桥梁健康监测系统调研研究报告.doc

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桥梁健康监测系统调研报告 6月目录一、传统桥梁结构检验和评定概述 1 二、现代桥梁健康监测系统概述 2 三、健康监测系统研究现实状况 3 四、健康监测系统实施现实状况 5 五、健康监测系统应用效果和存在问题 9 六、健康监测系统改善提议和发展前景 10 一、传统桥梁结构检验和评定概述桥梁在建成后，因为受到气候、腐蚀、氧化或老化等原因，和长久在静载和活载作用下易于受到损坏，对应地其强度和刚度会随时间增加而降低。这不仅会影响行车安全，并会使桥梁使用寿命缩短。为确保大桥安全和交通运输通畅，加强对桥梁维护管理工作极为关键。桥梁管理目标在于确保结构可靠性，关键指结构承载能力、运行状态和耐久性能等，以满足预定功效要求。桥梁健康情况关键经过利用搜集到特定信息来加以评定，并作出对应工程决议，实施保养、维修和加固工作。评定关键内容包含：承载能力、运行状态、耐久能力和剩下寿命估计。承载能力评定和结构或构件极限强度、稳定性能等相关，其评定目标是要找出结构实际安全贮备，以避免在日常使用中产生灾难性后果。运行状态评定和结构或构件在日常荷载作用下变形、振动、裂缝等相关。运行状态评定对于大桥工件条件确实定和定时维修养护实施十分关键。耐久能力评定侧重于大桥损伤及其成因，和其对材料物理特征影响。传统上，对桥梁结构评定经过人工目测检验或借助于便携式仪器测量得到信息进行。人工桥梁检验分为常常检验、定时检验和特殊检验。不过人工桥梁检验方法在实际应用中有很大不足。美国联邦公路委员会最近调查表明，依据目测检验而作出评定结果平全部有56%是不合适。传统检测方法不足之处关键表现在：（i）需要大量人力、物力并有很多检验盲点。现代大型桥梁结构部署极其复杂，构件多且尺寸大，加之大部分构件和隐蔽工程部位难于直接靠近检验，所以，这对现代大型桥梁尤其突出；（ii）主观性强，难于量化。检验和评定结果关键取决于检验人员专业知识水平和现场检测经验。经过半个多世纪发展，即使桥梁分析设计和施工技术已日趋完善，但对一些响应现象，尤其是损伤发展过程，尚处于经验积累中，所以定量化描述是很关键；（iii）缺乏整体性。人工检验以单一构件为对象，而用于现代机械、光学、超声波和电磁波等技术检测工具，全部只能提供局部检测和诊疗信息，而不能提供整体全方面结构健康检测和评定信息；（iv）影响正常交通运行。对于较大型桥梁通常需要搭设观察平台或用观察车辆，无可避免需要实施交通控制；（v）周期长，时效性差。大型桥梁检验周期可达经年。在有重大事故或严重自然灾难情况下，不能向决议者和公众提供即时信息。二、现代桥梁健康监测系统概述因为人工桥梁检验程序和设施无法直接和有效地应用于大型桥梁检测上。所以有必需建立和发展桥梁结构健康监测和安全评定系统用以监测和评定大桥在运行期间其结构承载能力、运行状态和耐久能力等。桥梁监测系统综合了现代传感技术、网络通讯技术、信号分析和处理技术、数据管理方法、知识挖掘、估计技术及桥梁结构分析理论等多个领域知识，极大地延拓了桥梁检测领域，提升了估计评定可靠性。当桥梁结构出现损伤后，结构一些局部和整体参数将表现出和正常状态不一样特征，经过安装传感器系统拾取这些信息，并识别其差异就可确定损伤位置及相正确程度。经过对损伤敏感特征量长久观察，可掌握桥梁性能劣化演变规律，以布署对应改善方法，延长桥梁使用寿命。监测系统为桥梁评定提供即时客观依据，但因为资源等方面所限，就现在情况而言，传感器系统不可能涵盖全部构件。另外，因为对大型桥梁在复杂环境下响应认识和经验限制，也会造成对一些关键性部位监测不足。大桥损伤大致可分为结构性损伤和非结构性损伤两大类。用于结构性损伤检测和非结构性损伤检测传感器种类和部署截然不一样。另外，非结构性损伤即使不会减弱结构承载能力和耐久性，但对桥梁正常运行造成隐患。