橋梁健康監(jiān)測講義

PAGEPAGE15橋梁健康監(jiān)測第一節(jié)緒論隨著橋梁分析理論、施工技術、材料性能的迅速發(fā)展，橋梁跨度越來越大。斜拉橋跨度已達到890m（日本多多羅大橋），連接江蘇南通與蘇州的蘇通大橋主橋斜拉橋跨度超過1080m；懸索橋跨度已達到1991m（日本明石大橋），國內潤揚大橋為1490m，江陰大橋為1385m，鋼拱橋最大跨度為上海盧浦大橋（550m），鋼管混凝土拱橋為巫峽長江大橋（460m）。橋梁結構越來越柔，跨徑越來越大，不僅要求精確嚴密的計算與施工技術，而且對橋梁建成后的安全養(yǎng)護提出了更高的要求。大型橋梁的生命過程一般包括規(guī)劃與論證、設計、施工、運營管理以及養(yǎng)護維修等幾個階段，以往人們往往主要只關注設計與施工階段，由于投資巨大、重要性突出，大型橋梁的總體規(guī)劃也日益受到重視。雖然合理、保守的設計是結構安全的根本保證，但是限于當前對于大型復雜結構的認識程度及許多不定時或不可預測因素，比如超期服役、腐蝕、疲勞、撞擊、爆炸、地震、洪水、颶風等自然災害，人們難以進行預測與控制，為了確保大型復雜結構特別是大型橋梁的使用安全與耐久性，時時了解其健康狀況是非常重要的。大型橋梁在建成后，缺乏科學監(jiān)測與管理對橋梁狀態(tài)的影響日益突出，國內如廣州海印橋的部分斜拉索因銹蝕而突然斷裂，濟南黃河公路大橋的斜拉索也發(fā)生嚴重銹蝕而被迫提早更換，宜賓小南門金沙江拱橋吊桿斷裂造成人車墜入江中；遼寧盤錦田臺莊大橋掛梁突然落下，墜入遼河。在國外，大型橋梁的突然倒塌與破壞事故也屢見不鮮，如1994年韓國漢城圣水大橋在上班時刻跨中央斷塌50m，造成32人死亡，17人重傷的重大事故；2007年7月，美國明尼蘇達州首府橫跨運河的大橋在交通高峰期間突然坍塌，造成8人死亡，100余人受傷的重大事故。在西方發(fā)達國家，大規(guī)模的交通基礎設施建設高潮已經(jīng)成為過去，目前主要任務和重點是大量路橋的維修、加固和改造。根據(jù)美國土木工程師協(xié)會（ASCE）2004年公布的調查結果：美國有35％的橋梁在結構或使用上存在缺陷或老化，未來20年內治理橋梁病害、維修加固橋梁的開支預期將達到9000億美元。以福建省為例，由于橋梁老化、超載、設計與施工存在缺陷、損傷、自然災害以及監(jiān)測與養(yǎng)護管理不力等原因，危橋數(shù)量不斷增長。根據(jù)福建省1999年的橋梁普查結果，專養(yǎng)公路橋梁總數(shù)和危橋數(shù)量分別為7169/139座，危橋已占公路橋梁總數(shù)的2.6%；2002年的普查表明：危橋總數(shù)已達186座，比1999年增長了33.8%。據(jù)2005年福建省全省國、省道橋梁普查結果：截止2005年12月份，全省橋梁（高速公路橋梁除外）總共有11601座、560863延米（其中特大橋47座，205554.4延米；大橋847座，205554.3延米；中橋2156座，121029.8延米；小橋8551座，152350.3延米）；其中危橋有587座，23274延米，比2002年增長了215.6%。一些大型橋梁，如福州洪塘大橋、漳州郭坑大橋、福州閩江二橋、三明下洋橋、連江解放大橋等國省道橋梁的病害就曾經(jīng)比較嚴重地影響了當?shù)亟煌ê徒?jīng)濟的發(fā)展?，F(xiàn)在每年用于危、舊橋梁改造加固的費用在飛快增長，而且還遠遠不能滿足實際需求。然而，在當前的橋梁養(yǎng)護工作中存在許多不足：(1)工作效率低。橋梁的檢查主要是有技術人員到橋梁現(xiàn)場定期檢查，查看一座橋梁需花費一個人半天或一天的時間，工作效率低，不適合現(xiàn)代大量橋梁養(yǎng)護護理的要求。(2)準確性差。目前現(xiàn)有橋梁評估體系主要有交通部公路科學研究開發(fā)的中國公路橋梁管理系統(tǒng)（ChinaBridgeManagementSystem）,該系統(tǒng)在我國的公路橋梁養(yǎng)護管理上得到了廣泛的應用，但是其橋況數(shù)據(jù)基本上以人工采集為主，需通過檢查人員到橋梁現(xiàn)場進行目視檢查獲得外部現(xiàn)狀，通過各種外部特征來綜合判斷橋梁狀況。由于技術人員用肉眼檢查橋梁的現(xiàn)狀，工作中存在隨意性，在橋梁病害尺度的把握上存在著人為差別，而對于肉眼無法看出的危險情況則又無法準確的把握，使得通過該系統(tǒng)的評價結論的準確性較差。(3)養(yǎng)護費用高。橋梁養(yǎng)護的經(jīng)費主要用于橋梁的加固、改造，由于缺乏預防性養(yǎng)護的投入，造成“出現(xiàn)大病后花大錢治”的現(xiàn)狀。(4)安全性低。由于橋梁的數(shù)量巨大，而技術人員和設備的有限，導致無法對運營中的所有（或大部分）橋梁進行有效的橋況評估，時常遺漏一些危橋的重要信息而發(fā)生車毀人亡的事故。對于近二十年建成的大型橋梁，大部分建立了以收繳過橋費為主要職能的橋梁管理機構，但是健康監(jiān)測、養(yǎng)護與維修得不到應有的重視，往往是在出現(xiàn)問題后才亡羊補牢。對于存在缺陷或安全隱患的橋梁，全部予以更換不僅需要大量的資金而且要封閉交通，一般來說是不足取的一種方式；由于資金有限，也不可能一次性全部進行加固改造，需要區(qū)分輕重緩急，需要對橋梁狀態(tài)作出科學準確的評判。由于大型橋梁的復雜性，傳統(tǒng)的人工檢測方法由于其滯后性、效率低，造成橋梁管理成本的提高與資源配置的不合理，已跟不上橋梁發(fā)展需求，也不符合經(jīng)濟運作的規(guī)律。在這種情況下，建立橋梁健康監(jiān)測與安全評定系統(tǒng)（目前的硬件技術水平與軟件已經(jīng)使之成為可能），能夠大大提高檢測效率，實時掌握橋梁狀態(tài)變化，評價橋梁的承載能力和使用功能，以及橋梁的安全可靠性，其意義主要有：（1）及時把握橋梁結構運營階段的工作狀態(tài)，識別結構損傷以及評定結構的安全、可靠性與耐久性；（2）為運營、維護、管理提供決策依據(jù)，可以使得既有橋梁的技術改造決策更加科學、改造技術方案的設計更加合理、經(jīng)濟；（3）驗證橋梁設計建造理論與方法，完善相關設計施工技術規(guī)程，提高橋梁設計水平和安全可靠度，保障結構的使用安全，具有重要的社會意義、經(jīng)濟價值和廣泛的應用前景。在歐美、日本等一些發(fā)達國家與地區(qū)，橋梁工程的重點已由新橋建設逐步轉到既有橋梁的健康監(jiān)測、狀態(tài)評估和養(yǎng)護、維修、加固與改造等方面，頒布了基于結構可靠性理論和概率思想的舊橋評估規(guī)范和規(guī)程，并且把橋梁承載能力的評估納入橋梁管理系統(tǒng)范疇。橋梁管理系統(tǒng)包括橋梁健康監(jiān)測、損傷診斷與識別、狀態(tài)評估與承載力退化、可靠性與耐久性評估、使用壽命預測、加固改造技術、新型改性材料等等方面，嚴格科學規(guī)范管理，已經(jīng)取得比較顯著的經(jīng)濟效益。我國正處于大規(guī)模的土木工程和基礎設施建設時期，許多世界矚目的跨海橋梁工程與基礎設施已經(jīng)規(guī)劃或正在建設之中。我國大量公路和鐵路工程建設和安全運行的需求為橋梁工程健康監(jiān)測及其集成系統(tǒng)的研究、開發(fā)與應用提供了廣闊的平臺和前所未有的機遇。第二節(jié)橋梁健康監(jiān)測的研究與應用現(xiàn)狀一、橋梁健康監(jiān)測的基本概念Housner等（1997）的結構健康監(jiān)測的定義為：“在現(xiàn)場進行結構特性，包括結構響應的無損檢測和分析，用來檢測由損壞或損傷引起的變化”。這一定義也有不足之處。當研究人員試圖對健康監(jiān)測的無損評估進行綜合，其重點在于數(shù)據(jù)收集而不在于評估。人們的確切需要是采用一種有效方法來收集服役結構的數(shù)據(jù)并進行處理，以評估關鍵的性能測量，如使用性、可靠性和耐久性。因此，Housner，etal.（1997）所做的定義必須修改，結構健康監(jiān)測可以定義為：“在現(xiàn)場進行結構特性，包括結構響應的無損檢測和分析，其目的是：如果有損傷，則進行損傷識別、確定損傷的位置、估計損傷的嚴重程度并評價損傷對結構影響后果”（圖1）?？偠灾?，一個結構健康監(jiān)測系統(tǒng)必須同時能夠進行結構損傷檢測和狀況評估。結構健康監(jiān)測研究可以分為如下四個水平層次：（Ⅰ）檢測損傷的存在，（Ⅱ）確定損傷的位置，（Ⅲ）估計損傷程度，（Ⅳ）確定損傷的影響以及預測剩余的疲勞壽命。進行水平（Ⅲ）的工作要求改進結構模型和分析、局部的物理檢查和傳統(tǒng)的無損評估技術。進行水平（Ⅳ）的工作要求局部位置的材料構成信息、材料老化的研究、破壞機理和高性能的計算。在過去的20年，隨著儀器的改進和對復雜結構動力學的認識，在系統(tǒng)檢測和土木結構評估方面，土木工程結構的健康監(jiān)測和損傷評估已變得更為實用。土木工程和航天航空工程、機械工程有明顯的差別，比如橋梁結構以及其它大多數(shù)土木結構，尺寸大、質量重，具有較低的自然頻率和振動水平，低振幅，而且橋梁結構的動力響應極容易受到非結構構件等的影響，這些變化往往被誤解為結構的損傷；而且鋼筋混凝土橋中模型的不確定性水平比單獨一根梁或一個空間桁架模型的相應值要高得多，這一切使得橋梁這類復雜結構的損傷評估具有極大的挑戰(zhàn)性。