的正常运营。 (7)考虑到梁体混凝土裂缝的数量、

11、宽度、深度等均较大，部分裂缝已经深 入到主筋以内，将会严重影响到桥梁的耐久性。 根据裂缝成因综合结论，当时对桥塔和主梁的裂缝进行整治，同时也对塔 柱上封锚砼进行整治，以达到封闭裂缝、防止裂缝进一步扩展的目的。 2008 年底进行的桥梁外观检查，反映出该桥目前主要缺陷有： 1）主塔塔柱砼外观共发现裂缝 20 条；多处由于钢筋锈蚀膨胀引起的砼脱 落；个别预埋钢板外露并有不同程度的锈蚀；约 80%的拉杆位置钢管头外露锈 蚀；塔柱外观涂装多处大面积开裂、起壳、脱落。 2）主桥车行道部分出现原修补处的沥青砼铺装层周边冒浆，沥青砼路面出 现网状裂缝及横、纵、斜向裂缝并同时有洞穴、坑函等现象，在主桥车行道

12、2 号墩边跨，3 号墩下游中跨处出现了穿透型裂缝和沥青砼脱落的现象。 3）主桥主梁底板部分出现了渗水和露筋，横系梁出现了斜裂缝，主引桥钢 护栏和立柱出现点状锈蚀，在交接处锈蚀严重，主梁底部已锈穿。伸缩缝锚固 混凝土开裂，出现裂缝现象。 4）拉索边中跨总索力差值最大变化至成桥索力值的 4.15（2墩 2008 年 6 月中跨下游） ，设计值的 8.06（3墩 2008 年 6 月中跨下游） 。 1.41.4 本桥健康监测意义及特殊要求本桥健康监测意义及特殊要求 李家沱长江大桥为大跨径双索面混凝土斜拉桥，投入运营时间较长，在多 种因素作用下出现了部分病害。为确保桥梁安全运营、延长桥梁使用寿命，同

13、时通过早期桥梁病害的发现能大大节约桥梁的维修费用，所以建设李家沱长江 大桥健康监测系统是非常必要的。 作为在既有桥梁上建立的健康监测系统，为制定适合本桥的健康监测方案， 采取以下具体措施： 1、结构静、动力分析计算：本桥自建成已运营多年，相比于桥梁的设计状 态而言，结构刚度、桥梁线形、拉索索力等方面均有所改变，因此，在对桥梁 进行理论计算分析时，应充分考虑到结构退化对计算模型、计算方法和计算结 果的影响，并据此提出合理的传感器布设方式； 2、结构应力监测：由于全部的传感器均为后安装方式，监测的数值多为相 对量的概念，虽然不影响对结构健康长期趋势的把握，但无法获得可以和设计 值直接比较的绝对值，

14、一定程度上影响了结构健康评估，为此，需建立结构健 康监测数据与施工监测数据、成桥试验数据的关系，使结构健康监测数据能在 一定程度上转换成绝对值； 3、主梁横隔板应力监测：本桥中跨主墩附近的主梁横隔板出现了竖向及斜 向裂缝，为确定造成裂缝的原因，研究混凝土徐变和剪力滞对横隔板受力的影 响，观察裂缝的发展趋势，指导桥梁管理养护工作，可在出现病害的横隔板处 布置应变传感器，建立横隔板的长期监测机制； 4、索力监测：根据索力长期健康监测的需要，需要对关键索布设索力传感 器进行实时监测，但在大桥长期运营过程中，可能存在其它拉索也出现索力变 化较大的病害，因此，监测系统应具有适应索力测点位置改变或索力测点

15、数量 增加的功能； 5、索力计算：由于李家沱长江大桥斜拉索使用阻尼器，会影响使用振动法 测得的绝对索力数据的准确性，为此，有必要专项分析成桥后的索力计算公式， 并需收集施工阶段、成桥试验、定期检测的索力数据，与以健康监测所测得的 索力数据做比对分析； 二、大桥健康监测系统总体设计二、大桥健康监测系统总体设计 2.12.1 设计原则设计原则 李家沱长江大桥健康监测系统是一个集结构分析计算、计算机技术、通信 技术、网络技术、传感器技术等高新技术于一体的综合系统工程。为使李家沱 长江大桥健康监测系统成为一个功能强大并能真正长期用于结构损伤和状态评 估，满足桥梁养护管理和运营的需要，同时又具经济效益的

16、结构健康监测系 统，遵循如下设计原则： 1）遵循总体设计，分步实施的指导思想； 2）遵循简洁、实用、性能可靠、经济合理的原则； 3）系统设置首先需满足李家沱长江大桥养护管理和运营的需要，立足实用 性原则第一，兼顾考虑科学试验和设计验证等方面因素。 4）根据结构易损性分析的结果及养护管理的需求进行监测点的布设。 5）易损性分析原则考虑以下方面： 不同类型的结构受力特点、构件的工作特征； 设计时不同类型结构的控制断面、控制点； 结构不同类型材料的材料特性、使用特性； 结构受外部环境及荷载影响后最易损伤部位； 基于既有同类型结构已发生的损伤部位； 目前阶段尚未有足够资料验证的关键部位。 6）监测与结

