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1、桥梁结构健康监测技术,研究现状与发展趋势,报告人：苏木标,报告的内容,1.,桥梁健康监测的目的和意义,2.,目前国内外的研究现状,3.,今后的发展趋势,4.,工程应用实例,5.,结束语,1.,桥梁健康监测的目的和意义,何谓健康监测？,1.1,问题提出,?,桥梁结构正朝向大跨度、轻柔化、复杂化和多,功能的方向发展；,?,荷载向高速重载方向发展；,?,在使用过程中，受到车辆荷载、风载、冲击振,动等复合载荷作用，其力学行为复杂，再加上,环境气候的氧化、腐蚀、材料老化等因素的影,响，将使桥梁的结构健康状态逐渐发生变化。,1.,桥梁健康监测的目的和意义,1.1,问题提出,?,目前我国桥梁的状况：,我国现
2、在已建桥梁,100,余万座，但是由于主客,观原因，桥梁垮塌事件屡有发生，造成人民生命和,国家财产的重大损失（如綦江大桥整体垮塌，造成,40,人死亡；仅以广东省为例，全省有,4,万,余座桥梁，,4,千,余座有不同程度损伤，,370,座列为危桥）。发达,国家的桥梁建设期早，问题更为严重。,?,桥梁垮塌频发，例如：,美国塔科马大桥垮塌的情景,加拿大魁北克大桥整体垮塌,（,19000,吨钢材和,86,名建桥工人落入水中，只有,11,人生还,）,帕劳共和国预应力混凝土连续刚构垮塌前后,重庆綦江彩虹桥整体垮塌,宜宾金沙江南门大桥垮塌后的情景,辽宁盘锦田庄台大桥垮塌,Mississippi Rive Bri
3、dge,在建沱江大桥坍塌,(36,人死亡）,1.,桥梁健康监测的目的和意义,1.1,问题提出,由此可见，大型桥梁结构的运营安全,是各国政府亟待解决的重大问题。,如何及时发现桥梁结构在运营过程中,存在的安全隐患，保证结构的运营安全，,这是当前国际学术界和工程界面临的重大,技术难题。,1.,桥梁健康监测的目的和意义,1.1,问题提出,?,传统测试手段的局限性：,对大型桥梁进行长期监测测试内容多、测点,分布广、外部干扰大、野外运行环境恶劣，而,传,统的仪器设备和测试方法,只能用于短期或临时人,工检测，,无法直接用于长期健康监测，不能直接,预报桥梁结构的健康状态。,?,保证桥梁结构安全运营的有效办法，
4、就是要建立,桥梁结构长期健康监测系统。,1.,桥梁健康监测的目的和意义,1.2,健康监测的目的,?,获取桥梁结构的工作环境信息，实时了解包,括环境温度、风荷载和车辆荷载的变化；,?,获取桥梁结构的响应特征信息，实时掌握桥,梁结构的工作状况和健康状况（包括结构的,整体性能和关键部位的局部损伤情况）。,1.,桥梁健康监测的目的和意义,1.3,健康监测的意义,?,为评价大桥承受动、静载的能力和结构的可靠性,（即评价桥梁结构的健康状态）提供实测数据；,?,为验证大桥设计理论与方法，修改桥梁设计规范,提供科学依据；,?,为实现对桥梁结构的科学管理、养护、维修及运,营决策，确保运营安全提供依据。,1.,桥
5、梁健康监测的目的和意义,桥梁健康监测系统,环境监测,结构性能监测,环境温度、温差、,风荷载,交通荷载、地震荷载,船撞荷载,静动态响应监测,变形、应力、振动,结构特性分析,养护、维修、管理决策实施,荷载及结构响应是否异常,模态特性,疲劳特性,健康状态评估,结构是否损伤,超限报警,现场检查,常,规,检,查,详,细,检,查,特,殊,检,查,是否局部开裂、屈,曲、腐蚀、退化,大桥养护、维修、管理决策示意图,2.,目前国内外的研究现状,2.1,桥梁健康监测系统的构成,?,传感器系统,（包括温度、应变、位移、振动、挠,度、风速等各类传感器）,?,数据采集与传输系统,（包括信号调理仪、数,据采集仪及通信网络
