大型桥梁连续刚构健康检测系统研究与应用

大型桥梁连续刚构健康检测系统研究与应用

大型桥梁（连续刚构桥）健康监测系统研究与应用 20 世纪在桥梁工程领域是一个令人兴奋的世纪，预应力技术的引入和钢桥技术的日臻成熟，桥梁分析理论、施工技术、材料性能的迅速发展，使得桥梁工程取得了突破性的成就。尤其是过去的十多年，各类桥梁的 最大跨径 记录不断被刷新。 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 引言 日本多多罗大桥 ---- 斜拉桥跨度已达到 890m; 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 悬索桥跨度已达到 1991m （ 日本明石大桥 ） ; 连接江苏南通与苏州的 苏通大桥 ---- 主桥斜拉桥跨度超过 1080m ； 国内已建成 润扬大桥 为 1490m ，江阴大桥为 1385m ，钢拱桥最大跨度为上海卢浦大桥（ 550m ），钢管混凝土拱桥为巫峡长江大桥（ 460m ）。 他们每一座都标志着桥梁工程前进了一大步。 桥梁工程的发展带来了一个突出的问题就是，如何确保桥梁的安全性和耐久性。对于桥梁等土木工程结构，一旦建成投入使用后，除了材料自身性能会不断退化、老化外，还会受到车辆、风、地震、疲劳、超载、地震、人为因素等作用，从而导致结构或构件有不同程度的自然损伤累积和突然损伤。 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 在美国，至少每两年要对约 575000 座桥梁进行一次检测，据 FHA(Federal Highway Administration) 统计结果约 40 ％的桥梁存在或多或少的结构缺陷； 英国运输部曾在 1990 年抽样调查过两百座混凝土公路桥，结果表明大约 30 ％的桥梁的运营条件不良； 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 在印度，大约 10 ％的公路桥梁需要替换，另有 10 ％的桥梁有损伤迹象；在前南斯拉夫，大约有 19 ％的桥梁的运营状况不良。 我国的桥梁健康状况也不容乐观。截至到 2002 年底，全国公路桥梁总数达 29.9 万座，计 1161.2 万延米。其中全国有公路危桥数量为 3402 座，计 14.5575 万延米。 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 重要的桥梁结构而言，如果不能对桥梁结构的 健康状态 进行长期的 实时监测 ，就难于及时发现并消除结构的安全隐患，一旦结构局部失效或整体承载能力不足，势必会影响桥梁结构的正常使用，甚至造成灾难性的重大事故。 韩国圣水大桥 1994 年发生中央 50m 坍塌，其中 15m 掉入江中，造成死亡 32 人，重伤 17 人的重大事故； 1967 年 12 月，美国俄亥俄河上的一座主要桥梁倒塌，导致 46 人丧生。 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 广州九江大桥 江苏常州公路大桥 包头丹拉高速高架桥 美国明尼苏达州桥梁 1997 年广州的海印桥斜拉索因锈蚀而断裂，济南黄河桥也发现拉锁锈蚀，结果这两座桥的斜拉索在远没有达到使用年限的情况下被迫提早更换； 重庆的彩虹大桥钢管焊接存在严重缺陷，于 1999 年 1 月 4 日坍塌，造成 41 死亡、 14 人受伤的悲剧； 2000 年青州闽江大桥复合斜拉桥在台风季节遭受断锚吊装船的撞击，部分拉锁破损，而支座也因反复冲撞而全部损坏； 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 1996 年 12 月广东韶关特大桥梁坍塌， 32 人死亡， 59 人受伤； 2000 年 8 月 27 日，台湾省连接高雄与屏东的交通要到上的高屏大桥突然拦腰断裂， 16 辆汽车坠入河中， 22 人受伤。 为了确保大型桥梁结构的使用安全性和耐久性，减少或避免国家财产、人们生命的重大损伤，有必要对 大型桥梁结构的进行健康监测。 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 大型桥梁健康监测的 目的和意义 大跨桥梁的生命过程一般包括总体规划、设计施工以及运营管理及维修拆除等阶段。以往受技术和经济条件的限制，主要精力都集中在 设计与施工阶段 ，随着经济的发展特别是全国性的交通网络的迅速发展，总体规划的工作已越来越受到人们的重视。随着大跨桥梁的大量建造，以及它们的巨大投资及在国民经济中的重要作用，大跨桥梁的 运营管理、养护维修也越来越受到重视。 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 对大型桥梁结构进行健康监测是指通过对桥梁结构状态的监控与评估，为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导。 验证设计假设和设计参数，有助于改进和完善当前桥梁设计规范； 及时地发现异常结构荷载和响应，尽早地识别出结构可能存在的损伤和性能退化； 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 在灾后和异常事件后及时地对结构安全性评估提供数据； 为桥梁的日常检测、维护、加固和维修提供依据和指导； 监测各类维护、加固和维修措施的作用和效果； 为桥梁研究提供大量的原始数据。 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 桥梁健康监测系统研究现状 结构健康监测系统是集结构监测、系统辨识和结构评估于一体的综合监测系统。