17、构安全性密切相关内容，主要监测一些有代表性的结构、必须 进行监测的重要结构以及日常养护无法检查或检查非常困难的结构响应。 7）从动力、静力、耐久性对结构进行监测，力求用最少的传感器和最少的 数据量完成工作； 8）以结构位移监测为主，以力、应力、模态分析为辅助。 9）系统应具有可扩展性。 2.22.2 系统功能总框架系统功能总框架 传感器系统数据采集子系统 信号微调 信号放大 信号过滤 模拟/数字转换 数据采集 数据采样 数据存档（编档） 数据预处理 采样控制 数据通讯 数据传输 控制信号接受 数据处理与控制系统 数据通讯 数据接收控制 信号发送 数据处理 数据预处理 数据而次处理 数据存储 数

18、据融合处理 数据显示 原始数据 处理后数据 桥梁变形状况 系统工作状态 各类资料及参数 在线评估 分级预警 工作状态评估 日常报表 离线评估 各分项监测内容 安全、耐久、使用性 综合评估 底 层 传 输 网 络 风 温度 应变 加速度 挠度 索力 倾斜仪 梁段位移 裂缝 上 层 传 输 网 络 结结构构健健康康监监测测系系统统总总体体框框架架 结结构构健健康康状状况况评评估估 局局域域网网 图图2.2 系统功能总框架图系统功能总框架图 2.32.3 系统硬件总框架系统硬件总框架 外场 机柜 配电 防雷 远程电 源监控 u p s 综合 布线 辅助支 持系统 李李家家沱沱长长江江大大桥桥 检测区

19、段桥梁结构 传感器 子系统 集线器 各类传感器 传感器调理采 集设备 调理采 集设备 数据采集子系统 专用传感器调 理采集设备 采集计算机（windows 操作系统） 结点交换机 箱梁内工作站机柜 检测区段桥梁结构 集线器 各类传感器 传感器调理采 集设备 调理采 集设备 专用传感器调 理采集设备 采集计算机（windows 操作系统） 结点交换机 箱梁内工作站机柜 数据传输子系统 综合监控数据传输主干网络 交换机及其他网络设备 监控终端 监控终端 数据接收，数据处理，数 据库服务器（windows 操作系统） 应用服 务器 综合监控 网络设备 监控中心局域网 监控终端 监控终端 intern

20、et 数据处 理与控 制子系 统 图图 2.3 系统硬件总框架图系统硬件总框架图 三、健康监测范围三、健康监测范围 监测范围的选取应遵循传感器实时监测的功能，监测内容能覆盖结构评估 的要求。根据以上原则，考虑到本桥建设过程中的特点并结合大桥近期实际运 营状况，本桥健康监测系统的监测范围如下： 表表 3.1 实时监测内容实时监测内容 序号实时监测内容监测目的 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况 2 变形实时位移掌握主梁挠度变形及主塔偏位实时情况 3 结构 温度 掌握大桥梁部、塔部主要结构断面的结构温度情况 4 环境大气温度掌握大桥塔内外的大气温度 5动力振动 掌握大桥

21、梁部、塔部结构实时振动响应，用以计算结构模态参 数 6 应变 掌握大桥动静荷载作用下的结构应力、应变情况，用以设置响 应预警阀值 7 梁端 位移 掌握大桥伸缩缝位置梁端实时位移 8 裂缝 裂缝发展掌握大桥塔柱、主梁裂缝发生发展情况 9 交通 流量 掌握通过大桥的车辆情况和超重车情况 10 航道 掌握桥位区域航道船只运行情况 四、四、监测项目及监测方法监测项目及监测方法 4.14.1 桥梁位移变形监测桥梁位移变形监测 桥梁位移变形监测是利用测量手段，对桥梁各控制断面的位移变形进行监 测，并绘编相应的位移变形影响线和影响面以检测各控制部位位移变形状态， 从而为总体评估大桥的承载能力、营运状态和耐久

22、能力提供依据。 4.1.14.1.1 主梁位移变形监测主梁位移变形监测 根据大桥的受力控制断面，主梁的变形测量主要选择了以下几个项目。 4.1.1.14.1.1.1主梁竖向挠度监测主梁竖向挠度监测 1)主梁竖向挠度变形观测：采用了基于连通管液位测量原理的静力水准仪， 沿重庆李家沱长江大桥的主梁两侧安装连通管，并在关键位置（主跨取 7 个测 量截面，分别为 1/8、2/8、3/8、4/8、5/8、6/8、7/8 截面,边跨各取 3 截面，分 别为 1/4、2/4、3/4 截面，共计 13 截面）引出支管，安装 28 个精密液位计（两 个不动点各 1 个，安装在主塔侧壁内与主梁同一高程处） 。液位

