2022长大桥梁养护指南 第1部分：结构安全监测系统布设指南

长大桥梁养护指南第1PAGEPAGE11PAGEPAGE10长大桥梁养护指南第1部分：结构安全监测系统布设指南范围统、数据存储与处理子系统、数据预警与结构评估子系统的相关技术要求。本文件适用于长大桥梁的结构安全监测系统，对于其他桥梁结构安全监测系统亦可参照使用。规范性引用文件（包括所有的修改单适用于本文件。GB/T21296（所有部分）动态公路车辆自动衡GB/T50132 工程结构设计通用符号标准IEEE802.3信息技术系统间的通信和信息交换局域网和城域网特殊要求第3部分：载波检测多址存取采用冲突检测(CSMA/CD)的存取方法和物理层规范Ethernet(IEEEComputerSociety)术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1安全监测系统safetymonitoringsystem一种集传感、数据采集与传输、结构状态参数与损伤识别、性能评估与预测技术为一体的自动化、信息化监测系统，主要由传感器和采集仪器等硬件设备，以及数据分析和结构分析等软件系统构成。3.2长大桥梁longspanbridge总长1000m以上或单跨150m以上的桥梁。3.3环境参数 environmentalparameter桥梁所在区域的自然环境参数，如风速风向、温度、湿度和降雨量等。3.4损伤识别damageidentification利用结构的响应数据来分析结构物理参数的变化，进而识别结构的损伤的过程。总体设计一般规定系统应进行总体设计，宜与桥梁主体结构同步设计、同步施工、同步运行。系统应实现数据自动化采集和传输，并具备数据在线显示和预警功能。监测点宜布设在结构反应最不利处或已损伤处，并准确地反应结构的静、动力特性。监测内容应合理利用结构的对称性原则，对测点布设方案进行优化。系统设计应具有适度冗余，以确保其可靠性，并满足系统未来改进、扩充和升级的需要。系统布设前应编制施工组织设计文件，在实施过程中落实各项安全保障、环保要求和措施。现场设备安装及线缆布设工艺应符合下列规定：应采取措施避免线缆受接触不良、电磁干扰等，不影响传感器、采集设备及通讯设备的关键性能技术指标；应采取措施防锈蚀、防老化和防人为破坏，并做好防雷、防盗等安全措施；设备安装及线缆布设工艺应整洁规范，不影响桥梁外观；系统实施不应造成对桥梁结构及其附属设施的破坏，不影响其正常使用功能。系统架构B/S系统各功能模块之间应能相互独立，并通过系统集成为统一协调的整体。系统应能实现桥梁监测信息的归档、查询、存储、管理和评估等功能。监测内容一般规定桥梁安全监测系统所监测的内容可以分为下述两类：荷载与环境类：包括车辆荷载、地震、船舶撞击、风速风向、温度、湿度和降雨量等；结构响应类：包括振动、变形、位移、应变、裂缝、索力、腐蚀和疲劳等。监测内容1表1梁桥监测内容监测类别监测项目监测位置优先级布设时间应选可选施工期运营期荷载与环境类车辆荷载桥面√√地震墩顶承台【a】√√船舶撞击桥墩、主梁√√风速风向桥面√√温度大气环境√√桥面√√混凝土表面√√钢结构表面√√湿度大气环境√√梁内【b】√√降雨量桥面√√结构响应类振动桥墩、主梁√√变形主梁竖向√√表1（续）监测类别监测项目监测位置优先级布设时间应选可选施工期运营期结构响应类变形主梁横向√√墩顶√√位移梁端纵向√√支座√√应变主梁断面、体内或体外预应力筋√√裂缝混凝土结构表面√√腐蚀钢筋腐蚀√√疲劳钢箱梁√√注：a）b)对于钢桥或有除湿系统的桥梁，其优先级应提升为应选。