【導讀】京滬高速鐵路跨京開高速公路。土木工程學院橋梁工程系。京滬高速鐵路跨京開高速公路中承式鋼箱拱橋監(jiān)控、監(jiān)測方案

　　

【正文】 中承式鋼箱拱橋 監(jiān)控 、監(jiān)測 方案 23 傳輸線加以保護，要求施工方在吊裝及后續(xù)施工過程中，避免觸及碰撞損傷傳感器及其傳輸線。 拱肋 內 混凝土埋入式 應變計： 拱肋內 應變計需要預先制作定位鋼筋骨架。骨架鋼筋均采用焊接，先將傳感器綁扎在定位鋼筋上，待需要安裝 埋入式 應變計的拱肋節(jié)段到達現(xiàn)場后再將骨架焊接在 拱肋 內，并在拱肋上開 一小孔將傳感器的 傳輸光纖 引出來。對所有元件安裝前后都進行測試，以確保安裝元件的完好。 混凝土橋面板埋入式應變計：在制作混凝土橋面時，將埋入式傳感器固定于鋼筋上，再將傳輸光纖引出。 吊桿應力和預應力系桿索力監(jiān)測 本橋吊桿采用 35CrMo 合金鋼 ，吊桿直徑為 120 mm，常用的吊桿力的測試方法不適合于本橋，通過在吊桿的外表面上布置表面光纖應變計可得到其應力情況，從而間接得到其吊桿力。吊桿監(jiān)測點選取端部吊桿和跨中吊桿進行監(jiān)測 （圖 58） ，每根吊桿布置按中心線對稱布置兩個應變傳感器 ，全橋共 12 個測點。 C1 C2 C3圖 58 吊桿應變測點布置圖 在主縱梁內部，每側還設置了 4 束預應力系桿， 預應力系桿采用 鋼絞線整束擠壓 B 型錨具拉索 。為了了解各個階段的有效預應力值，在系桿的兩端端部安裝 BGKFBG4900 型光纖光柵式錨索計（圖 59），每側主縱梁選一束，各布置 4 個錨索計。 京滬高速鐵路跨京開高速公路中承式鋼箱拱橋 監(jiān)控 、監(jiān)測 方案 24 圖 59 光纖光柵式錨索計 施工臨時結構監(jiān)測 在對施工拼裝支架、吊架及扣索進行復核計算的基礎上，針對內力較大的桿件、塔架扣索索力和控制截面進行應力和變形的監(jiān)測。具 體的測點布置在對施工臨時結構進行復核計算后確定。 6 數(shù)據(jù)采集、傳輸系統(tǒng) 由于本橋監(jiān)測點很多，并且需要在通車運營后進行較長時間的變形、應力、環(huán)境變量的監(jiān)測，京滬高速鐵路均為全封閉式，如果在橋上對每個測點進行單獨測試，會存在很大的安全隱患。因此本項目采用了自動化采集系統(tǒng)，并能夠通過無線傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測終端。 自動化采集系統(tǒng)方案的設計原則及選擇 自動化采集系統(tǒng)方案設計遵循如下原則： ① 系統(tǒng)可靠、功能實用、組網(wǎng)合理、維護保養(yǎng)方便。 ② 系統(tǒng)應具有開放性：采用國際主流技術和平臺，以適應系統(tǒng)的發(fā)展，使系 統(tǒng)具有良好的縱向和橫向的兼容性，為系統(tǒng)集成預留有接口。 ③ 系統(tǒng)應具有可擴展性：設備可方便地通過添加模塊，增加遠程端口和本地端口數(shù)，為將來系統(tǒng)規(guī)模擴大和接入新的分中心提供網(wǎng)絡接口。 ④ 自動監(jiān)測儀器和系統(tǒng)必須正確反映建筑物的工作性態(tài)和不同時期的實時變化情況，儀器及系統(tǒng)性能要求低故障、高可靠性。系統(tǒng)建成后，必須是能夠長期穩(wěn)定運行的實用性系統(tǒng)。 因而，對采集設備的選擇遵循： ① 應采用低故障率、高可靠性并經(jīng)過現(xiàn)場考驗的監(jiān)測系統(tǒng)設備。 ② 采用分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，降低故障率，提高準確性和采集速度，擴展性強。 ③ 充分考慮防 潮、防雷、抗干擾等技術措施，把由于自然、人為因素造成的系統(tǒng)損壞降至最低。 ④ 采集軟件要簡單實用，功能強，容易操作，數(shù)據(jù)庫開放，能與第三方數(shù)據(jù)處理分析管理軟件兼容。 而監(jiān)測自動化采集系統(tǒng)主要有集中式、分布式、混合式三種基本形式。各類型系統(tǒng)京滬高速鐵路跨京開高速公路中承式鋼箱拱橋 監(jiān)控 、監(jiān)測 方案 25 特點分述如下： ① 集中式自動化監(jiān)測系統(tǒng)，是將現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集自動化，數(shù)據(jù)運算處理自動化及資料異地傳輸均集中在專設的終端監(jiān)測室內進行。布設在各處的傳感器經(jīng)集線箱 (或切換裝置 )與觀測室內采集裝置相連，通過集線箱切換對傳感器進行巡測或選測。集線箱到采集裝置之間傳輸?shù)氖请娔M量，抗干擾能 力較差，可靠性較低。而且不同的傳感器要用不同的集線箱和專用的測量設備。 ② 分布式自動化監(jiān)測系統(tǒng)，是一種分散采集、集中管理的結構，是將MCU(Measureand and Control Unit)測量控制單元分布在傳感器附近，而 MCU 具有模擬量測量、 A/D 轉換，數(shù)據(jù)自動存儲和與上位機進行數(shù)據(jù)通訊等功能。每個測控單元可看作是頻率、脈沖、電壓、電阻等某種測量信號的獨立子系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)集中控制，所有監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)總線輸入上位計算機集中管理。這種結構的優(yōu)點是：測控單元就近傳感器，縮短了模擬量傳輸距離，由測控單元傳輸出 去的都是數(shù)字量，即使一個子系統(tǒng)發(fā)生故障也不會影響整個系統(tǒng)運行。 ③ 混合式是介于集中式和分布式之間的一種結構模式。它具有分布式布置的外型，而采用集中方式進行采集的系統(tǒng)。設置在傳感器附近的遙控轉換箱類似 MCU，雖可匯集其周圍傳感器信號，但不具備 MCU 的 A/D 轉換和數(shù)據(jù)存儲功能。其傳輸?shù)哪M信號匯于一條總線中，集中到監(jiān)控站進行集中測量和 A/D 轉換，然后將數(shù)字量送入計算機進行存貯處理。 綜上所述，本 項目 自動化采集系統(tǒng)選用分布式結構。 基于以上原則以及監(jiān)測儀器選擇以及采樣頻率的要求，建立其光纖儀器采集子系統(tǒng) 光纖儀器監(jiān)測 系統(tǒng)組成及功能 本光纖儀器監(jiān)測子系統(tǒng)主要由光纖光柵傳感器系統(tǒng)、光纖光柵網(wǎng)絡分析儀系統(tǒng)、光纖傳輸網(wǎng)絡、信息處理與分析軟件系統(tǒng)組成。 （ 1） 光纖光柵傳感器系統(tǒng) 該系統(tǒng)應用先進的準分布式光纖光柵傳感技術，通過各種不同功能的光纖光柵傳感器，將被測的不同形式的物體量（如應變、溫度、位移等）轉變成光信號直接通過光纜進行遠距離傳輸。本 項目 涉及的光纖光柵傳感器有：光纖光柵溫度傳感器 、 鋼表面安裝的光纖光柵 表面 應變計 和拱肋混凝土內部、橋面板混凝土內部 光纖光柵 埋入式應變 傳感器。 