23、计布置情况见图 4.14.3 所示。 图图 4.1 主梁挠度监测液位计纵向布置图主梁挠度监测液位计纵向布置图 图图 4.2 主梁挠度监测液位计横断面布置图主梁挠度监测液位计横断面布置图 图图 4.3 主梁挠度监测液位计基点布置图主梁挠度监测液位计基点布置图 图图4.44.4 主梁测试断面、主梁测试断面、连通液位沉降连通液位沉降计及采集系统结构示意图计及采集系统结构示意图 静力水准仪是一种智能型位移传感器，由精密液位计（图 4.4） 、液位罐和 连通管组成。适用于建筑物多点沉降精密测量，适应长期监测和自动化测量。 液位计基点（主 塔侧壁内） 安装时将精密液位计设置在被测点，液位罐设置在不动点（水

24、平基点） ，并用连 通管连接。其原理是通过液位的变化测量被测点相对水平基点的沉降变形。温 度变化蒸发的因素引起的液位变化对基准和各个测点有相同的影响，可以通过 相减抵消，而挠度引起的液位变化对基准点和测点的影响不同，相减后则保留 下来，而这一系统测量不受温度和液体蒸发的影响。数据采集、计算、处理采 用 sen-hor 光纤光栅静力水准仪（图 4.5） ，该系统具有测试精度高，可远程 监测，组网能力强，自带温度补偿等优点，可与其他类型的光纤光栅传感器组 成全光监测网。 图图4.54.5 sen-horsen-hor光纤光栅静力水准仪光纤光栅静力水准仪 其仪器主要技术参数见下表： 表表 4.1 静

25、力水准仪参数表静力水准仪参数表 项目 参数 标准量程0-100 mm （注） 测量精度 1 f.s. 分 辨 率0.01mm（在与 sen-01 解调仪配套情况下） 波长范围 1525nm1565nm 尺 寸 90200mm 连接方式fc/pc 或熔接 外 封 装不锈钢外壳铠装引线 安装方式打孔或焊接安装 温度补偿形式自补偿 使用温度 -3085 （注）：为确保待测挠度不超出仪器测量量程，安装时在主跨 4/8 截面处选择更大量程的 静力水准仪。 2)仪器安装 （1）检查各测点顶面水平及高程是否符合设计要求。 （2）检查测点预埋件及安装仪器螺杆是否符合设计要求 （3）预先用水和蒸馏水冲洗仪器主体

26、容器及塑料连通管 （4）将仪器主体安装在测墩钢板上， 将水准器在主体顶盖表面垂直交替 放置，调节螺杆螺丝使仪器表面水平及高程满足要求。 （5）将仪器及连通管系统连接好，从仪器末端徐徐注入 s g 溶液，排除管 中所有气泡。连通管需有槽架保护。 静力水准管路安装完毕后，用专用的 芯屏蔽电缆与光纤焊熔，并进行绝缘 处理，注意光纤和尾纤的保护。 4.1.1.24.1.1.2主梁纵向位移监测主梁纵向位移监测 主梁纵向位移监测也是对大桥伸缩缝伸缩量的实时监测，是大桥健康监测 的一项重要内容。影响伸缩缝伸缩量的基本因素较多，首先温度变化是影响伸 缩量的主要因素，由于温度使桥梁内部温度分布不均匀会引起大跨径

27、桥梁端部 产生角变位。其次，活载、恒载等会使桥梁端部发生角变位，从而使伸缩装置 产生垂直、水平及角变位。本项目通过测量主桥主梁梁端与相邻引桥梁端上固 定点之间的距离变化来测定主梁纵向位移变化规律，梁端各设 2 个测点，共计 4 个测点，采用 sen-d2 光栅光纤拉线式位移传感器（图 4.6） ， 图图4.64.6 sen-d2sen-d2光纤光栅拉线式位移传感器光纤光栅拉线式位移传感器 其主要技术参数为： 表表 4.2 拉线式位移传感器参数表拉线式位移传感器参数表 项目参数 标准量程0 - 1 m 测量精度5 f.s. 分 辨 率1 mm（在与 sen-01 解调仪配套情况下） 波长范围15

28、25nm1565nm 尺 寸221.510330 mm 连接方式fc/pc 或 熔接 温度补偿形式自补偿 使用温度-3085 本桥主梁纵向位移测点及横断面布置如图 4.74.8 所示： 图图 4.74.7 主梁纵向位移监测位移传感器纵向布置图主梁纵向位移监测位移传感器纵向布置图 图图 4.84.8 主梁纵向位移监测位移传感器横断面布置图主梁纵向位移监测位移传感器横断面布置图 4.1.24.1.2 索塔位移监测索塔位移监测 索塔作为索支承桥梁的主要承重构件，其刚度远大于柔性的斜拉索和桥面 主梁。涉及索塔结构安全的主要问题有：塔身在强风、地震等荷载作用下的稳 定性；在纵向不平衡荷载作用下可能导致横