大桥健康监测系统关键功效包含：（i）监测大桥结构安全及运行情况；（ii）提供大桥定时维修养护所需要信息；（iii）检验大桥设计假定和设计参数可靠性和正确性。我们尤其强调健康监测系统能服务于大桥定时维修和管理。这一功效将经过建立专门构件危险及易损性评级系统和基于整体检测和局部检测评定体系相结合来实现。，建立一个技术优异、稳定高效桥梁健康监测和安全评价系统，对于提升桥梁工程设计、施工和管理水平亦含有十分关键意义。图1 桥梁健康监测构架图三、健康监测系统研究现实状况桥梁结构健康监测和安全评价系统包含研究范围包含：传感器优化布设和系统集成研究，数据采集、处理、显示及存放研究，结构状态评定研究。传感器优化布设(传感器类型，位置和数量)对监测结果起决定作用。因为客观原因制约，传感器数量总是有限，怎样布设有限数量传感器从噪声信号中实现对结构状态改变信息最优采集，是大跨度桥梁健康监测关键技术之一。系统集成是将系统内不一样功效子系统在物理上、逻辑上和功效上连接在一起，以实现信息综合分析和管理。系统集成是桥梁监测系统智能化程度关键标志，意在实现资源共享和信息综合，其发展方向是“一体化集成”和开放分布式网络结构系统，和外部多种通信网络互联，组成信息高速公路一个节点或广义“信息点”。数据采集、处理、存放及提取是桥梁监测系统关键内容。应向满足多媒体、同时化、宽带化、高速率、大容量等信息传输要求方向发展，确保系统进行连续、同时实时数据采集，立即有效地处理、分析、存放和管理庞大数据流。桥梁结构状态评定是桥梁监测系统关键和目标。借助于有限元分析模型和大量监测数据，采取统计、系统识别和模式识别方法，评定桥梁结构环境和条件状态，监测结构性能及其退化趋势。系统识别法以结构系统模型和模型估量(或修正)为基础，经过识别模型参数改变来实现结构状态监测和损伤诊疗。基于特征模式识别法是利用传感器信号合适特征，经过模式分类过程来辨识结构改变。所谓“特征”是由测量数据转换得到、反应结构状态分类本质量。振动模态参数是最早用来识别结构损伤特征，现在得到普遍认同一个最实用方法就是结合系统识别、振动理论、振动测试技术、信号采集和分析等跨学科技术试验模态分析法。这种方法大致可分为模型修正法和指纹分析法两大类。伴随现代传感技术、计算机和通讯技术、信号分析和处理技术及结构振动分析理论快速发展，大型桥梁结构健康监测和安全评价技术，多年来已成为中国外工程界和学术界关注热点。从现在理论研究情况来看: 多年来，结构健康监测领域涌现了大量研究论文，这些论文研究内容包含智能传感器、传感器优化部署、数据无线传输、损伤识别方法、桥梁状态评定、桥梁生命周期管理养护等。另外，还举行了很多以结构健康监测为专题国际会议，如:国际健康监测研讨会、欧洲健康监测研讨会、新型结构健康监测研讨会和智能结构和健康监测会议。另外，国际模态会议、SP IE 年会、欧洲智能结构和材料会议、国际结构控制会议等全部有结构健康监测和损伤识别专题。另外，很多研究者正致力于研究并制订桥梁健康监测系统设计指南和规范，如: L auzon 等研究者提出了一个桥梁监测系统设计提议; 美国Dex rel大学A k tan 教授等制订了比较具体健康监测系统设计指南; 加拿大IS IS 组织主席M uf t i 教授也主持起草了一份结构健康监测指南。英国研究者制订了一个指导健康监测系统设计指南。香港理工大学以高赞明教授为首课题组也正致力于研究制订专门用于大跨索桥监测系统设计指南。鉴于桥梁结构健康监测和安全评价系统已在世界上得到广泛应用，国际桥梁协会于7月在瑞士决定制订相关桥梁结构健康监测国际规程，以指导和推进该项技术在各国应用。四、健康监测系统实施现实状况伴随现代传感技术、计算机和通讯技术、信号分析和处理技术及结构振动分析理论快速发展，大型桥梁结构健康监测和状态评定多年来已成为中国外工程界和学术界关注热点。桥梁结构健康监测和安全评价系统总目标是经过测量反应大桥环境激励和结构响应状态一些信息，实时监测大桥工作性能和评价大桥工作条件，以确保大桥安全运行及为大桥养护维修提供科学依据。