精品資料（2021-2022年收藏）課題現(xiàn)代橋梁健康安全監(jiān)測系統(tǒng)

1、現(xiàn)代橋梁健康安全監(jiān)測系統(tǒng)目 錄一、傳統(tǒng)橋梁結構檢查與評估概述1二、現(xiàn)代橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)概述2三、健康監(jiān)測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀3四、健康監(jiān)測系統(tǒng)實施現(xiàn)狀5五、健康監(jiān)測系統(tǒng)應用效果與存在問題9六、健康監(jiān)測系統(tǒng)改善建議與發(fā)展前景10一、傳統(tǒng)橋梁結構檢查與評估概述橋梁在建成后，由于受到氣候、腐蝕、氧化或老化等因素，以及長期在靜載和活載的作用下易于受到損壞，相應地其強度和剛度會隨時間的增加而降低。這不僅會影響行車的安全，并會使橋梁的使用壽命縮短。為保證大橋的安全與交通運輸暢通，加強對橋梁的維護管理工作極為重要。橋梁管理的目的在于保證結構的可靠性，主要指結構的承載能力、運營狀態(tài)和耐久性能等，以滿足預定的功能要求。

2、橋梁的健康狀況主要通過利用收集到的特定信息來加以評估，并作出相應的工程決策，實施保養(yǎng)、維修與加固工作。評估的主要內(nèi)容包括：承載能力、運營狀態(tài)、耐久能力以及剩余壽命預測。承載能力評估與結構或構件的極限強度、穩(wěn)定性能等有關，其評估的目的是要找出結構的實際安全儲備，以避免在日常使用中產(chǎn)生災難性后果。運營狀態(tài)評估與結構或構件在日常荷載作用下的變形、振動、裂縫等有關。運營狀態(tài)評估對于大橋工件條件的確認和定期維修養(yǎng)護的實施十分重要。耐久能力評估側重于大橋的損傷及其成因，以及其對材料物理特性的影響。傳統(tǒng)上，對橋梁結構的評估通過人工目測檢查或借助于便攜式儀器測量得到的信息進行。人工橋梁檢查分為經(jīng)常檢查、定期檢

3、查和特殊檢查。但是人工橋梁檢查方法在實際應用中有很大的局限性。美國聯(lián)邦公路委員會的最近調查表明，根據(jù)目測檢查而作出的評估結果平均有56%是不恰當?shù)?。傳統(tǒng)檢測方式的不足之處主要表現(xiàn)在：（i）需要大量人力、物力并有諸多檢查盲點?，F(xiàn)代大型橋梁結構布置極其復雜，構件多且尺寸大，加之大部分的構件和隱蔽工程部位難于直接接近檢查，因此，這對現(xiàn)代大型橋梁尤其突出；（ii）主觀性強，難于量化。檢查與評估的結果主要取決于檢查人員的專業(yè)知識水平以及現(xiàn)場檢測的經(jīng)驗。經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，雖然橋梁的分析設計與施工技術已日趨完善，但對某些響應現(xiàn)象，尤其是損傷的發(fā)展過程，尚處于經(jīng)驗積累中，因此定量化的描述是很重要的；（ii

4、i）缺少整體性。人工檢查以單一構件為對象，而用于現(xiàn)代機械、光學、超聲波和電磁波等技術的檢測工具，都只能提供局部的檢測和診斷信息，而不能提供整體全面的結構健康檢測和評估信息；（iv）影響正常交通運行。對于較大型的橋梁通常需要搭設觀察平臺或用觀測車輛，無可避免需要實施交通控制；（v）周期長，時效性差。大型橋梁的檢查周期可達經(jīng)年。在有重大事故或嚴重自然災害的情況下，不能向決策者和公眾提供即時信息。二、現(xiàn)代橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)概述由于人工橋梁檢查程序和設施無法直接和有效地應用于大型的橋梁檢測上。因此有必要建立和發(fā)展橋梁結構健康監(jiān)測與安全評估系統(tǒng)用以監(jiān)測和評估大橋在運營期間其結構的承載能力、運營狀態(tài)和耐久能