29、梁与塔身连接部的开裂；塔身混凝 土的徐变收缩导致斜拉索下垂和相应的索力变化。 4.1.2.14.1.2.1仪器选型仪器选型 主塔侧移监测：采用倾斜计进行测量。李家沱大桥跨度大，监控室离大桥 较远，传统传感器的信号无法传输，采用光纤传感器可以组成分布式传感网络， 用解调仪对传感器进行同步实时监测、分析。不同种类的光纤光栅传感器（如 应变、温度、位移、加速度等）可连接到同一台解调仪上进行实时的综合监测 与分析。因此采用 sen-tilt 光纤光栅倾斜计（图 4.9）对本桥主塔整体倾斜进 行实时监测。传感器底座通过焊接或打孔安装，此系统具有自动温度补偿功能。 光纤光栅倾斜计具有精度高、灵敏度高，自动

30、温度补偿，实时动态监测等优点， 并与其他类型的光纤光栅传感器组成全光监测网。 图图 4.94.9 倾斜计倾斜计 表表 4.3 光纤光栅倾斜计技术参数表光纤光栅倾斜计技术参数表 项目 参数 标准量程5 测量精度0.05 分 辨 率0.005（在与 sen-01 解调仪配套情况下） 波长范围 1525nm1565nm 尺 寸1133250 mm 连接方式fc/pc 或 熔接 温度补偿形式自补偿 使用温度-3085 4.1.2.24.1.2.2测点布置测点布置 重庆李家沱长江大桥上共需安装 8 套 sen-tilt 光纤光栅倾斜计，4 个塔 柱顶各安装 2 套，分别对主塔横桥向和纵桥向进行侧移监测。

31、布置情况见图 4.10。 图图4.10 主塔侧移监测倾斜计传感器布置图主塔侧移监测倾斜计传感器布置图 4.1.2.34.1.2.3安装方法安装方法 1）确定安装表面的安装位置和方向，根据传感器的尺寸大小在安装表面用 铅笔确定传感器底座的安装点； 2）用冲击钻在安装表面垂直打出这两个安装点，孔位的直径应略大于传感 器底座支杆的直径，施工时应注意预应力钢筋的位置，严禁切断此类钢筋，且 打孔后应以不低于原结构混凝土标号的砂浆进行封堵，所有传感器的定位应有 明显的永久性标记，以便后期更换时可找到以前的位置； 3）将两个传感器底座放入安装孔，确定底座与安装面为垂直关系后，将校 直棒装上底座并拧紧螺丝，注

32、意拧螺丝的时候两边对称，确保底座对校直棒只 产生平行于安装面的力，否则用冲击钻重新打安装孔； 4）用砂纸打磨安装表面，保证表面的光滑平整； 塔 顶 5）用酒精（丙酮）棉清洁安装面打磨表面的粉尘，更换酒精（丙酮）棉单 方向擦拭安装面和安装底座表面去污； 6）在安装面和安装底座表面涂上适量的环氧胶，在安装孔内可适量多涂胶； 7）将两个安装底座放入安装孔，并用力挤压，使底座下表面完全接触安装 表面，然后装上校直棒，拧紧螺丝，注意拧螺丝的时候两边对称，等待环氧胶 完全固化，允许的话可在上面加上重物使底座下表面更好地接触安装表面，但 是必须保证底座只受垂直与安装表面的压力； 8）胶完全固化后将校直棒取出

33、，小心将传感器放上底座，先拧紧一个底座 的螺丝， 然后再逐渐拧紧另一个底座的螺丝（两个螺丝一边拧一下，注意保持 受力对称） ，之后观察解调仪上传感器的波长变化，当加给传感器少许拉力或压 力，撤消时，传感器波长应能够及时回到中心波长，否则应拧松螺丝重新安装； 9）观察解调仪上传感器的中心波长值，并和传感器测试单上的原点值作对 照，如果二者不相符，调节传感器上的螺母使传感器的中心波长对应上测试单 上的原点值（传感器外侧螺母向内旋增大波长值，内侧螺母向外旋减小波长值， 并注意内侧螺母不得向内旋导致顶住中间的保护管螺母调节波长是通过螺 母的移动产生对螺母间的钢管产生的挤压力来达到拉长或者压缩光栅从而达

34、到 调节波长的目的，所以外侧螺母过度向外旋以及内侧螺母过度向内旋都没有实 际意义） ； 10）传感器的保护； 11）光纤和尾纤的保护。 其他光纤光栅传感器，如应变、温度、位移、加速度等在混凝土表面的安装 方式均与光纤光栅倾斜计相同，可按相同方法安装。 4.24.2 主梁、索塔控制截面应力监测主梁、索塔控制截面应力监测 4.2.14.2.1 主梁应力监测主梁应力监测 监测主梁应力的目的在于通过对主梁结构的控制部位和重点部位内力的监 测，研究主梁结构的内力分布、局部结构及连结处在各种载荷下的响应，为结 构损伤识别、疲劳损伤寿命评估和结构状态评估提供依据。 本桥应力监测截面包括两边跨和主跨的跨中截面

35、、主跨 1/4 截面和墩顶附 近的主梁截面共 7 个截面，实际安装时，可在该 7 个截面附近，结合以往应变 检测测点布置情况以及现场实际情况等因素适当位调整位置。每个截面上布置 6 个正应力监测点（5 个纵向布置，断面中心 1 个横向布置） 。同时，在主墩附 近的横隔板梗肋处增设纵向应变传感器 8 个，主跨跨中附近的横隔板跨中上下 缘分别增设横向应变传感器 2 个，全桥共计 52 个应力应变传感器，测点布置情 况如图 4.114.12 所示。 图图 4.11 主梁应力监测应变传感器纵向布置图主梁应力监测应变传感器纵向布置图 图图 4.12 主梁截面应力测点布置图主梁截面应力测点布置图 4.2.