其监测内容包括 结构响应监测 环境荷载监测 重点病害监测 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 桥梁结构健康监测系统示意图 英国 80 年代后期开始研制和安装大型桥梁的监测仪器和设备，并调查比较了多种长期监测系统的方案。 丹麦在 Great Belt East 悬索桥已开始尝试把极端与正常记录分开处理的技术 在我国国内的桥梁健康监测的起步较晚但发展速度较快，上海同济大学、哈尔滨工业大学、大连理工大学、清华大学、福州大学等已对混凝土结构监测进行了理论和实用的研究，并已应用到了公路桥梁上，取得了较好的效果。 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 工程实例 美国 Sunshine Skyway 斜拉桥 Benicia-Martinez 钢桁架桥 休斯顿 Fred Hartman 大桥 Commodore Barry 大桥 Bronx Whitestone 悬索桥 Bear Mountain 悬索桥 Hormiguero 大桥 英国 Flintshire 独塔斜拉桥 丹麦 Faroe 跨海斜拉桥 Great Belt East 悬索桥 挪威 Skarnsundet 斜拉桥 墨西哥 Tampico 斜拉桥 欧美地区 日本 明石海峡大桥 Hakucho 悬索桥 南备赞濑户悬索桥 韩国 Nambae 悬索桥 Jindo 斜拉桥 New Haengju 斜拉桥 泰国 Rama IX 斜拉桥 印度 Naini 斜拉桥 亚洲地区 Banghwa 拱桥 Jindo 斜拉桥 Namhae 悬索桥 明石海峡大桥 大中国地区 青马大桥 江阴长江大桥 汲水门大桥 南京长江二桥 汀九大桥 南京长江三桥 虎门大桥 济南黄河铁路桥 徐浦大桥 芜湖长江大桥 钱江四桥 润扬长江大桥 海沧大桥 滨洲黄河大桥 马桑溪长江大桥 大佛寺长江大桥 …… 深圳西部通道（香港）大桥 昂船洲大桥 汲水门大桥 汀九大桥 青马大桥 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 健康监测在连续刚构桥中的应用 大跨度预应力连续刚构桥典型病害： 箱梁整体三向预应力损失超过设计预期，导致梁体开裂、截面刚度下降，桥梁发生较强烈振动； 由于多采用节段悬臂浇注和张拉，张拉施工时混凝土弹模偏低，导致成桥后使用阶段混凝土徐变变形较大，普遍出现主跨下挠、边跨上翘现象； 由于施工和超载等因素，箱梁梁体出现开裂：主要为跨中受弯裂缝和靠近桥墩的斜裂缝； 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 下部结构桩身受冲刷、腐蚀甚至撞击严重，桥台同时出现不均匀沉降； 由于养护维修不能及时跟上，导致箱梁混凝土劣化严重，出现露筋和钢筋锈蚀，影响桥梁的使用安全和耐久性。 健康监测在连续刚构桥中的应用举例： 新原高速公路小沟特大桥监测内容包括：桥梁挠度、应力、动力特性、桥梁温度、环境温度及车辆活载； 钱江六桥（ 127+3×252+127m ）中也已经安装了实时健康监测系统。 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 存在的问题及需要解决的关键技术 迄今桥梁安全监测中还缺乏有效的传感器优化布置算法。 有关桥梁安全监测的一系列问题目前尚无统一的规范和标准。 大量原始数据的及时、实时处理。 系统本身的稳定性、可靠性和抗干扰性。 复杂环境的因素导致监测困难。 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 概念设计 “概念设计” 是根据事物的本质特征，按一定的目的要求，运用人的思维和判断，正确决定设计中的基本原则，制定方案和实施措施。就桥梁健康监测系统而言，“概念设计”就是对桥梁的受力特性以及主要的结构病害进行分析，联合桥梁所处的环境、地质条件、桥梁的结构、内部应力的分布情况以及便于观测等因素确定观测内容，合理选择仪器和安排测点，构思出高水平的、理想的监测方案，达到技术先进、经济合理、安全适用的目的。 健康监测系统概念设计 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 概念设计的标准 “ 简洁、实用、性能可靠、经济合理 ” 的设计原则； 首先满足大桥养护管理和运营的需要，同时兼顾考虑科学试验与设计验证等方面因素； 在确定监测方法方面，充分考虑地形、地质条件及监测环境，选择相适应的监测方法，人工直接监测和自动监测相结合； 在监测仪器选择方面，不要片面追求高、精、尖、多、全。监测仪器一般应满足精度、可靠度、牢固可靠三项要求，统筹安排； 健康监测系统概念设计 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 在测点布设方面，根据连续刚构桥梁病害分析结果，选择结构易损、重点部位及日常养护无法检查或检查非常困难的部位进行监测；测点的布设不宜过多，但要保证观测质量。 采用实时监测和定期监测、人工检测相结合的方法； 监测系统必须遵循功能要求和效益 - 成本分析两大准则。根据功能要求和成本 - 效益分析可以将监测项目和测点数设计到所需的范围，可最优地选择并安装系统硬件设施。 健康监测系统概念设计 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 监测系统的构成和监测内容的确定 综合以上监测系统结构设计的构思，一般对连续刚构桥进行健康监测，其主要工作有： 桥梁工作环境的监测； 桥梁整体性能的监测； 结构的动力分析及损伤识别研究； 由此可以确定健康监测系统的监测内容，从而确定了健康监测系统的构成。 