基于CompactRIO的大型橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)研究
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挑戰(zhàn)：大跨徑特大型橋梁是一個分布式、非線性、強(qiáng)耦合、多變量和時變性復(fù)雜的系統(tǒng)，對其結(jié)構(gòu)參數(shù)的驗證與分析是一項龐大的工程。國內(nèi)首次將CompactRIO分布式采集系統(tǒng)成功應(yīng)用到大跨徑特大型橋梁的結(jié)構(gòu)監(jiān)測中去，通過先進(jìn)的自動化測試技術(shù)，對大橋的靜/動態(tài)響應(yīng)、動態(tài)交通荷載、環(huán)境荷載等信號進(jìn)行實(shí)時、精確同步的測量和分析，為實(shí)時監(jiān)測結(jié)構(gòu)損傷及內(nèi)力狀態(tài)，有效的掌控運(yùn)營期橋梁的結(jié)構(gòu)使用狀態(tài)及其發(fā)展演化趨勢，并為制定相應(yīng)的大橋管理對策提供技術(shù)支持建立橋梁全壽命期的數(shù)字化、信息化“檔案”提供了科學(xué)依據(jù)。
應(yīng)用方案：基于CompactRIO的可重配置平臺和豐富的信號采集模塊，利用NILabVIEWFPGA開發(fā)一套適用于整個大橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測的分布式信號采集系統(tǒng)。同時，結(jié)合NI LabVIEW提供的大量經(jīng)典的信號處理函數(shù)和現(xiàn)代的高級信號分析工具，迅速、準(zhǔn)確的完成結(jié)構(gòu)參數(shù)的在線分析和二次處理，為大跨徑特大型橋梁綜合監(jiān)測系統(tǒng)有關(guān)數(shù)據(jù)采集傳輸預(yù)處理與控制的建立提供了一套完備而系統(tǒng)的方案。
一． 引言
隨著橋梁設(shè)計水平和施工技術(shù)的日見成熟，橋梁的建設(shè)取得了突破性的成就，一批大跨徑橋梁應(yīng)運(yùn)而生，橋梁建設(shè)正朝著規(guī)模的大型化、形式的輕柔化、功能的復(fù)雜化發(fā)展。同時，橋梁結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性越來越受到人們的高度重視，有關(guān)大型橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、安全評估以及壽命預(yù)測等問題已經(jīng)成為當(dāng)前橋梁工程界必須解決的問題。目前，隨著傳感測試技術(shù)、計算機(jī)信息處理技術(shù)、結(jié)構(gòu)分析技術(shù)和橋梁工程技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展，針對特大型橋梁結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測與安全預(yù)警研究和實(shí)踐成為可能。原本應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的先進(jìn)智能材料與結(jié)構(gòu)技術(shù)，也在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域得到應(yīng)用，使得對大型橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測的技術(shù)總體上正朝著智能化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展。
二．集美大橋的系統(tǒng)背景與設(shè)計原則
廈門集美大橋及接線工程是廈門市城市道路交通網(wǎng)絡(luò)布局中本島與大陸腹地跨海通道的重要組成部分，也是廈門市出島交通路網(wǎng)規(guī)劃中重要的跨海通道之一。大橋建成后將承擔(dān)巨大的出入島交通流，因此，結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的重要性就顯得格外突出。
系統(tǒng)整體監(jiān)測項目如下：
1）荷載源監(jiān)測：主要為橋址區(qū)域環(huán)境荷載監(jiān)測：① 風(fēng)荷載監(jiān)測；② 溫度、濕度監(jiān)測；③ 控制截面溫度梯度監(jiān)測；④ 交通荷載（與計重收費(fèi)系統(tǒng)共用）
2）結(jié)構(gòu)動、靜態(tài)響應(yīng)監(jiān)測
①主橋的空間位置變化監(jiān)測，主要為各跨跨中下?lián)媳O(jiān)測；②主、引橋控制截面靜應(yīng)力監(jiān)測；③主、引橋體外預(yù)應(yīng)力監(jiān)測；④主、引橋體內(nèi)預(yù)應(yīng)力監(jiān)測；④主、引橋結(jié)構(gòu)動力及振動特性及其變化監(jiān)測
三．橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測安全預(yù)警系統(tǒng)的總體設(shè)計
根據(jù)系統(tǒng)的功能要求本系統(tǒng)包括以下子系統(tǒng)：
1) 自動化傳感測試子系統(tǒng)，其包括以下幾大模塊：
① 傳感器子模塊
通過傳感器將各類監(jiān)測轉(zhuǎn)換為電（光）信號。
② 數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊
將監(jiān)測信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并完成遠(yuǎn)程傳輸。
③ 數(shù)據(jù)處理與控制模塊
將監(jiān)測信號進(jìn)行預(yù)處理以向其它子系統(tǒng)提供有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)需要控制監(jiān)測參數(shù)的采集。
以上3部分構(gòu)成自動化傳感測試子系統(tǒng)。
2) 電子化人工巡檢養(yǎng)護(hù)管理子系統(tǒng)
3) 綜合安全評估子系統(tǒng)
4) 中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)
5) 用戶界面子系統(tǒng)
其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：
圖1橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
接下來將重點(diǎn)介紹監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸、預(yù)處理與控制的子系統(tǒng)。
1. 自動化傳感測試子系統(tǒng)各類信號采集、處理方案
整個系統(tǒng)共設(shè)置3個cRIO采集站。采集站在左右兩幅橋各布置一個，BRT橋布置一個。
實(shí)現(xiàn)的采集工作包括加速度同步采集壓力變送器、溫濕度儀、風(fēng)速儀、振弦式應(yīng)力計、磁通量索力計信號和串口信號的采集。這些傳感器輸出信號種類多種多樣，大大增加了采集系統(tǒng)構(gòu)筑的難度。系統(tǒng)針對不同類型的傳感器，選用合適的采集設(shè)備和方案。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。
圖2 自動化傳感子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
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