6、等）,?,数据处理与控制系统,（,包括数据处理、采集,控制、数据库管理与查询等）,?,健康状态评估系统,（包括损伤识别、健康状,态评估及管理决策建议等）,2.,目前国内外的研究现状,2.2,桥梁健康监测技术研究内容,桥梁健康监测技术综合了,现代传感技术、网,络通信技术、计算机技术、信号分析与处理技术、,数据采集与控制技术、数据库管理技术、数据挖,掘技术、预测技术、结构分析理论、结构损伤识,别与状态评估理论及管理决策理论等,多学科领域,的知识，是一门新兴的交叉学科。,近年来，随着相关学科的发展，桥梁健康监,测技术已成为国内外工程界和学术界研究的热点。,2.,目前国内外的研究现状,2.2,桥梁健康
7、监测技术研究内容,研究内容主要包括：,?,新型传感器及数采设备的研制与开发；,?,数据无线传输技术研究；,?,信号分析、处理及数据挖掘技术研究；,?,传感器的优化布设研究；,?,结构损伤识别理论研究；,?,桥梁健康状态评估技术研究,?,桥梁网络化运营管理及养修决策技术研究。,2.,目前国内外的研究现状,2.3,理论研究状况,涌现了大量的研究论文，研究内容包括：,智能传感器、,多功能采集仪、传感器的优化布置、信号无线传输技术、,结构损伤识别方法、健康状态评估及桥梁生命周期管理养,护等。,举办了许多以结构健康监测为主题的国际会议，比如：,?,国际健康监测研讨会（,International Wor
8、kshop on,Structural Health Monitoring),；,?,欧洲健康监测研讨会（,European Workshop on Structural,Health Monitoring),；,?,新型结构健康监测研讨会（,International Workshop on,Structural Health Monitoring of Innovative Structure),；,?,智能结构与健康监测会议（,International Conference on,Structural Health Monitoring and Intelligent Infrastr
9、ucture),。,2.,目前国内外的研究现状,2.3,理论研究状况,另外，其它会议也有桥梁健康监测技术专题，如：,?,国际模态会议（,International Modal Analysis,Conference),；,?,欧洲智能结构与材料会议（,European,Conference on Smart Structures&Materials),；,?,国际结构控制会议（,World Conference on,Structural Control).,国内也举办过多次有关的会议。,2.,目前国内外的研究现状,2.4,工程应用情况,日,本,明,石,海,峡,大,桥,日本南备赞濑户大桥（公铁
10、两用）,丹麦大贝尔特桥,香港汲水门桥,香港汀九桥,世界最大跨度的公铁两用桥,香港青马大桥,江阴长江大桥,南京长江大桥,芜湖长江大桥,郑州黄河大桥,山东滨州黄河大桥,重庆大佛寺长江大桥,润扬大桥,杭州钱塘江四桥,苏通大桥（斜拉桥主孔跨度,1088,米,）,香港昂船洲大桥（主跨,1018,米,）,将要建立的桥梁健康监测系统：,武汉长江大桥,九江长江大桥,南京大胜关长江大桥（世界第一座,6,线桥）,武汉天兴洲长江大桥（,主跨,504m,四线公铁两用桥）,河北省宣大高速公路海尔洼大桥（跨径,138m,）,京张高速公路官厅湖桥（,65,10,110,65m,）,3.,今后的发展趋势,3.1,目前桥梁健康