健康监测系统概念设计 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 一、监测的主要内容 大桥处的环境温度和桥梁结构温度分布状况的监测 振动与动位移监测 大桥线形监测：包括主梁挠度和支座位移的监测 健康监测系统概念设计 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 二、监测系统的构成 健康监测系统概念设计 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 传感器及仪器选择 一、桥梁健康监测传感器 对于桥梁健康监测的所有监测项目，几乎都有相应的测量传感器或测量仪器可以利用。而且，随着科学技术的进步，新的更加可靠、精确和便宜适用的传感器被开发出来。下面主要是在概要介绍各种监测项目所用传感器的基础上讨论了传感器的选择标准。 健康监测系统概念设计 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 几何监测仪器（传感器） 桥梁轴线和不见的位置及位移测量是桥梁试验及长期监测的重要监测内容。对于不同的结构形式及规模（跨径）的桥梁，其位置及位移测量的设备有所不同。 ①全站仪 ②全球定位系统（ GPS ） 应变测量传感器 应变是某一构件长度变化量与原来长度的比值，是一个无量纲。 ① 电阻应变计 ② 振弦式应变计 ③ 光纤应变传感器 健康监测系统概念设计 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 振动测量传感器 振动测量传感器是一种换能装置，它将振动信号转换成便于传输、放大和记录的电信号。根据电信号所反映的振动信号的种类，又可以将振动传感器细分为加速度传感器、速度传感器和位移传感器。 ①压电式加速度计 ② 压阻式加速度计 ③ 电容式加速度计 ④ 力平衡式加速度计 健康监测系统概念设计 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 温度测量传感器 用于温度测量的传统传感器有热电偶、热电阻、温度变送器、半导体温度传感器等，这些传统设备都需要事先标定和信号转换，精度低、耐久性差，测量系统复杂等。现代温度传感器具有精度高、自标定与误差修正、耐久性好、可靠性高等特点。 ①光纤温度传感器 ②数字温度传感器 健康监测系统概念设计 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 二、仪器（传感器）选择 健康监测传感器是桥梁健康监测的基础。随着科学技术的进步，能用于健康监测的传感器种类繁多、型号各异，而且不断有新的更加可靠、精确和便宜的传感器被开发出来。因为目前健康监测多以在线振动监测为主，而大型桥梁等复杂结构基频很低，要求传感器需有良好的低频响应以及较宽的动态响应范围。因此在进行传感器选择时要考虑以下几个方面。 健康监测系统概念设计 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 传感器的一般技术特性 ① 量程：能够测量被测量量的范围。 ② 灵敏度：能够测量被测量量的最小变化率。 ③ 精度：测量值与真值之间复合程度。 ④ 频率响应范围：是测振传感器的重要指标，传感器的频响范围要能覆盖感兴趣的被测结构物的频率。 ⑤ 对工作环境的要求：主要是工作的温度范围，环境相应湿度等。 健康监测系统概念设计 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 传感器的稳定性、可靠性及对工作环境的 鲁棒性 长期监测一般十几年、几十年甚至更长的时间。在这漫长的时间里，传感器的工作环境可能会发生意料不到的变化（如激烈的振动很高的温度、很高的相对湿度等）。虽然不能要求纤巧、精密的传感器的寿命都与被测的土木结构物有一样长的寿命，并能经受不测的环境变化，但是在选择传感器时这两方面的特性还是应该予以特别的考虑。 健康监测系统概念设计 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 传感器与数据采集、通信设备的相容性 由于传感器输出信号一般都比较弱，要经过信号调理器的解调放大后才能被显示或纪录。通常对于某一种传感器都有与之匹配的调理器。不同的调理器其信号输出的方式也不一样，有的直接在调理器上显示数字量，有的提供模拟量输出端口，有的提供数字量输出端口以及通信软件可以将输出数据直接输入计算机。因此在选择传感器时就要考虑对应这种传感器的解调器的数据输出方式是否与后续的数据采集设备及通信设备相容。 健康监测系统概念设计 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 监测点的确定 测点的布设在健康监测系统中起着相当重要的作用，观测点布设的优劣、科学与否，直接影响到观测数据能否正确反映桥梁的实际状态及变形量的大小。布设监测测点时，应遵循必要、适量、最能反映结构的实际状态和方便观测的基本原则，并做到以下几点： 在满足监测目的前提下，监测数量和布置必须是充分的、足够的；同时测点宜少不宜多，不能盲目设置测点。这样，不近可以节省仪器设备、避免人力浪费，而且还可以使监测工作重点突出。任何一测点的布设都应该是有目的的，它服从于分析、判断的需要。 健康监测系统概念设计 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 测点的位置必须具有代表性，以便于分析和计算。