2表2拱桥监测内容监测类别监测项目监测位置优先级布设时间应选可选施工期运营期荷载类车辆荷载桥面√√地震墩顶承台√√船舶撞击桥墩、主梁√√环境类风速风向桥面√√拱顶√√温度大气环境√√桥面√√拱圈√√混凝土表面√√钢结构表面√√湿度大气环境√√梁内√√降雨量桥面√√结构响应类振动桥墩、主梁√√拱顶√√变形主梁竖向√√主梁横向√√拱顶偏位√√拱脚移位√√墩顶√√位移梁端纵向√√支座√√表2（续）监测类别监测项目监测位置优先级布设时间应选可选施工期运营期结构响应类应变主梁断面√√主拱断面√√裂缝混凝土结构表面√√索力吊杆√√系杆√√腐蚀钢筋腐蚀√√疲劳钢箱梁√√3表3斜拉桥监测内容监测类别监测项目监测位置优先级布设时间应选可选施工期运营期荷载类车辆荷载桥面√√地震墩顶承台√√船舶撞击桥墩、主梁√√环境类风速风向桥面√√塔顶√√温度大气环境√√桥面√√混凝土表面√√钢结构表面√√湿度大气环境√√梁内√√塔内锚固区√√降雨量桥面√√结构响应类振动主梁√√桥墩√√变形主梁竖向√√主梁横向√√墩顶√√塔顶偏位/倾角√√位移梁端纵向√√支座√√应变主梁断面√√体内体外预应力筋√√裂缝混凝土结构表面√√索力斜拉索√√√腐蚀钢筋腐蚀√√疲劳斜拉索、钢箱梁√√4表4悬索桥监测内容监测类别监测项目监测位置优先级布设时间应选可选施工期运营期荷载类车辆荷载桥面√√地震墩顶承台√√船舶撞击桥墩、主梁√√环境类风速风向桥面√√塔顶√√温度大气环境√√桥面√√混凝土表面√√钢结构表面√√湿度大气环境√√梁内√√塔内锚固区√√锚锭及索鞍内√√降雨量桥面√√结构响应类振动主梁√√桥墩√√变形主梁竖向√√主梁横向√√墩顶√√主缆√√塔顶偏位/倾角√√位移梁端纵向√√锚碇√√支座√√应变主梁断面√√裂缝混凝土结构表面√√索力吊杆√√锚跨索股√√腐蚀钢筋腐蚀√√疲劳吊杆、钢箱梁√√传感器子系统设计应包括传感器选型及监测位置选择、传感器性能参数和传感器布设。环境数据、结构各类响应数据的获取。传感器分为埋入式和表贴式两类，其使用年限要求分别如下：埋入式：预埋于结构内部，传感器及其附属设施（含预埋安装件）的正常使用年限应不低于20表贴式：附着安装在结构表面，传感器及其附属设施（含表贴式安装所需预埋件、及必要的检修平台和通道）5传感器安装前应校准或标定，系统运维过程中也应定期标定或自校。传感器选型及测点选择根据桥梁位置及结构特点，传感器类型及监测位置按表5合理选择。表5传感器类型及测点选择监测项目传感器类型监测位置荷载类车辆荷载动态称重系统（压电薄膜传感器、石英晶体传感器等）主桥上下行路基段、引桥段地震加速度传感器桥墩底部、承台顶部船舶撞击加速度传感器、位移计、高清视频摄像系统桥墩、主梁底部环境类风速风向超声风速仪、机械式风速仪桥面、索塔塔顶、拱顶温度温度传感器大气环境、结构表面湿度湿度传感器大气环境、箱梁内、塔内锚固区、主缆、锚锭及索鞍内降雨量雨量计桥面结构响应类振动加速度传感器吊杆、斜拉索变形全球导航卫星系统（GNSS）、倾角仪、液压连通管系统、位移计主梁、墩顶、索塔塔顶、拱顶、拱脚、主缆位移位移传感器支座、伸缩缝、锚碇应变振弦式应变传感器、光纤光栅应变传感器、焊接式电阻应变传感器主梁截面、主拱截面、体内或体外预应力筋裂缝光纤光栅式裂缝计、振弦式裂缝计、导电涂料传感器混凝土结构表面索力加速度传感器、磁通量传感器、锚索计吊杆、斜拉索、主缆（锚室内散索鞍后单根索股）腐蚀腐蚀传感器钢结构、拉索、主缆及锚具疲劳应变传感器斜拉索、钢箱梁、吊索传感器性能参数要求传感器性能参数要求如表6。表6传感器参数要求性能参数要求量程传感器被测量参数宜处在整个量程的80％～90％之内，且最大工作状态点不能超过满量程。表6（续）性能参数要求采样频率应根据监测参数和传感器类型选择适当的采样频率，如在对结构加速度等动态反应监测时，传感器采样频率应为需监测到的结构最大频率的2倍以上，为了避免混频现象，采样频率宜为结构最大频率的3～4倍。线性度传感器应具有良好而稳定的线性度，在对结构位移及应变等反应进行监测时需要满足较高的线性度要求。