5、力等。橋梁監(jiān)測系統(tǒng)綜合了現(xiàn)代傳感技術、網(wǎng)絡通訊技術、信號分析與處理技術、數(shù)據(jù)管理方法、知識挖掘、預測技術及橋梁結構分析理論等多個領域的知識，極大地延拓了橋梁檢測領域，提高了預測評估的可靠性。當橋梁結構出現(xiàn)損傷后，結構的某些局部和整體的參數(shù)將表現(xiàn)出與正常狀態(tài)不同的特征，通過安裝傳感器系統(tǒng)拾取這些信息，并識別其差異就可確定損傷的位置及相對的程度。通過對損傷敏感特征量的長期觀測，可掌握橋梁性能劣化的演變規(guī)律，以部署相應的改善措施，延長橋梁使用壽命。監(jiān)測系統(tǒng)為橋梁評估提供即時客觀的依據(jù)，但由于資源等方面所限，就目前情況而言，傳感器系統(tǒng)不可能涵蓋所有構件。此外，由于對大型橋梁在復雜環(huán)境下響應的認識與經(jīng)驗

6、的限制，也會導致對某些關鍵性部位監(jiān)測的不足。大橋損傷大致可分為結構性損傷與非結構性損傷兩大類。用于結構性損傷檢測和非結構性損傷檢測的傳感器種類和布置截然不同。此外，非結構性損傷雖然不會減弱結構的承載能力與耐久性，但對橋梁的正常運營造成隱患。大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能包括：（i）監(jiān)測大橋的結構安全及運營狀況；（ii）提供大橋定期維修養(yǎng)護所需要的信息；（iii）檢驗大橋設計假定和設計參數(shù)的可靠性和準確性。我們特別強調健康監(jiān)測系統(tǒng)能服務于大橋的定期維修與管理。這一功能將通過建立專門的構件危險及易損性評級系統(tǒng)和基于整體檢測與局部檢測評估體系相結合來實現(xiàn)。，建立一個技術先進、穩(wěn)定高效的橋梁健康監(jiān)測和安全

7、評價系統(tǒng)，對于提升橋梁工程的設計、施工和管理水平亦具有十分重要的意義。圖1 橋梁健康監(jiān)測構架圖三、健康監(jiān)測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀橋梁結構健康監(jiān)測與安全評價系統(tǒng)涉及的研究范圍包括：傳感器優(yōu)化布設與系統(tǒng)集成研究，數(shù)據(jù)采集、處理、顯示及存儲研究，結構狀態(tài)評估研究。傳感器的優(yōu)化布設(傳感器類型，位置和數(shù)量)對監(jiān)測結果起決定作用。由于客觀因素的制約，傳感器的數(shù)量總是有限的，如何布設有限數(shù)量的傳感器從噪聲信號中實現(xiàn)對結構狀態(tài)改變信息的最優(yōu)采集，是大跨度橋梁健康監(jiān)測的關鍵技術之一。系統(tǒng)集成是將系統(tǒng)內(nèi)不同功能的子系統(tǒng)在物理上、邏輯上和功能上連接在一起，以實現(xiàn)信息綜合分析和管理。系統(tǒng)集成是橋梁監(jiān)測系統(tǒng)智能化程度的重要標志

8、，旨在實現(xiàn)資源共享和信息綜合，其發(fā)展方向是“一體化集成”和開放的分布式網(wǎng)絡結構系統(tǒng)，與外部各種通信網(wǎng)絡互聯(lián)，構成信息高速公路的一個節(jié)點或廣義的“信息點”。數(shù)據(jù)采集、處理、存儲及提取是橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的重要內(nèi)容。應向滿足多媒體、同步化、寬帶化、高速率、大容量等信息傳輸?shù)囊蠓较虬l(fā)展，保證系統(tǒng)進行連續(xù)、同步的實時數(shù)據(jù)采集，及時有效地處理、分析、存儲和管理龐大的數(shù)據(jù)流。橋梁結構狀態(tài)評估是橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的核心和目標。借助于有限元分析模型和大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計、系統(tǒng)識別和模式識別的方法，評估橋梁結構的環(huán)境和條件狀態(tài)，監(jiān)測結構性能及其退化趨勢。系統(tǒng)識別法以結構系統(tǒng)模型和模型估計(或修正)為基礎，通過識別模型

