2016版监测技术规程.pdf

公路桥梁结构安全监测系统技术规程(JTT1037-2016)提提 纲纲一、定义与术语二、总体设计三、监测内容与测点选择四、传感器五、数据采集、传输、处理和管理六、数据分析与安全评估一、定义与术语结构结构安全监测系统安全监测系统structural safety monitoring system由安装在桥梁上的传感器以及数据采集与传输、数据处理与管理等软硬件构成，对桥梁的荷载与环境作用以及桥梁结构性能参数进行测量、收集、处理、分析，并对桥梁结构正常使用水平与安全状态进行评估和预警的系统。150m梁桥、200m拱桥、300m斜拉桥、500m悬索桥 结构复杂、桥梁重要性等级高其他桥梁结构一、定义与术语风、温度、湿度、降雨等应变、裂缝、腐蚀、索力、支反力、基础冲刷等整体振动、位移、变形和转角等 一、定义与术语安全安全评估评估 safety evaluation通过监测数据分析桥梁结构当前的工作状态，并与相应的临界状态进行比较分析，评价其安全等级。二、总体设计二、总体设计1一般规定2系统架构3传感器模块 数据处理与管理模块5 数据分析与安全预警及评估模块64数据采集与传输模块 系统集成与用户界面交互7二、总体设计系统的目标满足数据分析、安全预警、安全一级评估、安全二级评估及专项评估的要求硬件和软件技术先进、稳定可靠、操作方便、经济实用、便于维护更换及扩展升级系统的寿命埋入式监测设备不应低于20年非埋入式监测设备不应低于5年（监测寿命要求意见较突出的部分）在正常维护和更换下，监测系统应与桥梁同寿命，监测设备的维护与更换应保证数据的连续性本条对软硬件提出了明确的维护更换及扩张的要求，并规定了监测设备的寿命，明确了监测系统建设、维护的基本要求。现有监测系统的问题与桥梁问题一致，重“建设”轻“养护”，同样问题频发：1.传感设备及监测设备老化损坏，系统维护不及时，导致测点缺失甚至系统停止运行；2.数据分析评估不及时，不能为决策提供依据，业主“获得感”不强；（如何培养需求）3.上述问题的存在导致不同的声音和质疑。二、总体设计 传感器模块由荷载与环境监测、结构整体响应监测和结构局部响应监测传感器构成，应实现桥梁环境参数、车辆荷载参数及视频信息、结构响应的测量。数据采集与传输模块由数据采集设备、数据传输设备与缆线、数据采集与传输软件构成，应实现传感器数据同步采集与传输，保证数据质量、不失真 数据处理与管理模块由数据预处理、中心数据库、数据查询与管理软硬件构成，应实现桥梁监（检）测数据的处理、查询、存储与管理等功能 数据分析与安全预警及评估模块应实现数据实时在线显示、数据分析、安全预警及评估等功能二、总体设计l 监测内容l 监测变量l 测点位置和数量l 传感器选型监测内容应变、索力结构振动车辆荷载支座反力、伸缩缝变位变形与位移船撞、风荷载、地震裂缝、腐蚀、基础冲深转角温度、湿度、雨量风浪、波浪荷载与环境监测内容结构整体响应监测内容结构局部响应监测内容应采用结构计算分析、结构危险性分析和易损性分析方法确定二、总体设计l 与传感器接口的匹配性设计l 信号调理与数据采集方案：信号调理与数据采集设备应基于接口匹配性、环境适应性、稳定性、耐久性等要求进行选型；数据采集方案应保证信号信噪比高、不失真，动态信号还应满足采样定理数据采集站（机柜）布置方案应考虑传感器布置、信号传输距离、易于维护等要求l 数据传输方案与路由设计：数据采集与传输设备应选用兼容性、耐久性和环境适应性好的产品数据传输路由与综合布线应基于桥梁现场情况、传感器与数据采集站布置方案及信号传输距离进行设计，宜利用机电工程已有桥架和预留孔洞走线，并远离强电等噪声源l 软件功能设计与集成方案：数据采集和传输软件应自动采集与传输数据，并可进行人工干预采集与采集参数调整本条文给出了数据采集与传输软硬件的基本规定，确定了采集传输设备选型的基本原则。