京滬高速鐵路跨京開高速公路中承式鋼箱拱橋 監(jiān)控 、監(jiān)測 方案 26 （ 2） 光纖光柵網(wǎng)絡分析儀系統(tǒng) 該系統(tǒng)的 功能是通過放置在監(jiān)控機房的光纖光柵傳感解調儀將光纖光柵傳感器經(jīng)光纜遠程傳輸過來的光信號直接進行解調，并以溫度、應變、位移等物理量的方式，根據(jù)主工作站（或服務器）的要求進行數(shù)據(jù)上傳或信息上報。 （ 3） 光纖傳輸網(wǎng)絡 主要由主干傳輸光纜構成，用于將橋梁監(jiān)測現(xiàn)場布設的光纖光柵傳感器網(wǎng)絡與光纖光柵解調儀系統(tǒng)進行連接 ，通過無線傳輸模塊實現(xiàn)無線傳輸數(shù)據(jù) 。 （ 4） 信息處理及分析軟件系統(tǒng) 該系統(tǒng)是安裝在監(jiān)控計算機上的軟件系統(tǒng)，用于收集、處理、顯示和存儲各監(jiān)測儀器的數(shù)據(jù)和信息，為橋梁的安全運營與維護管理提供科學的決策依據(jù)和指導 。 （ 5） 系統(tǒng)的建成后可實現(xiàn)的目標 ： 報告橋梁的工作溫度環(huán)境 ； 報告橋梁的主要結構的實際內力分布狀況 ； 為鑒別橋梁的主要結構是否有損害，或累積性損壞提供決策依據(jù) ； 給橋梁的營運管理和維修決策者提供橋梁的警告信息 。 光纖儀器監(jiān)測 系統(tǒng) 特點 針對本項目的監(jiān)控、監(jiān)測特點，采用光纖光柵傳感器、光纖光柵分析儀、無線傳輸模塊數(shù)據(jù)采集分析傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下特點： （ 1） 準分布式全光測量及傳輸 光纖光柵傳感器本身為無源器件，傳感信號的感測及傳送均為光信號，因而監(jiān)測現(xiàn)場沒有電子設備，不受電磁干擾，無系統(tǒng)零飄現(xiàn)象。 （ 2） 測試精度高且具有準確的測點空間定位能力 ， 光纖光柵傳感器結構小巧且布設距離沒有限制，可以準確定位各測點的空間位置。 （ 3） 實時性好 ： 系統(tǒng)中所有監(jiān)測點的單次測量頻率均可滿足 20Hz 的要求。 （ 4） 系統(tǒng)安裝及長期使用過程中無需標定 光纖光柵本質穩(wěn)定，不存在零點漂移。由于光纖光柵采用光中心波長表征溫度測量值，屬于數(shù)字量，光源的老化衰減及傳輸光纖布設、使用過程中由于彎曲、擾動而引入的光信號衰減不影響測量精度。光傳感網(wǎng)絡分析儀無可動部件，長期使用無需標定。 （ 5） 高可靠性 每條傳感鏈的首端及尾端均通過接頭引出，正常 工作過程中只需將首端接頭連接到監(jiān)控的網(wǎng)絡分析儀上即可實現(xiàn)所有測點的遠程自動監(jiān)測。一旦施工或使用過程中由于不京滬高速鐵路跨京開高速公路中承式鋼箱拱橋 監(jiān)控 、監(jiān)測 方案 27 可抗拒因素導致傳感鏈斷損，可以將該傳感鏈對應的尾端接頭連接到監(jiān)控分析儀，此時該傳感鏈的所有傳感器以斷點為界分別經(jīng)由首端接頭和尾端接頭將各自測量信號傳送給監(jiān)測站，實現(xiàn)傳感鏈的愈合。 （ 6） 使用壽命長 。 7 施工監(jiān)控技術方案的保障措施 （ 1） 人員方面 選派經(jīng)驗豐富的技術人員參加本項目的工作。項目負責人由從事過拱橋施工監(jiān)控的教授或高級工程師擔任，分項負責人均由中級以上職稱且必須從事過多年相關工作的人員擔當，其 他的監(jiān)控人員均具有監(jiān)控、監(jiān)測經(jīng)驗技術人員組成。 在施工監(jiān)控開始之前制定完善的監(jiān)控工作實施細則，明確項目成員的工作和責任。定期檢查各監(jiān)控人員工作，保證工作細則嚴格執(zhí)行。