灵敏度传感器应具有良好而稳定的灵敏度和信噪比。分辨率传感器应具有良好而稳定的分辨率，且不应低于所需监测参数的最小单位量级。迟滞传感器应具有满足监测要求且足够小的迟滞差值。重复性传感器应具有良好而稳定的重复性。漂移应严格控制传感器测量值的漂移，如漂移由温度等环境因素产生，应同时对环境因素进行监测。供电方式应根据实际情况和监测要求确定不同类型的供电形式，力求供电形式灵活。使用环境应根据结构实际的环境因素选择满足使用环境温度、湿度等要求的传感器。寿命应根据结构安全监测的时间或周期选择满足使用年限的传感器，并充分考虑置换方案和时间。荷载类监测传感器布设要求车辆荷载监测应符合下列规定：车辆荷载设备宜采用不停车方式，动态称重系统传感器的设备宜采用不停车方式，动态称重GB/T21296（所有部分）的相关规定；200％；天。地震监测应符合下列规定：地震监测宜采用强震动记录仪或三向加速度传感器监测；地震监测宜考虑地面运动的非一致性，在梁侧与桥墩底部各设一套传感器；对于连续长度大800m拉绳式位移计监测，测点宜选择易受船舶撞击的位置。环境类监测传感器布设要求风速风向监测应采用三向超声风速仪或机械式风速仪，且应符合下列规定：风速仪宜布设在桥面和塔顶，安装位置应使其能够监测自由场风速；处于台风区域的桥梁，宜选择三向超声风速仪；风速仪宜安装在专用钢结构支架上，支架应具有足够的刚度和强度，与桥体连接牢固，并满2m特殊条件下，风速仪可以安装在桥梁辅助构件上，但应避免结构对风速仪测试数据的影响。温度监测应符合下列规定：温度监测宜选择热电偶温度传感器、热电阻温度传感器和光纤光栅温度传感器，每种类型的选择应依据监测构件、部位的特殊性以及应变传感器的选型等情况再确定；温度传感器应布设在主梁跨中截面、桥塔、拱圈等关键构件，并根据截面温度梯度及结构体系整体升、降温和空间分布，通过有限元模拟或参考相关桥梁设计规范确定布设位置；温度传感器的布设位置应避免太阳直射和传感器直接受力部位；温度传感器的布设位置宜与施工监控、应变温度补偿传感器共享；温度传感器的监测精度不宜低于0.2℃，测量分辨率0.1℃。湿度监测应符合下列规定：湿度传感器宜选择毛发湿度计、干湿球湿度计、氯化锂湿度计、电阻电容湿度计、电解湿度计，也可选择其他可靠的湿度计；应考虑监测构件、部位的特殊性后综合选择，且应固定在结构构件内外表面；湿度传感器宜布设在结构内外湿度变化较大和对湿度敏感的构件内外部；对斜拉桥，宜在斜拉索的锚头、箱梁内外布设；对悬索桥，宜在箱梁内外布设；0-100％RH3％RH。降雨量监测应符合下列规定：降雨量监测可选用电容雨量计、红外散射式雨量计、单翻斗雨量计，应根据监测构件和部位具体情况和要求选定；雨量计的布设位置宜布设在桥面处。结构响应类监测传感器布设要求加速度传感器布设应符合下列规定：加速度监测传感器选型应符合下列要求：对于基频较低的长大桥梁结构振动监测，应选用低频动态频响较好的力平衡式或电容式加速度传感器；对于自振频率较高的中小跨度桥梁结构或斜拉索、吊杆、吊索等钢构件，宜选用力平衡式或电容式加速度传感器，亦可选用压电式加速度传感器；根据桥梁结构主要参与振动的振型，选择三向、双向或单向加速度传感器；加速度传感器应满足现场使用环境匹配性、耐久性和工作温度的要求。加速度传感器的布点设置应按照以下方法综合确定：桥梁结构振动加速度监测应依据桥梁结构动力计算结果，考虑振型的特点以及所需要监测的振型数量综合确定；测点传感器应布设在所测结构振型振幅最大和较大的部位，并应避开节点位置；采用需要识别振型为目标的测点最优布设方法；采用结构损伤识别与模型修正为目标的测点最优布设方法。加速度监测传感器性能应符合下列要求：0-100Hz，测量范围±2g，1％；0.2-1000Hz，测量范围±2g，1％。应变传感器布设应符合下列规定：应变计的选择应充分考虑测量结构在制作、养护、施工及服役阶段的环境条件。