桥梁健康监测的目的和主要内容

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       一、监测目的

　　由于桥梁在运营期间会受到气候、氧化、腐蚀或老化等因素，及长期在恒载和活载的作用下遭受损坏，其强度和刚度会随时间的增加而降低，这不仅影响了安全行车，更会使该桥的使用寿命缩短。采用GNSS技术实时监测大桥的空间位移，确定大桥的变形状况、几何线形等，为研究索塔位移与环境变化(如温度、风等)的关系，为大桥结构健康与安全状况分析提供可靠数据支持。

　　监测方法要求： 采用GNSS自动化监测方法，要求解算采用实时动态与静态相结合方式，动态成果要求1秒监测一个成果，静态成果要求1小时一个成果与24小时一个监测成果，而且整个系统为数据自动传输、系统自动运行、报表自动生成;

　　监测精度要求：动态：平面中误差小于10MM，高程中误差小于15MM;1小时静态：平面中误差小于3MM,高程中误差小于5MM;24小时静态：平面中误差小于1.5MM，高程中误差小于2.5MM;

　　监测设备性能要求：采用BD2+GPS双模多频监测方式;

　　二、GNSS变形监测系统总体设计

　　1. 系统设计依据

　　GNSS变形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。本监测系统的作用是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，满足固体建筑物管理和运营的需要，同时又具经济效益的结构健康安全监控系统，遵循如下设计原则：

　　1) 遵循简洁、实用、性能可靠、经济合理的指导思想;

　　2) 系统设置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;

　　3) 各传感器的布置、安装要合理，力求用最少的传感器和最小的数据量完成工作;

　　4) 系统应具有可扩展性。

　　GNSS监测系统的技术设计及工程建造依据相关的国家标准和相关行业标准进行，本设计书中所引用的部分技术规范参见表1。

　　表1：

　　2. 系统设计原则

　　根据大桥的结构﹑工程规模、工程特点以及工程所在地的气象地质条件，结合国内外发展现状，其设计的总体构想是突出重点，兼顾全面，仪器布置力求少而精，使监测系统形成一个统一的整体。

　　⑴可靠性：为确保桥梁安全监测系统能真正发挥应有的作用，系统必须稳定可靠，系统所采集的数据必须准确，必须正确反映各建筑物及其基础在不同时期的变化情况，系统故障率低，发生故障时能及时排除。

　　⑵先进性：数据采集速度快，精度高，系统具备数据快速采集处理、管理和预报等功能。选用稳定可靠且先进的观测设备，实现自动化观测与数据处理。

　　⑶经济性：应尽可能力求功能好而成本低。

　　3. 系统工作的原理

　　由下图所示：GNSS变形监测系统中的每台GNSS接收机都同时输出GNSS的原始数据格式RT17，RT17包含了GNSS解算的所有必要的载波相位数据、星历等数据。通过光纤局域网络传到控制中心。控制中心根据每台GNSS接收机对应的IP地址，获得每个监测点的原始实时数据流，并进行统一解算。GNSS接收机的原始数据输出频率可以达到10HZ，实现桥梁的高频动态三维变形监测。

　　控制中心示意图：

　　根据上图，数据通讯和接收机控制方案：

　　Ø 数据通讯：所有数据直接通过RJ45接口接入计算机，采用CDMoniter软件实现经过卡尔曼滤波的载波相位三差解的解算模式，即各站(包括参考站和检测站)的原始数据以RT17的格式发送到控制中心，然后控制中心的软件就可以实现对数据的处理，并自动生成相应的图形和表格数据。

　　Ø 系统具有防死机功能，一旦某个监测站出现死机现象，软件马上会通过数据信号触发的方式实现接收机自动重启。

　　4. 监测系统组成

　　该变形监测系统由GNSS采集子系统(包括基准站、监测站)、数据传输通讯子系统、数据处理分析子系统、辅助支持子系统(如供电、防雷等)。

　　4.1 GNSS参考点及监测点的布设

　　(1) 基准点布设

　　关于某跨河大桥GNSS实时变形监测系统的参考站选址由设计方根据实际情况指定，参考站数量为两个。目前初步设定在大桥桥址附近，具体位置需实地信号测定后确认，但是参考站位置条件必须满足下面条件：

　　1) 场地稳固，最好建在稳定的基岩上或不低于40米钻孔桩;

　　2) 视野开阔，视场内障碍物的高度不宜超过15°，但距离监测点不易太远，距离越近效果越好，同时参考点与监测点尽量在一条直线上;

