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港珠澳 大桥正式开通背后的桥梁健康监测传感器应用

作者:深圳铭之光 发布时间:2018-10-24 15:15:39
  2018年10月24日上午9时,世界最 长跨海大桥港珠澳大桥正式通车营运。这一世纪工程,因建设周期史上最长、投资最多、施工难度最大,被誉为桥梁界的“珠穆朗玛峰”,曾被外媒称为“现代世 界七大奇迹之一”。据不完全统计,在9年的漫 长施工建设过程中,大桥至 少用到了上千种传感器,它们构 成了这一伟大工程的高精密感知系统。那么,港珠澳 大桥都用到了哪些关键的传感器监测技术呢?下面,小编就 来为您介绍一下。
 


航拍下的港珠澳大桥,大桥全长约55公里,其中主体工程包括22.9公里的桥梁、6.7公里的海底隧道,以及连 接隧道和桥梁的东西人工岛。通车后,香港到 珠海的陆路交通,将从以前的3个小时缩减到30分钟。
 
  地震安 全监测与评估系统:加速度 传感器监测桥梁振动信号
 
  首先,地震安 全监测与评估系统,可为港 珠澳大桥通车后的安全运行保驾护航。港珠澳 大桥地处珠江口,台风频繁,其位于抗震设防烈度7度的地震高风险区,因此非常有必要对大桥配置地震安 全监测与评估系统。
 


目前,国内桥 梁一般设计使用寿命是100年,而港珠 澳大桥设计使用寿命120年,可抗八级地震和16级台风,允许三 十万吨级油轮通过。
 
  该系统 主要由振动监测、事故预警、健康评估、地震风 险评估四部分构成。在该系 统的仪器设备方面,在港珠 澳大桥多个桥段的关键位置,布设了加速度传感器,负责对 桥梁振动信号进行精确测量,从而反 映大跨度桥梁的动力特性。
 
  据了解,该系统 现已成功用于广东虎门大桥、黄埔大桥、九江大 桥等多座特大型桥梁上。目前,其升级后的“重大建 构筑物地震安全性在线监测与评估系统”,安装在 乐昌水利枢纽和中国散裂中子源等重大工程结构和重大科学装置上。
 


图为今年9月份,超强台风“山竹”肆虐后 的港珠澳大桥香港段。
 
  隔震橡 胶支座健康监测系统:液压测 力传感器监测桥梁受力情况
 
  根据港 珠澳大桥运营的重要性和特殊工况需求,要求桥梁能抵抗16级以上台风,这让该 工程成为目前对抗台风最严苛要求的国内桥梁工程。对此,港珠澳 大桥采用的测力隔震橡胶支座,很好地 解决了这一难题。
 
  隔震橡 胶支座健康监测系统,由液压测力装置、变送器 和测试仪表系统组成。在支座 内部安装有液压测力传感器,液压测 力传感器的变送器及接口布设在支座外围并接至测试仪表。
 


港珠澳 大桥采用的测力抗风隔震橡胶支座,资料图
 
  当支座受力时,力通过 挤压液压测力传感器,液压测力传感器就能准确感知压应力,并通过 压力变送器转换成电流信号输送到控制室,并在控 制室内的计算机系统准确显示出来。这样一来,控制室 内的技术维护人员,就可随 时观测桥梁的受力情况,实时评 估桥梁运营的健康状况了。
 


2017年5月2日,港珠澳 大桥沉管隧道最终接头进行吊装对接。钢壳混 凝土结构的最终接头构件,入水后受洋流等影响,姿态会发生变化。为保证 让最终接头在误差15厘米范围内成功安装,接头四 个角都安装上了GPS定位系统。
 
  沉管运 动姿态实时监测系统:高精度MEMS陀螺仪、倾角传 感器监测管节运动姿态
 
  港珠澳 大桥的海底隧道,在海平面以下最深40多米的地方,是世界 上唯一的深埋沉管隧道。建设时,需把这 些又长又重的巨大混凝土沉管,运输到施工海域,安装到海底基槽中。
 
  沉管就 像海底的大钟摆,需精确测量其左右、上下以 及倾角方向上的摆幅。深水又 导致了沉管运动的超低频特点,如果传 感器没有极高的灵敏度,压根不可能测到。另外,沉管在安装前,要进行 几十个小时的准备工作,测量仪 器在水中时间长了可能会出现虚假波动,即“零漂”,影响测试结果。这就需 要选择灵敏度极高的传感器,才能实现精确测量。
 


2017年7月,港珠澳 大桥海底隧道最终接头。
 
  在港珠 澳大桥海底沉管隧道实现最后对接的合龙过程中,专为港珠澳大桥量身定制的沉管运 动姿态实时监测系统,通过采 用监测管节运动姿态的方法,对整个 合龙过程进行了有效的监测。具体来说,采用国内目前最先进、灵敏度最高的MEMS陀螺仪和倾角传感器,以及航 空航天导航制导专用设备,在管节 的前后端分别设置测试点,并在关键的前端设置6支备份传感器,从而保 证了测试信号的准确可靠。
 
  此外,在海底 隧道遍布各处的传感器,可对隧道内的风速、温度、气压差,以及二氧化碳、氮氧化 物和微颗粒的浓度等参数进行实时监测。当有相 应指标超出预设范围时,通过控 制隧道内的通风系统,从而保 证在海底隧道内提供舒适、安全、畅通的行车环境。
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