獲得數(shù)據(jù)信號處理結構系統(tǒng)和材料傳感器/激勵器，無損評估計術激勵 獲得數(shù)據(jù)信號處理結構系統(tǒng)和材料傳感器/激勵器，無損評估計術激勵 監(jiān)測 破壞位置和嚴重程度破壞位置和嚴重程度建模識別 建模識別模擬或計算模擬或計算模型修正 診斷模型修正估計剩余強度 估計剩余強度預計使用年限預計使用年限維修/維護措施 維修/維護措施可靠度分析和估計 可靠度分析和估計壽命周期分析 評估壽命周期分析 圖1結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的基本組成二、橋梁健康監(jiān)測研究現(xiàn)狀1橋梁監(jiān)測傳感器研究現(xiàn)狀隨著交通事業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代橋梁檢測技術也取得了很大進步，主要包括以下幾個方面：（1）雷達與紅外熱象儀檢測技術：使用雷達、紅外熱象儀、激光光學、超聲波和其它一些心得技術手段可在僅僅一天之內就能準確地測量成百上千公里路面或幾十座橋的橋面；（2）光纖傳感器監(jiān)測技術：光纖傳感器具有大面積檢測能力，在較長時期內能提供可靠、精確和長期的檢測結果，安裝了這種監(jiān)測系統(tǒng)后，任何結構存在的問題都可以較早地被發(fā)現(xiàn)，以便采取必要的修復措施，從而保證結構使用的連續(xù)安全性，使結構的性能得到最佳管理，并減少使用費用。到目前為止，光纖傳感器已用于許多工程，典型的工程有加拿大caleary建設的一座名為beddingtontail的一雙跨公路橋內部應變狀態(tài)監(jiān)測；美國winooski的一座水電大壩的振動監(jiān)測；國內工程有重慶渝長高速公路上的紅槽房大橋監(jiān)測和蕪湖長江大橋長期監(jiān)測與安全評估\o"系統(tǒng)"系統(tǒng)等。建于山東濱州黃河大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)使用了96個FBG應變溫度儀，2個風速儀，39個加速度傳感器和4個GPS定位器；（3）無線電檢測與評估系統(tǒng)：目前，一種全無（電）源的、便宜的感應器開發(fā)出來，滿足了測量橋梁疲勞的長期需要。這種感應器貼在橋上并且與橋梁一起承受應變。它由一個特殊的應變增幅裝置和兩個預先裂開的樣片合成一個整體去測量裂縫長度；（4）自感應檢測技術：公路橋梁的自感應檢測技術的應用是廣泛的。目前，美國已經(jīng)設計、制造了一種便宜的位移感應器，用于翼墻的監(jiān)測，已經(jīng)進行兩年多了，十分有效；一種新型埋入式銹蝕感應器已經(jīng)在美國聯(lián)邦公路局的參與下開發(fā)出來了。這種感應器可以澆筑在混凝土中，在混凝土中測量鋼筋銹蝕的比率、混凝土的導電率、氯離子濃度等。目前橋梁的維修自動化需要的基本信息，被當作美國基礎研究和開發(fā)的重點，這必須由感應和測量的高科技技術來提供；（5）智能混凝土a.損傷自診斷混凝土:自診斷混凝土具有壓敏性和溫敏性等自感應功能。目前常用的材料組分有：聚合類、碳類、金屬類和光纖，其中最常用的是碳類、金屬類和光纖。碳纖維智能混凝土可以對建筑物內部和周圍環(huán)境變化的實時監(jiān)控，也可以實現(xiàn)對大體積混凝土的溫度自監(jiān)控以及用于熱敏元件和火警報警器等，還可應用于公路路面、機場跑道等處的化雪除冰，鋼筋混凝土結構中的鋼筋陰極保護，住宅及養(yǎng)殖場的電熱結構等；b.自調節(jié)智能混凝土:自調節(jié)智能混凝土具有電力效應和電熱效應等性能?；炷两Y構除了正常負荷外，還希望它在受臺風、地震等自然災害期間，能夠調整承載能力和減緩結構振動，但因混凝土本身是惰性材料，要達到自調節(jié)的目的，必須復合具有驅動功能的組件材料，如：形狀記憶合金（sma）和電流變體（er）等；c.自修復智能混凝土：自愈合混凝土就是模仿生物組織，對受創(chuàng)傷部位自動分泌某種物質，而使創(chuàng)傷部位得到愈合的機能，在混凝土傳統(tǒng)組分中復合特性組分（如含有粘結劑的液芯纖維或膠囊）在混凝土內部形成智能型仿生自愈合神經(jīng)網(wǎng)絡\o"系統(tǒng)"系統(tǒng)，模仿動物的這種骨組織結構和受創(chuàng)傷后的再生、恢復機理。采用粘結材料和基材相復合的方法，使材料損傷破壞后，具有自行愈合和再生功能，恢復甚至提高材料性能的新型復合材料。自診斷、自調節(jié)和自修復混凝土是智能混凝土研究的初級階段，它們只具備了智能混凝土的某一基本特征，是一種智能混凝土的簡化形式，因此有人也稱之為機敏混凝土，目前人們正致力于將2種以上功能進行組裝的所謂智能組裝混凝土材料的研究。智能混凝土具有廣闊的應用前景，但作為一種新型的功能材料，如果投入實際工程，還有很多問題需要進一步地研究：如碳纖維混凝土的電阻率穩(wěn)定性、電極布置方式、耐久性等；光纖混凝土的光纖傳感陣列的最優(yōu)排布方式；自愈合混凝土的修復粘結劑的選擇等。（6）GPS全球定位系統(tǒng)：可以直接測量三維的空間運動；（7）其他新技術：對橋梁結構的承載能力的“非侵入式”檢測也是橋梁工程界的迫切需求。美國聯(lián)邦公路局將激光檢測系統(tǒng)用于檢測橋梁的承載能力。另一項新技術是“智能橋梁支座”，通過它可以收集到許多必不可少的橋梁工作信息。智能支座能通過支座上的活載和恒載的分布發(fā)現(xiàn)并判斷出橋梁結構體系的工作狀況。局部智能傳感器應該是一個方向，但是局部的監(jiān)測指標往往難以反映結構的整體性態(tài)，如何將局部監(jiān)測指標與結構整體性之間建立合理的關系是其中的關鍵問題，因此，必須發(fā)展分布式傳感器的健康診斷策略。雖然目前已有不少可以應用的檢測評價方法，但有些技術仍需進一步完善才能達到普遍應用的階段。特別是為隨時了解橋梁結構的工作狀態(tài)，確保其長期使用性能，必須使用永久的監(jiān)測設備。因此，橋梁結構的長期監(jiān)測與診斷技術目前變得越來越重要了。橋梁檢測工作者們還需繼續(xù)努力，研究與開發(fā)出更加實用方便的橋梁檢測技術與監(jiān)測設備。2土木工程測試技術研究現(xiàn)狀橋梁由完好至破壞是一個逐漸損傷演變過程，橋梁結構承載力的降低，直接源于結構損傷的存在。對橋梁結構損傷部位進行檢測的方法有很多種，過去和現(xiàn)在最常用的方法是人工肉眼檢查，但人工檢測的效率很差，有很大的局限性，當結構的某些部位無法用肉眼進行檢測時，結構的損傷情況也就無法檢測到。繼而發(fā)展的橋梁局部檢測技術是各部分的局部狀態(tài)為檢測內容，它通過對結構局部部位進行集中檢測，實現(xiàn)對結構缺陷部位的精確定位、檢查，甚至定量分析，局部檢測主要依賴無損檢測技術，包括目檢法、壓痕法、回彈法、染色法、超聲脈沖法、回彈－超聲綜合法、振動彈性系數(shù)與對數(shù)衰減率法、紅外線法、射線法、光線傳感法、同位素法、電阻率法、自然電位法、泄漏測定法、磁粒子法、磁場擾動法、模式識別法等等。絕大多數(shù)技術成功地應用于檢查一定部件的裂縫位置、焊接缺陷、腐蝕磨損、松弛或失穩(wěn)等，實際檢測中經(jīng)常聲發(fā)射法、以脈沖回波法為主的超聲波檢測技術、射線檢測、電磁渦流技術等幾種技術聯(lián)合使用來評價結構狀態(tài)。美國聯(lián)邦高速公路管理局（FHWA）曾資助一個大型的關于高速公路橋的無損評估新技術研究和發(fā)展的項目。該項目有兩個主要目標，其一是發(fā)展新的工具和技術以解決特殊的問題，其二是發(fā)展橋梁狀態(tài)的定量評估技術用于支持橋梁管理，并研究將定量的狀態(tài)信息引入橋梁管理系統(tǒng)有何好處。他們希望發(fā)展的新技術能快速、有效且定量的測量橋梁整體參數(shù)，如塑性和承載力。很明顯，幾種無損評估技術的結合可以用來幫助評估系統(tǒng)的狀態(tài)，它們對于獲得用于橋梁評估的資料庫是非常重要的。眾所周知，橋梁結構內部損傷，將導致結構整體力學特性的變化，而局部(Local)損傷檢測方法無法對橋梁的整體工作狀態(tài)進行監(jiān)測。橋梁整體檢測則是以橋梁的整體狀態(tài)如振動特性、撓度、索力等為檢測對象，通過對結構基本狀況的連續(xù)監(jiān)測或定期檢測，實現(xiàn)結構整體狀態(tài)的檢測與評估。利用結構整體檢測進行結構損傷識別的方法有：靜力檢測法、動力檢測法以及混合法。靜態(tài)法識別效果好，所需數(shù)據(jù)較易測得，但測量時要阻斷交通，人為施加荷載，現(xiàn)場工作量大，而且無法做到適時監(jiān)控。動態(tài)法可以監(jiān)測由風、活載等自然因素激發(fā)橋梁產(chǎn)生的振動信息，加工成一些理性識別指標，診斷橋梁損傷，而且現(xiàn)場工作量小，可做到適時監(jiān)控。但是由于關系到模態(tài)識別，對測量儀器及識別方法的精度有較高要求?；旌戏ㄊ窍Ｍ柚恍┍容^容易獲得的靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)來改善靜力法的精度，但實際效果并不顯著。由于結構的健康監(jiān)測對于檢測方法自動化以及分析結構整體狀態(tài)的要求，現(xiàn)在多數(shù)研究者把注意力放在了動力檢測方法的研究上，大致可以分為動力指紋分析法、模型修正與系統(tǒng)識別法、遺傳算法、小波分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡法。各種方法在橋梁損傷識別中的實際應用不盡如人意。主要有以下幾個幾點：（1）結構動力特性受非結構構件、環(huán)境因素以及邊界條件等的影響較大；（2）限于經(jīng)濟上的原因，通常只能對少數(shù)自由度進行測量；（3）結構剛度、變形等的局部變化一般高階模態(tài)會比較敏感，而這些模態(tài)又往往難以準確測量甚至根本無法測出。局部與整體檢測方法是相輔相成的。局部檢測能發(fā)現(xiàn)橋梁結構的局部缺陷，并進行精確的檢查和量化，通過采取適當?shù)木S修措施，防止局部缺陷的進一步發(fā)展造成對橋梁整體質量和安全性的危害。對結構整體安全狀態(tài)的監(jiān)測可用于指導對局部損傷的識別和定位，能夠及時掌握橋梁結構整體工作狀態(tài)的變化，從而使人們對橋梁的力學性能、安全性能有一個整體上的概念，便于維修養(yǎng)護策略的制訂和資金的分配，從而提高檢測工作的效率。最近發(fā)展起來的包含多項檢測內容、集成了遠程通信與控制的健康監(jiān)測系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對橋梁狀態(tài)的實時健康監(jiān)測，它對橋梁的健康狀態(tài)評估顯然能起更積極的作用。