36、24.2.2 索塔应力监测索塔应力监测 斜拉桥的索塔是承受荷载的主要构件,确保索塔结构的正常,是桥梁安全使用 的关键。车辆荷载作用、风力、温差等因素会造成索力的变化，同时不停变化 的索力对索锚固区的混凝土产生一种疲劳作用,导致索塔锚固区的混凝土过早出 现裂纹,为避免裂纹出现，掌握主塔受力情况，应对主塔关键截面进行应力监测。 结合李家沱长江大桥实际情况，在主塔关键应力截面即主梁附近的塔体截面 （距下横梁轴心 6 米处） ，每截面布置 4 个 sen-s1 表面安装式光纤光栅应变传 感器小计 16 个，塔身拉索锚固区顶部截面布置 sen-s1 表面安装式光纤光栅应 变传感器进行实时监测，每截面布置

37、 2 个应变传感器小计 8 个，主梁附近塔体 截面竖向布置测量主塔应力，拉索锚固区顶部截面纵向布置，全桥塔柱传感器 共计 24 个。其测点布置情况如图 4.13 所示。 图图4.13主塔应力监测应变传感器布置图主塔应力监测应变传感器布置图 4.2.34.2.3 系统主要配置系统主要配置 应变传感器sen-s1 表面安装式光纤光栅应变传感器（图 4.14） 。 sen-s1 表面安装式光纤光栅应变传感器主要用于测试主梁及主塔的应变， 可以进行长期监测。安装方法与光纤光栅倾斜计相同，可先将底座固定在混凝 土表面，然后通过螺母将传感器方便地固定在底座上，也可以采用焊接的方式 实现对主梁表面的非胶封装

38、工艺，与同类产品相比，具有精度高，灵敏度高， 寿命长等优点，可与其他类型的光纤光栅传感器组成全光监测网。 图图 4.144.14 sen-s1sen-s1 表面安装式光纤光栅应变传感器表面安装式光纤光栅应变传感器 表表 4.44.4 光纤光栅应变传感器技术参数表光纤光栅应变传感器技术参数表 项目 参数 标准量程 1500 测量精度 1 f.s. 分 辨 率0.1 （在与 sen-01 解调仪配套情况下） 波长范围 1525nm1565nm 尺 寸 12188 mm 连接方式fc/pc 或熔接 安装方式打孔安装或焊接 使用温度 -30120 4.34.3 温度监测温度监测 通过对桥梁温度场分布状

39、况的监测, 可为桥梁设计中温度影响的计算分析 提供原始依据，对不同温度状态下桥梁的工作状态变化,如桥梁变形、应力变化 等进行比较和定量分析。本健康监测系统中采用光纤光栅温度传感器, 构成单 线多点温度测量系统进行桥梁结构温度分布状况的监测。各温度传感器以并联 方式与网络节点连接, 通过网络总线实现与计算机进行通信,实现对温度的自动 远程监测。 4.3.14.3.1 主梁温度监测主梁温度监测 主梁截面温度分布测量的目的是为了梁体的温度场情况，并对温度应变传 感器得到的应变数据进行温度修正，由于同一高度处大气温度变化不大，故选 择边、中跨跨中三个断面布置，考虑主梁顶板测点温度基本相同，故只在腹板

40、底侧上、下游布置温度测点，每个截面布置 2 个，全桥主梁共布置 6 个温度测 点。测量元件采用 sen-t1 表面式光纤光栅温度传感器。其测点布置情况如图 4.154.16。 图图 4.15 主梁温度传感器纵向布置图主梁温度传感器纵向布置图 图图 4.16 主梁截面温度测点布置图主梁截面温度测点布置图 4.3.24.3.2 索塔温度监测索塔温度监测 索塔温度分布测量主要是指测量索塔在日照条件下，各塔壁的温度差异， 以便对索塔由塔壁温度差引起的索塔偏移有一个正确的估计，并了解塔体的温 度场情况，对应变传感器得到的应变数据进行温度修正，选择截面与主塔的应 变传感器布置截面相同。测量元件采用 sen

41、-t1 表面式光纤光栅温度传感器， 每截面布置 1 个测点，共 8 个温度传感器，测点布置情况如图 4.17。 图图 4.17 主塔截面温度测点布置图主塔截面温度测点布置图 4.3.34.3.3 系统主要配置系统主要配置 1温度传感器sen-t1 表面式光纤光栅温度传感器（如图 4.18 所示）： sen-t1 表面式光纤光栅温度传感器具有测温精度高、响应快、防护能力强 等优点，可与其他类型的光纤光栅传感器组成全光监测网，安装方式与光纤光 栅倾斜计相同。 图图 4.184.18 sen-t1sen-t1 表面式光纤光栅温度传感器表面式光纤光栅温度传感器 表表 4.54.5 光纤光栅温度传感器技

