南浦大桥结构健康监测系统专项施工组织设计1017.docx
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南浦大桥结构健康监测系统专项施工组织设计1017
南浦大桥大修工程
结构健康监测系统
专项施工组织设计
上海巨一科技发展有限公司
二零一七年八月
上海巨一科技发展有限公司
南浦大桥大修工程
结构健康监测系统项目
文件名称
专项施工组织设计
文件编号
文件版本
A0
生效日期
年月日
序号
版本
修订
状态
章节
内容摘要
编制
审核
批准
生效日期
备注
(1)
A0
完稿
全部
-
张洪涛
李军
查正军
周哲峰
1编制依据
《南浦大桥大修工程结构健康监测系统招标文件》
《南浦大桥大修工程结构健康监测系统施工图》
《南浦大桥大修工程结构健康监测系统合同文件》
《南浦大桥大修工程结构健康监测系统专项设计方案》
2工程概况
图21南浦大桥总体布置图
图22南浦大桥实景图
南浦大桥东接浦东南路及杨高路,西接陆家浜路与中山南路,总长8629m,设计通车能力4.5-5万辆/日。
大桥由主桥和东、西引桥3部分组成:
主桥长846m,为全漂浮钢—混凝土叠合梁斜拉桥,宽30.35m,中孔跨径423m,主塔高154m,桥下通航净高46m,可通行5万吨级船舶。
两岸引桥全长7783m,其中浦西段引桥长3814m,桥型采用复曲线成螺旋形,上、下两环分岔衔接中山南路、内环线高架和陆家浜路;浦东引桥长3969m,采用复曲线长圆形与浦东南路相连接,引桥还直通内环线浦东段和杨高路。
本项目的工作内容为南浦大桥的结构健康监测系统的实施,具体包括:
按照招标文件要求,负责完成南浦大桥的结构健康监测系统的实施,包括以下内容:
1)按照南浦大桥结构健康监测系统初步设计文件,负责大桥健康监测系统的施工图设计,负责所有设施设备的采购、运输、安装、调试及缺陷责任期的维护;
2)开发和维护基于BIM的南浦大桥结构健康监测系统
3)BIM建模及施工模拟
2.1系统功能总框架
图23南浦大桥结构健康监测系统功能总框架图
南浦大桥结构健康监测系统主要包括以下模块:
监测数据自动化采集模块、人工检测数据管理模块、数据管理模块、安全分析评估预警模块、BIM模型管理模块。
2.2监测项目布点设计
2.2.1监测内容及数据要求
根据招标文件,本桥的监测布点统计见下表,总体布点见下图。
表11监测布点一览表
监测项目
传感器类型
测点数量
采样频率
布点说明
环境风荷载
风速风向仪
2
1Hz
主跨跨中桥面上游侧5米以上;浦西主塔上游侧塔顶。
环境温湿度
大气温湿度计
3
1分钟/次
浦西塔梁结合部钢梁底;浦西主塔、浦东主塔的上游侧上塔柱内部。
结构应力
应变计
108
20Hz
1)主跨跨中、辅助墩墩顶截面、边跨跨中截面、塔梁结合部等一共92应变计;
2)浦西主塔、浦东主塔的上游侧塔柱(分别距下横梁顶面以上1.0米、下横梁底面以下1.0米)4个截面,每个截面4个竖向应变计监测点,共计16个应变计;
结构温度
温度传感器
28
1分钟/次
1)主跨跨中断面布置12个温度计;
2)浦西主塔、浦东侧主塔上游侧塔柱(距下横梁顶面以上1.0米的截面)布置8*2个温度计。
斜拉索索力
加速度索力计
16
1分钟/次
上下游一共16根拉索索力监测点;
动力特性
单向加速度计
19
50Hz
1)上游侧的主跨2分点、4分点、边跨、锚跨跨中7个截面,其中2分点截面布置2个竖向和1个横向,其余截面各布置1个竖向和1个横向,一共15个加速度计;
2)浦西主塔、浦东主塔的上游塔柱2个截面,每塔柱各布置1个横向和1个纵向,一共4个加速度计。
地震
地震传感器
1
50Hz
浦西主塔下塔柱塔底
塔顶及主梁三向位移