3傳感器的優(yōu)化布設、系統(tǒng)集成與數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡技術研究現(xiàn)狀結構的征狀是由采集信號分析獲得的，因此信號采集技術是結構損傷識別的前提。信號采集技術包括信號的采集和放大，傳感器的類型、安裝位置、數(shù)量以及數(shù)據(jù)的獲取、存儲等。此外還應考慮采集數(shù)據(jù)的時間間隔，數(shù)據(jù)的標準化問題，測量過程的不確定性以及數(shù)據(jù)的凈化問題。由于被檢測橋梁的龐大和復雜，傳感器的類型和數(shù)目相當多，如何確定傳感器的最優(yōu)布置點是研究的熱點。目前采用的方法主要有：基于經(jīng)驗和基于結構自由度的縮聚法；針對振動模態(tài)的有效獨立法；清華大學在青馬大橋健康監(jiān)測中采用了遺傳算法尋找加速度傳感器的最優(yōu)布點；西南交通大學也探索了靜載作用下橋梁應變測量傳感器優(yōu)化布設。但各種方法只是在局部問題中有效，目前尚缺乏有效的傳感器優(yōu)化布設評估標準。各種算法依據(jù)各自的評估目標，盡管各方法在形式和理論上有一點聯(lián)系，但對同一結構在相同條件下，不同算法得出的結論往往并不相同。信息傳感器的優(yōu)化布設還是監(jiān)測結構經(jīng)濟性的考慮，因此關于傳感器布點理論的探討和驗證值得深入研究。4橋梁結構健康監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與控制技術研究對于現(xiàn)有的國內外部分科研機構開發(fā)的健康監(jiān)測系統(tǒng)，由于采用了專用的數(shù)據(jù)線，因此整個監(jiān)測系統(tǒng)的費用昂貴，不適宜我國目前的實際需求。而國內目前所進行的定時檢測或事后檢測的方式，又會帶來巨大的人力、物力的浪費和安全隱患。因此開發(fā)一套便捷的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，使之能真正做到：既能行之有效、又能經(jīng)濟可靠，而且又能對橋梁實行實時在線監(jiān)測的健康監(jiān)測系統(tǒng)就非常迫切緊要。近年隨著公共電話線路的數(shù)字化傳輸和移動電話的不斷普及，公用電話線路的數(shù)據(jù)傳輸速度、數(shù)字通信能力和無線移動通信能力得到了迅速的發(fā)展。因此，不采用專用數(shù)據(jù)線而采用數(shù)字通信網(wǎng)絡線作為方便的數(shù)據(jù)傳輸媒介，在其基礎上新開發(fā)的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)將會帶來遙控監(jiān)測技術上的創(chuàng)新，使得數(shù)據(jù)傳輸更為便攜和低廉。5橋梁損傷識別技術的研究現(xiàn)狀橋梁損傷診斷和識別應該包含四個方面：(a)損傷是否存在及損傷原因；(b)損傷位置識別；(c)損傷程度識別；(d)損傷對橋梁受力性能的影響有多大。目前尚沒有一個損傷指標能夠全面地、敏感地反映橋梁的損傷狀態(tài)，這是因為橋梁工程和航空航天工程、機械工程相比有很大的區(qū)別，比如橋梁的體積大、質量重，具有較低的自然頻率和振動水平，其動力響應非常容易受到不可預見的環(huán)境狀態(tài)、非結構構件等的影響，這些變化往往被誤認為是結構的損傷，從而使得橋梁損傷診斷具有極大的挑戰(zhàn)性。主要的損傷指標有：共振頻率、頻率響應函數(shù)、振型、振型曲率、模態(tài)應變能、模態(tài)柔度、阻尼比和能量傳遞比、Ritz向量等等；結構損傷識別或診斷的方法主要有（1）基于動力參數(shù)的識別；（2）基于靜力參數(shù)的識別；（3）子結構方法識別；（4）統(tǒng)計分析識別；（5）神經(jīng)網(wǎng)絡識別；（6）小波變換識別、時間序列模型等等，絕大部分損傷指標和損傷識別方法僅適用于實驗室模型，可供實橋損傷識別的實用方法不多。目前橋梁損傷診斷從單純的依賴其動力響應到綜合利用無損檢測與靜動載測試信息；從單純的模態(tài)識別到實驗和理論模型修正，乃至神經(jīng)網(wǎng)絡方法；考慮測試傳感器的優(yōu)化布置、充分利用有限的實驗測試信息；從單一損傷指標診斷到多損傷指標診斷等等方向發(fā)展，這樣可以克服各自方法的缺點并相互檢查，與損傷檢測的復雜性相適應。用于無損評估的有限元模型修正方法可以分為如下幾大類：模態(tài)柔度法、最優(yōu)矩陣修正法、靈敏度矩陣修正法、特征結構分配法、測量剛度改變法和綜合模態(tài)參數(shù)法等，所有這些有限元模型修正技術要求用戶選擇一系列量測模態(tài)與相應有限元模型的模態(tài)相匹配。通常，只有結構的前幾階模態(tài)用于有限元模型修正，因為這些模態(tài)是識別較好的模態(tài)。然而，在一些情況下，對應高階頻率的模態(tài)在結構損傷定位方面非常關鍵，因此有必要在有限元模型修正中包括這些模態(tài)。作為損傷結果，許多頻率較低的模態(tài)并沒有顯著改變，它們只會增加計算量而對確定損傷的位置沒有明顯貢獻。模態(tài)數(shù)量是有限的，不僅是由于計算工作壓力，還由于高次修正問題內在的病態(tài)和統(tǒng)計偏差。由于這些局限性，選擇最能反映結構損傷的系統(tǒng)標準是很重要的。主要涉及到修正參數(shù)的選取、目標函數(shù)的確定和優(yōu)化算法的選擇等方面。傳統(tǒng)的模型修正方法仍存在許多問題，特別是：（1）既有的橋梁有限元模型修正主要建立在確定性（deterministic）分析框架內，而實橋健康監(jiān)測數(shù)據(jù)和結構模型都具有強烈的不確定性（uncertainty），采用確定性分析方法處理本質不確定性的橋梁結構健康監(jiān)測和安全評價，會導致理論方法和實際應用的矛盾，這正是目前基于模型的損傷識別技術很難應用于實橋的主要原因之一；（2）目前工程上采用的基于靈敏度分析的參數(shù)挑選方法是根據(jù)計算參數(shù)在某設計點處的靈敏度進行挑選,該方法只是計算了特征量的局部靈敏度，具有很大的局限性；沒有在整個設計空間上挑選對特征量有顯著影響的設計參數(shù)，計算效率較低，模型的預測預報效果不太理想；（3）傳統(tǒng)的模型修正技術主要針對線性、低頻系統(tǒng)，很難適用于沖擊、爆炸、碰撞、耦合和隨機性強的土木工程振動等非線性問題，以及計算和試驗中含有明顯不確定性的系統(tǒng)，因此傳統(tǒng)的模型修正技術亟待發(fā)展。從20世紀90年代以來，以確定性思想為基礎的模型修正開始向統(tǒng)計學方面發(fā)展，主要應用Bayes模型修正和隨機有限元模型修正方法，而基于統(tǒng)計分析原理的結構健康診斷不確定性方法的研究,有望成為解決大型土木工程結構健康診斷問題的一般方法。系統(tǒng)化的有限元模型確認（Modelvalidation—MV）最早出現(xiàn)在美國能源部的專項研究計劃中，它是建立在概率數(shù)理統(tǒng)計、模糊數(shù)學和區(qū)間估計等信息理論的基礎之上的，近年來在航空航天、力學、機械工程等領域受到日益重視。模型確認的定義是：對結構系統(tǒng)進行從構件到整體系統(tǒng)的分層建模和確認試驗,對系統(tǒng)中的不確定性進行量化和傳遞分析,對有限元模型在設計空間的響應預報精度進行評價和確認，在此基礎上基于統(tǒng)計方法進行模型修正,為進一步的應用提供精確可信的有限元模型和響應計算方法。所以有限元模型確認的研究目標主要有兩個：一是結合有限的試驗及分析，獲得精確可信的確定性有限元模型；二是獲得進行下一步的響應預報所需要的計算參數(shù)。模型修正用來使模型計算結果與已有試驗數(shù)據(jù)協(xié)調一致，換句話說,對原有計算模型的參數(shù)進行修正,使之能正確重現(xiàn)試驗結果,而并非確定模型預示結果的精度。模型確認與模型修正不同,其基本思想是：在進行部分試驗并考慮不確定性的基礎上，對模型計算結果進行預測。模型確認引入了分級修正的概念，進一步提高了修正精度；同時引入了基于快速運行模型，可以和商用有限元軟件接口，減少直接有限元分析（FEA）求解靈敏度的工作量，有效解決局部最優(yōu)問題，使得修正技術易于應用。若不考慮結構系統(tǒng)中計算與試驗的隨機誤差和參數(shù)誤差，不考慮對實驗驗證范圍以外進行預報，只對模型的主要參數(shù)進行校準，結構的模型確認就簡化為模型修正。因此模型修正是模型確認的一個特例,模型確認是模型修正的發(fā)展。雖然模型確認的許多研究工作已經(jīng)展開，但該方法尚處在初始起步階段，大量深入、細致的研究工作尚待結合特定的學科和工程應用背景積極展開[17，26]，仍有大量關鍵問題有待研究和突破，這些關鍵問題主要有：(1)參數(shù)篩選與試驗設計；(2)不確定性傳遞和量化分析；(3)高階多項式響應面擬合和基于響應面的模型修正；(4)測試/分析相關性研究與統(tǒng)計假設檢驗等等。7橋梁健康監(jiān)測海量數(shù)據(jù)挖掘所謂數(shù)據(jù)挖掘技術就是從大量的、不完備的、模糊和隨機以及多噪音的數(shù)據(jù)中提取規(guī)律性的、人們事先未知的，但又是潛在有用的并且最終可理解的信息和知識的非平凡過程，所挖掘的知識的類型包括模型、規(guī)律、規(guī)則、模式、約束等，它包括從數(shù)據(jù)庫中發(fā)現(xiàn)知識、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)融合以及決策支持等幾個方面。數(shù)據(jù)挖掘常用的技術包括非線性預測模型、決策樹、關聯(lián)規(guī)則挖掘、遺傳算法等，數(shù)據(jù)挖掘具有自動預測趨勢和行為，關聯(lián)、聚類、概念描述和偏差檢驗等功能。