《1　前言》

1　前言

桥梁结构投资规模和社会影响巨大，尤其是特大桥，而其服役环境恶劣、性能衰退显著，因此如何采取有效措施确保桥梁结构的安全服役是桥梁工程研究的重点。

欧美国家桥梁建设和运营经验表明，桥梁结构的性能退化很快，尤其是在经济快速增长时期建造的桥梁。因此，我国非常重视目前已建和正在建造的大型桥梁结构的服役安全，积极推动桥梁结构安全保障技术的研究、应用和发展。鉴于桥梁结构监测系统能够记录和分析桥梁结构的荷载及结构响应，实时把握桥梁结构的安全状态，已成为 21 世纪桥梁工程领域的研究热点，桥梁结构监测系统的研究与应用在我国得到了迅速发展[1,2]。

文章采用 “西堠门大桥结构监测系统的设计与实现（I）：系统设计”中的设计方法，为西堠门大桥设计并实现桥梁结构监测系统。系统运行结果表明，西堠门大桥结构监测系统正常运行，实现了预期设计功能。

《2　工程概况》

2　工程概况

西堠门大桥全长 5.452 km，主桥全长 2.588 km，册子岛侧接线长 2.864 km。起于册子岛桃夭门岭，于门头山经老虎山跨越西堠门水道，止于金塘岛上雄鹅嘴，接金塘大桥。其中西堠门大桥主桥为两跨连续悬索桥，主跨 1 650 m，边跨 578 m，居国内第一，世界第二。

西堠门大桥于 2007 年底合龙，2009 年 12 月25 日正式通车，西堠门大桥如图 1 所示。

《图1》

图1　西堠门大桥

Fig.1　Xihoumen Bridge

《3　总体设计》

3　总体设计

西堠门大桥结构监测系统的监测内容主要有荷载和结构响应。荷载主要包括风、温湿度、车辆和地震。结构响应主要包括大桥空间变位（主缆、索塔和钢箱梁）、应变和加速度。该结构监测系统的功能是实时监测西堠门大桥的受力状态，并对该桥的安全状况进行综合评估。

《3.1　传感器及布设方案》

3.1　传感器及布设方案

风荷载采用螺旋桨式风速仪和三向超声风速仪监测，分别安装在索塔顶部和桥面上（见图 2）。三向超声风速仪可监测三维风速，可用于计算风谱，量程为 0 ~65 m/s，最高采样频率为 32 Hz，精度为 1.5 % RMS，工作温度为 -40 ~70 ℃，工作湿度为 5 % ~100 %，当降雨量到 300 mm/h 时仍可正常工作。螺旋桨式风速仪可监测风速和风向，量程高达 0 ~100 m/s。南北塔顶各布设一台螺旋桨式风速仪，钢箱梁主跨中和四分点的左右两侧各布设一台三向超声风速仪。

《图2》

图2　风速仪

Fig.2　Photographs of anemoscopes

环境温湿度采用温湿度仪监测，安装在桥面上、钢箱梁和锚室内。温湿度仪可监测所处环境的温度和湿度，温度的测量范围为 -40 ~85 ℃，精度为 ±0.3 ℃；湿度的测量范围为 0 ~100 % RH，精度为 ±1.5 % RH。主跨中桥面上安装有一台温湿度仪，南北锚碇的左右两个锚室各一台温湿度仪，钢箱梁内两台温湿度仪。

车辆荷载采用动态称重系统监测，安装在西堠门大桥南侧的引桥上（见图 3）。动态称重系统的速度测量范围为 5 ~200 km/h，总重误差范围小于 ±6 %，速度误差为 ±2 km/h，流量统计误差小于 1 %，单轴承重能力为 30 t，过载能力（单轴）达 200 %。