GPS
5
10Hz
主跨2分点上下游侧;浦西主塔、浦东主塔的上游塔柱、基站,一共5个
主梁纵横向变位
位移计
10
1Hz
1)边跨梁端截面、塔梁结合部4个梁部截面的上下游(梁底面)均布置一个顺桥向的位移计,计8个顺桥向位移计;
2)浦东主桥下行匝道EDSP4#墩顶主梁布置2个横向位移计。
裂缝监测
裂缝计
9
1分钟/次
1)主梁跨中附近(80#~81#横梁、88#~89#横梁之间混凝土梁)、主梁3/4跨附近(94#~95#横梁、100#~101#横梁、106#~107#横梁之间混凝土梁)均布置1个裂缝计,计5个裂缝计;
2)浦西塔北塔柱(下游侧塔柱)上横梁西壁1条竖向裂缝、东壁1条竖向裂缝每条各布置2个裂缝计,计4个裂缝计。
交通荷载
动态称重系统
2
实时
斜拉桥浦西浦东主引桥
汇总
--
注:
1、5个GPS测站中有一个为GPS基站;
2.2.2监测布点设计
图14监测布点总图(另有2个位移计布置在浦东主桥下行匝道EDSP4#墩顶主梁)
硬件总体框架
图15系统硬件框架图
系统硬件主要由传感器设备、数据采集及传输设备、数据处理与控制设备、辅助支持设备四个部分组成:
1)传感器设备:
由布置在桥梁结构上的各类传感器、专用设备和线缆等组成;
2)数据采集与传输设备:
本系统又可分为数据采集系统、数据传输系统两部分;其中数据采集系统是由布置在桥梁结构内部或桥面的调理设备、采集设备、采集计算机和传感器电缆网络等组成;数据传输系统由布置在桥梁外场工作站机柜内及监控中心机房内的网络传输设备及网络传输线缆组成;
3)数据处理与控制设备:
由布置在监控中心的服务器系统,以及工作站组成;
4)辅助支持设备:
主要指包括外场机柜、外场机箱、配电及UPS、防雷和远程电源、综合布线等组成。
数据采集总体设计
本方案传感器系统输出的信号包括电压信号、485信号和其它数字或模拟信号,考虑到GPS以及光纤光栅传感器的特殊性和专业性,在本方案中将针对不同类型的传感器采用两种数据采集模式。
图16数据采集模式
如上图所示,本系统中采用两种采集模式:
(1)采集模式一——PXI采集模式
常规模拟信号采集模式使用PXI采集计算机,用于风速风向设备、单向加速度计、地震仪(三向加速度计)、索力计的采集,即采用位于外场工作站机柜的PXI专用采集计算机采集常规的电压及485串口信号,并进行本地存储及向监控中心服务器传输实时和历史数据;
(2)采集模式二——专用服务器采集模式
专用服务器采集模式指光纤传感器采集和GPS数据采集的模式,均通过专用服务器(放置于外场工作站机柜及监控中心机房)进行专业系统的数据采集和管理,并向监控中心服务器传输实时和历史数据。
专用服务器采集模式通过共享PXI的同步时钟卡的GPS时钟实现时间同步功能。
各传感器系统输出信号及所需采集模式如下表所示:
表1-2各传感器系统输出信号及所需采集模式
序号
传感器系统名称
输出信号类型
采集模式
1
机械式风速仪
485
采集模式一
2
温湿度计
0~5VDC
采集模式一
3
结构应变计
光信号
采集模式二
4
结构温度计
光信号
采集模式二
5
位移计
光信号
采集模式二
6
单向加速度计
±5VDC
采集模式一
7
索力计
0~5VDC
采集模式一
8
三向加速度计
±5VDC
采集模式一
9
裂缝计
光信号
采集模式二
10
GPS
数据
采集模式二
数据传输系统设计
南浦大桥健康监测系统数据传输系统由分布在大桥的工作站和传输网络组成。
工作站将采用世界先进的成熟产品,以确保系统的稳定性、耐久性和高精度。
桥梁现场的数据传输采用工业光纤以太网方案。
主要由接入光纤交换机和铠装光缆组成。
利用工业交换机组成环状拓扑结构,提高系统的可靠性。