數(shù)據(jù)挖掘技術具有如下特點：（a）數(shù)據(jù)挖掘技術特別適用于處理隨機性強、噪音干擾大和海量的數(shù)據(jù)。由于海量監(jiān)測數(shù)據(jù)中包含很多不確定性因素，數(shù)據(jù)挖掘可通過放寬對模型的假設來進行仿真，避免傳統(tǒng)的建立精確數(shù)學模型的困難；（b）由于監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性，數(shù)據(jù)挖掘可以利用歷史上各個階段數(shù)據(jù)與當前的數(shù)據(jù)的比較分析來預測橋梁的未來響應和性能，識別可能潛在的類型損傷；（c）數(shù)據(jù)挖掘可以從大量監(jiān)測數(shù)據(jù)中區(qū)分不同環(huán)境因素之間以及同類環(huán)境因素對結構靜動力特性的影響，從而有可能將環(huán)境腐蝕損傷與應力損傷分別進行識別，克服現(xiàn)有基于振動的損傷識別方法的不足，真正實現(xiàn)大型復雜橋梁的實橋損傷診斷；（d）數(shù)據(jù)挖掘技術的計算效率高，結果表達方式豐富多采。目前數(shù)據(jù)挖掘技術在機械故障診斷等領域進行了初步嘗試，但在土木工程特別是橋梁工程健康監(jiān)測領域的研究和應用則報道很少，橋梁工程實時健康監(jiān)測的數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)種類多、數(shù)據(jù)質量差、噪音強等特點，在問題定義與建模、算法選擇、經(jīng)驗參與等方面還有大量的工作要做。8結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計指南和標準的研究現(xiàn)狀目前國內外均缺少結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計標準。針對不同形式的結構，健康監(jiān)測系統(tǒng)設計標準應滿足如下要求：詳細規(guī)定監(jiān)測系統(tǒng)的組成；對監(jiān)測的力學和性能參數(shù)做出具體的要求；對傳感器的類型、性能和布置準則做出規(guī)定；提供相應的損傷識別方法；建立結構健康狀態(tài)的評定標準。三、橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)1健康監(jiān)測方法1.1基于動力的健康監(jiān)測方法目前研究中的大部分橋梁結構健康監(jiān)測方法，集中于使用動力響應來檢測和定位損傷，因為這些方法是整體的檢測方法，可以對大型的結構系統(tǒng)進行快速的檢測。這些基于動力學的方法可以分為如下四類：①空間域方法，②模態(tài)域方法，③時域方法，和④頻域方法。其中空間域方法根據(jù)質量、阻尼和剛度矩陣的改變來檢測和確定損傷位置；模態(tài)域方法根據(jù)自振頻率、模態(tài)阻尼比和模態(tài)振型的改變來檢測損傷；在頻域方法中，模態(tài)參數(shù)如自振頻率、阻尼比和振型等是確定的，從非線性自回歸移動平均模型估計出光譜分析逆動力問題和廣義頻率響應函數(shù)被用于非線性系統(tǒng)的識別。在時域方法中，系統(tǒng)參數(shù)通過在一定時間內采樣的數(shù)據(jù)來確定；如果結構系統(tǒng)的特性在外部荷載作用下隨時間改變，那么有必要確定由時域方法得出的系統(tǒng)動力特性在時間上的改變。進一步地，可以使用四種域中提出的任何動力響應，采用與模態(tài)無關或與模態(tài)相關的方法進行損傷檢驗。文獻資料顯示：模態(tài)無關的方法可以檢測出損傷的存在而無需大量的計算，但在確定損壞位置時并不精確；另一方面，模態(tài)相關的方法比與模態(tài)無關的方法相比：通常在確定損傷位置上更加精確且只需更少的傳感器，但該方法要求有恰當?shù)慕Y構模型和大量的計算。雖然時域方法使用傳統(tǒng)的振動測量儀器得到的原始時域數(shù)據(jù)，這些方法要求某些結構信息和大量的計算，且具有個案特性。此外，頻域方法和模態(tài)域方法使用轉換的數(shù)據(jù)，但轉換存在誤差和噪音。而且，在空間域方法中，質量和剛度矩陣的建模與修正還存在問題且難以精確。將兩三種方法結合起來檢測和評估結構的損傷具有很強的發(fā)展趨勢。例如，幾位研究者將靜載測試和模型測試的數(shù)據(jù)結合起來評估損傷，這樣可以克服各自方法的缺點并相互檢查，與損傷檢測的復雜性相適應。1.2聯(lián)合靜動力的健康監(jiān)測方法靜力參數(shù)（位移與應變等）是根據(jù)靜力荷載如在橋上緩慢移動的車輛引起的變形進行量測。在許多情況下，施加靜力荷載比動力荷載更為經(jīng)濟，對于狀況評估，許多應用只需要單元剛度。在這些情況下，靜力測試和分析即簡單又經(jīng)濟。通常的橋梁監(jiān)測中都需要監(jiān)測靜態(tài)應變（和動態(tài)應變）、靜力位移（和動撓度）以及相應的環(huán)境溫度、濕度和風荷載。既然自振頻率、振型和結構系統(tǒng)的靜力響應都是結構參數(shù)的函數(shù)，這些參數(shù)可通過比較數(shù)學模型預測的靜動力特性和試驗確定的靜動力特性值得到。損傷發(fā)展的結果之一是局部剛度的減小，從而導致一些響應的改變；因此，對損傷檢測和評估，綜合結構靜動力特性的監(jiān)測是非常必要的。根據(jù)這一思想，結合靜態(tài)應變、靜態(tài)位移與動力響應（即振型或模態(tài)柔度等）來確定損傷位置和識別損傷程度，幾種算法綜合起來用于改進參數(shù)識別的靈敏度和提高解答過程的可靠度，靜力和動力響應被用來校準識別的置信度水平。聯(lián)合靜動力的損傷識別通常需要進行有限元模型修正，因為有限元模型的誤差可能比損傷的變化要大，所以有限元模型必須先用測得的模態(tài)特性和試驗數(shù)據(jù)進行校準；只有有限元模型是可靠的，有限元方法模態(tài)修正的結果才是可靠的。其他的方法包括統(tǒng)計損傷識別、神經(jīng)網(wǎng)絡識別方法、子結構損傷識別、基于小波變換的損傷識別等等，但是目前大多只停留在實驗室簡單模型或數(shù)值模型，用于真正實橋的損傷識別和健康診斷還有很長的路要走。2橋梁健康監(jiān)測的應用先進的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)主要包括各類軟硬件系統(tǒng)，其中各類高性能智能傳感元件、信號采集與通訊系統(tǒng)（包括無線傳感網(wǎng)絡）、綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能處理與動態(tài)管理系統(tǒng)、結構實時損傷識別、定位與模型修正系統(tǒng)、結構健康診斷、安全預警與可靠性預測系統(tǒng)是關鍵部分。美國八十年代中后期開始在多座橋梁上布設監(jiān)測傳感器，監(jiān)測環(huán)境荷載、結構振動和局部應力狀態(tài)，用于監(jiān)視施工質量、驗證設計假定和評定服役安全狀態(tài)，比如1987年在佛羅里達的SunshineSkywey橋安裝了500個傳感器來證實設計假定，監(jiān)測施工質量以及在運轉過程中的狀態(tài)。1987年，英國在總長522m的三跨變高度連續(xù)剛箱梁Foyle橋上布設傳感器，監(jiān)測大橋運營階段在車輛與風載作用下主梁的振動、撓度和應變等響應，同時監(jiān)測環(huán)境風和結構溫度場，該系統(tǒng)是最早安裝較為完整的監(jiān)測系統(tǒng)之一，它實現(xiàn)了實時監(jiān)測、實時分析和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡共享。香港青馬大橋為橋長2160米、主跨1337米的公路、鐵路兩用選索橋，是連接香港新機場的重要交通樞紐。由于香港經(jīng)常遭受臺風的襲擊，同時公路和鐵路兩用橋的特點使得施加在結構上的荷載特別大，為了保障橋梁的健康運行，建設過程中在橋梁上安裝了規(guī)模較大的結構健康監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括風、車輛和溫度等荷載和環(huán)境作用監(jiān)測系統(tǒng)，風荷載有安裝在橋面板和主塔塔頂?shù)?個風速儀測量，車輛荷載采用地秤進行監(jiān)測，同時在橋面板和主塔安裝了115個溫度傳感器；結構的整體響應主要采用加速度傳感器、位移傳感器、水平測距儀和GPS系統(tǒng)測量，在橋面和主索上安裝了12個單向加速度傳感器、3個雙向加速度傳感器和2個三向加速度傳感器，在橋面板和主塔安裝了2個位移傳感器和9個水平測距儀；局部響應主要通過埋設的應變進行測量，應變片在橋面板和主塔時光內工粘貼了110個應變計；除上述傳感器系統(tǒng)外，在該橋上還配置了相應的數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能對橋梁的主塔、纜索、纜索錨頭、吊桿、橋面格架和橋體支座的安全狀況進行實時監(jiān)測。近五年的觀測顯示作用于橋梁上的風，溫度和交通荷載遠低于結構設計荷載，監(jiān)測得到的橋梁關鍵部位的應變位移反應也遠低于設計值，因此認為橋梁一直處于健康狀態(tài)。除青馬大橋外，香港的另外兩座大型斜拉橋-KapShunMun和TingKau橋上都安裝了健康監(jiān)測系統(tǒng)，這三座橋梁的傳感器總數(shù)達900個（Lauetal，1999）。美國休斯頓的FredHartman大橋是另一較為典型的安裝監(jiān)測系統(tǒng)的大跨度斜拉橋。FredHartman大橋橫跨HoustonShip河連接Baytown和LaPerte，由三跨組成，中間跨為381米，兩邊跨均為147米，橋面寬48米，橋面采用混凝土預應力，鋼桁架支撐，錐形橋塔，一個錐形面內24根斜拉橋，索在橋面上的間距為15米，共192根斜拉索。