基于CompactRIO的大型橋梁結構安全監(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、強耦合、多變量和時變性復雜的系統(tǒng)，對其結構參數(shù)的驗證與分析是一項龐大的工程。國內首次將CompactRIO分布式采集系統(tǒng)成功應用到大跨徑特大型橋梁的結構監(jiān)測中去，通過先進的自動化測試技術，對大橋的靜/動態(tài)響應、動態(tài)交通荷載、環(huán)境荷載等信號進行實時、精確同步的測量和分析，為實時監(jiān)測結構損傷及內力狀態(tài)，有效的掌控運營期橋梁的結構使用狀態(tài)及其發(fā)展演化趨勢，并為制定相應的大橋管理對策提供技術支持建立橋梁全壽命期的數(shù)字化、信息化“檔案”提供了科學依據(jù)。
應用方案：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構監(jiān)測的分布式信號采集系統(tǒng)。同時，結合NI LabVIEW提供的大量經典的信號處理函數(shù)和現(xiàn)代的高級信號分析工具，迅速、準確的完成結構參數(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)有關數(shù)據(jù)采集傳輸預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
隨著橋梁設計水平和施工技術的日見成熟，橋梁的建設取得了突破性的成就，一批大跨徑橋梁應運而生，橋梁建設正朝著規(guī)模的大型化、形式的輕柔化、功能的復雜化發(fā)展。同時，橋梁結構的安全性與耐久性越來越受到人們的高度重視，有關大型橋梁的結構健康監(jiān)測、安全評估以及壽命預測等問題已經成為當前橋梁工程界必須解決的問題。目前，隨著傳感測試技術、計算機信息處理技術、結構分析技術和橋梁工程技術等相關學科的進一步發(fā)展，針對特大型橋梁結構的安全監(jiān)測與安全預警研究和實踐成為可能。原本應用于軍事領域的先進智能材料與結構技術，也在橋梁結構健康監(jiān)測領域得到應用，使得對大型橋梁結構進行健康監(jiān)測的技術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。大橋建成后將承擔巨大的出入島交通流，因此，結構安全監(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（與計重收費系統(tǒng)共用）
2）結構動、靜態(tài)響應監(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、引橋控制截面靜應力監(jiān)測；③主、引橋體外預應力監(jiān)測；④主、引橋體內預應力監(jiān)測；④主、引橋結構動力及振動特性及其變化監(jiān)測
三．橋梁結構監(jiān)測安全預警系統(tǒng)的總體設計
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)測信號轉換為數(shù)字信號并完成遠程傳輸。
③ 數(shù)據(jù)處理與控制模塊
將監(jiān)測信號進行預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部分構成自動化傳感測試子系統(tǒng)。
2) 電子化人工巡檢養(yǎng)護管理子系統(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)
其結構示意圖如圖1所示：
圖1橋梁結構安全監(jiān)測系統(tǒng)結構示意圖
接下來將重點介紹監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸、預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、風速儀、振弦式應力計、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，選用合適的采集設備和方案。系統(tǒng)結構組成如圖2所示。
圖2 自動化傳感子系統(tǒng)結構示意圖
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