9、參數(shù)的變化來實現(xiàn)結構狀態(tài)監(jiān)測與損傷診斷?；谔卣鞯哪Ｊ阶R別法是利用傳感器信號的適當特征，通過模式分類過程來辨識結構的變化。所謂“特征”是由測量數(shù)據(jù)轉換得到的、反映結構狀態(tài)分類本質的量。振動模態(tài)參數(shù)是最早用來識別結構損傷的特征，目前得到普遍認同的一種最實用的方法就是結合系統(tǒng)識別、振動理論、振動測試技術、信號采集與分析等跨學科技術的試驗模態(tài)分析法。這種方法大致可分為模型修正法和指紋分析法兩大類。隨著現(xiàn)代傳感技術、計算機與通訊技術、信號分析與處理技術及結構振動分析理論的迅速發(fā)展， 大型橋梁結構健康監(jiān)測與安全評價技術， 近年來已成為國內(nèi)外工程界和學術界關注的熱點。從目前理論研究狀況來看: 近年來， 結

10、構健康監(jiān)測領域涌現(xiàn)了大量的研究論文， 這些論文的研究內(nèi)容包括智能傳感器、傳感器的優(yōu)化布置、數(shù)據(jù)的無線傳輸、損傷識別方法、橋梁狀態(tài)評估、橋梁生命周期管理養(yǎng)護等。此外， 還舉辦了許多以結構健康監(jiān)測為主題的國際會議， 如:國際健康監(jiān)測研討會、歐洲健康監(jiān)測研討會、新型結構健康監(jiān)測研討會和智能結構和健康監(jiān)測會議。另外， 國際模態(tài)會議、SP IE 年會、歐洲智能結構和材料會議、國際結構控制會議等都有結構健康監(jiān)測和損傷識別的專題。此外， 很多研究者正致力于研究并制定橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計指南和規(guī)范， 如: L auzon 等研究者提出了一個橋梁監(jiān)測系統(tǒng)設計建議; 美國Dex rel大學的A k tan 教授

11、等制定了比較詳細的健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計指南; 加拿大IS IS 組織的主席M uf t i 教授也主持起草了一份結構健康監(jiān)測指南。英國的研究者制定了一個指導健康監(jiān)測系統(tǒng)設計的指南。香港理工大學以高贊明教授為首的課題組也正致力于研究制定專門用于大跨索橋監(jiān)測系統(tǒng)的設計指南。鑒于橋梁結構健康監(jiān)測與安全評價系統(tǒng)已在世界上得到廣泛應用，國際橋梁協(xié)會于2003年7月在瑞士決定制訂有關橋梁結構健康監(jiān)測的國際規(guī)程，以指導和推動該項技術在各國的應用。四、健康監(jiān)測系統(tǒng)實施現(xiàn)狀隨著現(xiàn)代傳感技術、計算機與通訊技術、信號分析與處理技術及結構振動分析理論的迅速發(fā)展，大型橋梁結構健康監(jiān)測與狀態(tài)評估近年來已成為國內(nèi)外工程界和學

12、術界關注的熱點。橋梁結構健康監(jiān)測與安全評價系統(tǒng)總的目標是通過測量反映大橋環(huán)境激勵和結構響應狀態(tài)的某些信息，實時監(jiān)測大橋的工作性能和評價大橋的工作條件，以保證大橋的安全運營及為大橋的養(yǎng)護維修提供科學依據(jù)。與傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測方法(包括眾多的無損檢測技術)不同，橋梁結構健康監(jiān)測與安全評價系統(tǒng)重在診斷可能發(fā)生結構損傷或災難的條件和環(huán)境因素，評估結構性能退化的征兆和趨勢，以便及時采取養(yǎng)護維修措施。而傳統(tǒng)的檢測方法重在損傷發(fā)生后檢查損傷的存在并采取維修加固的手段，因此，橋梁結構健康監(jiān)測與安全評價系統(tǒng)的概念具有革命性的變革。通過對傳感器的革新和自動遠程監(jiān)控技術的更新?lián)Q代，橋梁結構健康監(jiān)測與安全評價系統(tǒng)正向簡單