如主要测点的布设应能反映结构的最大应力（应变）和最大挠度（或位移）等。 测点的布置对观测工作应该是方便的、安全的。不便于观测读数的测点往往不能提供可靠的结果，对于危险的部位，要妥善考虑安全措施或者选择布置特殊的测量方法和仪器。 观测点应布置在点位稳定并能长期保存的地方，同时要求观测点与桥梁牢固地结合在一起，这样观测的变形量，才代表了桥梁的变形。 健康监测系统概念设计 桥梁健康监测安全性评估 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 安全性评估的概念及与适用性、耐久性的区别 桥梁评估就是利用特定信息，分析既有桥梁的可靠性并为使桥梁保持一定水平的可靠性而做出相应工程决策的过程。在实际评估中，人们往往根据不同类型的桥梁采用不同类型的评估。对于大多数早先修建的 中小桥 梁，常常要求提高桥梁的车辆荷载标准、增加车道等，这常涉及桥梁的承载能力，一 般以研究中小桥梁的承载能力评估方法为重点。 桥梁健康监测安全性评估 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 对于大型桥梁，评估一般与健康监测系统相结合，充分利用健康监测系统长期获得的监测数据，日前主要集中在两个方面：一是损伤评估，主要是研究如何利用监测系统或通过其它方法获得的数据确定结构的损伤部位以及损伤程度，为进一步的承载能力评估和安全评定奠定基础；另 — 方面是安全状态评估，即利用监测系统、人工检测获得的数据，综合评定大型桥梁当前的状态，指导日常养护维修。 桥梁健康监测安全性评估 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 桥梁状态评估的内容包括安全性、适用性和耐久性三个方面，三者互相关联且各有重点。 安全性评估指对桥梁破坏极限状态的评估，即承载能力评估或强度评估，与结构和构件的极限强度、稳定性能有关。评估的目的是弄清楚桥梁的实际安全状态，避免桥梁在日常使用中发生灾难性后果。因其与人身安全和财产损失有关而成为桥梁评估的主要内容。为揭示桥梁的真实承载能力，通常要以结构体系为对象并借助于较为复杂的结构分析模型。 桥梁健康监测安全性评估 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 适用性评估属于结构的正常使用极限状态的评估，与结构、构件在日常荷载作用下的变形、振动等有关。就确定结构工作条件和指导日常养护维修而言，适用性评估结果十分重要，它为结构是否能正常使用提供依据。 耐久性评估是对结构在正常使用和正常维护条件下，判定结构在指定的目标使用年限内是否满足安全性和适用性的要求，或其使用寿命是否满足目标使用年限的要求，决策采取相应的措施，以确保结构耐久适用、安全可靠，有效地延长其使用年限。耐久性评估侧重于结构损伤及其成因、以及这些损伤对材料物理特性的影响，确定现阶段桥梁的性能。 桥梁健康监测安全性评估 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 桥梁的安全性是桥梁的基本功能，因此是桥梁评估的重点；在安全性的基础上，桥梁才能够提供相应的服务功能，也就是适用性；桥梁的耐久性就是桥梁能够在未来的使用期内保持安全性和适用性的能力，只有在当前的安全性和适用性能够得到保证的条件下，未来的安全性和适用性才有意义，也就是说，既有桥梁的安全性是适用性和耐久性的基础，而安全性和适用性又是耐久性的基础。 桥梁健康监测安全性评估 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 桥梁安全性评估的研究概况 目前世界各国都在进行桥梁评估等方面的研究工作，在投入使用的桥梁管理系统中，美国的 POTINS 和 BRIDGIT 、日本的 J-BMS 和欧洲的 Brime 项目等目前都还没有能很好解决桥梁评估的问题。相比较而言，我国桥梁管理系统的研究起步较晚，管理经验与历史数据相对较少，桥梁评估方法单一，经验性和主观臆断性对评估结果的影响程度过大，缺少基于不同检测手段的评估 。 桥梁健康监测安全性评估 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 国内外研究概况 大型桥梁结构综合评估主要是应用 层次分析法 (AHP ， analytic hierarchy process) 将影响桥梁状态的因素层次化，形成一个多层的、每层包含若干组指标的体系，先确定底层各指标的状态，再应用综合评估的计算方法 计算出其它各层指标的状态 ( 如常规综合评估、模糊综合评估 ) 。 另外国内外桥梁安全评估 理论研究还主要集中在可靠度理论、神经网络、遗传算法以及修正模型评估法等方面。 桥梁健康监测安全性评估 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 常规综合评估 《 公路养护技术规范 》(JTJ073-96) 中的综合评定方法就采用了该常规方法。孙立军等建立的上海市桥梁管理系统和李昌铸等开发的公路桥梁管理系统 CBMS 均采用综合评估公式对桥梁结构进行综合评价。 任宝双将物元分析理论引入层次分析法，建立了在用钢筋混凝土简支梁桥结构耐久性损伤现状的多层次评估模型和评估方法，并采用变权评估来考虑不同损伤程度指标对评估结果的不同贡献。通过对已使用 33 年的钢筋混凝土桥面梁的静力加载实验，研究桥面简支梁的耐久性损伤与其受弯承载力和刚度的关系，建立了在用钢筋混凝土桥面简支梁的受弯承载力和刚度计算，即安全性、适用性评估方法。 