為了降低斜拉索的振動和監(jiān)測橋梁的安全狀況，美國JohnsHopkins大學的Johns和Main在斜拉索上安裝了粘治阻尼器，同時安裝了健康監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)包括安裝在橋面板水平位置的2個三向風速計和安裝在南塔頂部的1個螺旋葉片風速儀，環(huán)境監(jiān)測傳感器包括2個雨水量測計，溫度計和氣壓計，記錄外界環(huán)境條件的改變；結構整體響應采用加速度傳感器和位移傳感器測量，在橋面板上安裝了4個單向和1個雙向加速度計，在斜拉索上安裝了19個兩向加速度計和8個位移傳感器；此外，還在安裝粘滯阻尼器的索上安裝了力傳感器，以監(jiān)測阻尼器的阻尼力。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了4極點的Bessel濾波器，其截止頻率為10Hz，數(shù)據(jù)采樣頻率為40Hz，每次連續(xù)現(xiàn)場采集5分鐘，并將采集的數(shù)據(jù)保存到硬盤上，之后通過遠距離傳輸技術進行數(shù)據(jù)通訊和系統(tǒng)控制，其中2700組數(shù)據(jù)是在第一年監(jiān)測到的。數(shù)據(jù)處理主要采用統(tǒng)計方法和頻譜分析方法。統(tǒng)計分析時，將5分鐘的采樣數(shù)據(jù)按照1分鐘作為1個樣本，統(tǒng)計分析該橋反映的均值、方差、最小值和最大值、偏斜和峰態(tài)，并將有關的結果存入有關的數(shù)據(jù)庫中。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的頻譜分析，發(fā)現(xiàn)該橋的振動包括旋渦振動、風雨振和橋面與索之間的相互作用引起的參數(shù)振動和橫向激振。通過對斜拉索振動數(shù)據(jù)進行頻率分析，研究了安裝粘滯阻尼器對索的阻尼和振動頻率的影響。上海徐浦大橋綜合監(jiān)測系統(tǒng)中實施的實時自動監(jiān)測項目包括：車輛荷載監(jiān)測（1個車道）、溫度監(jiān)測（20點）、撓度監(jiān)測（5點）、橋梁振動監(jiān)測（16點）、應變監(jiān)測（20點）、斜拉索振動與索力監(jiān)測（4根斜拉索）等，其他項目由橋梁管理部門進行的日常檢測作為補充。其他典型實例包括如山東東營黃河公路大橋、哈爾濱松花江大橋、廣東虎門大橋、江陰長江大橋、蕪湖長江大橋、上海盧浦大橋等。潤揚長江大橋、蘇通大橋等特大型橋梁在施工階段已開始傳感器的安裝，一方面用于施工監(jiān)控，另外考慮長期的健康監(jiān)測，便于未來運營期間的實時監(jiān)測與預警。國內外安裝健康監(jiān)測系統(tǒng)的主要橋梁參見表1。橋梁綜合監(jiān)測技術隨著現(xiàn)代檢測技術和計算機通信技術的發(fā)展而不斷進步，越來越趨向于智能化、實時化、自動化、網(wǎng)絡化。智能化（smart）是通過開發(fā)和應用高性能智能傳感設備，進行自感知、自適應、自診斷、自愈合和智能傳輸測試的物理量，包括智能感應材料傳感器、光纖傳感器、鈉米混凝土傳感器等等。實時化(on-line)是綜合監(jiān)測與評估的根本目標，能及時掌握橋梁工作狀態(tài)，徹底消除人工檢測的滯后性和低效性。通過監(jiān)測資料的積累，更有可能判別橋梁安全性能、使用性能和資金使用效率之間的最優(yōu)化臨界點，預測橋梁健康狀態(tài)的發(fā)展趨勢，避免重大事故的出現(xiàn)和資源的浪費。自動化(automatic)是實現(xiàn)橋梁實時監(jiān)測的基礎，不僅包括監(jiān)測設備等硬件上的自動化，還應包括對數(shù)據(jù)處理條件的自動判別。由于綜合監(jiān)測中數(shù)據(jù)量十分龐大，盡管目前計算機海量存儲技術已得到飛速發(fā)展，對于如橋梁振動這種監(jiān)測項目而言。從實際工程應用和成本角度來看，仍不可能做到對一天24小時的數(shù)據(jù)進行存儲和記錄，需通過軟件設置一定的觸發(fā)條件，從大量監(jiān)測數(shù)據(jù)中選擇需要部分進行整理、記錄和分析。網(wǎng)絡化(internet)是信息時代的特征，橋梁實時監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡化可以實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的共享，以便各地專家對橋梁狀態(tài)的評估。輔以現(xiàn)代計算機通信及遠程控制方法，更可實現(xiàn)對遠離城市橋梁的自動實時監(jiān)測，實現(xiàn)良好的社會效益和經(jīng)濟效益。目前我國的橋梁建設技術已達到世界領先水平，橋梁建設事業(yè)得到了前所未有的發(fā)展，特大型橋梁投資巨大，隨著大型橋梁的不斷建成，如何做好橋梁的運營、養(yǎng)護，隨時了解橋梁結構的健康情況，及時對橋梁的安全進行評價已成為管理者日益需要和迫切希望解決的課題。我國目前在測試技術、智能控制技術、電子與計算機技術、通訊與系統(tǒng)集成等方面已經(jīng)取得明顯進步。此外，無線通信及無線網(wǎng)絡技術的發(fā)展提供了建立無線橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的可能性，可以大大降低系統(tǒng)中布線的復雜性，實現(xiàn)遠程監(jiān)測更為方便。但目前光纖傳感器及采集系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)較為昂貴，有待無線通信技術的進一步發(fā)展及其成本的進一步降低。表1橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)部分應用實例序號橋名通車時間結構類型跨度（m）健康監(jiān)測系統(tǒng)信息建立健康監(jiān)測時間地點1汀九大橋1998斜拉橋127+475+448+1277個風速儀，83個溫度傳感器，45個加速度計，88個應變計，2個位移傳感器，6個動態(tài)稱重儀，5個GPS，在線監(jiān)測系統(tǒng)。1998香港2青馬大橋1997懸索橋主跨：1377風速儀，溫度傳感器，應變計，加速度計，位移傳感器，GPS，動態(tài)稱重儀，水平傳感器，攝相機，在線監(jiān)測系統(tǒng)。1997香港3汲水門大橋1997斜拉橋主跨：430風速儀，溫度傳感器，應變計，加速度計，位移傳感器，GPS，動態(tài)稱重儀，水平傳感器，攝相機，在線監(jiān)測系統(tǒng)。1997香港4深圳西部通道大橋在建設中斜拉橋主跨：210風速儀，溫度傳感器，應變計，加速度計，位移傳感器，GPS，動態(tài)稱重儀，侵蝕傳感器，攝相機，氣壓計，濕度計，雨量計，在線監(jiān)測系統(tǒng)。在建設中香港5昂船州大橋在建設中斜拉橋主跨：1018風速儀，溫度傳感器，應變計，加速度計，位移傳感器，GPS，動態(tài)稱重儀，EM傳感器，侵蝕傳感器，光纖傳感器，傾角儀，攝相機，氣壓計，濕度計，雨量計，在線監(jiān)測系統(tǒng)。在建設中香港6江陰大橋1999斜拉橋369+1385+309風速儀，溫度傳感器，應變計，加速度計，位移傳感器，GPS，光纖傳感器，在線監(jiān)測系統(tǒng)。1999江蘇7南京長江大橋1968鋼桁橋主跨：160風速儀，溫度傳感器，應變計，加速度計，位移傳感器，地震儀，動態(tài)稱重儀，在線監(jiān)測系統(tǒng)。/江蘇8南京長江二橋2001斜拉橋主跨：268風速儀，溫度傳感器，應變計，加速度計，位移傳感器，地震儀，動態(tài)稱重儀，磁彈性測力儀，濕度計。/江蘇9潤楊南汊橋2000懸索橋主跨：1490風速儀，溫度傳感器，應變計，加速度計，位移傳感器，GPS。/江蘇10潤楊北汊橋/懸索橋主跨：460風速儀，溫度傳感器，應變計，加速度計，位移傳感器。/江蘇11蘇通大橋在建設中斜拉橋主跨：1088風速儀，溫度傳感器，應變計，加速度計，位移傳感器，GPS，動態(tài)稱重儀，侵蝕傳感器，磁彈性測力儀，光纖傳感器，傾角儀，濕度計，攝相機，在線監(jiān)測系統(tǒng)。在建設中江蘇12南京長江三橋2005斜拉橋主跨：648應變計，位移傳感器，加速度計，離線監(jiān)測系統(tǒng)。2005江蘇13銅陵長江大橋1995斜拉橋主跨：432風速儀，溫度傳感器，加速度計，傾角儀。2002安徽14蕪湖大橋2000斜拉橋主跨：312溫度傳感器，應變計，加速度計，位移傳感器，光纖傳感器，水平傳感器。2002安徽15虎門大橋1998懸索橋主跨：888應變計，GPS，傾角儀，水平傳感器。1998廣東16湛江海灣大橋2002斜拉橋主跨：480風速儀，溫度傳感器，應變計，加速度計，位移傳感器，GPS，磁彈性測力儀，傾角儀，地震儀，濕度計。2004廣東17徐浦大橋1997斜拉橋主跨：590溫度傳感器，應變計，加速度計，動態(tài)稱重儀，水平傳感器。1999上海18盧浦大橋2003拱橋主跨：550溫度傳感器，應變計，加速度計，水平傳感器。2003上海19大佛寺大橋2001斜拉橋主跨：450溫度傳感器，應變計，加速度計，光纖傳感器，水平傳感器，在線監(jiān)測系統(tǒng)。2003重慶20廣洋島大橋在建設中連續(xù)剛構橋115+200+115FBG溫度傳感器，F(xiàn)BG應變計，智能混凝土應變計。在建設中重慶21濱州黃河大橋2005斜拉橋主跨：300風速儀，溫度傳感器，加速度計，GPS，磁彈性測力儀，在線監(jiān)測系統(tǒng)。2004山東22東營黃河大橋2005連續(xù)剛構橋115+210+220+210+1151300個FBG溫度傳感器和應變計，離線監(jiān)測系統(tǒng)2005山東23茅草街大橋在建設中拱橋主跨：368風速儀，加速度計，F(xiàn)BG溫度傳感器，F(xiàn)BG應變計。在建設中湖南24峨邊大渡河橋1992拱橋主跨：140SmartFBGtiedandsuspender,soundemission,離線監(jiān)測系統(tǒng)2005四川25錢江四橋2004拱橋主跨：580磁彈性測力儀，風速儀，溫度傳感器，加速度計。2004浙江26松花江大橋2004斜拉橋主跨：365風速儀，加速度計，GPS，F(xiàn)B-G溫度傳感器，F(xiàn)BG應變計，離線監(jiān)測系統(tǒng)。2004黑龍江27呼蘭河大橋

