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桥梁监测系统

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 一 项目概述

1.1 监测背景

大型桥梁的建设和维护是一个国家基础设施建设的重要部分,桥梁变形监测就是运用现代传感与通信技术.实时监测桥梁建设和运营阶段在各种环境条件下的结构响应与行为.获取反映结构状况和环境闪素的各种信息,由此分析结构健康状态、评估结构的町靠性.为桥梁的管理与维护决策提供科学依据。

1.2 桥梁概况

XXX大桥位于XX市境内XXX线K371+129m处,该桥(1×52+1×95+1×52)m连续刚构桥,桥梁全长210.00m,宽8.5m,下部结构中,桥台为重力式桥台,桥台基础采用桩基础,桥面铺装层为沥青混凝土柔性路面,护栏采用混凝土防撞护栏。

监测方案设计

2.1 任务目标

《公路桥涵养护规范》(JTG H11-2004)第三章第3.3.3条第2点规定“新建桥梁交付使用前,公路管理机构应事先要求桥梁建设单位在竣工时设置便于检测的永久性观测点。大桥、特大桥必须设置永久性观测点。”以及第1点“设立永久性观测点,定期进行控制检测。”桥梁永久性观测点测设的目的和作用在于:  

(1)通过对桥梁结构长彩票开奖结果的定期观测,掌握桥梁在混凝土收缩和徐变、营运荷载、温度变化、风雨、水流、地震及其它偶然荷载长期作用下,结构性能和工作状态的变化,以便及时发现桥梁病害;  

(2)了解和掌握桥梁结构实际工作状况,监视其变化规律和发展趋势,确保桥梁安全运营,为正确分析、评价、预测及治理工程等提供可靠资料和科学依据;   

(3)为桥梁建立健康档案,指导桥梁养护及维修,保证结构安全

2.2 目前常见的桥梁监测方法

桥梁变形观测的传统方法主要有两大类:一是常规的测量方法,它是最主要的变形测量方法;二是物理学传感器方法。随着科学技术的进步和测量仪器的发展,变形观测的方法也一直不断的前进。一系列新兴的方法和手段,例如GPS测量法、光学三维测量法等也逐渐在各种变形监测中得到了广泛应用。

常规的测量方法是指利用空间几何原理,通过光学或电子仪器(经纬仪、全站仪、水准仪等)测量角度和距离等来获取三维坐标的方位。

物理传感器方法主要是指在监测过程中广泛应用了测力计、应力应变计、加速度计、位移计、重量动态测量仪、锈蚀检测仪以及震动、温度、风力、压力、湿度、雨量等传感器。目前, 用于大型桥梁结构监测的仪器主要有经纬仪、 位移传感器 、加速度传感器和激光仪等。

2.2.1 常规测量方法:

全站仪法(经纬仪&水准仪法),通过自动扫描法对各个测点进行连续扫描,来进行桥梁监测。此方法受雾气影响较大。由于在宽阔的江面上,大风、大雾天气时常出现,即使在晴天,水汽蒸发产生的水雾也相当浓厚。当视距过远时,使用的望远镜很难照准观测目标。此外,由于是逐点扫描,所以各测点不同步,对桥梁大变形不可测、实时性也较差。而且全站仪实施高精度测量需架设棱镜,这在许多情况下难以实现,即使采用最先进的测量机器人的自动化变形监测,也只是以软件控制的机器自动观测代替人工操作以提高观测精度和自动化程度,但它同样需要安装棱镜,无法在瞬间完成多目标测量的任务。

GNSS监测法通过在桥梁附近设置基准站(稳固的不动点),在桥塔,桥杆或者桥面等处上设置固定的GPS监测点,以及在各变形监测点设置流动站测点。通过电台等传输装置发送至数据处理平台,通过平台进行解算,和数据变化分析,得出监测点坐标变化。和全站仪监测相比,GNSS监测基本不受到天气的限制,采集频率一般远高于自动全站仪采集,可以同时采集和处理整个工程中所有监测点的数据,即数据具有及时性,同步性。但是GNSS监测法其精度一般远低于全站仪监测,其建设成本也远高于使用全站仪监测。

2.2.2 物理传感器法

这种方法的优点是能获得观测对象内部的一些信息及高精度局部的相对变形信息,并且能实现长期连续的自动化观测,但这种方法只能监测桥梁的局部形变状态和相对形变情况,对于桥梁的整体性形变监测则显得无能无力。而实际研究表明,桥梁局部形变较大固然可能导致桥梁的破坏(这类破坏大多以局部破坏为主),但各类局部形变都不大并不意味着桥梁安全,因为各类较小形变的混合影响可能导致桥梁的大形变,而这种大形变恰恰是引起桥梁毁灭性破坏的根源。其代表仪器有:

位移传感器

    它是一种接触型传感器,通过对各点接触测量来获取桥梁变形信息。由于其对难接近的点无法测量,所以大型结构测量中很少使用。

加速度传感器

    加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。大量应用于桥梁的震动监测,可直接安装在试件表面上,但应保证传感器的敏感轴向与受力方向的一致性。安装接触面在平行度、平直度和低粗糙度的要求都较高,虽比位移传感器更有优势,但对于大型桥梁其适用性也不大,因其监测必须经过两次积分才能获得位移,且精度频位移测试不理想,而大跨悬索桥振动频率较低。

此外还有裂缝计应力应变计等等

2.2.3 新型监测方法

目前新型的桥梁检测方法主要有数字近景摄影测量法,三维激光扫描法,无人机摄影测量法等,这些新型监测方法存在着监测的连续性以及实时性方面的问题,以及精度不足上的局限。目前基本上都处在实验阶段,对大型桥梁项目力不足心。在上述所有监测方法实施时,都需要配合人员的巡查检视,这是必不可少的环节。

2.3 RocBrg桥梁自动化监测方法系统方案

陆通检测科技桥梁检测方案结合上述几种监测方法的优点,在桥梁需要检测的部位设置相应的采集设备(或传感器)采集其参数,通过RocBox采集盒子或者RocMIoT采集模块发送数据,RocMos平台进行集中分析处理,并同步上传至Roc-Cloud,根据数据情况,可以进行预警以及报表分析。既发挥不同设备的优点,扬长避短,考虑到经济问题,又满足上述检测方案设计的原则。

监测依据和方案设计原则

3.1 方案设计依据

(1)《公路桥涵养护规范》(JTG H11-2004);

(2)《工程测量规范》(GB50026-2007);

(3)《建筑变形测量规范》JGJ8-2007

(4)大桥设计文件等其它技术文件;

(5)《国家一、二等水准测量规范》GB12897-91

6)《城市测量规范》(CJJ 8-99)

(7)用以指导测设工作的其他相关规范。

3.2 方案设计原则

“全面、开放、规范、科学、实用和扩充”是奥腾陆通检测科技进行建设和开发监测系统的基本原则。

本着总体设计规划、分步实施的策略,在系统实施的每一阶段,我们都制定了相应的设计原则,以确保设计系统的先进、稳定和扩展。根据这一指导思想,我们提出以下系统设计原则,并配以具体的应用分析。

1、先进性

信息社会技术日新月异,只有采用当前成熟、先进的技术和设备才能保证系统有较长的生命周期,充分发挥系统效益。系统的规划与开发应采用国际上先进且成熟的技术和产品,最终成型系统应是具有良好体系结构的产品,能适应用户业务需求和行业技术的不断进步,在升级扩展中保持良好一致性和兼容性

2、实用性

系统设计应以方便实用为宗旨,应具有简单友好的用户界面、稳定可靠的运行性能以及灵活多样的系统组网方式,使系统能够顺利地投入运行,真正能为地铁监测发展起到积极促进作用。

3、安全性

系统在运行中一旦出现故障,将直接导致用户单位监测工作的紊乱,给用户带来一定经济和社会损失。因此在系统设计时,就应尽可能消除安全隐患,使用先进加密技术保障数据的安全、成熟操作系统、数据库产品和技术,制定合理的数据备份策略,建立完善的预警方案,以防止未能及时预警而带来的各种安全事故的发生。

4、兼容性

新系统建设应充分利用现有技术条件,确保新系统运行平台与第三方信息系统平台及多种传感器兼容,以利于各类信息系统的整合和为用户提供统一的使用界面。

5、扩展性

重视系统的灵活性、可扩充性和可移植性,以适应用户项目的调整和功能需求的逐步扩充,保证系统软件的可操作性和数据一致性。

监测方案

4.1 主要监测参数以及可选监测设备

根据目前桥梁设计施工和桥梁监测现状,目前主要的监测内容以及可选监测设备主要如下:

1 桥塔倾斜/沉降(gnss/测量机器人/倾斜仪)

2 桥墩沉降(gnss/测量机器人/静力水准)

3 桥面沉降(gnss/测量机器人/静力水准)