13、易裝、經(jīng)濟可行、持久可靠的方向發(fā)展，并已在世界許多大橋得到應用。表1列出了世界上安裝監(jiān)測系統(tǒng)的部分橋梁，其中陽邏長江大橋、北京清河橋以及南寧大橋為我院承接，表2、表3為傳感器裝備情況，表4為健康監(jiān)測系統(tǒng)投資情況。表1安裝健康監(jiān)測系統(tǒng)的部分橋梁橋梁名稱結構類型跨度（米）位置昂船洲橋斜拉橋1018中國香港西部通道斜拉橋210中國香港汀九橋斜拉橋127+448+475+127中國香港汲水門橋斜拉橋160+430+160中國香港南京二橋斜拉橋628中國徐浦大橋斜拉橋590中國Skarsundet斜拉橋240+530+240挪威Rama IX斜拉橋166+450+166泰國Jindo斜拉橋70+344+

14、70韓國New Haeng Ju斜拉橋160+120+100韓國柜石島橋斜拉橋700日本多多羅橋斜拉橋890日本Normandie橋斜拉橋856法國大佛寺橋斜拉橋198+450+198中國南京三橋斜拉橋257+648+257中國杭州灣跨海橋斜拉橋448中國蕪湖橋斜拉橋180+312+180中國清河橋斜拉橋108+66+36中國潤揚橋斜拉橋/懸索橋406/1490中國江陰橋懸索橋1388中國虎門橋懸索橋888中國陽邏橋懸索橋1280中國青馬橋懸索橋455+1375+300中國香港明石橋懸索橋960+1991+960日本南備贊瀨戶橋懸索橋274+1100+274日本Great Belt橋懸索橋53

15、5+1624+535丹麥Namhae橋懸索橋128+404+128韓國Yeongjing橋懸索橋505韓國菜園壩鋼箱系桿拱102+420+88中國錢江四橋鋼管拱橋2190+789中國盧浦橋全鋼拱橋550中國南寧橋蝴蝶拱橋300中國Commodore Barry橋鋼桁架橋501美國HAM 42-0992連續(xù)梁17+24+17美國石板坡橋連續(xù)剛構330中國Taylor橋簡支梁533加拿大表2國內(nèi)部分橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)傳感器 橋傳感器昂船洲橋西部通道 青馬大橋汲水門橋汀九大橋虎門大橋江陰大橋錢江四橋南京三橋蘇通大橋潤揚大橋陽邏大橋風速儀2476272482溫度計48811811522483264032

16、1376493振動傳感器606617645812302817356位移計4422281238應變計 3201561103012824641820132振弦式應變儀140840光纖傳感器87601296磁感應傳感器71242水平儀95車軸車速儀226662GPS1014+2677+11458125EM測力2436傾角儀106全站儀12+2電子測距1/16攝像儀162腐蝕1622422氣壓計23濕度計2366雨量計23表3國外部分橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)傳感器 橋名傳感器明石大橋南備贊瀨戶橋柜石島橋Great BeltHAM 42-0992Commodore Barry橋Taylor大橋風速儀9444溫度

17、計201+120加速度計102723216位移計76617焊接式應變儀818+45626振弦式應變儀10148光纖傳感器65車軸車速儀2GPS3速度計12傾角儀2+136攝像儀4表4 部分橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)投資橋名橋型跨度(米)時間系統(tǒng)投資青馬大橋懸索橋455+1375+30019972000萬英鎊汀九橋斜拉橋127+448+475+127汲水門橋斜拉橋160+430+160江陰橋懸索橋138819992800萬人民幣南京三橋斜拉橋257+648+25720041130萬人民幣陽邏大橋懸索橋128020061001萬人民幣菜園壩大橋鋼箱系桿拱102+420+882007880萬人民幣清河大橋斜拉