桥梁健康监测安全性评估 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 刘健指出了目前管理系统中评估方法的缺陷，提出了以桥梁缺损状态作为桥梁状态评估的基础，用层次分析法建立桥梁结构层次分析模型进行综合评估，采用变权综合的方法使个别构件存在重大缺陷时能在总体评估中表现出来，并在此基础上编制了基于 GIS 的桥梁管理系统程序。 王有志等根据钢筋混凝土梁式桥结构特点，首先给出构成各部分基本受力构件的承载能力降低率，再依据层次分析法原理，将其合成为结构体系的评估指标，从而建立起桥梁结构体系的使用评估方法，并在此基础上开发一个自动评估系统。 桥梁健康监测安全性评估 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 陈何峰和史家钧在以层次分析法为基础的桥梁评估中，引入经济指标量化权重，提出功能价值的思想及计算方法，结合变权思想，形成了一种桥梁综合评估中新的权重计算方法。 任京州将不确定层次分析法与熵值法相结合，运用乘法合成归一化方法，计算得出综合集成权值，同时结合现有资料和规范，形成了一套新的既有公路混凝土梁桥状态评定方法和处理原则。 在进行桥梁结构技术状态评估研究的初期，常规综合评估方法对研究工作的开展起到了很好的奠基作用，且是目前既有桥梁评估应用中的主流。但对于很难用定量方法描述的事物，该方法的可靠性和评估精度容易受参评人员主观因素影响。 桥梁健康监测安全性评估 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 模糊综合法 以模糊数学为基础，应用模糊关系合成的原理，将一些边界不清、不易定量的因素定量化进行评估。模糊综合评估法较好地解决了事物的模糊性与算法的确定性这一矛盾，能很好地反映客观事物的本质，但是，如何选择模糊运算法则，如何合理确定隶属函数形式，评判矩阵形成时如何尽可能避免参评人员主观上的不确定性和随机性等问题还未能得到根本解决。 桥梁健康监测安全性评估 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 模糊综合评估 ：借助模糊数学的一些概念，对实际问题进行综合评估的方法。 Tee 和 Bowman 利用 resolution identity of fuzzy sets 模糊集合身份分解的简化计算方法建立了桥梁状态评估模型。该模型利用模糊权重平均值与桥梁状态等级相结合，将模糊集分解为非模糊的水平集合或间隙，并通过一个桥梁状态评估的实例验证了该方法的有效性。 Melhem 和 Aturaliya 提出了采用模糊加权向量方法，基于由重要性两两比较得到的权重，采用弱 α 分割和模糊加法得到的相应各评估子集的模糊加权向量，提高了最终评价结果的稳定性，支持检测者评价结果的分散性，克服了对部分检测者可能不精确检测结果的敏感性。 桥梁健康监测安全性评估 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 Zhao 等运用模糊理论的聚类分析方法建立基于观测数据的模糊专家系统来诊断混凝土桥梁损伤状况，运用修正的峰值聚类 (the modified mountain clustering method) 方法进行参数识别，过滤掉不重要参数，通过模糊分划算法构建各输入参数的隶属函数，并从数集中得出模糊规则，再进行知识获取和规则优化。 Kawamura 等基于模糊规则对诊断过程进行存储，先将结构按层次划分，确定各级指标 ( 分耐久性、承载力两个系列 ) 的影响因素，从而确定输入条目，再根据模糊规则和隶属函数定出各因素的隶属度，计算每一条规则对应的适应度，最后根据健康分值来评判结构的健康等级。 桥梁健康监测安全性评估 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 王学智运用置信度及模糊数学的方法建立了桥梁损伤评估及对策模型，将损伤严重性和补修必要性联系起来，实现了桥梁损伤评估及对策专家系统 (BEES) 框架。 季征宇等建立了基于受损构件和受损结构体系残余承载能力模糊评估理论的海洋平台结构破损评估专家系统，提出了在综合评估系统中建立包括损伤力学、构件性质、损伤度量、残余承载力等数据信息的受损构件样本库的思路。 王永平等采用多层次模糊评价模型进行桥梁评估，提出用损伤度 ( DV ) 来度量桥梁结构或构件的损伤程度，建立了桥梁评估专家系统的基本框架，并根据 DV 值，由等级隶属函数确定桥梁相应技术等级状态。 桥梁健康监测安全性评估 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 淡丹辉和孙利民以在线传感器监测信息为基础建立桥梁工作状态空间的表征，结合专家经验建立状态的评价体系，用 Mamdani 型模糊推理技术建立桥梁工作状态的在线识别模型，并以某刚构桥模型实验为背景，通过整个加载历程中目标点处的同步位移信息来识别整个结构的非线性状态。 李蓉将桥梁结构健康评估指标数值模糊化，并且基于不确定性层次分析法构建区间判断矩阵，利用遗传算法进行全局最优解搜索计算区间判断矩阵的最优值，从而确定评估指标的权重值。 桥梁健康监测安全性评估 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 基于可靠度理论： 采用失效概率或可靠指标来衡量结构的安全水平。由于该理论是以概率统计为基础，该理论可以处理荷载和抗力的不定性，尤其是可以处理这些不定性的变化对结构可靠度的影响。因此，它可为桥梁结构评估提供一个合理的理论框架。 