二、总体设计功能要求：数据预处理、数据存储、自动生成报告报表；操作系统中心数据库，进行数据查询和管理；备份数据、自动导入和导出数据及手工导入和导出数据；统一的数据标准格式和接口；数据安全性，可采取设定不同用户级别权限和密码，以及网络防护等技术措施；重点：本条文给出了数据处理与管理模块的功能要求；监测系统数据管理标准化问题，这是目前结构健康监测系统发展和推广、成功应用面临的关键问题。二、总体设计l 监测数据分析l 一级安全评估l 二级安全评估l 安全预警数据分析、安全评估与预警修正的模型监测数据最大值与特征值荷载与环境监测荷载、设计荷载设计容许值结构整体响应重分析、极限承载力分析结构安全储备比较结构局部响应监测数据分析与建模一级安全评估在线实时预警二级安全评估综合预警三、监测内容与测点选择三、监测内容与测点选择1一般规定2监测内容3测点选择监测内容与测点选择 结构整体响应结构整体响应结构局部响应结构局部响应 荷载与环境荷载与环境根据荷载与环境作用特点应根据结构振动和变形特点、模态参数识别及安全评估要求根据结构计算分析和易损性分析结果 监测内容应根据运营环境、结构特点、结构危险性分析、结构设计和监运营环境、结构特点、结构危险性分析、结构设计和监测功能测功能确定 测点选择应满足安全预警和评估要求，遵循“代表性、实用性、经济性、少而精”的选择原则监测内容与测点选择l 荷载与环境l 结构整体响应l 结构局部响应必选可选不选桥型斜拉桥斜拉桥悬索悬索桥桥拱桥拱桥梁梁桥桥监测内容与测点选择内力分析振动与变形特点荷载特点易损性分析模态参数识别环境特点整体状态评估荷载与环境监测结构整体响应结构局部响应监测内容与测点选择l 荷载与环境监测-车辆荷载内内容容车辆荷载监测内容包括车辆荷载监测内容包括断面断面交交通流、车型、车轴重、轴数、通流、车型、车轴重、轴数、车辆总重、车速车辆总重、车速等等测测点点车辆荷载监测宜采用不停车称车辆荷载监测宜采用不停车称重方法，称重测点宜选择在路重方法，称重测点宜选择在路基或有稳定支撑的混凝土结构基或有稳定支撑的混凝土结构铺装层内，应覆盖所有行车道铺装层内，应覆盖所有行车道监测内容与测点选择l 荷载与环境监测-温湿度内内容容桥梁桥梁结构温度场和湿度结构温度场和湿度测测点点 根据截面温度梯度及结构整体升根据截面温度梯度及结构整体升降温和空间分布特点，可通过有降温和空间分布特点，可通过有限元模拟或参考相关桥梁设计规限元模拟或参考相关桥梁设计规范确定测点范确定测点位置位置 宜在主梁跨中、索塔、拱圈、主宜在主梁跨中、索塔、拱圈、主缆等关键截面布设缆等关键截面布设测点测点 测点布置宜与应变监测的温度补测点布置宜与应变监测的温度补偿测点统一设计、偿测点统一设计、数据共享数据共享 单体桥梁湿度测点不宜少于两个，单体桥梁湿度测点不宜少于两个，宜布设于桥梁结构内外湿度变化宜布设于桥梁结构内外湿度变化较大和对湿度敏感的桥梁结构内较大和对湿度敏感的桥梁结构内部或部或外部外部 