干货！长大桥梁养护——传感器篇

传感器子系统

一般规定

传感器子系统设计应包括传感器选型及监测位置选择、传感器性能参数和传感器布设。

传感器子系统可由荷载类、环境类和结构响应监测三类传感器组成、应能实现桥梁荷载数据、环境数据、结构各类响应数据的获取。


传感器分为埋入式和表贴式两类，其使用年限要求分别如下：

1）埋入式：预埋于结构内部、传感器及其附属设施（含预埋安装件）的正常使用年限应不低于20年；

2）表贴式：附着安装在结构表面，传感器及其附属设施（含标贴式安装所需预埋件、及必要的检修平台和通道）的正常使用年限应不低于5年。

传感器安装前应校准或标定，系统运维过程有应定期标定或自校。


传感器选型及测点选择

根据桥梁位置及结构特点，传感器类型及监测位置按表5 合理选择。

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传感器参数性能要求

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荷载类监测传感器布设要求

车辆荷载监测应符合下列规定：

1）宜采用动态称重设备监测，传感器宜布设于有稳定支撑的混凝土铺装层内，应覆盖所有车道；

2）车辆荷载设备宜采用不停车方式，动态称重系统传感器的设备宜采用不停车方式，动态称重传感器的设备技术参数和安装方法应符合 GB/T 21296（所有部分）的相关规定；

3）量程应不小于限载车辆轴重的200%；应具备数据自动菜鸡功能，现场存储能力不宜少于14天。


地震监测应符合下列规定：

1）地震监测宜采用强震动记录仪或三向加速度传感器监测；

2）地震监测宜考虑地面运动的非一致性，在梁侧与桥墩底部各设一套传感器。

船舶撞击荷载监测分为桥墩和主梁监测，桥墩监测宜采用加速度传感器监测，主梁监测宜采用拉绳式位移计监测，测点宜选择易受船舶撞击的位置。


环境类监测传感器布设要求

风速风向监测应采用三向超声风速仪或机械式风速仪，且应符合下列规定：

1）风速仪宜布设在桥面和塔顶，安装位置应使其能够监测自由场风速；

2）处于台风区域的桥梁，宜选择三向超声风速仪；

3）风速仪宜安装在专用钢结构支架上，支架应具有足够的刚度和强度，与桥体连接牢固，并满足抗风抗震要求；支架伸出桥梁箱梁主体结构上下翼缘两侧或伸出桥塔、拱顶宜不少于2m。特殊条件下，风速仪可以安装在桥梁辅助构件上，但应避免结构对风速仪测试数据的影响。


温度监测应符合下列规定：

1）温度监测宜选择热电偶温度传感器、热电阻温度传感器和光纤光栅温度传感器，每种类型的选择应依据监测构件、部位的特殊性以及应变传感器的选型等情况再确定；

2）温度传感器应布设在主梁跨中截面、桥塔、拱圈等关键构件，并根据截面温度梯度及结构体系整体升、降温和空间分布，通过有限元模拟或参考相关桥梁设计规范确定布设位置；

3）温度传感器的布设位置应避免太阳直射和传感器直接受力部位；温度传感器的布设位置宜与施工监控、应变温度补偿传感器共享；温度传感器的监测精度不宜低于±0.2℃，测量分辨率不宜低于 0.1°C。


湿度监测应符合下列规定:


1）湿度传感器宜选择毛发湿度计、干湿球湿度计、氯化鲤湿度计、电阻电容湿度计、电解湿度计，也可选择其他可靠的湿度计，应考虑监测构件、部位的特殊性后综合选择，且应固定在结构构件内外表面；