4 线性变形(gnss/测量机器人)

5 挠度位移(gnss/测量机器人/静力水准)

6 内部应力/应变(钢筋计/应力/应变计)

7 钢索受力(锚索计)

8 荷载(荷载计)

9 气象环境(气象站)

10 振动(加速度传感器)

11 动态应变(光纤应变计)

12 交通监测(视频监控系统)

13 裂缝(裂缝计)

4.2 监测点埋设示意图

在施工期监测时在桥梁内部埋设应变计健康监测使用表面应变计

在桥面也可布设静力水准仪来监测桥面的沉降变化以及挠度位移

在支座处埋设位移计监测支座位移

4.3 系统原理 

4.3.1 施工期监测项目一览表

桥梁施工期自动监测

监测内容

监测参数

监测方式

监测部位

环境监测

温度(环境温度,结构温度)

温度传感器,应变计等自带的温度传感器

结构附近或结构内部

风速

风速仪

结构空旷处

变形监测

沉降

GPS

智能全站仪

桥墩,桥塔等位置

挠度

GPS

智能全站仪

压差式变形测量传感器等

桥面

倾斜

盒式固定测斜仪

桥墩,桥塔等高耸结构

应力应变监测

混凝土结构内部应变

内埋式应变计

梁身,桥塔,桥墩,基桩等

混凝土表面应变

表面式应变计

梁身,桥塔,桥墩等

钢筋受力

钢筋计

桩基,混凝土主要结构部位

受力监测

拉索,吊杆预应力等索力

锚索计,磁通量等

锚固端

 

4.3.2 运行期监测项目一览表(健康监测)

桥梁运行期自动化监测

监测内容

监测参数

监测方式

部位

环境监测

温度(环境温度,结构温度)

温度传感器,应变计等自带的温度传感器

结构附近或结构内部

风速

风速仪

结构空旷处

湿度或者CL-含量

湿度计,CL-测试仪

结构附近

变形监测

沉降

GPS

智能全站仪

桥墩,桥塔等位置

挠度

GPS

智能全站仪

压差式变形测量传感器等

桥面

倾斜

盒式固定测斜仪

桥墩,桥塔等高耸结构

相对变形

位移计或者裂缝计

桥台,伸缩缝等位置

应力应变监测

混凝土表面应变

表面式应变计

梁身,桥塔,桥墩等

桥梁振动监测

桥梁固有频率,振动大小等

振动传感器,振动采集设备

桥塔,桥墩,桥身等

受力监测

拉索,吊杆预应力等索力

锚索计,磁通量等

拉索暴露部分

其他

材料参数

弹性模量等


裂缝

裂缝计

裂缝发生部位

4.3.3 系统原理

陆通检测科技桥梁自动化变形监测系统主要分为4个层级:

1 设备采集层

通过在桥墩,桥塔等位置上使用监测棱镜设置监测点,使用智能全站仪(MS05AXII)在桥外设置的基准点上监测桥梁的沉降,或者使用RocBox结合北斗OEM板卡和GNSS解算模块,将设备安装在桥塔上对桥梁的沉降。

通过在桥面埋设监测棱镜或者使用压差式变形测量传感器对桥面的挠度进行监测。

使用测斜仪安装在桥塔、桥墩位置处对桥梁的倾斜进行监测。

在桥台,伸缩缝处埋设位移计或者裂缝计对桥梁的相对变形进行监测。

使用锚索测力计对桥梁的索力等进行监测。

在梁身或桥体上使用振弦式应力应变计对桥梁混凝土的应力应变进行监测。

使用温度传感器或者应变计对桥梁的温度进行监测。

其他监测内容如上表所示。

2数据传输层

一般情况下,使用RocBox将智能全站仪,GNSS,岩土传感器采集的数据传输到控制中心。或者在桥梁规模很大,设备铺设困难的情况下,可以使用RocMIoT模块,直接接入岩土传感器,RocMIoT自带电源和数据传输功能,简化了设备的安装同时也降低可成本。

3平台处理层:

RocMos自动化监测系统在RocBox、RocMIoT的支撑下,实现对采集的数据进行分析处理,展示,预警等功能。

4预警层:

数据预警层主要是通过RocMos平台在紧急情况发生时,在控制中心通过声光电警报设备进行劲爆,或将预警信息发送至设定的邮箱,短信,微信,或者电话通知相关人员。相关人员也可以通过RocEye移动软件平台对数据进行远程访问。