42、术参数表光纤光栅温度传感器技术参数表 项目 参数 标准量程-30 180 测量精度 0.5 分 辨 率0.01 （在与 sen-01 解调仪配套情况下） 波长范围 1525nm1565 nm 尺 寸 888 mm 连接方式fc/pc 或熔接 安装方式表面安装或直埋 使用温度 -30180 4.44.4 大桥结构动力特性监测大桥结构动力特性监测 桥梁动态性能的改变反映了桥梁刚度性能的改变，因而获取桥梁的动力特 性即获取了结构的“指纹” 。通过对主梁和索塔振动的监测，不仅可以识别大桥 结构的动态特性参数，还可以实现对主梁结构承受波动载荷历程的记录。振动 特性的监测可采用加速度传感器来实现，但在选择

43、传感器时要充分考虑传感器 的技术性能（频率范围、灵敏度、采样特性等） 。 经过比较，现选用 sen-al 光纤光栅加速度计（如图 4.19 所示） 。该类型 加速度计具有精度高、灵敏度高、抗干扰、寿命长等优点，可与其他类型的光 纤光栅传感器组成全光监测网，安装方式与光纤光栅倾斜计相同，主要用于大 桥、大坝、大型结构等低频振动监测。 图图 4.194.19 sen-alsen-al 光纤光栅加速度计光纤光栅加速度计 sen-al 光纤光栅加速度计主要技术指标： 表表 4.64.6 光纤光栅加速度计技术参数表光纤光栅加速度计技术参数表 项目 参数 标准量程 1 g 测量精度 1 f.s. 分 辨

44、率0.1 f.s.（在与 sen-01 解调仪配套情况下） 波长范围 1525nm1565nm 尺 寸 6556113 mm 连接形式fc/pc 或 熔接 温度补偿形式自补偿 使用温度-3085 本桥在主梁跨中、1/4 跨中、边跨跨中以及塔柱附近的主梁截面进行监测， 共布置了 4 个监测截面，其中塔柱附近的主梁截面纵向布置，中跨跨中纵、横、 竖向布置，其余截面横、竖向布置加速度传感器。竖向加速度传感器布置在截 面上下游主梁上，横向和纵向布置在主梁截面顶板跨中，主梁共计 11 个加速度 测点；2 个塔柱顶端各布置 2 个测点，其中纵、横向各 1 个，主塔共计 4 个加 速度测点。全桥共布置加速度

45、传感器 15 个。其测点布置如图 4.204.22 所示。 图图 4.20 主塔、主梁加速度计布置断面及测点图主塔、主梁加速度计布置断面及测点图 图图 4.21 主梁纵、横、竖向加速度计安装位置图主梁纵、横、竖向加速度计安装位置图 图图 4.224.22 主塔纵横向加速度安装位置图主塔纵横向加速度安装位置图 4.54.5 斜拉索索力监测斜拉索索力监测 4.5.14.5.1仪器选型仪器选型 拉索是斜拉桥的重要组成部分，根据索力长期健康监测的需要，需要对关 键索布设索力传感器进行实时监测，以便实时掌握拉索索力和大桥运营状况。 本项目采用振动频率法间接测量斜拉索索力，经过比较，选用长沙金码 jmzr

46、- 2901 型数字化传感器（图 4.23） ，并带有斜拉索温度测量功能。 图图 4.234.23 jmzr-2901jmzr-2901 型数字化传感器型数字化传感器 表表 4.74.7 jmzr-2901jmzr-2901 型数字化传感器技术参数表型数字化传感器技术参数表 项目名称技术参数 频率测量范围0.365hz 频率测量精度0.5%0.01hz 温度测量范围-55125 温度测量精度0.2 通讯接口485 数据传输距离1200 米 电源36v 交流电 4.5.24.5.2测点布置测点布置 根据李家沱大桥特点和当前桥梁状况测点选择在上下游边、中跨的最外侧 各两根边索以及 1/2 索面（边

47、跨 10 号索、中跨 12 号索）上，共计 24 个测点。 （如图 4.24 所示） 。 图图 4.24 索力测试布置图索力测试布置图 4.5.34.5.3安装方法安装方法 传感器布置在靠近主塔一端的拉锁上，用专用夹具紧固，由主塔内壁引出， 沿已敷设管线进入相应机柜。布线要求规范美观如图 4.25。 图图 4.25 索力计安装后图示索力计安装后图示 4.64.6裂缝监测裂缝监测 4.6.14.6.1测区布置测区布置 在两主索塔上分别安装两套神经脉络仿生裂缝监测系统。一号主索塔的神 经脉络仿生裂缝监测系统，主要在一号索塔上塔中塔结合部分的上游侧分三块 区域（a、b、c 区域）安装裂缝传感网（共