《图3》

图3　动态称重系统

Fig.3　Photographs of the weight in motion system

地震信息采用强震仪进行记录，南北塔底各布设一台，南北锚碇内各布设一台，共计 4 台。大桥空间变位主要采用 GPS 系统、倾斜仪和位移计监测，如图 4 所示。采用 16 个 GPS 监测站和 1 个GPS 基准站监测主缆、钢箱梁和索塔的空间变位，其中主缆布设 8 台 GPS 监测站，钢箱梁布设 4 台 GPS 监测站，索塔布设 4 台 GPS 监测站，GPS 基准站布设在离大桥不远的监控中心楼顶。采用 4 个倾斜仪监测钢箱梁的扭转情况，4 个位移计监测钢箱梁顺桥向伸缩情况。

《图4》

图4　GPS 系统

Fig.4　Photographs of the GPS system

应变采用电阻应变计监测，精度为 ±1 uε，精度高、动态性能好、耐久性好，在北塔附近布设两个截面，共计 24 个测点。

根据西堠门大桥的自振特性，分别选用伺服式加速度计和电容加速度计。在钢箱梁和索塔的振动分别采用 12 个和 6 个伺服式加速度计。选取 20 根吊索采用电容加速度计监测其振动情况。西堠门大桥结构监测系统传感器布设情况如图 5 所示。

《图5》

图5　西堠门大桥传感器布设 （单位：cm）

Fig.5　Layout of sensors of Xihoumen Bridge (unit:cm)

《3.2　基于工业以太网分布式数据采集与传输子系统》

3.2　基于工业以太网分布式数据采集与传输子系统

根据西堠门大桥结构监测系统的传感器及其输出信号类型，研发了加速度信号调理器、应变信号调理器、温度信号调理器和通用信号调理器。信号调理器的主要特点包括：高精度 24 位 A/D；支持标准MODBUS TCP 和 UDP 协议；可作为 POE 插入器的受电端，同时向传感器提供 12 V，24 V 和 +12 V 的直流电源；内嵌实时时钟，支持 IEEE1588 精确时间同步协议；工作温度范围为 -20 ~75 ℃，工作湿度为 5 % ~100 %，耐海洋盐雾等；可抵御雷电瞬间过电压 3 000V，如图 6 所示。采用工业级管理型以太网交换机构建光纤冗余环网，实现大桥外场各信号调理器与监控中心上位机的实时通信。在局域网内设置拥有精确时钟（GPS 时钟）的服务器用以去校正各信号调理器的时钟，实现微秒级的时钟同步精度，完全满足桥梁结构监测系统对时钟同步精度的要求。

《图6》

图6　以太网信号调理器

Fig.6　The signal conditioning and acquisition module with Ethernet interface

工业级交换机、POE 插入器以及电力监控模块、空开、交流接触器、电源和防雷器等安装在大桥外场的机柜内，整套装置称之为“数据采集站”。数据采集站可方便、灵活、甚至“随心所欲”地布置在大桥的各个部位，满足了桥梁空间范围大的特点，体现了分布式数据采集与传输系统的优势。

典型数据采集站的集成如图 7 所示。

《图7》

图7　数据采集站的集成

Fig.7　Integration of the data acquisition module

《3.3　数据管理子系统》

3.3　数据管理子系统

选用 SQL Server 2000 数据库系统作为开发平台，它具有独立于硬件平台、对称的多处理器结构、抢占式多任务管理、完善的安全系统和容错功能，并具有易管理、易维护、使用方便的特点，而且有非常高的开发效率、丰富的 XML 支持特性、可伸缩性好等特性。数据库利用现有关系型数据库提供的开发和管理工具进行开发，利用 ODBC，ADO 和 OLEDB 等技术对数据库进行访问，涵盖的信息范围包括：桥梁结构信息，传感器和数据采集设备信息，各类监测数据，状态识别和综合评估的分析结果，其他异构数据库的信息等。

用户界面模块采用 VC++6.0 作为开发工具，使用 MFC 应用程序框架进行设计，综合使用 COM、数据库、网络、多线程、动态链接库、插件等技术。用户界面模块中主要包括一个界面框架和 3 个扩展模块，分别是静态资料管理扩展模块、实时数据处理扩展模块和巡检管理扩展模块。以用户界面框架为中心，以插件的形式加载其他扩展模块，并通过界面框架提供的接口进行协调以及相互的功能调用，还可以根据功能需求随时定义和增加新的扩展模块。实现的主要功能包括：a. 使桥梁管养人员可利用该界面进行数据库维护、修改数据采集频率及时间参数等操作，也可进行常规的数据录入；b. 向用户提供桥梁结构及结构监测系统的各种资料和信息；c. 向用户展示监测数据和识别分析结果，并且接收用户的交互式查询请求；d. 可自动生成相关统计和分析报告。系统部分界面如图 8 所示。