18、橋108+66+362007255萬人民幣南寧大橋蝴蝶拱橋3002008420萬人民幣鄂東橋斜拉橋92620081300萬人民幣五、健康監(jiān)測系統(tǒng)應用效果與存在問題從橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)實踐應用效果來看，建立健康監(jiān)測系統(tǒng)的大橋，基本上能夠實時獲得橋梁結構應力、變形以及變位等參數(shù)，用以實時評估橋梁實際工作狀態(tài)和預測橋梁功能變化，給管理部門及時作出合理維修策略提供重要依據(jù)。有的監(jiān)測系統(tǒng)準確記錄了大橋經(jīng)歷船撞擊等突發(fā)情況下的響應，并判斷出大橋是否因此而損壞，使管理部門作出了準確而及時的決策反應。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是一個正在逐漸被學術界和工程界廣泛接受并應用的新課題，在目前的實際工程應用實踐中，尚存在一些比較

19、普遍的問題：（i） 缺乏統(tǒng)一標準， 系統(tǒng)規(guī)模差異性較大，有的系統(tǒng)安裝了上千個傳感器，有的系統(tǒng)則僅安裝了幾十個傳感器；（ii）傳感器選型與布設合理性有待商榷。部分傳感器精度或耐久性不夠，有的測點布置不合理，由于有些橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)并不是由橋梁專業(yè)人員設計，或者這些設計者缺乏豐富的橋梁檢測與評估經(jīng)驗，使得其測點的布設不甚合理，導致目前橋梁監(jiān)測系統(tǒng)測點布置規(guī)模差異性較大，造成投資浪費或關鍵數(shù)據(jù)缺失； （iii）健康監(jiān)測系統(tǒng)本身的使用壽命難以得到保證，傳感器壽命和傳輸線路長期使用是否暢通是影響到監(jiān)測系統(tǒng)使用壽命的關鍵；（iv）環(huán)境影響及測量噪聲難以完全消除，降低了監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。測量數(shù)據(jù)的不完整性，

20、給分析帶來困難；（v）有些大橋的健康監(jiān)測系統(tǒng)獲取了海量數(shù)據(jù)，但是未有效及時的處理，分析人員缺乏足夠的橋梁知識，造成數(shù)據(jù)災難；（vi）橋梁健康狀況評價體系不完備。有些橋梁監(jiān)測系統(tǒng)雖然監(jiān)測到了大量數(shù)據(jù)，但是由于評估理論本身不完善及部分橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)評估模塊的建立缺乏有經(jīng)驗的橋梁評估專業(yè)人員，使得監(jiān)測到的有效數(shù)據(jù)未能有效應用于橋梁狀況評估之中；（vii） 理論與實踐及相關系統(tǒng)的有機結合需要加強。健康監(jiān)測領域涌現(xiàn)了大量的研究論文，但目前有些理論并不能有效應用于工程實踐；健康系統(tǒng)由許多子系統(tǒng)組成，如何將這些子系統(tǒng)更有效的結合起來進行評估需要進一步研究。六、健康監(jiān)測系統(tǒng)改善建議與發(fā)展前景針對目前橋梁檢測

21、系統(tǒng)出現(xiàn)的問題， 我們有必要加強研究， 更進一步優(yōu)化監(jiān)測技術、完善健康監(jiān)測以及安全評價理論。結合我公司長期從事橋梁研究的實際經(jīng)驗，我們提出一些健康監(jiān)測系統(tǒng)的改善建議，以做到在現(xiàn)有技術水平的基礎上，設計出功能全面、性能優(yōu)良、穩(wěn)定耐久、經(jīng)濟合理的切合大橋管理實際維護要求的橋梁健康監(jiān)測與安全評價系統(tǒng)。（i）采用健康監(jiān)測系統(tǒng)與傳統(tǒng)檢查方法相結合進行大橋管理維護的新策略，發(fā)展數(shù)字電子管養(yǎng)系統(tǒng)。建立好大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)后，理論上只需一臺可以上網(wǎng)的電腦，就可以在世界任何地方對大橋的工作狀況了如指掌。當然，實時健康監(jiān)測系統(tǒng)雖可為橋梁評估提供即時客觀的依據(jù)，但一方面由于資源、成本等方面的限制，就目前情況而言， 傳