按照南浦大桥健康监测系统的总体设计,应建立工作站到接入交换机及交换机之间的数据传输网络系统。
传输接入系统共有监控中心以及桥上的2个接入节点组成;监控中心机房配置服务器群组,每个节点负责附近工作站的接入工作,并利用交通工程的主干光缆或单独光缆接入监控中心,各节点间组成光纤环网,以确保系统的稳定性和可靠性。
整个网络可通过监控中心网络接入Internet供相关远程单位及人员获取大桥监测信息和数据。
南浦大桥环网网络逻辑拓扑结构如下:
图17网络拓扑结构图
整个系统由2台工业以太网交换机和1台中心交换机组成双纤自愈环网的形式构成,全网基于TCP/IP协议集,运行动态路由协议,确保传输网络的稳定、可靠;
系统中的任一数据采集工作站通过附近的线缆接入现场的工业以太网交换机,由交换机接入整个数据采集传输网中。
工作站与网络上其他任一服务器或工作站都存在2条通路可以到达,在网络上的任一处光纤断开的情况下,系统中的各工作站依然可以正常工作。
通信光缆将由监控中心沿引桥敷设至主桥的2个工作站,形成光纤环网并将现场监测数据传回监控中心的服务器系统。
监测数据可以通过Internet或者其他系统提供外部人员的访问(Internet接入及其他系统传输网络的设计不在本系统范围内)。
在数据传输网络中,通过VLAN划分的方式将原始数据传输系统与其它接入TCP/IP网络的系统分离,只有数据接收服务器能够直接读取到采集的原始数据,以减少过多连接对数据传输所构成的安全威胁。
服务器系统构成
部署在监控中心机房的服务器系统,包括:
数据处理与控制服务器、BIM数据库服务器、结构安全评估服务器、BIM应用数据库、GPS服务器(应用服务器)构成。
服务器系统的逻辑拓扑图如下:
图18服务器系统拓扑图
Ø数据处理与控制服务器
在此部分服务器的主要功能为接收底层工作站传输的数据,并做简单的数据处理,对他的要求主要体现在对数据并发性接收的相应能力。
本系统内满负荷运转的数据量最大值估算为:
73M/小时。
故在此配备一台高性能LINUX/UNIX服务器。
Ø结构安全评估服务器
此服务器主要功能是进行数据的在线分析处理,对实时数据和历史数据进行二次处理,数据融合处理,进行在线评估与预警,接收应用服务器的请求,进行将各项处理并将结果返回。
该服务器运行的是整个大桥结构监测信息管理系统的核心功能,需要处理大量的数据。
故在此配备一台高性能LINUX/UNIX服务器。
ØBIM数据库服务器
整个监测系统运行会产生大量的数据,其中大部分数据在经过预处理后都将输入数据库系统,可以为以后的查询、运算、统计打好基础,故在此配备一台高性能LINUX/UNIX服务器。
ØBIM应用服务器
对三维模型的存储与管理,需要高配置的服务器。
ØGPS服务器服务器(应用服务器)
此服务器主要功能是用于GPS统数据的接收、分析与处理,作为GPS系统的专用服务器。
注:
基本的网络设备管理要求,可以通过软件系统中的设备状态监控、管理功能来实现。
从经济实用的角度出发,不单独采购网管软件。
服务器功能如下:
●管理网络上各个工作站的通讯;
●控制各个工作站各类参数设置;
●实时采集、处理各个工作站上传的数据;
●数据分析、处理、计算;
●结构预警处理分析;
●管理存储所有数据(包括图象信息、BIM模型数据);
●网络通讯,支持远程用户访问
下表为整个大桥结构健康监测巡检管理系统数据量估算表:
表13数据量估算
序号
监测项目
测点数量
通道数量/测点
采样频率
每日数据量
一
实时监测原始数据
203
1620
M
1
机械风速风向仪
2
2
1Hz
106
M
2
环境温湿度
3
2
1分钟/次
0
M
3
结构温度
28
1
1分钟/次
0
M
4
结构应变