定期組織監(jiān)控人員培訓和學習。 施工監(jiān)控過程中，項目負責人或相關分項負責人應長駐現(xiàn)場，確保不發(fā)生由于監(jiān)控人員缺席而影響工程進展的情況。在特殊情況下，主要監(jiān)控人員的更換需得到業(yè)主的批準。 （ 2） 技術方面 成立技術顧問組，成員由監(jiān)控單位資深的橋梁專家組成，為本項目提供技術支持和咨詢。 對關鍵技術問題成立專題研究課題，組織專家進行討論和評議。 主要的計 算和測試數(shù)據(jù)要求由多人復核，保證計算和測試數(shù)據(jù)的正確性。監(jiān)控指令經(jīng)內部審核后，還需要得到設計單位的認可。 根據(jù)現(xiàn)行的相關規(guī)范制定監(jiān)控工作要求和內容，開展施工監(jiān)控工作。 按照 ISO9001 質量保證體系，建立完善的文件資料管理系統(tǒng)，確保測試及計算數(shù)據(jù)的可追溯性。 （ 3） 監(jiān)控設備的投入 根據(jù)實際工作的要求配備先進的測試儀器和設備，選用高精度、穩(wěn)定性好的測試元件和傳感器。監(jiān)控儀器和設備在投入項目之前和使用過程中都進行嚴格的標定，并制定詳細的儀器設備使用規(guī)程，保障測試數(shù)據(jù)的真實性。 （ 4） 資金投入情況 以實際監(jiān)控工作 為依據(jù)，制定詳細的資金使用計劃，做到專款專用。 京滬高速鐵路跨京開高速公路中承式鋼箱拱橋 監(jiān)控 、監(jiān)測 方案 28 8 項目組成員 姓 名 出生年月 學歷 職稱 /職務 工作單位 在本項目中的分工 強士中 博士 教授 、博導 西南交通大學 技術顧問 趙人達 博士 教授 、博導 西南交通大學 技術顧問 李小珍 博士 教授 、博導 西南交通大學 項目負責人 何 畏 博士 副教授 西南交通大學 監(jiān)控負責人 成文佳 博士 副教授 西南交通大學 理論 計算分析 衛(wèi) 星 博士 副教授 西南交通大學 理論計算分析 晉智斌 博士 講師 西南交通大學 理論計算分析 劉德軍 博士 生 西南交通大學 現(xiàn)場監(jiān)測 肖 林 博士 生 西南交通大學 現(xiàn)場監(jiān)測 張 迅 博士 生 西南交通大學 現(xiàn)場監(jiān)測 徐 良 碩士生 西南交通大學 現(xiàn)場監(jiān)測 王百樂 碩士生 西南交通大學 現(xiàn)場監(jiān)測 吳 成 碩士生 西南交通大學 現(xiàn)場監(jiān)測 吳國強 碩士生 西南交通大學 現(xiàn)場監(jiān)測 9 經(jīng)費預算 序號 名 稱 單 位 數(shù) 量 費 用 （萬元） 1 監(jiān)控、監(jiān)測 儀器 CAWS600系列自動站 套 1 光纖光柵表面應變計 支 244 光纖光柵埋入式應變計 支 65 光纖光柵溫度計 支 195 光纖光柵解調儀 臺 2 400噸 光纖光柵 錨索計 臺 4 串接光纜 米 1000 京滬高速鐵路跨京開高速公路中承式鋼箱拱橋 監(jiān)控 、監(jiān)測 方案 29 通信光纜 米 20xx 光纖熔結盒 個 100 光纖終端盒 個 10 太陽能電池組及充電器 套 2 采集軟件 套 1 無線傳輸模塊 套 1 Leica TCA20xx 全站儀 臺 1 Leica DNA10 水準儀 臺 1 棱鏡 個 60 2 理論計算分析費用 3 監(jiān)控人員工資、差旅費 4 監(jiān)控人員交通費 、住宿費 5 會議、評審費 6 數(shù)據(jù)整理、報告文整費 7 監(jiān)控人員意外保險 費 8 管理費、稅費 (18%) 合 計