2000連續(xù)剛構橋主跨：40FBG溫度傳感器，F(xiàn)BG應變計，離線監(jiān)測系統(tǒng)。2000黑龍江28牛頭山大橋2002連續(xù)剛構橋主跨：4212個FBG溫度傳感器和應變計，離線監(jiān)測系統(tǒng)。2002黑龍江29海滄大橋1999懸索橋主跨：648風速儀，溫度傳感器，位移傳感器，GPS1999福建30舟山西堠門大橋在建設中懸索橋主跨：1650風速儀，加速度計，溫度傳感器，GPS，位移傳感器，F(xiàn)BG應變傳感器，應變計，攝相機，氣壓計，濕度計，侵蝕傳感器，雨量計，地震儀，動態(tài)稱重儀。在建設中浙江31壩陵河大橋在建設中懸索橋主跨：1088風速儀，加速度計，溫度傳感器，GPS，位移傳感器，應變計，攝相機，氣壓計，濕度計，地震儀，傾角儀，EM傳感器，動態(tài)稱重儀。在建設中貴州32杭州灣大橋在建設中斜拉橋主跨：448在安裝中在建設中浙江33東海大橋2005斜拉橋主跨：420風速儀，加速度計，溫度傳感器，GPS，位移傳感器，應變計，攝相機，EM傳感器，侵蝕傳感器，洋流測定儀，波動測定儀，水壓測定儀。2005上海34馬桑溪長江大橋在建設中斜拉橋主跨：500光纖傳感器，溫度、濕度、加速度計，圖像感知系統(tǒng)重慶35天津永和大橋在建設中斜拉橋主跨：270風速儀，加速度計，溫度傳感器，GPS，應變計，攝相機，EM傳感器，動態(tài)稱重儀，水平傳感器。天津36八尺門大橋2003連續(xù)剛構橋90+2×170+90溫度傳感器、動應變傳感器，動位移傳感器，加速度傳感器等2006福建37下白石大橋2003連續(xù)剛構橋145+2×260+145溫度傳感器、動應變傳感器，動位移傳感器，加速度傳感器等2006福建38新原高速公路小溝特大橋連續(xù)剛構橋55+5×100+55光纖光柵應變傳感器，溫度傳感器，動態(tài)稱重傳感器，光電液位撓度傳感系統(tǒng)，壓電式傳感器。山西39鄭州黃河大橋1960組合結構71×40.7永磁傳感器，振動傳感器，加速度傳感器，電渦流位移傳感器，溫度傳感器，雨水傳感器，水位傳感器，車號識別系統(tǒng)2000鄭州40招寶山大橋2001斜拉橋主跨：258風速儀，溫度傳感器，應變傳感器，位移傳感器，GPS，加速度傳感器。2001浙江41青島海灣橋在建設中拱橋+斜拉橋+懸索橋兩主跨：2605個風速儀，2個溫度傳感器，應變傳感器，傾斜儀，位移傳感器，13個GPS，150個加速度傳感器。山東42上海長江大橋在建設中斜拉橋主跨：7305個風速儀，54個溫度傳感器，107個應變傳感器，位移傳感器，16個GPS，14個加速度傳感器上海四橋梁健康監(jiān)測的主要研究方向與研究內容1土木工程新型傳感器和測試新技術與應用針對重大工程結構長期健康監(jiān)測的特殊環(huán)境和要求，研制結構局部性態(tài)（如應力、應變、裂紋、疲勞等）、整體性態(tài)（如位移、速度、加速度等）和一些環(huán)境作用（如溫度、壓力、車輛荷載等）監(jiān)測的智能傳感元件和無線傳感網(wǎng)絡，主要研究內容如下：智能傳感元件、監(jiān)測性能與信號采集系統(tǒng)：研究光纖光柵應變和溫度交叉敏感耦合機理；針對鋼結構和鋼筋混凝土結構，分別研究光纖光柵金屬封裝應變傳感器和樹脂基纖維封裝應變傳感器及其應變傳遞特性、大應變監(jiān)測性能和耐久性；探索結構大應變、局部損傷分布式定位和可能定量監(jiān)測的其它光纖傳感系統(tǒng)，如基于普通光纖傳感器及其時域反射計的結構損傷定位與定量監(jiān)測系統(tǒng)（opticaltimedomainreflectometer，OTDR）等。針對鋼結構焊縫和鋼筋混凝土結構裂縫損傷，研究壓電薄膜和壓電陶瓷裂縫/裂紋監(jiān)測傳感元件、監(jiān)測信號與損傷特征的關系及其多裂縫的耦合影響、傳感元件的耐久性和與機體的融合性能、以及監(jiān)測信號采集系統(tǒng)。針對鋼結構疲勞損傷突出的問題，研究改善疲勞壽命電阻絲（箔）傳感元件的監(jiān)測性能和耐久性能、探討累積電阻與疲勞損傷的關系及其應變幅值與循環(huán)周數(shù)的耦合影響、監(jiān)測信號采集系統(tǒng)；研究基于疲勞壽命電阻絲（箔）的金屬構件疲勞累積損傷評價和剩余壽命預測方法。機敏混凝土、碳纖維膜/片/筋及其傳感系統(tǒng)：研究完善碳纖維、納米及其混合填料水泥漿（機敏水泥漿）的制備，研制開發(fā)機敏水泥漿應力/應變傳感器；研究傳感器的感知特性及其環(huán)境溫度、濕度、收縮徐變的影響和可能的補償方法、長期感知穩(wěn)定性和耐久性、電極設置與信號采集系統(tǒng)；研究機敏水泥漿應力/應變傳感器與混凝土機體的界面效應、監(jiān)測應力應變的效果。研究碳纖維、混雜纖維樹脂基或改性樹脂基膜/片/筋（機敏碳纖維膜/片/筋）的感知特性及其環(huán)境溫度、濕度、收縮徐變的影響和可能的補償方法、長期感知穩(wěn)定性與耐久性、電極設置與信號采集系統(tǒng)；研究機敏碳纖維膜/片/筋傳感器與混凝土機體或鋼結構表面的界面效應、監(jiān)測應力應變的效果。多功能無線傳感器及其網(wǎng)絡系統(tǒng)：研究無線加速度傳感節(jié)點/網(wǎng)絡、無線應變傳感節(jié)點/網(wǎng)絡以及多種類傳感器集成節(jié)點/網(wǎng)絡；研究無線傳感網(wǎng)絡局部數(shù)據(jù)處理方法以及數(shù)據(jù)在節(jié)點和節(jié)點以及節(jié)點和基站之間的數(shù)據(jù)通訊和傳輸方法；研究無線傳感器組網(wǎng)以及網(wǎng)絡優(yōu)化設計方法。橋梁結構非接觸檢測系統(tǒng)研制及應用：包括雷達與紅外熱象儀檢測技術；圖象掃描、成像分析與識別技術等。2傳感器的優(yōu)化布設技術、系統(tǒng)集成與數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡技術2.1傳感器的優(yōu)化布設技術結構易損性分析與局部性態(tài)監(jiān)測測點優(yōu)化方法：依據(jù)不同技術方案，研究最小測點獲取最多模態(tài)振型、信號空間相關測點選擇、信息矩陣秩最小法、模態(tài)動能法等的差異，選擇最優(yōu)的傳感器優(yōu)化布置理論。結構整體性態(tài)監(jiān)測測點優(yōu)化方法：進一步地研究基于遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡技術的傳感器布置算法，確定最優(yōu)的傳感器優(yōu)化布置技術方案。2.2系統(tǒng)集成與數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡技術研究重大工程結構長期健康監(jiān)測的數(shù)據(jù)集中采集、實時處理、管理和交換以及實時損傷識別與安全評定、現(xiàn)場或遠程健康監(jiān)測的硬軟件集成系統(tǒng)?；诜植际骄W(wǎng)絡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成技術：研究開發(fā)結構健康監(jiān)測的大規(guī)模監(jiān)測數(shù)據(jù)集中采集實時處理的先進總線集成系統(tǒng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡管理系統(tǒng)、多用戶查詢和軟件應用的數(shù)據(jù)交換方法；研究開發(fā)適用于不同傳感元件、不同數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、不同數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、不同應用軟件平臺的結構健康監(jiān)測集成系統(tǒng)。多結構健康監(jiān)測的集成系統(tǒng)網(wǎng)：以大跨度橋梁為典型結構，研究基于地理信息系統(tǒng)（GIS）的多橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的集成方法和集成系統(tǒng)網(wǎng)。3橋梁結構健康檢測數(shù)據(jù)管理與控制技術研究重大工程結構性態(tài)響應和損傷變量等多參數(shù)、多傳感元件監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合、實時處理、遠程有線和無線傳輸?shù)闹悄芑椒?。主要研究內容有：多參量、多傳感元件監(jiān)測數(shù)據(jù)智能處理方法：研究多參量、多傳感元件監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合方法；研究動態(tài)監(jiān)測信息的噪聲形成機理與噪聲識別方法，發(fā)展基于現(xiàn)代信息處理技術的噪聲過濾技術；研究動態(tài)監(jiān)測信息的時域、頻域、時頻域實時處理方法和遠程傳輸?shù)臄?shù)據(jù)壓縮方法。監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程傳輸方法研究：研究多參量、多傳感元件監(jiān)測數(shù)據(jù)的分類集成和傳輸、分區(qū)域集成和傳輸?shù)倪f階集成與傳輸方法；研究開發(fā)多參量、多傳感元件監(jiān)測數(shù)據(jù)遞階集成與傳輸?shù)挠芯€和無線傳輸系統(tǒng)（包括硬軟件集成系統(tǒng)）?