11、监测系统存在的问题,监测系统设计缺乏统一的标准和规范；,传感器选型及优化布设的合理性有待商榷；,监测系统本身软硬件的耐久性、长期稳定性难以保证；,环境影响和测量噪声难以消除；,测量数据的不完备性，给数据分析带来困难；,海量监测数据的处理困难，容易淹没真实有用的信息；,结构损伤识别方法还处在理论研究和实验室应用阶段；,结构健康状态评价理论尚不完善；,相关子系统的有机结合和协调统一有待加强。,3.,今后的发展趋势,3.2,主要发展趋势,逐步建立和完善统一的桥梁健康监测系统设计标准和,规范；,研制开发适合野外长期监测的硬件设备和软件系统，,保证监测系统本身性能长期稳定、可靠，寿命长；,进一步完善桥梁
12、监测信号处理技术和方法，提高监测,数据的可靠性；,逐步完善结构损伤识别方法和健康状态评价理论，并,使之尽快投入实际的工程应用,4.,工程应用实例,4.1,芜湖长江大桥长期监测、安全评估及报警系统,4.1.1,引,言,芜湖长江大桥是一座公、铁两用的特大桥梁，,是我国桥梁建设史上的标志性工程，它采用了,28,项当今桥梁工程建设的最新技术，代表了我国当代,桥梁设计和建造的最高水平。,为了跟踪世界科技前沿，保持芜湖长江大桥的,科技领先水平，确保大桥的运营安全及结构的可靠,性，为大桥的养护、维修及科学管理提供依据，并,为改进和完善新型桥梁结构的设计理论、修改设计,规范提供实测参考数据，经铁道部科技司批准
13、，进,行立项研究。,4.1.2,监测系统简介,芜湖长江大桥长期健康监测系统主要由传感器、,数据采集、数据传输、数据处理、安全评估和信息显示,系统等组成。,监测系统总体目标为：,?,获取结构特征信息，实时掌握桥梁结构的健康状态；,?,监测桥梁结构的整体性能和关键部位的局部损伤，为,结构维修提供依据；,?,评价大桥承受动、静载的能力和结构可靠性，为运营,决策与管理提供依据；,?,验证和修正桥梁设计方法，为规范的修改提供依据。,监测系统,（,小集中分散数据采集方式）,通信网络示意图,数采系统,传感系统,桥下控制室,传输光缆,桥上,7,墩采集站,授权用户终端,交换机,测站,1,测站,2,测站,n,数据
14、处理与控制系统,状态评价系统,0,1,2,3,4,6,7,8,9,10,5,11,12,13,14,120.00+2,144.00=408.00,1.00,1.00,3,144.00,432.00,1.00,1.00,3,144.00,432.00,1.00,1.00,180.00+312.00+180.00=672.00,2,120.00=240.00,1.00,1.00,0.75,0.75,斜拉桥部分,10#,墩,（,1,测站）,10,11,墩跨中,（,3,测站）,11#,墩,（,2,测站）,29#,墩,（轴重监测站）,芜湖长江大桥长期健康监测系统拓扑结构示意图,演示厅,机房,控制室,数据
15、库服务器,数据采集监测服务器,数据查询服务器,示波器,页面浏览器,数据管理器,页面浏览器,示波器,数据查询,报警与事件日志,大,显,示,屏,集,线,器,演示电脑,笔记本电脑,投影仪,大,投,影,9,墩测站,（网络数采仪）,8,墩测站,（,网络数采仪,）,5,墩测站,（网络数采仪）,6,7,墩跨中,测站,（网络数采仪）,6,墩测站,（网络数采仪）,7,墩,（桥上采集总站）,交换机、网络数采仪,连续梁部分,系统的监测内容有：,桥梁工作环境信息：,主要包括列车速度、,轴重、轴距、轴数及列车进出桥时间、环境温度、,梁体断面温度梯度及各应变测点的温度；,结构性能响应信息：,主要包括关键主桁杆,件及铁路纵