和传统桥梁监测方法(包含众多无损检测技术)不一样，桥梁结构健康监测和安全评价系统重在诊疗可能发生结构损伤或灾难条件和环境原因，评定结构性能退化征兆和趋势，方便立即采取养护维修方法。而传统检测方法重在损伤发生后检验损伤存在并采取维修加固手段，所以，桥梁结构健康监测和安全评价系统概念含有革命性变革。经过对传感器革新和自动远程监控技术更新换代，桥梁结构健康监测和安全评价系统正向简单易装、经济可行、持久可靠方向发展，并已在世界很多大桥得到应用。表1列出了世界上安装监测系统部分桥梁，其中阳逻长江大桥、北京清河桥和南宁大桥为我院承接，表2、表3为传感器装备情况，表4为健康监测系统投资情况。表1　安装健康监测系统部分桥梁桥梁名称结构类型跨度（米）位置昂船洲桥斜拉桥 1018 中国香港西部通道斜拉桥 210 中国香港汀九桥斜拉桥 127+448+475+127 中国香港汲水门桥斜拉桥 160+430+160 中国香港南京二桥斜拉桥 628 中国徐浦大桥斜拉桥 590 中国 Skarsundet 斜拉桥 240+530+240 挪威 Rama IX 斜拉桥 166+450+166 泰国 Jindo 斜拉桥 70+344+70 韩国 New Haeng Ju 斜拉桥 160+120+100 韩国柜石岛桥斜拉桥 700 日本多多罗桥斜拉桥 890 日本 Normandie桥斜拉桥 856 法国大佛寺桥斜拉桥 198+450+198 中国南京三桥斜拉桥 257+648+257 中国杭州湾跨海桥斜拉桥 448 中国芜湖桥斜拉桥 180+312+180 中国清河桥斜拉桥 108+66+36 中国润扬桥斜拉桥/悬索桥 406/1490 中国江阴桥悬索桥 1388 中国虎门桥悬索桥 888 中国阳逻桥悬索桥 1280 中国青马桥悬索桥 455+1375+300 中国香港明石桥悬索桥 960+1991+960 日本南备赞濑户桥悬索桥 274+1100+274 日本 Great Belt桥悬索桥 535+1624+535 丹麦 Namhae桥悬索桥 128+404+128 韩国 Yeongjing桥悬索桥 505 韩国菜园坝钢箱系杆拱 102+420+88 中国钱江四桥钢管拱桥 2190+789 中国卢浦桥全钢拱桥 550 中国南宁桥蝴蝶拱桥 300 中国 Commodore Barry桥钢桁架桥 501 美国 HAM 42-0992 连续梁 17+24+17 美国石板坡桥连续刚构 330 中国 Taylor桥简支梁 533 加拿大表2　中国部分桥梁健康监测系统传感器桥传感器昂船洲桥西部通道青马大桥汲水门桥汀九大桥虎门大桥江阴大桥钱江四桥南京三桥苏通大桥润扬大桥阳逻大桥风速仪 24 7 6 2 7 2 4 8 2 温度计 488 118 115 224 83 26 40 32 137 64 93 振动传感器 60 66 17 6 45 8 12 30 28 173 56 位移计 4 4 2 2 2 8 12 √ 38 应变计 320 156 110 30 128 24 64 18 20 132 振弦式应变仪 140 8 40 √ 光纤传感器 8 760 12 96 磁感应传感器 7 12 42 水平仪 9 5 车轴车速仪 2 2 6 6 6 √ 2 √ GPS 10 14+2 6 7 7+1 14 5 8 12 5 EM测力 24 36 √ 倾角仪 10 6 √ 全站仪 12+2 电子测距 1/16 摄像仪 16 2 √ √ √ 腐蚀 162 24 22 气压计 2 3 湿度计 2 3 6 6 雨量计 2 3 表3　国外部分桥梁健康监测系统传感器桥名传感器明石大桥南备赞濑户桥柜石岛桥 Great Belt HAM 42-0992 Commodore Barry桥 Taylor 大桥风速仪 9 4 4 √ 4 温度计 √ 201+1 20 加速度计 10 27 