；趧討B(tài)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)管理和控制技術研究:主要研究基于動態(tài)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)查詢、歷史記錄管理、特征值統(tǒng)計分析（峰谷值、平均值、方差統(tǒng)計）、不同類型數(shù)據(jù)的相干分析等等?；跀?shù)據(jù)挖掘技術的橋梁監(jiān)測實時數(shù)據(jù)挖掘與控制。4橋梁安全預警技術及結構健康狀態(tài)評估技術研究基于監(jiān)測信息的重大工程結構實時損傷推斷與定位、實時模型修正與安全評定的理論和方法、以及結構安全預警的多水平準則，建立典型重大工程結構損傷識別與安全評定的標準試驗模型，為重大工程結構的健康監(jiān)測與安全預警提供理論、方法和統(tǒng)一的檢驗平臺。主要研究內容如下：4.1結構實時損傷推斷、定位與模型修正的理論和方法環(huán)境時變作用模型研究。（a）研究晝夜溫差變化與季節(jié)溫差變化的幅值及其循環(huán)作用的次數(shù)，研究溫度對連續(xù)剛構橋梁靜動力特性的影響；(b)預應力對超靜定結構動力特性的影響目前還沒有明確的結論，對于既有橋梁結構，預應力隨時間而變化的，需要研究預應力效應變化及其對橋梁動力特性的影響。復雜結構損傷的子結構、分散化識別方法：針對大型拉索式橋梁結構等具有明顯子結構特征（如拉索、橋面和橋塔等相對獨立又有機聯(lián)系的子結構體系）的重大工程結構，研究結構局部損傷、子結構損傷和分散化損傷推斷——分析和識別及其兩者相結合的方法；研究以局部信息為先驗知識和以整體信息為先驗知識的結構損傷識別的信息融合方法?；诜俏锢砟Ｐ偷慕Y構損傷識別方法：采用現(xiàn)代信號處理技術和人工智能方法，研究基于非物理模型的結構損傷識別方法，主要包括小波包變換分析方法、Hilbert-Huang變換分析方法、神經(jīng)網(wǎng)絡方法等，建立小波包能量譜等結構損傷指紋；研究非物理模型的結構損傷特征與有物理模型的結構損傷特征的關系與相互轉化的條件和方法。結構模型修正的理論與方法：在結構損傷推斷與定位的基礎上，研究結構模型修正的優(yōu)化目標函數(shù)和約束條件；研究子結構模型修正方法，從單元到單元、整體到單元的模型修正方法，基于局部和整體性態(tài)變量一致性的結構模型修正方法，以及概率模型修正方法。4.2結構健康狀態(tài)評定的理論與方法結構安全評定的荷載標準：橋梁評估顯然不同于橋梁設計，設計荷載標準是基于統(tǒng)計分析綜合得到的，而實橋實際經(jīng)歷的荷載顯然不同于預期的設計荷載，可能發(fā)生超載，還有不同軸重的概率分布和交通流量等。因此制定橋梁評估的荷載標準就顯得特別重要。研究基于環(huán)境條件監(jiān)測的結構極值環(huán)境作用；研究結構設計使用期和后續(xù)服役期的隨機環(huán)境荷載等概率超越準則以及以此為準則的結構安全評定荷載標準；研究地震、強風和海浪等具體的評定荷載標準。典型重大工程結構累積損傷與抗力衰減的關系：針對大型拉索式橋梁結構以及固定式鋼質導管架海洋平臺結構，研究結構關鍵構件累積損傷的規(guī)律、結構構件和整體性能退化規(guī)律和抗力衰減模型。結構實時安全評定：結合典型重大工程結構，研究易損性構件和重要性構件與結構失效模式和相應極限承載能力的關系；研究結構重分析和極限承載能力分析的高效快速方法，以及基于當前監(jiān)測確定的極限環(huán)境作用和極限強度模板映射的結構實時安全評定方法；研究基于當前結構損傷狀況和評定荷載標準下的結構安全評定方法。橋梁剩余使用壽命預測。由于影響既有橋梁剩余壽命的因素很多，包括混凝土的碳化、鋼筋銹蝕、超載運營等等，各個影響因素之間互相影響，目前針對既有公路橋梁的抗力衰減模型雖有一定的參考資料，但是超載導致的疲勞損傷和鋼筋導致的銹蝕等多因素耦合的橋梁抗力衰減模型還有待進一步的研究。(a)發(fā)展合適的橋梁系統(tǒng)抗力模型，主要內容有：定義合適的極限狀態(tài)、定義合適的橋梁材料和部件抗力系數(shù)、在既有經(jīng)驗基礎上建立目標安全性指標和橋梁系統(tǒng)抗力模型。(b)研究結構主導失效模式發(fā)生概率的計算方法與識別技術；研究基于荷載與抗力隨機變量先驗知識的重要抽樣方法和結構整體抗力與荷載效應極限狀態(tài)的結構體系可靠度預測方法。4.3結構安全預警的多水平準則結構預警水平?jīng)Q策：結合典型重大工程結構，研究結構的失效機理、失效模式和最小安全余度；根據(jù)結構不同狀態(tài)的功能，研究結構多級安全預警水平設立準則、標準和基于損傷過程控制的閥值調整方法?；谙闰炛R的結構安全預警方法：研究根據(jù)結構易損性分析、結構失效路徑和臨界狀態(tài)、損傷指紋的結構安全預警方法，研究快速預測結構災變響應的理論與方法。建立長大橋梁安全預警系統(tǒng)。5橋梁健康監(jiān)測與橋梁養(yǎng)護管理的決策模型一定要探索橋梁健康監(jiān)測與橋梁養(yǎng)護管理的有機結合點，將健康監(jiān)測納入橋梁管理系統(tǒng)的范疇，這是未來橋梁健康監(jiān)測的發(fā)展大方向。側重于橋梁生命周期內的養(yǎng)護維修策略，結合橋梁健康監(jiān)測與能力預測，提出橋梁養(yǎng)護維修決策模型，推薦加固維修方案比較并推薦優(yōu)化的加固技術方案，將研究成果應用于具體橋梁工程的加固改造設計與施工，第三節(jié)大跨預應力連續(xù)剛構橋健康監(jiān)測系統(tǒng)一、下白石大橋簡介下白石大橋（圖2）屬于國家干線高速公路沈海線（閩）福鼎至寧德高速公路上的一座特大型橋梁，主橋上部結構為跨徑145m＋2260m＋l45m的預應力混凝土連續(xù)剛構，橋梁全長810米。整個主橋處于堅曲線范圍內，豎曲線半徑R＝52000米．橋面縱坡變坡點在樁號K125＋400.00處，兩側坡度分別為0.9％和-0.3％,主橋中點橋面標高設計為45.173米，橋面兩側設2％的單向橫坡。主橋橋面寬24.50米，分為上下行兩幅，在主橋主墩處用四道橫梁連接起來，每幅橋箱梁采用單箱單室截面，箱梁頂板寬12.00米，底板寬6.00米，橋梁定面設單向橫坡；墩頂處箱粱高為14.00米，各跨跨中以及現(xiàn)澆梁段高均為4.20米，該橋支座采用KPZ系列盆式橡膠支座。該橋設計荷載為汽超-20、掛一120，無人群荷載，于2003年7月建成通車。通車3年以后，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)橋梁存在明顯的下?lián)?、支座伸縮變形過大、水下樁基礎沖刷露筋、箱梁開裂等病害。期望通過長期實時監(jiān)測和分析，監(jiān)測橋梁運營狀態(tài)的基本信息，對運營過程中出現(xiàn)的異常情況進行預警或者報警，從而實現(xiàn)對橋梁結構的安全運營狀態(tài)進行評估，科學地實施橋梁預防性養(yǎng)護。圖2下白石大橋二、監(jiān)測目的建立一套穩(wěn)定可靠、實時采集分析傳輸?shù)慕】当O(jiān)測系統(tǒng)，為大橋的長期安全運營和養(yǎng)護提供強有力的技術支持。建立遠程控制監(jiān)測系統(tǒng)，通過遠程網(wǎng)絡及時了解大橋的運行情況及各測點的特征值和預處理結果。通過大量的特征值和實時采集數(shù)據(jù)的分析，建立一套完整的評估和預警系統(tǒng)。為大橋的結構損傷提供可靠的數(shù)據(jù)，為橋梁養(yǎng)護部門對大橋的養(yǎng)護、維修提供必要的信息。為類似結構的橋梁的監(jiān)測和養(yǎng)護提供寶貴經(jīng)驗，推進橋梁監(jiān)測的發(fā)展。三、健康監(jiān)測系統(tǒng)總體方案3.1系統(tǒng)主要設計思路為了便于系統(tǒng)的管理和維護，將加速度、動位移、應力等多種參數(shù)測試集成在一個系統(tǒng)中，以測試斷面為單元，采用模塊化設計。測試信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集后多通道合成，采用光纖進行數(shù)字化傳輸數(shù)據(jù)，解決現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的長距離高速不間斷傳輸難題，采用了星型傳輸結構的系統(tǒng)同時保證了各個測試斷面采集子站的電系統(tǒng)獨立性，增強測試系統(tǒng)抗干擾能力，采集子站的局部故障不會擴散到整個系統(tǒng)的其他部分，便于系統(tǒng)維護。系統(tǒng)設備布置方案采用數(shù)據(jù)采集箱，安放于測試斷面距各測點最近，使得傳感器輸出的微弱信號傳輸距離最短，減少干擾及信號傳輸線路；采集控制器、主控計算機和預處理計算機安放在橋的中心位置，保證與各采集子站通訊傳輸距離最短，減少光纖長度，便于安裝，節(jié)約成本。主控計算機控制現(xiàn)場各采集箱完成橋梁各種靜、動態(tài)響應信號的采集、預處理和存儲，在監(jiān)控中心可以實時觀測橋梁的振動，位移和應力狀況，并且可以通過人工定期到現(xiàn)場取數(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)帶回處理分析。預處理計算機對測試數(shù)據(jù)進行實時分析，并且通過遠程網(wǎng)絡將實時分析的特征值傳輸?shù)竭h端的數(shù)據(jù)中心。3.2監(jiān)測的主要內容（1）實時監(jiān)測內容（采樣頻率200Hz）橋梁靜動態(tài)應力監(jiān)測，包括主梁控制截面混凝土應力監(jiān)測等；橋梁振動特性監(jiān)測，包括橋面豎向、橫向、縱向與扭轉振動特性（包括各向振動頻率、阻尼比、振型和振動強度等）及其變異監(jiān)測；橋梁豎向、橫橋向動位移監(jiān)測等。