16、横梁应力、梁体跨中挠度及梁端纵向,位移、梁体和墩顶横向振动、竖向振动及加速度；,列车行车安全信息：,主要包括脱轨系数和,轮重减载率等。,测点总数为,219,个,主要包括列车荷载、速度、温度、应变、振动、,挠度、位移等多种传感器及相应的信号放大与接,口装置。,传感器,车速传感器,振动传感器,应变传感器,光纤应变传感器,4.1.3,监测数采系统特点,1,）无人值守，意外停机后自动上电、自动恢,复运行。,2),各项工作参数可远程设置，工作状态可远,程诊断。,3),数据传输迅速、准确可靠。,4.1.4,数采系统的设计与开发,利用,LabVIEW,设计了一套具有自动采集、远程,监测等功能的网络化监测系统
17、。,?,实时显示列车车况；,?,实时显示时程曲线、最大值等；,?,实时报警；,?,监测数据自动入库。,系统实现的功能：,监测数采界面,数,采,包,括,8,项,内,容,：,?,列车信息,?,上游横向动位移,?,竖向动位移,?,墩顶横向动位移,?,梁端纵向位移,?,主桁杆应力波形,?,加速度,?,动挠度,边采边显主界面,应变波形,挠,度,波,形,加速度,边采边显主面板,4.1.5,数采软件的主要特色,该数采软件技术起点高，源程序思路清晰、逻辑,关系及流程形象直观、易读、易改、可移植性好、,软件开发周期短；监测数据的显示刷新速度快，波,形生动、形象、逼真，数据处理方便、快捷。,4.1.6,数据库查询
18、功能,?,能进行特征数和时程曲线的查询,?,能对大桥健康状态进行初步判断,数据查询界面,进入数据查询系统后，按照,已设定的查询内容和查询功能，,用户根据自己要求，按逐级选择,下拉菜单方式查询所需要的数据,和分析结果，并以适当的图表形,式给出查询的结果。,数,据,查,询,下,拉,菜,单,数据查询主界面,数据查询功能,在数据查,询过程中，用,户可根据需要,进行必要的数,据分析，主要,包括时域显示,、波形的纵、,横向放大与缩,小、波形移动,、数据回放、,找最大值及波,形打印等。时,域显示过程中,还可同页显示,两个通道或多,通道时域波形,。,数据查询界面,横向振动时程曲线,横向振动时程曲线细化,横向振
19、动时程曲线同页显示,主桁杆件应力时程曲线同页显示,主桁杆件应力时程曲线,挠,度,波,形,时,程,曲,线,挠,度,波,形,对,比,图,4.1.7,桥梁结构健康状态评估系统,桥梁结构健康状态评估的预测函数：,桥梁结构健康状态评估方法：,基于准静,态识别理论，,利用统计对比,诊断法，建立,了一种实用性,强、能考虑多,种影响因素的,桥梁结构整体,性能评估方法。,11,12,10,9,8,7,5,4,1,月份,0,3,6,2,梁端纵向位移,mm,60,40,20,梁端纵向位移随时间变化曲线,?,?,?,?,?,?,?,P,T,K,f,Y,?,i,i,i,Y,Y,1,?,?,?,?,i,i,i,i,Y,Y
20、,2,1,?,?,?,?,?,?,i,i,i,Y,Y,2,?,?,?,?,n,i,2,1,?,?,n,i,2,1,?,?,n,i,2,1,?,?,监控室,4.2,郑州黄河大桥振动远程监测和预报系统,郑州黄河大桥,是一,座服役近,50,年的老桥，,是我国最繁忙的京广铁,路线上跨越黄河的咽喉,要道。,九七年列车提速,以来，桥梁横向振动严,重超限，先后在该桥上,发生过三次货车脱轨事,故。,4.2.1,引,言,郑州黄河大桥,1960,年竣工，其上部结构为,142,孔上承式钢板梁（上、下行各,71,孔），两,片主梁之间的中心距为,2.0m,，梁高,3.28m,；下,部结构为桩基墩台（共,72,个），基础