48、11 张） ，中塔下塔结合部分的下游 侧分三块区域（d、e、f 区域）安装裂缝传感网（共 18 张） ，这些传感器分别 对一号索塔的对应部分进行裂缝监测。二号索塔的神经脉络仿生裂缝监测系统， 主要在二号索塔上塔中塔结合部分的下游侧分三块区域（g、h、i 区域）安装 裂缝传感网（共 11 张） ，中塔下塔结合部分的上游侧分三块区域（j、k、l 区 域）安装裂缝传感网（共 18 张） ，这些传感器分别对二号索塔的对应部分进行 裂缝监测。主梁的神经脉络仿生裂缝检测系统，主要在两边边跨 1/4 处，主跨 跨中和主跨 1/4 处安装裂缝传感网，九龙坡方向的边跨 1/4 处(m 区域)安装 3 张裂缝传感

49、网，主跨两处的 1/4 处（n、p 区域）安装各 8 张裂缝传感网，主跨 跨中（o 区域）安装 10 张裂缝传感网，李家沱方向的边跨 1/4 处（q 区域）安 装 3 张裂缝传感网。实际安装时，对已有碳纤维布加固区域,原则上则不安装裂 缝监测机敏网，但是对于桥梁关键部位, 为监测关键部位裂缝的发生和发展， 在尽量不破坏整体结构的 前提下,先去掉部分碳纤维布再粘贴机敏网的粘贴。 其示意如图 4.26-4.27： 图图 4.264.26 李家沱长江大桥裂缝监测总体布置图李家沱长江大桥裂缝监测总体布置图 图图 4.274.27（a a） 李家沱长江大桥裂缝监测主塔断面布置图李家沱长江大桥裂缝监测主塔

50、断面布置图 表 4-8 主塔裂缝传感器布置数量、规格表 编号编号 a ab bc cd de ef fg gh hi ij jk kl l 规格（规格（cmcm） 400*30400*30400*30300*80300*80300*80400*30400*30400*30300*80300*80300*80 数量数量 344666344666 面积（面积（） 3.64.84.814.414.414.43.64.84.814.414.414.4 总面积（总面积（） 112.8 图图 4.27(b)4.27(b) 李家沱长江大桥裂缝监测主梁断面布置图李家沱长江大桥裂缝监测主梁断面布置图 表 4-9

51、 主梁裂缝传感器布置数量、规格表 编号编号 m mn no op pq q 规格（规格（cmcm） 300*80300*80300*30300*80300*80 数量数量 381083 面积（面积（） 14.414.47.214.414.4 总面积（总面积（） 64.8 4.6.24.6.2专用硬件设计专用硬件设计 设计原则：考虑到结构裂缝形态以竖向裂缝为主，塔柱外部宽度 640cm，内 部仅有不大于 300cm 的位置可用于粘贴机敏网，并且由于传感布过长不利 于粘贴，此外由于已经经过碳纤维加固，大部分表面被碳纤维布包覆。仅 有多个 30mm 宽横向观测缝被留出来观测裂缝发展情况，为此需设计专

52、门的 竖向裂缝监测机敏网拓扑，主要适用于竖向裂缝的发生与发展的监测。所 以塔内部的传感布规格设计为（长）400cm（宽）30cm、塔外部的传感布 规格设计为（长）300cm（宽）80cm。 考虑到李家沱大桥处于长江上，且裂缝发生位置主要处于上下游侧内外塔 柱，以中塔柱裂缝最多。这些位置易受外部阳光产生的紫外线、风吹雨打、 桥下河流产生的湿气及各种直接雷击和间接雷击影响。需针对各种可能发 生的问题设计相应防护措施。 对各个元器件均需根据原则设计，主要包含仿生机敏网，中间处理器，电 源，防雷器，下位机主控制台（工控, ups,防尘机柜,总线转换器等） ，上 位机(服务器)等设计。 4.6.2.14

53、.6.2.1仿生机敏网及中间处理器仿生机敏网及中间处理器 a、机敏网 针对性的设计机敏网拓扑结构及中间处理器相应软硬件，机敏网采用了三 种规格的材料，分别为（长）400cm（宽）30cm、 （长）300cm（宽） 80cm、 （长）300cm（宽）30cm。用以监测不同宽度的裂缝。组成机敏网的机 敏线漆包铜线构成，密度 8.89g/，20直流电阻率为 0.02740。 3 cm 图图 4.28 机敏网实物图机敏网实物图 b、中间处理器 1) 基本描述：与仿生机敏网一起对裂缝信息进行初步采样、存储和传送的嵌入 式现场处理器件。 图图 4.29 中间处理器实物图中间处理器实物图 2) 功能： 向机

54、敏网发送特殊的检测信号，通过转换、选通电路依次选取待测机敏网 上的机敏线，对机敏线的通断情况进行判断和处理，然后将采集得到的信号经 过预处理和短暂存储后，在主机轮询选择条件下通过 rs485 总线将数据远程传 送到主机。 3) 组成结构： 中间处理器主要由五大部分组成：微处理器，多路选择器，总线驱动器， 485 总线驱动器、防雷击器件和开关电源模块。 微处理器：中间处理器的核心，控制机敏网上每条特定机敏线的选通，以 及向机敏网发送特殊的检测信号，从而对机敏网的状态作出分析和处理，得到 结构物是否出现裂缝；控制 rs485 总线驱动器，接收并执行上位机传来的控制 命令，根据控制命令在一定条件下，