108
1
20Hz
658
M
5
GPS
5
3
10Hz
50
M
6
斜拉索索力
16
4
20Hz
420
M
7
单向加速度
19
1
50Hz
313
M
8
地震动
1
3
50Hz
49
M
9
位移计
10
1
1Hz
3
M
10
裂缝计
9
1
1Hz
3
M
11
动态称重
2
6
实时
0
M
二
监测原始数据处理
1
-
项
800
M
三
运维动态数据含视频等
1
-
项
1500
M
共计:
3920
M
一年存储量:
3920M*365=1.5T
1.5
T
整个系统一年将产生约1.5T的重要数据,而这些数据都要求进行一定时间的保存及存档。
考虑到数据量的规模及数据保护的重要性,并且考虑到投资规模的控制和可行性,故采用在服务器上做RAID5的方式对系统数据进行存储和备份,可以存储5年。
另外配置光盘刻录机或移动硬盘对硬盘中的数据进行定期刻录保存。
系统软件设计
2.2.3软件功能
南浦大桥健康监测系统主要包括以下模块:
图19南浦大桥结构健康监测系统功能总框架图
南浦大桥结构健康监测系统主要包括以下模块:
监测数据自动化采集模块、人工检测数据管理模块、数据管理模块、安全分析评估预警模块、BIM模型管理模块。
2.2.4软件总体要求
Ø软件应采用模块化形式。
所有自行开发的各个软件模块要达到所要求的功能,具有良好的界面;
Ø对于受版权保护软件,应严格按照供应商许可协议使用。
在使用过程中,应验证其可靠性,以及提供当前使用该软件模块的实际用户数量、软件的使用期限;
Ø对于自行开发软件,应具有可维修性、可追踪性、编程适应性和扩展可能性等功能,并提供详细的研发文档及用户操作软件;
Ø应为各个已开发的软件模块和整个系统定义一个软件测试验收计划,以此作为软件质量评估和最终接受的基础;
Ø软件在应用于现场之前,还须进行全面的测试;
Ø软件系统应具有完备的安全保障体系,应确定该软件系统崩溃的危险性,并在该系统的设计中采用适当的保护措施;
Ø自动化数据采集子主桥健康监测系统建成后,软件系统的开发方应提供两年的系统维护和优化服务。
2.2.5软件技术路线
健康监测自动化数据采集是一个横跨结构、工业传感器、工业自动控制、网络传输、信息实时采集、结构状态分析、信息发布显示、软件集成领域的一个综合性系统集成项目,因此在整个系统的技术实现手段的选择上必须遵循以下原则:
✓采用的技术实现手段必须保证其可靠性、实时性要求。
✓选择成熟的专业软件、并在此基础上进行定制开发。
✓采用的技术实现手段必须有一定的扩展性和移植能力。
健康监测自动化数据采集的总体技术路线为:
传感器数据采集和传感器状态信息显示采用业界成熟的虚拟仪器开发平台LABVIEW结合实时操作系统进行定制开发,其他部分独立传感器采集系统的数据通过微软平台的COM接口集成到本系统中,数据传输采用TCP网络协议,整个后台应用系统基于J2EE平台进行开发。
按照软件功能划分,可以如下描述。
(1)监测数据自动化采集模块
根据传感器的工作原理和接入方式不同,实时数据采集方式可以分为两大类:
1)基于PXI-RT类传感器数据采集模块(传感器类型:
加速度,索力,风速仪、温湿度计等):
数据采集管理系统采用与其硬件设备(PXI数据采集工作站)相配套的LABVIEW软件定制开发实现,系统平台采用工业实时操作系统,能够保证整个数据采集系统的可靠性、实时性、稳定性。
主要功能包括数据采集、数据存储、数据传输、在线数据处理、初级采集策略控制及自检程序等。
2)独立传感器数据采集模块(传感器类型:
光纤传感器、GPS系统等):
对这些独立的传感器采集系统,通过微软平台的COM接口软件集成的方式,将其纳入到本系统中,实现采集数据的缓存、传输、控制等功能。