22、感器系統(tǒng)不可能涵蓋大橋的所有構件。此外，由于現(xiàn)階段對大型橋梁在復雜環(huán)境下的響應的認識與經(jīng)驗的限制，也會導致對某些關鍵性部位監(jiān)測不足。因此，在現(xiàn)有的技術水平下，要避免完全依賴健康監(jiān)測系統(tǒng)的進行橋梁工作狀態(tài)評估的思想，應該適當與傳統(tǒng)的檢查方法結合對大橋進行管理維護。健康監(jiān)測系統(tǒng)主要負責全橋整體工作性能、與橋梁安全直接相關的關鍵點的監(jiān)測以及突發(fā)事件的報警，從總體上把握全橋的工作狀態(tài)，而傳統(tǒng)檢查方法應與健康系統(tǒng)結合一起對某些局部位置進行檢查。如果能將橋梁人工檢查與先進健康監(jiān)測系統(tǒng)有機的結合起來，那么現(xiàn)存檢測方法中的許多不足之處可有效消除。橋梁管理維護的新策略如圖2所示，它綜合了傳統(tǒng)的人工檢查方法與現(xiàn)代

23、監(jiān)測技術的長處。圖2 現(xiàn)代橋梁維護策略健康監(jiān)測系統(tǒng)在橋梁維護管理中的作用是根據(jù)傳感器系統(tǒng)的測量值或其衍生量對橋梁整體與局部作出合理評估。其中，評估式維護工作指對橋梁構件的不正常表現(xiàn)作出即時診斷并找出其根源。預測性維護旨在及早發(fā)現(xiàn)災難性破壞的隱患，以便能采取措施加以消除或最低程度對其進行控制和延緩。從這個意義上說，完整的大橋健康記錄對大跨度橋梁的健康狀態(tài)作出明確清晰的預測評估是十分重要的。預防性維護通過定期的現(xiàn)場檢查來落實，由目測或借助某些儀器對那些尚不明晰的問題進行記錄分析，例如腐蝕、徐變等。當檢測出橋梁有損傷發(fā)生時，就需要對其進行加固，這是顯然的。在大橋整個設計使用壽命內(nèi)，在確保大橋安全可靠

24、運營前提下，使維護管理保持在相對較低的穩(wěn)定水平，這是引進結構健康監(jiān)測與安全評估系統(tǒng)的終極意義之所在。（ii）充分利用好健康監(jiān)測系統(tǒng)初期數(shù)據(jù)。從當前實際應用的橋梁健康系統(tǒng)來看，健康監(jiān)測系統(tǒng)本身的使用壽命難以保證，而在大橋投入使用初期健康監(jiān)測系統(tǒng)各子系統(tǒng)工作狀況較好，因此，我們認為應該充分利用這段時間實時健康監(jiān)測系統(tǒng)所監(jiān)測的結果，建立起大橋健康工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)庫，為以后的損傷識別和評估提供強有力的依據(jù)，且通過這段時間的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，找準橋梁各構件的變化趨勢，建立起精確可靠的預測模式，為制定長期穩(wěn)定的檢查維護計劃作準備。（iii）保證關鍵測點數(shù)據(jù)的長期正常采集。橋梁健康系統(tǒng)工作若干年后，一般都會有一個系統(tǒng)老化的問題，部分傳感器和傳輸線路不能正常工作，造成數(shù)據(jù)不能正常采集。切合當前實際情況，我們的思路是系統(tǒng)運行若干年后，要保證與橋梁安全直接相關的關鍵點仍然能正常運行，這些關鍵點是通過橋梁結構分析、實橋經(jīng)驗以及前期健康監(jiān)測數(shù)據(jù)確定，在這些關鍵點選擇耐久性好且易于更換的傳感器，以確保該點數(shù)據(jù)的長期正常采集。（iv）合理的選擇與使用傳感器。從目前健