Stewart 等考虑加载历程对老化桥梁可靠度的影响建立了概率评估模型，认为目前基于可靠度理论的方法为旧桥评估决策提供了一种更完善的框架，并提出荷载试验尽管能较好提供第一手资料，但不经济且有可能会出现加载失效，故需在试验前进行风险－成本－效益分析。 桥梁健康监测安全性评估 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 Ni 等提出了一种基于长期监测数据和可靠性分析的桥梁状态评估方法。在这种方法中，荷载效应概率密度函数是直接从连续监测的应变值中获得的，而抗力的概率密度函数是由材料强度和它的变异系数中获得的。其中变异系数是由根据规范规定或材料测试获得的，结构元件的安全指数是通过 FORM 法得到的。因为安全指数和必要的养护之间的对应关系已经建立起来了，所以该指数将可以指导桥梁检测、养护。 程进和肖汝诚提出了一种基于逆可靠度法的大跨悬索桥主缆安全系数评估方法。该方法通过给定结构的目标可靠度指标反求主缆安全系数，计算出的主缆安全系数既考虑了结构参数中不确定因素的影响，又满足了预先给定的主缆可靠度水平 桥梁健康监测安全性评估 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 朱劲松等提出了基于 RBF 网络与 Monte Carlo 结合的可靠度评估方法。建立了招宝山大桥快速分析的 RBF 网络模型，网络训练样本按均匀设计方法，考虑几何非线性因素由 ANSYS 软件分析得到。分析表明：基于 RBF-MC 的可靠度分析方法具有速度快、精度高的优点，并能同时计算多极限状态下的结构可靠指标，特别适合基于可靠度的桥梁管理系统采用；活载布置方式、选取的功能函数均影响可靠度评估的结果。 目前可靠度理论在桥梁技术状态评估中的应用尚处于初级阶段，重点放在桥梁承载能力评估方面，对于构件的失效评估能较好实现，但对于整体结构系统的失效评估尚不成熟，对于结构失效模式的确定也还有待进一步研究。 桥梁健康监测安全性评估 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 基于遗传算法和神经网络法 遗传算法 是基于自然遗传和自然选择的思想，以类似于达尔文适者生存理论方式的寻优方法。主要是通过编码、进化、选择、交叉和变异等 5 种操作来实现。 人工神经网络 具有较强大的模式识别能力，适合于工程中的损伤检测。近年来，以非线性大规模并行分布为主流的人工神经网络研究发展迅速，已比较成功地应用于模式识别等许多领域，并逐渐成为解决一些工程实际问题的基本工具之一。 桥梁健康监测安全性评估 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 运用神经网络、遗传算法及神经网络与模糊理论相结合的方法来进行桥梁结构技术状态评估虽然在国内外有很多学者在从事这方面的工作，研究集中在理论研究与模型推演等方面，但真正在实桥上运用的很少，对于评价指标体系如何确定、模糊控制规则如何形成、评估模型的建立和选取、网络拓朴结构如何确定等问题都还有待进一步深入，即使是目前这方面工作开展相对比较成熟的日本 BREX 系统也因数据积累的不足而有待对评估结果的进一步验证。 桥梁健康监测安全性评估 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 基于模型修正评估法 宗周红等结合桥梁现场环境振动试验和有限元模型修正，提出了一套基于动力的大型桥梁承载力评估方法，并应用该方法对一座预应力混凝土斜拉桥的承载力以及发生可能损伤进行了分析评估。结果表明：该斜拉桥在当前状态下能够满足设计要求，不需要进行调索，但拉索面积折减与超载对桥梁承载力具有较大的影响。此类评估对于桥梁养护与维修、长期健康监测具有重要的意义。 谭冬莲基于结构的实时监测，提出了一种利用数理统计方法确定荷载模式和荷载效应模式，从而克服了荷载试验对结构造成的损伤和对交通造成的不便的模型修正定量评估方法。并以修正后的有限元模型为基础，进行桥梁结构的实际承载力评估和在现有荷载等级作用下工作性能状态评估。 桥梁健康监测安全性评估 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 郭力讨论了面向结构状态评估的有限元模型的特点和相应的建模策略，提出了有限元模型修正的多重子步修正方法，研究了从静力响应 ( 影响线 ) 、动力特性和动力响应三方面信息对桥梁结构模型的验证问题，并以香港青马大桥为工程背景，研究了其以结构状态评估为目标的有限元模型的具体建立过程。 基于模型修正评估方法是目前能够应用到实桥中的评估方法之一，具有广阔的应用前景。其存在的问题主要有：①模型修正及确认方法研究；②损伤刚度退化研究；③模型动态修正技术研究；④桥梁状态数据采集及数据库建立等。 桥梁健康监测安全性评估 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 国内桥梁安全性评估方法规范相关要求 目前，公路桥梁检定的依据是 《 公路桥涵养护规范 》(JTG H11-2004) 、 《 公路桥梁承载能力检测评定规程 》( 征求意见稿 ) ，铁路桥梁的检定依据是 《 铁路桥梁检定规范 》( 铁运函 [2004]) 。 《 公路桥涵养护规范 》 对桥梁做出的是一般评定，即依据桥梁定期检查资料，通过对桥梁各部件技术状况的综合评定，确定桥梁的技术状况等级，提出各类桥梁的养护措施。 桥梁健康监测安全性评估 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 《 公路桥梁承载能力检测评定规程 》 是对桥梁的承载能力、通行能力做出评定，其评定内容主要包括桥梁缺损状况调查评估、质量状况检测评定、结构检算评定和荷载试验评定。