关键关键钢结构应布设湿度测点，宜钢结构应布设湿度测点，宜布设在桥面上、钢结构箱梁内、布设在桥面上、钢结构箱梁内、斜拉桥的斜拉索锚固区、悬索桥斜拉桥的斜拉索锚固区、悬索桥的锚室内和主缆内以及鞍罩内的锚室内和主缆内以及鞍罩内u 热电偶温度计热电偶温度计u 电容湿度计电容湿度计监测内容与测点选择l 荷载与环境监测-风荷载u 机械式风速机械式风速仪或仪或三维超声风速三维超声风速仪仪内内容容对对大大跨径斜拉桥和悬索桥等风跨径斜拉桥和悬索桥等风敏感结构的风敏感结构的风参数参数（风速和风速和风风向向、风压）、风压）进行监测进行监测测测点点 宜宜选择在桥面两侧、塔顶、选择在桥面两侧、塔顶、拱顶，其安装位置应尽可能拱顶，其安装位置应尽可能地监测自由场风速和风向地监测自由场风速和风向 跨度小于跨度小于800m800m斜拉桥和跨度斜拉桥和跨度小于小于1500m1500m悬索桥宜在主梁悬索桥宜在主梁跨中上下游两侧各布设一个跨中上下游两侧各布设一个测点测点 跨度大于等于跨度大于等于800m800m斜拉桥和斜拉桥和跨度大于等于跨度大于等于1500m1500m悬索桥，悬索桥，宜结合风场空间相关性适当宜结合风场空间相关性适当增加测点数量增加测点数量 风敏感的特大跨桥梁宜根据风敏感的特大跨桥梁宜根据钢箱梁绕流场特性进行钢箱钢箱梁绕流场特性进行钢箱梁表面风压监测梁表面风压监测u 监测风压的陶瓷型或扩散硅型微压差传监测风压的陶瓷型或扩散硅型微压差传感器，或感器，或皮托管皮托管监测内容与测点选择l 荷载与环境监测-地震荷载和船撞u 船撞高频加速度传感器船撞高频加速度传感器u 监测地震动的高灵敏度监测地震动的高灵敏度加速度传感器加速度传感器内内容容 应对特大型桥梁桥址区域地震应对特大型桥梁桥址区域地震动动监测监测 宜宜对抗震设防等级较高区域的对抗震设防等级较高区域的其他桥梁地震动其他桥梁地震动监测监测 航道航道等级为等级为I I级级VV级的桥梁宜级的桥梁宜进行船舶撞击进行船舶撞击监测监测 非通航孔桥宜在船舶撞击风险非通航孔桥宜在船舶撞击风险区进行船舶撞击监测区进行船舶撞击监测测测点点 长度长度小于小于800m800m的桥梁，宜布设的桥梁，宜布设一个测点；长度不小于一个测点；长度不小于800m800m的的桥梁，考虑地震地面运动非一桥梁，考虑地震地面运动非一致性，宜增设一个测点致性，宜增设一个测点 桥岸地表区域可将测点布设于桥岸地表区域可将测点布设于护岸、锚碇锚室内、近桥址监护岸、锚碇锚室内、近桥址监控中心等自由场地上，水体区控中心等自由场地上，水体区域可布置于人可到达的索塔和域可布置于人可到达的索塔和桥墩底部或承台顶部，并易于桥墩底部或承台顶部，并易于保护和维护保护和维护 测点宜选择在易遭受船舶撞击测点宜选择在易遭受船舶撞击的桥墩处的桥墩处监测内容与测点选择l 荷载与环境监测-降雨量监测u 电容雨量传感器、红外线式雨量传电容雨量传感器、红外线式雨量传感器、单翻斗雨量传感器感器、单翻斗雨量传感器内内容容斜拉桥斜拉桥宜进行降雨量监测宜进行降雨量监测测测点点宜布设在桥梁开阔部位，且不宜布设在桥梁开阔部位，且不宜布设在振动较大部位宜布设在振动较大部位监测内容与测点选择l 结构整体响应监测-振动监测u 低频加速度传感器低频加速度传感器内内容容各种各种桥型均应进行桥型均应进行振动振动监测监测测测点点 测点选择应根据桥梁结构动测点选择应根据桥梁结构动力计算结果、振型特点以及力计算结果、振型特点以及所需监测振型阶数综合确定所需监测振型阶数综合确定 传感器宜布设在结构主要振传感器宜布设在结构主要振型振幅最大或较大部位，并型振幅最大或较大部位，并避开节点位置避开节点位置 