《图8》

图8　系统界面

Fig.8　Interfaces of the structural monitoring system

《3.4　结构状态识别与综合评估子系统》

3.4　结构状态识别与综合评估子系统

西堠门大桥当前是一座新建桥梁，不存在性能衰退和损伤，大桥当前状态可作为成桥无损状态。桥梁结构监测系统采集到的数据记录了当前的大桥无损状态，为日后大桥安全状态的对比分析和综合评估奠定了基础，同时也为西堠门大桥的模型修正提供了数据和研究基础。

《3.5　系统运行结果分析》

3.5　系统运行结果分析

该结构监测系统自 2009 年底正式投入试运行，目前系统运行正常，下面简要介绍一下部分试运行结果。

3.5.1　动态称重系统

动态称重系统对西堠门大桥过桥车辆进行统计（见图 9），某一天的部分数据结果见表 1，因大桥当前试运行，不允许货车通行，所以过桥车辆均为小客车和大巴。

《图9》

图9　2010 年1 月某天过桥车辆统计

Fig.9　Statistic of vehicles passing the bridge on a day of January 2010

《表1》

表1　实测过桥车辆数据

Table 1　Data of vehicles passing the bridge collected

3.5.2　风速

用风速仪测得了大桥普通一天的某一段时间的风速，如图 10 所示。从测得的数据来看，西堠门大桥建设地点的风速较大，风速超过 15 m/s 的情况经常出现，风及其引起的桥梁相关结构响应需加以重视。

《图10》

图10　2010 年1 月 13 日实测风速

Fig.10　Wind speed collected on January 13th 2010

3.5.3　温湿度

用温湿度仪测得了桥面上大气温湿度以及钢箱梁和锚室内的温湿度，如表 2 所示。从测得的数据来看，西堠门大桥处于海洋环境，大气温湿度较大，而钢箱梁和锚室内由于抽湿机的正常工作，温湿度均小于 50 %，满足大桥养护要求。

《表2》

表2　实测温湿度

Table 2　Temperature and humidity collected

3.5.4　GPS 系统

通过 GPS 系统测得的主跨中钢箱梁挠度变化如图 11 所示。

《图11》

图11　GPS 测试结果

Fig.11　Data collected of GPS

3.5.5　加速度响应

钢箱梁和长吊索在环境激励下的振动时程曲线如图 12 所示。通过傅立叶变换识别钢箱梁竖向前三阶振动频率分别为 0.097 Hz， 0.109 Hz 和 0.134 Hz，吊索的基频为 1.29 Hz。

《图12》

图12　环境激励下的加速度响应

Fig.12　Acceleration under ambient vibration

《4　结语》

4　结语

桥梁结构监测系统是近年来桥梁工程领域的研究重点，但当前桥梁结构监测系统的设计和实施尚未有标准或规范可以依据，文章及其姊妹篇研究了桥梁结构监测系统地设计与实现方法，并依托西堠门大桥设计和实现了桥梁结构监测系统，得到的主要结论为：

文章实现的桥梁结构监测系统运行良好，为桥梁结构监测系统的研究和发展起到示范和推动作用，为西堠门大桥结构性能衰退演化规律、状态识别和综合安全评估以及养护管理决策的研究提供了大量的宝贵数据。

基于工业以太网分布式数据采集与传输系统可为桥梁结构监测系统的数据采集进行量身定做，系统运行可靠、稳定，实时性好，抗干扰能力强，应用前景广阔，可加以推广应用。

文章设计和实现了西堠门大桥结构监测系统，为桥梁结构监测系统的设计和实施标准和规范的制定提供了示范工程，积累了宝贵的工程实践经验。