当根据调查、检测与检算结果尚不能确定桥梁承载能力时，应进行荷载试验评定。 《 铁路桥梁检定规范 》 是对既有铁路桥梁承载能力、抗洪能力、运营性能做出评定。由于铁路桥梁的特殊性，与公路桥梁相比其多出了对桥梁运营性能的检验，以确保桥梁应具有足够的竖向及横向刚度，保证列车以规定的速度通过时，桥梁结构不出现激烈振动、防止车轮脱轨以及保证客车过桥的舒适性。 桥梁健康监测安全性评估 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 通过对现行桥梁检定规范的研究可以发现若要将其应用于健康监测在线评估，还存在以下几点不足： 这些规范检定的侧重点都放在桥梁的承载能力评估上，在其它方面考虑不足； 规范中规定的某些指标限值仅适用于特定的桥型或跨度，对复杂的桥型或大跨度桥梁并不适用； 尚无对运营中桥梁各项指标评定做出规定； 除 《 公路桥涵养护规范 》 有采用桥梁各部分权重的综合评定法得出全桥总体技术状况等级评分外，其它两个规范中都是对各检测项目状态单独做出评价，无法定量的了解桥梁的技术状况。而 《 公路桥涵养护规范 》 对桥梁做出仅是一般评定。 这些不足之处决定了其无法满足基于健康监测系统的大跨度桥梁在线安全性评估的要求。 桥梁健康监测安全性评估 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 国内部分大型桥梁采用的安全性评估方法 桥梁健康监测安全性评估 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 桥梁安全性评估中存在的主要问题 对桥梁结构技术状态等级影响因素的研究中，往往存在指标划分不够具体、划分依据不够明确、指标数目过少的现象。 现有的各类评估方法和评估理论已基本都被尝试应用于桥梁结构技术状态评估中，且都相应建立了桥梁结构的评估模型。但如前所述，有些方法因其本身的缺陷而不可能实现真正意义上的桥梁评估，而人工智能方法如模糊神经网络方法或基于可靠度理论的方法，尽管公认是下一代桥梁技术状态评估方法研究的趋势，但由于研究时间比较短，需要的数据积累不够充分等因素的影响，目前建立起来的评估模型和评估系统还不够成熟，不能替代传统的评估方法。 桥梁健康监测安全性评估 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 目前国内外对桥梁健康状态的评价缺乏统一有效的综合性指标，并且难以反映各构件的缺损及严重程度对整个桥梁的影响。特别是在评估阶段，会由于结构损伤、支承条件的改变使得结构体系更为复杂和难以模拟，此外结构在破损状态下的非线性加剧也会影响评估的精度，因此需要对结构失效模式的判断以及对结构非线性的处理要做深入研究。建立桥梁安全准则，特别是建立桥梁失效状态数据库还任重道远。 桥梁健康监测安全性评估 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 现有的评估规范、评估系统大多是基于中小型桥梁的，采用定级评估方法，围绕结构的外观状态和正常使用性能进行定性的、粗浅的安全评估。大型桥梁的结构复杂，体系轻柔，影响桥梁健康状态的因素繁多，诸因素之间相互联系、相互影响，同时非结构条件及环境因素对大型桥梁的影响程度远大于对中小型桥梁的影响。因此确立大型桥梁的评估体系，评估方法相对困难。如今评估理论还不够先进、评估体系还不够健全，评估方法不够完善，需要对设计准则的调整、安全系数的取值、结构损伤的确定以及分析方法的选择等作进一步的研究。 桥梁健康监测安全性评估 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 桥梁智能评估系统的研究刚刚起步。桥梁评估系统不同于一般的桥梁管理系统 (BMS) ，需要将结构健康监测数据与日常表观检测数据有机结合起来对桥梁状态进行综合评估。研究尽管出现了以模糊理论、可靠度原理为理论框架的各种桥梁评估专家系统，但能否将其推广和运用到工程实践中，还有待对桥梁进行深入的认识和研究。 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 下白石大桥健康监测系统 一、下白石大桥简介 主桥上部为四跨 (90m+2×170m+90m) 预应力混凝土变截面连续刚构箱梁，总长 520m 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 二、下白石大桥系统设计的总体目标 建立一套稳定可靠、实时采集分析传输的健康监测系统，为大桥的长期安全运营和养护提供强有力的技术支持； 建立远程控制监测系统，通过远程网络及时了解大桥的运行情况及各测点的特征值和预处理结果； 通过大量的特征值和实时采集数据的分析，建立一套完整的评估和预警系统； 为大桥的结构损伤提供可靠的数据，为桥梁养护部门对大桥的养护、维修提供必要的信息； 为相同结构的桥梁的监测和养护提供宝贵经验，推进桥梁监测的发展。 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 三、下白石大桥的主要监测内容 实时监测内容（采样频率 200Hz ） ① 桥梁静动态应力监测，包括主梁控制截面混凝土应力监测等； ② 桥梁振动特性监测，包括桥面竖向、横向、纵向与扭转振动特性（包括各向振动频率、阻尼比、振型和振动强度等）及其变异监测； ③ 桥梁竖向、横桥向动位移监测等。 定期监测内容 ① 桥梁定期线型监测（半年一次）；② 支座纵横向位移监测（采样时间间隔 5 分钟）；③ 桥梁工作环境监测，包括桥梁环境温度、湿度监测等（采样时间间隔 5 分钟）。 