对于监测长期处于潮湿、易腐蚀及高电磁干扰的结构应变时，优先采用光纤光栅应变计；对于需要监测动荷载作用下的结构应变时，应采用电阻应变计及光纤光栅应变计；电阻应变计可按全桥或半桥方式制作。传感器的测量片和补偿片应选用同一规格同一批号的产品。需使用绝缘胶保护电阻应变计及裸露焊点；测点的连接应采用屏蔽电缆，导线的对地500MΩ以上；电缆屏蔽线应与被测物绝缘；测量和补偿所用连接电缆的长度和线径应相同；电阻应变计及其连接电缆均应有可靠的防潮绝缘防护措施；电阻应变片及电缆的系统绝缘电200MΩ；不同材质的电阻应变计应使用不同的粘贴剂。在选用电阻应变片、粘贴剂和导线时，应充分考虑监测对象在制作、养护和施工工程中的环境条件；振弦式应变计应按被测对象规格大小选择。仪器的可测频率范围应大于被测对象在最大加载1.2光纤光栅应变计的性能参数应遵循以下条件：光纤光栅进行退火处理，以保证其长期稳定性；3dB0.25nm；90％；15dB；0.25nm10mm；3nm；传感器中心波长不超过+/-0.5nm索力传感器布设应符合下列规定：传感器应牢固固定在拉索或吊杆上；传感器安装施工过程中应注意保护拉索或吊杆的防护套，以免造成防护套的损坏；不可避免造成防护套损坏的，应及时进行修复，修复后的防水防腐能力不低于原防护套；施工过程中发现拉索或吊杆的防护套与其内部的钢绞线或钢丝束不密贴、影响监测效果的，应及时联系系统设计单位进行相关变更设计。腐蚀监测传感器布设应符合下列规定：腐蚀监测传感器测定的电流和电位差应能判别钢筋混凝土的腐蚀进程；传感器安装应选择与桥梁结构钢筋及保护层匹配的方式。GNSS安装立柱高度应满足设计要求，且安装完成后，天线设备必须在避雷针的保护范围内；立柱安装应牢固可靠，垂直度满足验收技术要求；基准站场地应满足：15°以上的天空通视；靠8km；尽量靠近数据传输网络节点；10°以上的天空通视；接线时，应采取措施确保屏蔽线接地良好。应变计布设应符合下列规定：埋入式混凝土应变计安装应牢固可靠且避免与钢筋直接接触，应采取必要的防护措施以免混凝土浇筑振捣过程中传感器移位或损坏；埋入式钢筋应变计安装宜采用螺纹套筒等机械连接方式与钢筋连接；若采用焊接工艺，应采取降温措施避免高温损坏传感器和线缆；混凝土表贴式应变计安装宜采用化学螺栓稳妥地将传感器底座锚固在混凝土结构中，应变计保护盒及底座设计应方便电缆出线和固定；钢结构表贴式应变计安装宜采用先焊接固定底座，待降温后再安装传感器的方式，应变计保护盒及底座设计应方便电缆出线和固定；接线时，应保持屏蔽线接地良好；传感器防尘、防水保护措施符合设计要求。数据采集与传输子系统一般规定据同步采集与传输功能，以保证数据质量。件设备的耐久性和技术指标应满足国家相关规范、标准的要求。数据采集应包括数据采集硬件、软件设计和数据采集制度。UPS（不间断电源），以满足采集传输的供电稳定需求。数据采集制度的设计应包括数据采集模式、触发阈值、频次和采样频率的设定。数据传输硬件应能保证安全监测系统各部分之间的物理连接，提供足够传输宽带并留有冗余。数据传输软件应能保证监测数据在各子系统和相应的通讯协议之间的无障碍传输。数据采集布式、局部集中式的混合方式进行数据采集。与管理的接口兼容。电荷传感器的输出信号和长距离传输的模拟电压信号应选用电压放大器进行信号调理；动态信号应选用抗混滤波器进行滤波和去噪；标准应变片应选用桥路应变放大器；所有电信号应使用带有信号隔离功能的数据采集设备以消除自然干扰以及其他不明脉冲干扰；多个静态物理量可使用多路模拟开关进行采集实现多路巡回检测。定：荷载类：车辆荷载：触发采集；地震地面运动：50Hz；船撞加速度：50Hz；环境类：10Hz，1Hz；温度：101湿度：101降雨量：101结构响应类：50Hz；变形、位移：GNSS1Hz；10Hz；1Hz；1Hz；动应变：20Hz；静应变：1011Hz，50Hz101腐蚀：11相同监测内容，不同监测数据采集同步性，应满足如下规定：0.1ms；1ms。