2）湿度传感器宜布设在结构内外湿度变化较大和对湿度敏感的构件内外部：对斜拉桥，宜在斜拉索的错头、箱梁内外布设：对悬索桥，宜在箱梁内外布设；

3）湿度传感器范围宜选择 0-100%RH: 湿度监测精度不宜低于 3%RH。


降雨量监测应符合下列规定：

1）隆雨量监测可选用电容雨量计、红外散射式雨量计、单翻斗雨量计，应根据监测构件和部位具体情况和要求选定：

2）雨量计的布设位置宜布设在桥面处。


结构响应类监测传感器布设要求

加速度传感器布设应符合下列要求

1）加速度监测传感器选型应符合下列要求：

对于基频较低的长大桥梁结构振动监测，应选用低频动态频响较好的力平衡或电容式加速度传感器；

对于自振频率较高的中小跨度桥梁结构或斜拉索、吊杆、吊索等钢构件，宜选用力平衡式或电容式加速度传感器，亦可选用压电式加速度传感器；

根据桥梁结构主要参与振动的振型，选择三向、双向或单向加速度传感器；

加速度传感器应买组现场使用环境匹配性、耐久性和工作温度的要求。

2）加速度传感器的布点设置应按照以下方法综合确定：

桥梁结构振动加速度监测应依据桥梁结构动力计算结果，考虑振型的特点以及所需要的监测振型数量综合确定；

测点传感器应布设在所测结构振型振幅最大和较大的部位，并应避开节点位置；

采用需要识别振型为目标的测点最优布设方法；

采用结构损伤识别与模型修正为目标的测点最优布设方法。

3）加速度监测传感器性能应符合下列要求：

力平衡加速度传感器和电容式加速度传感器频率范围0-100Hz，测量范围±2g，横向灵敏度小于1%；

压电式加速度传感器频率范围0.2-1000Hz，测量范围±2g，横向灵敏度小于1%。


应变传感器布设应符合下列规定：

1）应变测量可选用电阻应变计、振弦式应变计、光纤光栅应变计，需根据监测目的及要求选用；

2）应变计的选择应充分考虑测量结构在制作、养护、施工及服役阶段的环境条件。对于需要监测长期处于潮湿、易腐蚀及高电磁干扰的结构应变时，优先采用光纤光栅应变计；对于需要监测动荷载作用下的结构应变时，应采用电阻应变计及光纤光栅应变计；

3）电阻应变计可按全桥或半桥方式制作。传感器的测量片和补偿片应选用统一规格同一批号的产品。需要使用绝缘胶保护电阻应变计及裸露焊点；测点的链接应采用屏蔽电缆，导线的对地绝缘电阻值应在200MΩ以上；电缆屏蔽线应与被测物绝缘；测量和补偿所用链接电缆的长度和线径应相同；

4）电阻应变计及其连接电缆均应有可靠的防潮绝缘防护措施:电阻应变片及电缆的系统绝缘电阻不应低于 200MΩ；

5）不同材质的电阻应变计应使用不同的粘贴剂。在选用电阻应变片、粘贴剂和导线时，应充分考虑监测对象在制作、养护和施工工程中的环境条件；

6）振弦式应变计应按被测对象规格大小选择。仪器的可测频率范围应大于被测对象在最大加载时的频率的 1.2 倍。使用前应对钢弦式应变计逐个标定，得出应变与频率之间的关系；

7）光纤光栅应变计的性能参数应遵循以下条件:

光纤光栅进行退火处理，以保证其长期稳定性:

光纤光栅反射光 3 dB 带宽低于 0.25 nm;

光纤光栅反射率大于 90%;

边模抑制比应高于 15 dB;

对于 0.25 nm 的带宽，推荐光纤光栅的物理长度为 10 mm;

光纤光栅阵列波长间隔大于 3 nm;

传感器中心波长不超过+/-0.5 nm 的误差。


索力传感器布设应符合下列规定：

1）传感器应牢固固定在拉索或吊杆上；

2）传感器安装施工过程中应注意保护拉索或吊杆的防护套，以免造成防护套的损坏；不可避免造成防护套损坏的，应及时进行修复，修复后的防水防腐能力不低于原防护套；

3）施工过程中发现拉索或吊杆的防护套与其内部的钢绞线或钢丝束不密贴、影响监测效果的，应及时联系系统设计单位进行相关变更设计。


腐蚀监测传感器布设应符合下列规定：

1）腐蚀监测传感器测定的电流和电位差应能判别钢筋混凝土的腐蚀进程；

2）传感器安装应选择与桥梁结构钢筋及保护层匹配的方式。


GNSS 传感器布设应符合下列规定：

1）安装立柱高度应满足设计要求，且安装完成后，天线设备必须在避雷针的保护范围内；

2）立柱安装应牢固可靠，垂直度满足验收技术要求；

3）基准站场地应满足:

视野开阔，天线对水平 15° 以上的天空通视；

靠近桥梁，距监测点的距离最远不宜超过 8 km；

尽量靠近数据传输网络节点;

4）监测站场地应满足：天线对水平 10°以上的天空通视；

5）接线时，应采取措施确保屏蔽线接地良好。


应变计布设应符合下列规定：

1）埋入式混凝土应变计安装应牢固可靠且避免与钢筋直接接触，应采取必要的防护措施以免凝土浇筑振捣过程中传感器移位或损坏；

2）埋入式钢筋应变计安装宜采用螺纹套筒等机械连接方式与钢筋连接；若采用焊接工艺，应采取降温措施避免高温损坏传感器和线缆；

3）混凝土表贴式应变计安装宜采用化学螺栓稳妥地将传感器底座锚固在混凝土结构中，应变计保护盒及底座设计应方便电缆出线和固定；

4）钢结构表贴式应变计安装宜采用先焊接固定底座，待隆温后再安装传感器的方式，应变计保护盒及底座设计应方便电缆出线和固定:

5）接线时，应保持屏蔽线接地良好；

6）传感器防尘、防水保护措施符合设计要求。


来源：长大桥梁养护指南 第1部分：结构安全监测系统布设指南

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