(2)数据管理模块、安全分析评估预警模块、BIM模型管理模块
这些系统针对的是数据处理服务器上的数据通讯、数据处理、数据显示、在线预警以及健康评估等功能。
实现基于J2EE运行平台,采用WEB服务器/应用程序服务器/数据库服务器的三层体系结构实现。
而数据库层采用大型关系型数据库软件以及大型文件库,作为系统数据存储及共享平台。
(3)人工检测管理模块
根据健康监测系统对检测养护的要求定制人工检测管理模块,实现对人工检测项目维护、检测数据录入、检测数据处理和显示功能。
2.2.6软件总体布局
综上所述,健康监测系统的软件由各物理设备上的应用软件组成,这些应用软件有采购和开发两种获取途径,下表详细列出了软件系统的组成汇总。
表14软件系统的组成汇总表
物理位置名称
系统软件
应用软件
开发工具
数据采集工作站
RealTimeOS
Windows
数据采集管理系统
LabviewRealtimeEngine
其他通过COM接口集成的采集软件
LabviewRealTime
Windows平台开发工具
数据处理服务器
信息门户
Linux/Unix
WindowsServer2008
Resin4.0
数据查询处理系统、在线预警系统、
结构健康评估系统、辅助人工检测模块及各类信息的显示和查询
Labview
Java
数据库服务器
Linux/Unix
关系型数据库
PLSQLDeveloper
BIM模型服务器
WindowsServer2008
模型管理
Windows平台开发工具
从上表可知,需要开发的软件主要为监测数据自动化采集模块、人工检测数据管理模块、数据管理模块、安全分析评估预警模块、BIM模型管理模块,以下按照软件系统的划分逐个描述其软件设计和实现方法。
3专项工程的施工工艺流程、详细施工方案
3.1主要施工方法
各专业子系统均将在正式进场踏勘完成结合具体现场情况和施工资源情况后提供深化设计图纸和专项实施方案。
结构健康监测系统一般按传感器安装、设备安装和系统调试分为若干个分项工程,以下分别例举各主要传感器监测子系统加以说明。
3.2主要设备安装技术方案
3.2.1GPS监测子系统
3.2.1.1.GPS基站建设
基准站选址应符合下列条件:
(1)站址应选在基础坚实稳定,易于长期保存,并有利于安全作业的地方;
(2)站址与周围大功率无线电发射源(如电视台、电台、微波站、通讯基站、变电所等)的距离应大于200m;与高压输电线、微波通道的距离应大于100m;
(3)站址附近不应有强烈干扰接收卫星信号的物体,如大型建筑物、玻璃幕墙及大面积水域等;
(4)站址视场内高度角大于10º的障碍物遮挡角累积不应超过30º;
(5)站址应避开地质构造不稳定区域,如:
断层破碎带,易于发生滑坡、沉陷等局部变形的地点(如采矿区、油气开采区、地下水漏斗沉降区等),地下水位变化较大的地点;
(6)站址应可方便地架设市电线路或具有可靠的电力供应;并应便于接入公共通信网络或专用通信网络;
(7)屋顶观测墩应选在坚固稳定的建筑物上,建筑物高度不宜超过30m;
(8)站址选定后,应用场强仪进行实地场强测试,在L1、L2中心频点上的噪声场强宜分别低于-180db/mv和-160db/mv。
并应连续进行24小时的GNSS建站条件测试和数据分析,其中数据有效率应高于90%,多路径影响MP1<0.35,MP2<0.4。
结合南浦大桥具体情况,我们建议将基站设立在浦东电梯楼楼顶,同时需要该基站与全国网联测实时校正。
强制对中装置如下:
图31强制对中标志侧面、正面图
图32基站照片
3.2.1.2.GPS监测点建设
(1)设备安装
塔顶GPS测量站共2个测点,桥面GPS测量站共2个测点,基站点1个。