（2）定期監(jiān)測內容橋梁定期線型監(jiān)測（半年一次）支座縱橫向位移監(jiān)測（采樣時間間隔5分鐘）；橋梁工作環(huán)境監(jiān)測，包括橋梁環(huán)境溫度、濕度監(jiān)測等（采樣時間間隔5分鐘）；根據(jù)下白石大橋健康監(jiān)測的基本思路、監(jiān)測要求、連續(xù)剛構橋的特點以及傳感器的選擇原則，用于下白石大橋健康監(jiān)測的儀器類型和數(shù)量如表2。表2下白石大橋監(jiān)測傳感器選型序號監(jiān)測項目傳感器型號數(shù)量（個）主要性能指標1主梁應變WFLM-60-11（東京測器研究所）62柵長60mm；靈敏度系數(shù)1.96±1％；1/4橋路方式；應變計電阻120R。2主橋線型LeicaTCA-2003全站儀1靜態(tài)測量精度：1mm+2ppm動態(tài)測量精度；5mm+2ppm3豎向、橫向和縱向加速度941BA型（哈工力所）31最大量程：±20m/s2；靈敏度：0.3Vs2/m；分辨率：5×10－6m/s2；4豎向和橫向動位移941BX型（哈工力所）14最大量程：±150mm；靈敏度：1.0V/m；分辨率：1×10－6m頻響：0.25～80Hz（+1~－3db）5箱內外溫度半導體溫度計BGK3700（北京基康）16測量范圍：-50℃～～150℃；靈敏度:±0.5%F.S；分辯率:0.034℃；阻值變化范圍：55.6～201.1K6支座位移縱向SW-30(哈工力所)4最大可測位移：±30cm；靈敏度：0.01V/cm/V；分辨率：0.2mm；線性度：≤橫向SW-10(哈工力所)4最大可測位移：±10cm；靈敏度：0.05V/cm/V；分辨率：0.2mm數(shù)量合計132監(jiān)測測點布置參見附件一，各類傳感器安裝及保護參見下圖3。3.3監(jiān)測系統(tǒng)的主要特點分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，光纖傳輸數(shù)據(jù)，采集子站與總控制器的擴展距離可達數(shù)公里；防塵機箱最大限度滿足野外及惡劣環(huán)境的使用；斷電自動恢復和錯誤報告功能；以工控機為基礎的硬件和軟件環(huán)境,實時顯示監(jiān)測結果；中文視窗WinNT/2000/XP操作系統(tǒng)下32位采樣和分析軟件；每臺計算機最多可控制512個測點；每通道獨立放大器，大大提高了系統(tǒng)抗干擾能力；前置調理器，增加系統(tǒng)抗干擾能力；直流供橋，自動平衡，平衡結果保存對意外斷電具有恢復功能；星型結構保證系統(tǒng)的相對獨立；全橋系統(tǒng)多參數(shù)、多測點并行全同步采樣；網(wǎng)絡采集，實現(xiàn)采集分析自動控制。(a)普通應變計和光纖應變計(b)加速度傳感器(c)動位移傳感器(d)傳感器防護盒(e)拉線位移傳感器(f)箱外溫度傳感器圖3傳感器的安裝和防護四、系統(tǒng)各項目技術指標4.1在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集器技術指標4.1.1應變測試技術指標輸入阻抗:1MΩ∥40PF；輸入保護:輸入信號大于±5V(DC或AC峰值)時,輸入全保護；輸入方式:DC差分(1/4橋方式)；可接入的信號:應變傳感器信號；滿度值:±500με；系統(tǒng)準確度:小于0.5％(F.S)(預熱半小時后測量)；系統(tǒng)穩(wěn)定度:0.05％/h(同上)；線性度:滿度的0.1％；失真度:不大于0.5％；最大信號帶寬:DC～10Hz；噪聲:不大于2μV(輸入短路,在最大增益和最大帶寬時折算至輸入端)；共模抑制(CMR):不小于100dB；共模電壓(DC或AC峰值):小于±4V、DC～60Hz；時間漂移:小于3μV/小時(輸入短路,預熱1小時后,恒溫,在最大增益時折算至輸入端)；溫度漂移:小于1μV/℃(在允許的工作溫度范圍內,輸入短路,在最大增益時折算至輸入端)；濾波器濾波方式:模擬慮波；濾波器截止頻率:28Hz；濾波器阻帶衰減:約-24dB/oct；濾波器平坦度(分析頻率范圍內):小于±0.1dB；供橋電壓:2V；適用應變計電阻值:120Ω；平衡范圍:±10000με(應變計阻值誤差±2％)；通道隔離度:90dB；A/D分辨率:14位A／D轉換器；每測點采樣速率：1Hz,2Hz,5Hz,10Hz,20Hz，50Hz,100Hz，200Hz；電源:220V±10％（AC）；50Hz±2％；最大功率30W；4.1.2加速度測試技術指標輸入阻抗:1MΩ∥40PF；輸入保護:輸入信號大于±5V(DC或AC峰值)時,輸入全保護；輸入方式:DC單端；可接入的信號:941BA信號；滿度值:±1g；系統(tǒng)準確度:小于0.5％(F.S)(預熱半小時后測量)；系統(tǒng)穩(wěn)定度:0.05％/h(同上)；線性度:滿度的0.1％；失真度:不大于0.5％；最大信號帶寬:DC～40Hz；噪聲:不大于2μV(輸入短路,在最大增益和最大帶寬時折算至輸入端)；共模抑制(CMR):不小于100dB；共模電壓(DC或AC峰值):小于±4V、DC～60Hz；時間漂移:小于3μV/小時(輸入短路,預熱1小時后,恒溫,在最大增益時折算至輸入端)；溫度漂移:小于1μV/℃(在允許的工作溫度范圍內,輸入短路,在最大增益時折算至輸入端)；濾波器濾波方式:模擬慮波；濾波器截止頻率:60Hz；濾波器阻帶衰減:約-24dB/oct；濾波器平坦度(分析頻率范圍內):小于±0.1dB；通道隔離度:90dB；A／D分辨率:14位A／D轉換器；每測點采樣速率：1Hz,2Hz,5Hz,10Hz,20Hz,50Hz,100Hz,200Hz；電源:220V±10％（AC）；50Hz±2％；最大功率30W。4.1.3動位移測試技術指標輸入阻抗:1MΩ∥40PF；輸入保護:輸入信號大于±5V(DC或AC峰值)時,輸入全保護；輸入方式:DC單端；可接入的信號:941BD信號；滿度值:±100mm；系統(tǒng)準確度:小于0.5％(F.S)(預熱半小時后測量)；系統(tǒng)穩(wěn)定度:0.05％/h(同上)；線性度:滿度的0.1％；失真度:不大于0.5％；最大信號帶寬:DC～10Hz；噪聲:不大于2μV(輸入短路,在最大增益和最大帶寬時折算至輸入端)；共模抑制(CMR):不小于100dB；共模電壓(DC或AC峰值):小于±4V、DC～60Hz；時間漂移:小于3μV/小時(輸入短路,預熱1小時后,恒溫,在最大增益時折算至輸入端)；溫度漂移:小于1μV/℃(在允許的工作溫度范圍內,輸入短路,在最大增益時折算至輸入端)；濾波器濾波方式:模擬慮波；濾波器截止頻率:15Hz；濾波器阻帶衰減:約-24dB/oct；濾波器平坦度(分析頻率范圍內):小于±0.1dB；通道隔離度:90dB；A／D分辨率:14位A／D轉換器；采樣速率：1Hz,2Hz,5Hz,10Hz,20Hz，50Hz,100Hz,200Hz；電源:220V±10％（AC）；50Hz±2％；最大功率30W。4.2在線監(jiān)測系統(tǒng)采集控制器技術指標與計算機的接口方式：IEEE-1394與數(shù)據(jù)采集器的通訊方式：FC-SC光纖通訊電源：220V±10％（AC）；50Hz±2％；最大功率60W。外型尺寸：標準2U機箱工作環(huán)境：置于密封防塵服務器標準機柜（帶玻璃觀察口）中數(shù)據(jù)采集箱參見下圖4。圖4監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集箱4.3在線監(jiān)測系統(tǒng)遠程收發(fā)控制模塊技術指標接口方式：RS232通訊條件：收發(fā)雙方必須接入電話網(wǎng)絡，通訊方式：借助公用電話網(wǎng)，利用MODEM撥號進行遠程數(shù)據(jù)傳輸電源：9~~36V（DC）；MODEM自帶外型尺寸：通用外置調制解調器標準五、系統(tǒng)單元模塊的連接下白石大橋健康監(jiān)測硬件系統(tǒng)的構成參見下圖5。5.1數(shù)據(jù)采集器與采集控制器之間的連接數(shù)據(jù)采集器與采集控制器之間是通過多模光纜進行連接的。而在數(shù)據(jù)采集器的內部，是從采集器的底板上引出一根信號線（帶7芯接頭），然后連接至采集箱內部右下方的光纖轉換器的H接頭（在前面的部分已對此進行過詳細的描述）。而光纖轉換器則是通過帶有光纖接頭的光纜連接至控制器的。具體接法：把帶有標識A的光纖接入白色接頭內，帶有標識B的光纖接入黑色接頭內，在連接時要特別注意，必須輕拔輕插，并保證光纖接頭不要沾到灰塵等臟物，也不可用手觸摸，以免接頭損壞或被弄臟后影響甚至中斷正常的通訊。5.2采集控制器與下機位采樣計算機之間的連接采集控制器與下機位采樣計算機之間是通過IEEE-1394來實現(xiàn)連接通訊的，它控制了整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，傳輸，處理及保存工作，是系統(tǒng)連接重至關重要的一個環(huán)節(jié)。5.3靜態(tài)采集系統(tǒng)與下機位采樣計算機之間的連接靜態(tài)采集箱之間采用485通訊線串聯(lián)的方式，每個機箱都有擴展輸入和擴展輸出2個DB-9的通訊接口，在信號線靠近計算機的位置引出一根通訊線，連接到485轉232的轉接卡上，然后再接入計算機，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與通訊控制功能。5.4采樣計算機與顯示計算機之間的連接采樣計算機與顯示計算機連接示意圖如下圖6所示：圖5下白石大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)構成圖6采樣計算機與顯示處理計算機連接值得注意的是：在以太網(wǎng)光纖轉換器連接到光纖終端盒時要注意連接的順序問題，其連接的原則為：橋上的轉換器的RXD（接收數(shù)據(jù)）接口對應中控室轉換器的TXD（發(fā)送數(shù)據(jù)）接口，橋上的轉換器的TXD接口對應中控室轉換器的RXD接口，轉換器的RXD與TXD的指示燈都亮表示通訊正常。實際采集計算機（下位機）