宜采用识别振型为目标的测宜采用识别振型为目标的测点最优选择方法点最优选择方法 宜采用结构损伤识别与模型宜采用结构损伤识别与模型修正为目标的测点最优选择修正为目标的测点最优选择方法方法监测内容与测点选择l 结构整体响应监测-变形监测u 压力变送器、压力变送器、GNSSGNSS、倾角仪、倾角仪内内容容各种各种桥型均应桥型均应进行进行变形变形监测监测测测点点结构结构整体变形和位移监测测点整体变形和位移监测测点选择应根据最不利荷载组合作选择应根据最不利荷载组合作用下主梁、索塔、主缆、主拱用下主梁、索塔、主缆、主拱等关键构件的挠度、位移和倾等关键构件的挠度、位移和倾角包络线选择变形、位移和倾角包络线选择变形、位移和倾角最大或较大的位置角最大或较大的位置监测内容与测点选择l 结构局部响应监测-应变监测u 光纤光栅应变计、电阻式应变计、振光纤光栅应变计、电阻式应变计、振弦式应变计弦式应变计内内容容应对应对关键构件应变进行监测关键构件应变进行监测测测点点 宜宜根据结构计算分析选择受根据结构计算分析选择受力较大或影响结构整体安全力较大或影响结构整体安全的关键构件、截面和部位的关键构件、截面和部位 宜根据结构易损性分析选择宜根据结构易损性分析选择最易破坏或局部破坏易导致最易破坏或局部破坏易导致结构倒塌的关键构件、截面结构倒塌的关键构件、截面和部位和部位 受力复杂的构件、截面和部受力复杂的构件、截面和部位，宜布设三向应变测点位，宜布设三向应变测点监测内容与测点选择l 结构局部响应监测-索力监测u 振动频率法振动频率法、穿心压力式索力传感器穿心压力式索力传感器、磁通量磁通量传感器传感器内内容容应对缆索（主缆、吊索和系杆）应对缆索（主缆、吊索和系杆）力力进行进行监测监测测测点点 选择不同规格、长度、阻尼选择不同规格、长度、阻尼设置的拉索设置的拉索 选择索力较大、应力幅值变选择索力较大、应力幅值变化较大的索结构进行监测化较大的索结构进行监测监测内容与测点选择l 结构局部响应监测-支座反力监测u 支座反力传感器支座反力传感器内内容容宜对边界约束体系中关键支座宜对边界约束体系中关键支座的支座反力进行监测的支座反力进行监测测测点点宜宜选择可能出现横向失稳等倾选择可能出现横向失稳等倾覆性破坏的独柱桥梁、弯桥、覆性破坏的独柱桥梁、弯桥、基础易发生沉降、采用压重设基础易发生沉降、采用压重设计等桥梁的关键支座计等桥梁的关键支座监测内容与测点选择l 结构局部响应监测-疲劳监测u 动应变动应变传感器传感器内内容容应对应对钢箱梁正交异性钢桥面板、钢箱梁正交异性钢桥面板、吊索、斜拉索以及其他存在疲吊索、斜拉索以及其他存在疲劳效应的钢构件进行疲劳监测劳效应的钢构件进行疲劳监测测测点点选择选择钢箱梁正交异性钢桥面板钢箱梁正交异性钢桥面板U U肋、横隔板过焊缝等易产生肋、横隔板过焊缝等易产生疲劳效应的部位疲劳效应的部位u 光纤光栅应变计、电阻式应变计光纤光栅应变计、电阻式应变计监测内容与测点选择l 结构局部响应监测-腐蚀与冲刷监测内内容容 宜宜对位于海洋环境、盐碱地对位于海洋环境、盐碱地区域和石油化工等侵蚀性工区域和石油化工等侵蚀性工业环境的桥梁进行腐蚀监测业环境的桥梁进行腐蚀监测 宜对水文、地质条件复杂、宜对水文、地质条件复杂、冲刷严重的桥梁进行流速和冲刷严重的桥梁进行流速和冲刷深度监测冲刷深度监测测测点点 腐蚀腐蚀监测宜选择代表性桥墩监测宜选择代表性桥墩的水位变动区、浪溅区的关的水位变动区、浪溅区的关键截面键截面 