23 √ 2 16 位移计 7 6 6 √ 17 焊接式应变仪 8 √ 18+4 56 26 振弦式应变仪 10 148 光纤传感器 √ 65 车轴车速仪 √ 2 GPS 3 速度计 12 倾角仪 2+1 36 摄像仪 4 表4 部分桥梁健康监测系统投资桥名桥型跨度(米) 时间系统投资青马大桥悬索桥 455+1375+300 1997 万英镑汀九桥斜拉桥 127+448+475+127 汲水门桥斜拉桥 160+430+160 江阴桥悬索桥 1388 1999 2800万人民币南京三桥斜拉桥 257+648+257 1130万人民币阳逻大桥悬索桥 1280 1001万人民币菜园坝大桥钢箱系杆拱 102+420+88 880万人民币清河大桥斜拉桥 108+66+36 255万人民币南宁大桥蝴蝶拱桥 300 420万人民币鄂东桥斜拉桥 926 1300万人民币五、健康监测系统应用效果和存在问题从桥梁健康监测系统实践应用效果来看，建立健康监测系统大桥，基础上能够实时取得桥梁结构应力、变形和变位等参数，用以实时评定桥梁实际工作状态和估计桥梁功效改变，给管理部门立即作出合理维修策略提供关键依据。有监测系统正确统计了大桥经历船撞击等突发情况下响应，并判定出大桥是否所以而损坏，使管理部门作出了正确而立即决议反应。桥梁健康监测系统是一个正在逐步被学术界和工程界广泛接收并应用新课题，在现在实际工程应用实践中，尚存在部分比较普遍问题：（i）缺乏统一标准，系统规模差异性较大，有系统安装了上千个传感器，有系统则仅安装了几十个传感器；（ii）传感器选型和布设合理性有待商榷。部分传感器精度或耐久性不够，有测点部署不合理，因为有些桥梁健康监测系统并不是由桥梁专业人员设计，或这些设计者缺乏丰富桥梁检测和评定经验，使得其测点布设不甚合理，造成现在桥梁监测系统测点部署规模差异性较大，造成投资浪费或关键数据缺失；（iii）健康监测系统本身使用寿命难以得到确保，传感器寿命和传输线路长久使用是否通畅是影响到监测系统使用寿命关键；（iv）环境影响及测量噪声难以完全消除，降低了监测数据可靠性。测量数据不完整性，给分析带来困难；（v）有些大桥健康监测系统获取了海量数据，不过未有效立即处理，分析人员缺乏足够桥梁知识，造成数据灾难；（vi）桥梁健康情况评价体系不完备。有些桥梁监测系统即使监测到了大量数据，不过因为评定理论本身不完善及部分桥梁健康监测系统评定模块建立缺乏有经验桥梁评定专业人员，使得监测到有效数据未能有效应用于桥梁情况评定之中；（vii）理论和实践及相关系统有机结合需要加强。健康监测领域涌现了大量研究论文，但现在有些理论并不能有效应用于工程实践；健康系统由很多子系统组成，怎样将这些子系统更有效结合起来进行评定需要深入研究。六、健康监测系统改善提议和发展前景针对现在桥梁检测系统出现问题，我们有必需加强研究，更深入优化监测技术、完善健康监测和安全评价理论。结合我企业长久从事桥梁研究实际经验，我们提出部分健康监测系统改善提议，以做到在现有技术水平基础上，设计出功效全方面、性能优良、稳定耐久、经济合理切合大桥管理实际维护要求桥梁健康监测和安全评价系统。（i）采取健康监测系统和传统检验方法相结合进行大桥管理维护新策略，发展数字电子管养系统。建立好大桥健康监测系统后，理论上只需一台能够上网电脑，就能够在世界任何地方对大桥工作情况了如指掌。当然，实时健康监测系统虽可为桥梁评定提供即时客观依据，但首先因为资源、成本等方面限制，就现在情况而言，传感器系统不可能涵盖大桥全部构件。另外，因为现阶段对大型桥梁在复杂环境下响应认识和经验限制，也会造成对一些关键性部位监测不足。所以，在现有技术水平下，要避免完全依靠健康监测系统进行桥梁工作状态评定思想，应该合适和传统检验方法结合对大桥进行管理维护。健康监测系统关键负责全桥整体工作性能、和桥梁安全直接相关关键点监测和突发事件报警，从总体上把握全桥工作状态，而传统检验方法应和健康系统结合一起对一些局部位置进行检验。