21、设计为两,根直径,3.6m,的钢筋混凝土管柱，管柱原设计深,度为,40m,（实际入土深度为,30m,）；桥上线路,为直线平坡。大桥建成后，一直是京广线跨越,黄河的咽喉要道，其重要性不言而喻。,自从九七年列车提速以来，特别是当货车提速,以后，该桥上先后在发生过三次货车脱轨事故。,为了保证列车过桥的安全，迫切要求研究开发,一套振动监测系统（包括长期在线监测、安全评价,及预警预报系统），以便在监测过程中，一旦发现,某孔梁跨中横向振幅超限时，桥管部门可及采取相,应的技术措施和管理办法，以确保列车在桥上的行,车安全。,实现对郑州黄河大桥钢板梁桥远程振动监,测，对保证列车在桥上的行车安全，对加深人,们对车
22、,桥振动规律的认识，促进车,桥振动,理论的发展具有重要的理论意义和实用价值。,4.2.2,振动监测系统的目标和技术要求,系统的总体目标：,?,详细了解列车过桥时上承式钢板梁桥的振,动规律；,?,实时掌握全桥各孔跨中的横向振动状态；,?,监测过桥列车的速度、轴数、轴距及大致,编组情况；,?,定时用户发送监测的数据和分析结果。,技术要求：,数采系统意外停机后可自动复位；,数采系统的触发方式、采样顺序、采样频率、,采样长度等工作参数可远程设置和修改；,监测系统出现故障（包括现场数据采集系统,和数据通信与管理系统工作是否正常）可远程,诊断,4.2.3,主要监测内容,4.2.4,网络数采系统布置图,传,
23、输,光,缆,桥工段,总监控室,测站,1,2,3,4,.,5,6,7,.,8,.,测站,9,交换机,.,交换机,交换机,测点线路布置,测站,N,至总监控室,网络数采仪,图,3,监测系统某测站线路布置图,传输光缆,交换机,传感器,上行线,下行线,4.2.5,数采软件的设计与开发,主要功能如下：,1,）在监测主控计算机上，可以实时显示列车过桥时,列车进出桥时间、列车车速、轴数、轴距；,2),边采边显各组测点的振动时程曲线、最大幅值，,一旦出现振幅超限及时报警；,3,）列车出桥后，自动将本测次采集的全部数据入库,保存。,监测数采界面,在,数,采,过,程,中,有,多,种,显,示,面,板,，,边,采,边,
24、显,列,车,过,桥,信,息,、,环,境,温,度,、,钢,轨,温,度,、,雨,水,信,息,和,1,至,9,组,及,重,点,试,验,孔,各,个,测,点,的,时,程,曲,线,，,并,按,不,同,组,别,以,卡,片,形,式,叠,放,在,一起，,边,采,边,显,主,界,面,分,组,显,示,面,板,4.2.6,数据库查询系统,主要查询功能：,1),能查询每天各测次的环境温度、钢轨温度、雨水情况、列车过桥速度,及列车的轴距、轴数等；,2),能查询每天各测次各振动测点和挠度测点的时程曲线及曲线上的最大、,最小值；,3,）能查出当年或往年的温度按每天温度的最大、最小值而变化的曲线；,4),在数据查询的同页面板上
25、可同时显示任意一条、两条或多条时程曲线，,同时显示出各曲线的最大、最小值以及对应的环境温度值；,5),能查询桥梁的最大振幅值随时间或温度而变化的曲线；,6,）可进行某测次各个测点最大振幅的对比和某一时间间隔内某测点对应,于各测次的最大振幅的对比；,7,）数据查询时，用户可进行必要的数据分析，包括时域显示、波形的纵、,横向缩放、波形移动、数据回放、找最大值及打印统计报表等。,数据查询主界面,查询条件选择界面,桥梁跨中横向振动时程曲线,同一测点不同测次振幅对比图,5.,结束语,桥梁结构健康监测是一门多学科交叉的边缘学,科。要实现对桥梁结构的长期监测和健康状态评估，,必须根据大桥的结构特点、地理环境条件及监测系,统的总体目标，结合国内外的最新研究成果和经验，,对系统的监测内容、信号采集与传输方式、数据处,理及数据库管理方式、结构健康状态评估体系等进,行周密的技术方案设计与研究，以确保监测系统的,先进性及长期稳定和可靠性，真正为桥梁结构的健,康评估和养护维修发挥重要的作用。,有问题吗？,知识回顾,Knowledge,Review,