期进行外校准。以提高信噪比。环境中正常工作。集中式的数据采集设备与数据采集上位机应置于采集站内，数据采集站的位置应保证数据采集如超过该距离需设置多个数据采集站，多个数据采集站之间的数据采集应同步。根据实际情况需要，数据采集软件应满足以下要求：应具备传感器数据实时采集、自动存储、缓存管理、即时反馈、自动传输功能；通过标签数据库或本地配置文件进行信息读取的功能；应能对传感器输出信号与采集传输设备运行状况进行检测和识别；应能接受计算机传送监测参数调整的指令，并能进行相关的监测过程或监测数据处理参数的调整，并记录、备份相关的调整指令。的数据采集模式。数据采样应采取下列采集制度之一种或多种：3除上述情况外，荷载响应中的车辆荷载，环境监测中的温度、湿度、降雨量，结构响应中的7.2.3荷载响应中的船舶撞击加速度、地震地面运动、波浪，环境监测中的风速风向，结构响应中的加速度和动态位移、应变等变量，宜采用触发采样，触发阈值（绝对值）应根据桥型和桥梁受力特点确定；混合采样：混合采样模式为定时采集和触发采样的结合，物理量没有超过阈值时采用定时采样策略，超过阈值采用触发采样模式。根据桥梁环境、荷载及响应的不同需求用户自行定义并设定开发。数据传输数据通信应保证可靠、高效及传输质量。有线传输电信号应采用屏蔽电缆。有线传输方式应按下列规定进行设计布设：传感器输出为模拟信号，且传输距离较短，宜直接进行模拟信号传输；RS—485RS—422当传感器和数据采集设备支持时，宜采用工业以太网标准。无线传输可选用普通无线电波、微波、红外线和激光等方式。合的方式。数据传输软件应满足如下规定：在考虑传输数据一致性和完整性的条件下，应具备数据可以通过各种软件模块界面和对应的协议进行数据传输的功能，并满足系统开放性、可扩充性、实时数据无障碍传输的要求；数据传输宜以包为单位实施传输，传输软件应具备对数据进行分包处理和解包复原的功能；TCP/IP标准数据交换，应符合IEEE802.3的规定。性和可靠性。据的可靠性及完整性。16数据采集与传输子系统布设要求数据采集设备的安装施工应符合下列规定：连接件牢固可靠，设备安装后无倾斜、晃动等；线缆路由正确、绑扎牢固、端头连接规范，弯曲半径和预留长度符合设计要求及工程结构设GB/T50132设备标识清楚、完整，安装完成后应汇总提交完整的信道连接关系图表；当机柜上安装温控装置时，应考虑密封问题；机柜必须稳固，且良好接地；机柜内设备布局合理，走线美观，且强、弱电线缆尽可能分开；7表7数据采集单元施工质量技术要求序号检查项目技术要求检查方法1设备安装位置及分布的合理性符合设计要求长、宽用量具测量2机柜的防腐涂层厚度符合设计要求用量具或涂层测厚仪测量3绝缘电阻强电端子对机壳≥50MΩ500V兆欧表测量4安全接地电阻≤4Ω接地电阻测量仪5防雷接地电阻≤10Ω接地电阻测量仪6UPS安装与性能检测符合合同要求实际操作7工业控制计算机及采集卡检测工作正常，符合合同要求实际操作8调理期检测工作正常，符合合同要求实际操作9机柜空调工作正常，符合合同要求实际操作数据存储与处理子系统一般规定梁监测信息的归档、查询、存储、管理等功能。原则。应保证数据的共享性、数据结构的整体性、数据库系统与应用系统的统一性。数据处理应能纠正或剔除异常数据，提高数据质量。数据存储数据存储可采用本地存储或云技术存储，宜定期拷贝到移动存储上进行备份。数据存储软件应实现数据归档、生成报告、快速显示和高效存储等管理功能。3数据应专项存储。在限定时间段进行回放追溯。成为办公系统通用数据格式。8。表8数据库分类及功能序号分类功能1桥梁结构信息子数据库存储桥梁结构的设计