　　3) 远离大功率无线电发射源(如电视台，电台，微波站等)，其距离不小 于200m，远离高压输电线和微波无线电传送通道，其距离不得小于50m

　　4) 尽量靠近数据传输网络;

　　5) 观测标志应远离震动源(铁路、公路等)。

　　钢筋砼观测墩设计和施工方案

　　a)钢筋混凝土观测墩尺寸设计应做到美观实用。建议长、宽为400mm，高度根据周围环境设计，一般在1.5~2m之间。

　　b)采用现浇混凝土施工工艺，混凝土强度等级推荐C30。因为混凝土用量很少，可以采用现场人工拌合，但现场必须配有合格的称量器具,严格按照设计配合比下料。

　　c)观测墩的配筋可以参考附图中的配筋图。钢筋采用钢筋混凝土用热轧带肋钢筋HRB335。钢筋保护层厚度不小于30mm。钢筋的加工、连接及安装应按照《混凝土结构工程施工质量验收规范》标准严格施工。

　　d)观测墩应刷涂料，做到美观耐用。

　　e)如果同轴电缆从观测墩内部布线，浇筑前要预埋直径不小于25mm的PVC管。亦可后期在观测墩外部加装钢管进行布线。

　　f)为了防雨淋、日晒，防风，延长天线使用寿命，双频天线的保护罩采用司南生产的全封闭式GNSS专用天线罩。

　　g)观测墩应安装强制对中标志，并严格整平。

　　h)双频天线的保护罩要采用全封闭式(如下图2)，以起到防水、防风等效果，同时天线罩的衰竭率不大于1%。

　　GNSS天线观测墩安装实例1和2

　　4)混凝土施工要求

　　a)材料要求：普通硅酸盐水泥，强度等级P.O 42.5;5～40mm级配良好的石子，中砂，水须宜采用饮用水，不得使用海水。

　　考虑到耐久性要求，混凝土按C30强度设计，根据以往施工经验，推荐以下配合比：

　　表一 每立方米混凝土材料参考用量表

　　注：上述配合比是根据以往施工经验编写的，仅供参考。

　　b)模板的接缝不应漏浆，浇筑前要清理模板内侧杂物并刷隔离剂，采用木模时应浇水湿润。拆模时间可根据气温和外加剂性能决定，一般条件下，平均气温在0℃以上时，拆模时间不得少于12h;气温在0℃以下时，必须加入防冻剂，拆模时间不得少于24h。

　　参考站观测墩的验收标准

　　观测墩属于混凝土结构工程，其外观和质量验收标准可以参照《混凝土结构工程施工质量验收规范》，并应参照《工程测量规范》、《城市测量规范》等其他验收标准。我们拟按照以下标准验收：

　　a)测墩外观平整、美观，有20度以上高度角的开阔天空;

　　b)观测墩尽量垂直，严格说倾斜应小于8分。顶部要预埋的强制对中器。

　　c)预埋、铺设的PVC管应保证通畅、不变形。

　　d)观测墩距高压线、发射台等电磁干扰源的距离满足《工程测量规范》、《城市测量规范》等技术规范的要求;

　　e)天线罩安装平整、稳固，能够防风、防雨雪、防盐雾，且不增加信号的延迟。

　　(2) 监测点布设

　　本系统，根据设计要求，在整个跨河大桥上主要结构点上布置监测点，而监测设备与被监测物体固定为一个整体，我们初步采用钢管支架的方式;

　　监测点采用立柱式安置方案

　　1) 考虑桥面通车及人行道人流量，桥面监测点立柱建议设计高度为4米;

　　2) 立柱顶部安装天线罩的位置所用材料应做好防腐处理，同时预留通线孔和固定天线罩孔;

　　3) 立柱的材料要有刚性，以尽量减小风、桥梁自振引起的立柱振动幅度等。

　　桥面监测点立杆概略图(如下图所示)，根据设计要求，桥面的立杆长度是4m，塔顶立杆长度为1.5m，但立杆的设计必须要考虑GNSS天线电缆走线的方便。

　　4.2数据通讯网络子系统

　　根据现场条件，由于其没有监控中心，而且最近的驻地距离此处也有40公里，所以本系统数据通讯网络采用3G无线的通讯方式，即现场每台接收机与3G无线模块连接，而在控制中心设置固定IP地址，3G无线模块实时发送GNSS原始观测值到固定IP地址并传输给数据处理软件CDMonitor。

　　4.3数据处理分析子系统

　　本系统，数据处理分析子系统包括计算机服务器、固定IP地址以及实时数据处理分析软件，实时数据处理软件安装在服务器上，实时对监测数据处理分析，详细见CDMonitor软件介绍。