55、将采集到的机敏网状态信息发送给上位机。 多路选择器：将机敏网上每条机敏线传回的检测信号分割开，分别送往微 处理器进行处理。 总线驱动器：增加微处理器的驱动能力，使其能够驱动较多的机敏线。 485 总线驱动器：从上位机接收控制命令并根据命令将处理后的信息通过 rs485 总线送往工控机。 防雷击器件：通过高性能防雷击器件，防止雷雨天气产生的瞬间电涌对中 间处理器造成严重破坏，提高通信的可靠性。 开关电源模块：为中间处理器上的所有元器件提供稳定电源。 微处理器3态缓冲/驱动器 对多路选 择器进行 选通控制 发送检测 信号 机敏网 经过处理器 处理后的数 据信息 rs485 总线 工控机 经多路选择

56、 器选通 机敏网传 回的信号 图图 4.30 中间处理器系统组成框图中间处理器系统组成框图 4) 生产工艺： 为了保障在各种恶劣工作条件下的应用，兼顾产品小型化等要求，中间处 理器采用性能稳定优异的工业级芯片和军品级芯片构成，其中 95%以上的元器 件为表面粘贴元件，从而最大限度内减小了中间处理器的体积。 向专业厂家订制自主设计的专用双层电路板。生产时首先使用专用设备将 适量锡膏均匀覆盖于相应的焊盘上，将贴片元件固定于电路板的相应位置上， 再通过回流焊机使芯片完好地焊接在电路板上。最后用电烙铁将直插元件焊接 在电路板上。 焊接完成后的中间处理器，使用专业仪器进行综合测试，测试通过后对其 进行防

57、水保护。 4.6.2.24.6.2.2索塔上元件的防护措施索塔上元件的防护措施 雷击防护措施：中间处理器外部安装金属接地外壳和防雷器 紫外线防护措施：中间处理器涂敷环氧树脂，安装金属外壳 酸雨防护措施：中间处理器涂敷塑封，安装金属外壳，机敏网外涂敷环氧 树脂 温度防护措施：中间处理器涂敷环氧树脂，安装金属外壳 其它防护措施：安装 pvc 套盒保护线路 4.6.2.34.6.2.3下位机主控制台下位机主控制台 通过光纤实现远程 internet 网络通信，所有设备安装于防尘机柜内部，工 控机总体管理现场系统，ups 提供持续稳定供电，总线转换器将裂缝监测 rs485 信号总线转换成 rs232

58、总线信号送入工控机。 下位机主控制台安装于塔柱下横梁附近的外场机柜，总体实现现场预处理、 存储、管理、通信。 4.6.2.44.6.2.4供电系统供电系统 供电采用现场电力连接，为防止雷电产生的瞬间电涌对系统造成破坏，在 总电源和支路电源前均加有防雷器。 4.6.2.54.6.2.5上位机上位机 上位机位于李家沱长江大桥桥头管理处，根据需要配置性能稳定远程监测 服务器及固定 ip 网络，下位机采用光纤将数据传输到上位机。裂缝监测子系统 的上位机归属重庆市城投路桥管理公司管理。 4.6.34.6.3专用软件设计专用软件设计 软件系统原理: 1. 仿生机敏网裂缝监测器负责 24 小时监测仿生机敏网

59、的通断状态，一旦 裂缝产生，监测器会及时的将裂缝信息传输到位于桥头管理处的上位机中。 2. 上位机经过处理判断，确认该信息后，通过光纤传输数据及时将信息传 输回远程监测服务器中。 3. 监测服务器接收到数据后，自动对其进一步进行分析、处理，一旦确认 裂缝的产生后自动发出警报信号。 4.裂缝仿真系统对采集到的数据进行形象化显示，专家组利用仿真系统对 数据进行计算分析、病害会诊，做出相应的措施：如果结论是结构问题不大， 监测人员继续进行监控；如果结论是结构问题严重，将派相关专家及人员到现 场进行进一步的评估及建议采取相应的措施。 软件系统组成： 桥梁裂缝监测系统主要由现场采集、分析系统，inter

60、net 网络传输系统和远 程监控、仿真系统三大系统组成 现场采集系统主要由若干个机敏网裂缝控制器、网络通讯系统、工控机系 统、数据库系统、internet 数据发送系统组成，主要负责及时收集裂缝产生信 号，分析、处理数据以消除干扰数据和错误数据，数据的长期存储，数据的 internet 发送及远程命令的接收。 机敏网裂缝控制器：主要负责收集机敏网状态信息，过滤干扰信号，信息 传输。 流程（图 4.32）是： 1) 向上位机注册该控制器； 2) 收集机敏网状态信息 3) 分析信息，过滤其中的干扰信号 4) 将状态信息发送到上位机。 应用服务器 工控机 01 号传感监视器 02 号传感监视器 03