假如能将桥梁人工检验和优异健康监测系统有机结合起来，那么现存检测方法中很多不足之处可有效消除。桥梁管理维护新策略图2所表示，它综合了传统人工检验方法和现代监测技术优点。图2 现代桥梁维护策略健康监测系统在桥梁维护管理中作用是依据传感器系统测量值或其衍生量对桥梁整体和局部作出合理评定。其中，评定式维护工作指对桥梁构件不正常表现作出即时诊疗并找出其根源。估计性维护意在及早发觉灾难性破坏隐患，方便能采取方法加以消除或最低程度对其进行控制和延缓。从这个意义上说，完整大桥健康统计对大跨度桥梁健康状态作出明确清楚估计评定是十分关键。预防性维护经过定时现场检验来落实，由目测或借助一些仪器对那些尚不明晰问题进行统计分析，比如腐蚀、徐变等。当检测出桥梁有损伤发生时，就需要对其进行加固，这是显然。在大桥整个设计使用寿命内，在确保大桥安全可靠运行前提下，使维护管理保持在相对较低稳定水平，这是引进结构健康监测和安全评定系统终极意义之所在。（ii）充足利用好健康监测系统早期数据。从目前实际应用桥梁健康系统来看，健康监测系统本身使用寿命难以确保，而在大桥投入使用早期健康监测系统各子系统工作情况很好，所以，我们认为应该充足利用这段时间实时健康监测系统所监测结果，建立起大桥健康工作状态数据库，为以后损伤识别和评定提供强有力依据，且经过这段时间监测数据进行统计分析，找准桥梁各构件改变趋势，建立起正确可靠估计模式，为制订长久稳定检验维护计划作准备。（iii）确保关键测点数据长久正常采集。桥梁健康系统工作若干年后，通常全部会有一个系统老化问题，部分传感器和传输线路不能正常工作，造成数据不能正常采集。切合目前实际情况，我们思绪是系统运行若干年后，要确保和桥梁安全直接相关关键点仍然能正常运行，这些关键点是经过桥梁结构分析、实桥经验和前期健康监测数据确定，在这些关键点选择耐久性好且易于更换传感器，以确保该点数据长久正常采集。（iv）合理选择和使用传感器。从现在健康监测系统传感器使用情况来看，有传感器耐久性不够，使用一段时间后便停止工作。经过对传感器革新，现在传感器耐久性已得到很大提升，所以有了更多选择余地，对于耐久性好和易更焕传感器应优先选择；另外，制订科学采集策略如定时采集和触发采集，以延长传感器使用寿命。（v）合理部署测点。测点部署应遵照“安全优先、整体优先、静力优先、初值优先”基础标准。测点布设方案设计者必需对桥梁结构特点很熟悉，且有丰富桥梁检测和评定经验，这么才能把测点设在最合理最关键位置，从而避免投资浪费和关键数据缺失。（vi）选择最好测点部署时机。现在有些桥梁健康监测系统往往在大桥建成后布设测点，有在大桥运行一段时间后意识到其关键性后布设，有则在出现裂缝或其它损伤后再进行测点布设，我们认为最好时间是在施工阶段阶段就进行测点布设。在施工阶段即进行测点布设健康监测系统工作情况很好、可靠性更高、发挥实际效应更佳。从研究现实状况和实际应用来看，健康监测系统评定内容基础统一、评定理论日趋成熟。经过对传感器革新和自动远程监控技术更新换代，桥梁结构健康监测和安全评价系统正向简单易装、经济可行、持久可靠方向发展，并已在或将在包含江阴大桥、南京三桥、润扬大桥、苏通大桥和阳逻长江大桥在内世界很多大桥中得到应用。从发展趋势来看，伴随测控技术发展，健康监测成本相对降低，而特大、复杂桥梁结构病害显得愈发突出，桥梁结构健康监测和安全评价系统已开始逐步成为大桥建设工程一部分，正在兴建湖北鄂东大桥、香港昂船洲大桥和深圳西部通道大桥结构健康监测系统均在进行设计计划。鄂东大桥将投资1300万用以建立大桥实时健康监测系统，而包含大约1271个各类传感器昂船洲大桥结构健康监测系统将会是世界上最具规模大桥实时监测系统。能够估计，桥梁结构健康监测和安全评价系统将在桥梁管理中发挥越来越大作用，一个桥梁数字化时代正在来临。

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