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1、桥梁结构健康监测诊断 理论与技术进展,同济大学桥梁工程系 孙利民 2011.9.16,2,同济大学桥梁工程系 孙利民,内容提要,我国近年桥梁工程发展回顾 我国桥梁事故 桥梁常见病害与常规检测技术 大跨度桥梁结构健康监测系统 桥梁结构健康监测新理论、新技术 结语土木工程基础设施养护工程展望,3,同济大学桥梁工程系 孙利民,我国近年桥梁工程发展回顾,4,同济大学桥梁工程系 孙利民,我国大跨度桥梁建设,近二十多年来，我国（包括香港地区）已经建成了100多座大跨度桥梁。 250m的梁式桥7座，最大跨径桥梁为在建的重庆长江大桥（330m）； 400m的斜拉桥29座，最大跨径桥梁为在建的苏通大桥（1088
2、m）； 400m的悬索桥17座，最大跨径桥梁为在建的西堠门大桥（1650m）； 400m的拱桥6座，最大跨径桥梁为在建的朝天门大桥（552m）,5,同济大学桥梁工程系 孙利民,美国及日本桥梁龄构成,已建桥梁数分布（%）,USA, 70%, 30yrs,Japan, 70%, 20yrs,6,同济大学桥梁工程系 孙利民,到2005年的15年期间，我国修建公路91万公里（含高速公路4.1万公里），占2005年底全国总公路里程的44，修建的桥梁数及桥梁合计总里程分别占相应总量的47，66。 到2010年底，我国高速公路由“十五”期末的4.1万公里发展到7.4万公里，五年新增3.3万公里（增80%），
3、居世界第二位。已经建成公路桥梁65万座、计210万延米，已经超过美国成为世界上公路桥梁最多的国家。,我国的公路桥梁建设情况,7,同济大学桥梁工程系 孙利民,经济高速发展期建成的基础设施具有以下特点：量大、集中、质量低。 重大基础设施的服役期长，甚至超过经济高速发展持续期。 高效合理地规划利用有限的资源，对基础设施进行养护管理是社会基础设施管理工程的主要目的。尤其是在进入经济发展进入平稳期、社会人口老龄化等问题日益突出的后工业社会后，诸多课题需要研究和应对。 目前的桥梁养护仍以传统的人工巡检为主，不能满足实际工程的要求，期待诸如健康监测系统等新的技术手段。,经济高速成长期建成的基础设施特点及养护
4、需求,8,同济大学桥梁工程系 孙利民,我国近年桥梁事故记录,9,同济大学桥梁工程系 孙利民,设计理论、方法、概念（结构体系）不周 设计标准过低 施工质量不良 养护管理不到位 超载、交通流增长超过预期 自然灾害 人为因素（船撞等）,桥梁事故主要原因,10,同济大学桥梁工程系 孙利民,桥梁常见病害与常规检测技术,11,同济大学桥梁工程系 孙利民,桥梁结构性能退化要因,钢筋混凝土桥： 钢桥：锈蚀、疲劳,12,同济大学桥梁工程系 孙利民,日常巡检：定性检测，目测为主。 定期检测：日常巡检无法把握的构件和内容，定量把握。 详细检测：发现问题时。 初期检测：竣工试验。 临时检测：突发灾害后。 健康监测：实
5、时、自动、长期。,检测和监测的种类,13,同济大学桥梁工程系 孙利民,混凝土结构非破坏检测的种类和评价参数,14,同济大学桥梁工程系 孙利民,钢结构非破坏检测的种类和评价参数,15,同济大学桥梁工程系 孙利民,混凝土材料：离散性大，应用技术不成熟。 钢材：分辨率要求高，对传感器接触状态敏感。,方法比较,非破坏检测主要方法弹性波方法,16,同济大学桥梁工程系 孙利民,大跨度桥梁健康监测系统,17,同济大学桥梁工程系 孙利民,目的： 验证设计； 支持养护管理决策。 功能： 自动实时监测环境条件和桥梁响应并直观显示结果（及时）； 识别结构损伤并对结构异常紧急预警（自动预警）； 记录结构状态及长期变化