天线架上端装有带5/8英寸螺旋的天线安装支架以固定全封闭大盘天线。
将GPS主机、AC/DC转换器等设备放置于工作站机柜内,工作站机柜与GPS天线之间的距离最远可达到220mGPS主机通过网线接入机柜内交换机。
同时考虑避雷保护装置。
根据现场勘查,塔顶GPS立杆抱箍在女儿墙上,GPS大盘天线超出女儿墙200mm。
图33GPS塔顶布置图
桥面GPS测点,由于桥面无预留,也无法后期进行基础浇筑施工,根据现场勘查,拟利用现场的人行道栏杆进行固定,将GPS测点用抱箍固定在栏杆上,具体效果如下图所示。
图34GPS桥面布置图
(2)线缆敷设
GPS天线电缆室外部分必须穿保护管到达GPS天线电缆从天线接下后,沿管路和桥架(或塔部爬架)接入GPS接收机。
进入箱粱内后,布局合理,不允许有小于90度扭折,塔顶监测点电缆沿爬架布设,但必须间隔3米有一个捆扎,充分考虑防雷防电涌。
(3)GPS方向
大桥GPS采用独立桥梁坐标系,X方向为顺桥向,方向由浦西指向浦东为正;Y方向为横桥向,方向由上游(南)指向下游(北)为正,Z方向垂直于桥面,方向竖直向上为正。
坐标系方向如下所示:
图35GPS方向图
3.2.1.3.GPS接收机安装
ØGPS接收机安置在机柜上,且保持机柜内温度在22℃±5;
Ø接收机连接串口服务器,RS232转换成RJ45端口;
ØRJ45直接接入到节点交换机,再通过光纤环网到达控制中心;
Ø接收机连接UPS电源输出的PDU的一路供电口。
3.2.1.4.防雷设施安装
(1)基站天线应用有防直击雷的防护措施,避雷针与铁塔作可靠电气连接。
天馈线严格按规范布置其接地点;尤其天馈线进入机房入口处的外侧接地至关重要,目的是让感应雷电流在入机房前漏入大地,保证通信设备的安全运行。
(2)GPS基站应有防直击雷的防护措施,如装设有避雷针或优化针,则应有两根Φ8园钢从针体尾部引出,引出线一方面与针体焊接,另一方面从两个方向与避雷带焊接。
(3)架空电力线和其他架空线的防雷措施一定要处理好,因为这是引雷重要途径,其防护措施有地埋和装设避雷地线等。
(4)电力线进入UPS之前,加装电力线电涌防护设备,隔离UPS和电力线。
进入通信终端前,加装通信线(数据线)电涌防护设备。
GPS的射频线进入主机前,加装电涌防护设备。
在户外设备,尤其是GPS天线附近架设直击雷防护设备、即独立的避雷针。
3.2.2索力计监测子系统
3.2.2.1.传感器安装
(1)索力计传感器抱箍在斜拉索上,索力安装高度为距离桥面3.5m处。
(2)传感器不锈钢外壳与屏蔽电缆连接处不允许硬性弯曲,屏蔽电缆同时需要安装固定。
传感器固定螺杆一定要牢固固定。
(3)七芯插头的焊接质量要求保证,安装时确保传感器七芯插头后面的电缆固定牢固,不能有一丝松动。
图36索力传感器安装图
图37索力传感器安装照片
3.2.2.2.设备安装
(1)设备电源线和配线的导线要求清洁、无肮化、软化及绝缘破裂等现象。
(2)接线处要求牢固,各处标记需醒目正确、不易褪色并与设计图一致。
(3)各电气部件要完好无损,内外清洁无灰尘、无腐蚀。
(4)各部件连接调试应正常。
3.2.3光纤光栅监测子系统
3.2.3.1.传感器安装
(1)表面安装应变计安装方案
1)安装面处理
a、打磨,焊接前用磨光机进行表面打磨。
b、使用酒精或其它挥发性液体清洁结构表面。
2)传感器安装
a、传感器安装等表面干燥后方能安装。
b、对于钢应变传感器,使用手持式点焊机分别在应变计的四个安装点上点焊焊接。
c、对于混
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- 大桥 结构 健康 监测 系统 专项 施工组织设计 1017