应选择冲刷最大区域以及桩应选择冲刷最大区域以及桩基薄弱区域基薄弱区域检测为主、防护为主检测为主、防护为主四、传感器四、传感器1一般规定2荷载与环境监测传感器3结构整体响应监测传感器4结构局部响应监测传感器传感器传感器量程、灵敏度、分辨率动态响应特性信噪比、工作环境、环境适应性、长期稳定性、经济性安装前进行必要的校准埋入式：20年等效替换方法非埋入式：5年可维修、可更换桥梁同寿命传感器车辆荷载：地秤、视频船撞荷载：加速度计风：三维超声风速仪、机械式风速仪地震：加速度传感器温/湿度、雨量振动：力平衡、电容、压电加速度传感器位移：液压连通管、GNSS、倾角仪应变：各类应变传感器索力、断丝：加速度计、索力计、光纤光栅传感器、磁通量传感器，声发射监测系统支座反力：支反力传感器 腐蚀、冲刷传感器l 车辆荷载监测传感器 技术参数和按照要求技术参数和按照要求应符合应符合动动态公路车辆自动衡态公路车辆自动衡GB/T 21296GB/T 21296的的规定规定 单轴量程大于限载车辆轴重单轴量程大于限载车辆轴重2 2倍倍 数据自动采集，现场能存储不少数据自动采集，现场能存储不少于于1414天。天。传感器l 风速和风向监测传感器 台风台风区域宜选区域宜选三三向向风速仪风速仪(脉动风脉动风速、平均风速、风向和风攻角速、平均风速、风向和风攻角)量程量程 设计风速设计风速 可可采用联合使用方案，主梁两侧应采用联合使用方案，主梁两侧应采用同类型风速仪采用同类型风速仪 可以安装到专用支架上，也可安装可以安装到专用支架上，也可安装到沿线设施上，伸出主体结构到沿线设施上，伸出主体结构5m5m，应避免紊流影响应避免紊流影响u 机械式风速机械式风速仪仪u 三维三维超声风速超声风速仪仪传感器l 风压监测传感器 量程量程+-1000Pa+-1000Pa，精度精度0.2%FS 2g2g，横向灵敏度，横向灵敏度小于小于1%1%，频响范围，频响范围0100Hz0100Hz 自振频率高的自振频率高的桥梁或斜拉索、吊索、桥梁或斜拉索、吊索、系杆等构件系杆等构件，电容式电容式或或和压电式加速和压电式加速度传感器度传感器，量程量程 20g20g，横向灵敏度，横向灵敏度5%预测最大值预测最大值1.5-31.5-3倍，倍，动应变动应变 预测最大值预测最大值2 2倍；倍；应温度补偿应温度补偿 疲劳监测测点宜采用三向应变传感器疲劳监测测点宜采用三向应变传感器u 光纤光栅应变计、电阻式应变计、振光纤光栅应变计、电阻式应变计、振弦式应变计弦式应变计传感器l 拉索监测（索力监测和断丝监测）索力监测索力监测传感器测试传感器测试精度宜不低于精度宜不低于1%1%声发射传感器的谐振频率量程宜在声发射传感器的谐振频率量程宜在100kHz400kHz100kHz400kHz范围范围，灵敏度灵敏度60dB60dB，灵敏度变化灵敏度变化=设计允许值疲劳：容许应力 疲劳损伤指数腐蚀：深度 腐蚀环境持续时间评估报告：桥梁及安全监测系统基本信息评估项目一级评估中界定状态异常的界限值8.3.2-8.3.12评估结果以及异常状态的数量和位置统计数据分析与安全预警及评估 利用应变对关键构件进行安全一级评估符合下列规定：a)根据应变计算应力时应考虑温度对应变的影响，对钢筋混凝土桥梁还应考虑收缩、徐变对应变的影响；b)当应力未超过设计值时，监测点处构件应力状态正常；当应力超过设计值时，监测点处构件应力状态异常。