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 四、下白石大桥仪器的选择 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 五、测点布置 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 六、监测系统的构成 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 七、下白石大桥监测系统安装 支座位移监测 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 温度监测 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 正桥几何线形监测 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 桥梁控制截面的应力（变）监测 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 振动与动位移监测 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 UPS 不间段电源 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 八、监测系统主体软件设计 设计目标 下白石大桥健康监测系统根据桥梁的结构，依靠精确、稳定、可靠的数据采集系统和成熟的实时数据网络传输技术对桥梁的关键部位进行实时监测（加速度、温度、动静应变等），通过对实时数据和分析结果的处理，时刻了解桥梁的健康状态，以便对桥的维护起到指导作用，通过常期的监测和对数据的分析，能够了解现有大桥的设计缺陷，对以后桥梁的设计起到一个推动作用。 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 监测软件基本功能 控制通道参数设置，采集时域波形，实时存入具有时间标识的文件； 桥梁荷载实验数据记录表格（静载，环境激励，强迫激励）； 实时监测显示功能：可同时打开 8 个显示窗口，每个窗口可显示 4 条曲线，可自定义显示模板，图形格线、曲线、光标、标记、注释； 采集曲线的峰峰值，最大值，最小值，平均值统计及方差运算； 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 海量数据的存储，特征信号的分析、提取及保存； 信号实时分析，并统计和提取信号特征值存入数据库； 软件日报表的产生； 通过远程控制模块发送日报表、系统状态等信息至数据中心及远 程控制采集； 软件中各通道测点情况的详细描述； UPS 不间断电源的远程控制管理。 特别信号的安全预报警功能； 系统软件的采集数据回放功能 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 监测控制软件系统分布 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 九、监测系统的特点及长期维护 因为桥梁健康监测是长期的实时的在线监测，其运行的现场环境较普通室内的环境要恶劣，四季温差较大且存在振动、灰尘等不利因素，部分测点还在风雨环境中使用，这些对于监测系统的各种硬件设备、数据通讯与采集都是严峻的考验。虽然不能苛刻要求用于健康监测的仪器设备具有与被测的桥梁结构一样长的寿命，但是必须认真考虑这个问题，使耗资较大的健康监测系统真正发挥其作用。 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 国内外已建成的桥梁健康监测系统，在传感器等硬件设备的保护、维护等方面都或多或少存在一定的问题，有的是无专人维护、有的是因传感器等硬件设备的损坏、失效而导致整个系统的瘫痪。国内桥梁健康健康监测系统，如江阴长江公路大桥健康监测系统等也存在传感器损坏现象。 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 因此，除了在选择传感器等仪器设备时，要求具有非常好的耐久性、稳定性和对环境的鲁棒性（ Robustness ）外，还必须采取有效的现场保护、维护措施： 每一传感器、连接导线和采集放大设备都采用专用盒子、管道等进行严格保护，具有较好的防风雨引起的锈蚀、老化和人为破坏功能； 尽量增大所有功耗器件的容余量，延长其使用寿命； 整个系统具有独立能源供给系统和可靠的接地系统； 系统本身应具有自诊断、自恢复能力； 系统应具有开放性、可更换性和扩展性； 系统的维护应制度化、规范化，并有专人负责。 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 动应变时程 加速度时程 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 温度测试数据 支座纵向位移 动应变 采用基于不确定型层次分析法、考虑专家评判水平的群判断理论、加权集值统计原理、重心决策理论、变权原理的 常规综合评估 。 采用的评估方法及结论 日常天气下安全性评估综合得分为 95.507 ，对应状态为良好。各指标层项目得分均在 90 以上。 “ 韦帕 ” 台风天气下安全性评估的综合得分为 95.466 ，略小于日常天气下的 95.507 ，状态良好。 科研为本 创新为魂 服务为策 奉献交通 谢谢！ 请多指教！