　　4.4辅助支持系统子系统

　　(1) 供电系统

　　由于本监测区域不具备交流电供电能力，所以本系统选择太阳能与蓄电池供电方式，根据所供电设备的功耗，每个监测点选择100瓦单晶硅太阳能电池板，150AH的蓄电池，可保证连续20个阴雨天连续正常工作，安装参见下图所示：

　　太阳能电池板安装示意图

　　(2) 外场机柜

　　由于本系统都在野外，为了对各监测设备做到有效保护，我们在每个监测点设置保护机柜，内部主要设备为GNSS接收机、3G通讯模块(天线需接到外部)、太阳能控制器。

　　外场机柜安装示意图

　　(3) 雷电防护系统

　　雷电由于瞬间可以产生高电压电磁脉冲，对没有相应保护措施的电缆(如：同轴电缆，天线，数据通讯电缆，电源电缆等)会产生强烈的毁坏作用，最终导致损坏所连接的电子设备。而电涌是微秒量级的异常大电流脉冲，产生瞬间过压会完全破坏高集成度的半导体元器件，或大大缩短使用寿命。所以GNSS实时变形监测系统各GNSS站点必须安装防雷电系统，以保证设备的安全运行。

　　a) 直击雷防护

　　对于本GNSS监测系统，基准站和桥面监测点需要架设独立提前放电避雷针，南北塔可以利用大桥现有直接雷防护系统。安装避雷针要求避雷针与天线横向距离不小于3m，避雷针高度按照“滚球法”确定，粗略计算可以按照45度角考虑。同时做好接地网。

　　直击雷预防示意图

　　b) 电涌防护

　　监测站内设备必须加装电力线电涌防护设备，通信线(数据线)电涌防护设备、射频线电涌防护设备

　　u 在电源进入GNSS之前安装电源单项避雷器;

　　u GNSS天线进入主机前，加装电涌防护设备;

　　                          电力线电涌防护设备                                                                                         射频线避雷装置

　　注：不论是电源避雷还是馈线避雷，避雷器必须接地良好，接地电阻不得大于4欧姆，但是二者可以是同一个地。

　　4.5主要设备选型

　　(1) GNSS接收机—M300C

　　(2) 大地测量型天线AT300

　　(3) CDMonitor软件

　　(4) GNSS天线罩

　　1. 产品特性：

　　n 防酸、防盐雾、防紫外线、耐冲击。

　　n 防腐,抗老化性能佳,寿命长。

　　n 电绝缘性佳,透波性强。

　　n 在高温,低寒等恶劣环境中使用性能更加突出。

　　n 外型美观、高档。

　　n 大大提高了天线的优良物理特性。

　　2. 技术参数

　　天线罩在全方位的相位误差为±1°透波率见下图：

　　GNSS天线罩透波率

　　(5) 天线防雷设备

　　天线防雷设备选用四川中光天馈浪涌保护器ZGWT20N-10型号。

　　天馈浪涌保护器

　　技术参数

　　接口：N(K/J)

　　特性抗阻Ω：50

　　频率范围MHz：1500～2000

　　适用功率W：60

　　驻波系数：≤1.2

　　插入损耗dB：≤0.2

　　标称放电电流8/20μskA：5

　　最大放电电流8/20μskA：10

　　限值电压10/700μskA：≤40

　　外形尺寸L×B×Hmm：φ22×73

　　(6) 电源防雷设备

　　电源防雷设备选用四川中光单项电源避雷器ZGG40-385型号。

　　单项电源避雷器

　　技术参数

　　最大持续运行电压UCV：385

　　标称放电电流In8/20μskA：20

　　最大放电电流Imax8/20μskA：40

　　限值电压8/20μs3kAkV：≤1

　　保护模式：可组成各种保护模式

　　外形尺寸mm：90×18×62

　　安装尺寸mm：35mm导轨安装

　　(7) 避雷针

　　避雷针选用四川中光ZGZ-200-2.1型号避雷针。

　　避雷针

　　技术参数

　　雷电通流容量kA：200

　　电阻Ω：≤1

　　高度m：2.1

　　质量kg：4.8

　　最大抗风强度m/s：40

　　安装尺寸mm：φ70±0.26

　　(8) 外场机柜

　　外场机柜图

　　防护等级：IP56(按GB4208-1993)

　　材 料：304不锈钢

　　表面处理：拉丝

　　箱 体：1.5mm

　　箱 门：2.0mm

　　安 装 板：2.5mm

　　安 装 板：镀锌

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