利用应变传感器进行钢结构疲劳安全一级评估符合下列规定：a)对只承受压力的构件宜不进行疲劳状态评估；b)宜采用容许应力法或疲劳损伤指数法进行监测点处构件疲劳状态评估；c)采用容许应力法进行疲劳状态评估时，当应力最大值小于规范规定的构件疲劳容许应力时，监测点处构件疲劳状态正常；否则，监测点处构件疲劳状态异常，宜按d）的规定进行桥梁疲劳状态评估；d)应力时程宜采用雨流法和Miner准则计算监测点处构件疲劳累积损伤指数D数据分析与安全预警及评估 缆索承重桥梁结构安全一级评估符合下列规定：a)当拉索、吊索、吊杆、系杆应力小于设计值时，可判定索体结构处于正常状态；否则，判定索体结构状态异常；b)当拉索、吊索、吊杆、系杆应力大于规范容许疲劳应力时，可判定索体结构疲劳状态异常，应按8.4.3的规定进行疲劳状态评估。利用运营荷载结构校验系数进行安全一级评估符合下列规定：a)应在自然流车辆荷载作用下，获取位移影响线最不利位置加载时刻结构响应值与该时刻车辆荷载作用下结构响应计算值的比值；b)在特定时刻桥上有重车通行，单辆车总重不宜低于30吨；c)运营荷载结构校验系数小于1时，判定结构处于正常状态；否则，判定结构状态异常。数据分析与安全预警及评估 缆索承重桥梁结构安全一级评估符合下列规定：a)当拉索、吊索、吊杆、系杆应力小于设计值时，可判定索体结构处于正常状态；否则，判定索体结构状态异常；b)当拉索、吊索、吊杆、系杆应力大于规范容许疲劳应力时，可判定索体结构疲劳状态异常，应按8.4.3的规定进行疲劳状态评估。利用运营荷载结构校验系数进行安全一级评估符合下列规定：a)应在自然流车辆荷载作用下，获取位移影响线最不利位置加载时刻结构响应值与该时刻车辆荷载作用下结构响应计算值的比值；b)在特定时刻桥上有重车通行，单辆车总重不宜低于30吨；c)运营荷载结构校验系数小于1时，判定结构处于正常状态；否则，判定结构状态异常。数据分析与安全预警及评估安全一级评估有下列情况，应进行专项检查：安全一级评估有下列情况，应进行专项检查：a)结构局部响应异常；b)钢结构内相对湿度大于60%的累计天数大于365天；c)构件监测点处钢筋发生腐蚀，判定监测点处腐蚀状态异常；d)桥墩冲刷深度大于70%设计冲刷深度，判定桥墩冲刷状态异常；e)关键构件拉、压应力大于设计值，判定监测点处构件应力状态异常；f)关键构件疲劳状态超过中等损伤，判定监测点处构件疲劳状态异常；g)拉索、吊索、吊杆和系杆应力大于等于设计值，判定索体结构状态异常。数据分析与安全预警及评估安全一级评估中有下列情况，应进行安全二级评估：安全一级评估中有下列情况，应进行安全二级评估：a)结构整体响应异常；1)变形大于等于设计值；2)顺桥向梁端位移达到伸缩缝设计值的80%或者梁端位移最大值达到设计值；3)锚碇、基础出现严重沉降或位移，达到或超出设计值；4)结构频率明显降低。a)结构局部响应异常，专项检查发现桥梁损伤；b)车辆荷载水平超过设计值；c)最高温度、最低温度、最大温差和最大温度梯度超过设计值；d)运营荷载结构校验系数大于1。数据分析与安全预警及评估二级安全评估（I-V级）计数不满足设计要求的构件数量修正的有限元模型多种目标函数多种方法修正结果监测的荷载安全状态等级划分与评定标准设计荷载安全储备极限荷载荷载与环境结构模型结构整体安全评估结构重分析车辆和风评估报告：桥梁及安全监测系统基本信息评估项目评估方法评估结果Thanks for Your Thanks for Your Attention!Attention!