6、趋势（长期连续）。,大跨度桥梁监测系统的目的与功能,18,同济大学桥梁工程系 孙利民,我国已有140余座大桥安装桥梁健康监测系统，一般特点为： 一般来说，一个大跨度桥梁的健康监测系统由少则50、多则300个以上的传感器测点组成，其费用约占到桥梁总造价的0.5-1.0%（2.0%）； 监测系统的设计理念越来越侧重于为桥梁的养护管理提供支撑，偏重监测内容和技术而轻视测试数据处理和评价的设计方案越来越不易被桥梁业主所接受； 健康监测系统本身的耐久性受到重视，要求传感器和其他硬件具有可更换性，并且更换时不能影响到数据采集的连续性； 成桥后的结构健康监测系统与施工控制的监测系统相结合，监测数据内容前伸到
7、施工阶段； 结构状态评估子系统和评估软件的水平有所提高，注重桥梁专家对桥梁结构健康监测结果分析评估的介入。,我国大跨度桥梁健康监测系统概况,19,同济大学桥梁工程系 孙利民,我国桥梁健康监测系统一览,20,同济大学桥梁工程系 孙利民,21,同济大学桥梁工程系 孙利民,东海大桥健康监测系统,东海大桥是连接深水洋山港和上海的唯一海上通道，全长32km，包括两座斜拉桥和多跨连续及简支梁桥。 2005年建成通车，2006年10月桥梁健康监测系统开始使用。,Shanghai,Port,22,同济大学桥梁工程系 孙利民,系统设计原则： 为管养服务； 系统应实用、可靠、经济； 传感器数量在满足数据搜集的前提
8、下最小化； 考虑传感器及其他硬件的耐久性，要有可更换性，更换时数据要有可持续性； 监测系统要与人工检测和其他渠道数据相结合； 管理人员中要包括桥梁监测评估专家组，以充分利用监测系统数据。,23,同济大学桥梁工程系 孙利民,主通航孔斜拉桥 （7313242013273米斜拉桥）,颗珠山斜拉桥（50+139332139+50米）,500吨级副航道桥(7012012070米变高度连续梁）,1000吨级副航道桥（80+140+14080米变高度连续梁）,滩涂区 (750米跨等高度连续梁）,第二非通航孔区 (660米跨等高度连续梁）,第四非通航孔区（70米跨等高度连续梁）,500吨级副航道桥(90160
9、16090米变高度连续梁）,腐蚀暴露站 大乌龟岛,监测内容 8个区段,24,同济大学桥梁工程系 孙利民,监测内容,斜拉桥监测内容： 1）气象 2）结构温度 3）应变 4）伸缩缝位移 5）梁塔动力 6）索力 7）梁塔位移 8）钢结构疲劳,实时监测：,连续梁桥监测内容： 1）墩台沉降 2）挠度 3）结构温度,对难以检测的地方、恶劣环境下无法检测的地方以及设备经济性满足要求的条件下，使用传感器进行实时监测，全桥共设七大传感器子系统：气象、疲劳、 GPS、连续梁桥、光纤、振动、索力。,25,同济大学桥梁工程系 孙利民,系统组成,传感器系统 - 气象监测子系统 - GPS子系统 - 疲劳监测子系统 -
10、光纤传感子系统 - 斜拉桥振（震）动监测子系统 - 索力监测子系统 - 连续梁子系统 数据处理系统 在线评估系统 离线评估系统 结构预警系统,26,同济大学桥梁工程系 孙利民,实时监测传感器系统,27,同济大学桥梁工程系 孙利民,传感器,数据采集,数据录入,人工检测数据,使用采样制度控制，实现触发采样、分时段采样的功能，从功能上确保有用的原始数据不丢失,数据采样控制,28,同济大学桥梁工程系 孙利民,服务器机柜,磁带库,IBM小型机,磁盘阵列,IBM小型机,数据处理与结构评估,部分数据处理硬件,29,同济大学桥梁工程系 孙利民,DELL PC服务器,离线评估服务器,操作终端,数据处理与结构评估
11、,部分数据处理硬件,30,同济大学桥梁工程系 孙利民,传感器,数据采集,数据录入,人工检测数据,数据预处理,数据二次处理,健康指标预警,导出量,评估指标量,系统共设180个评估指标量，用于在线评估的自动评分，底层评估节点使用同济大学桥梁系设计的模糊推理机实现自动评分，上层评估节点使用加权平均实现自动汇总评分。,在线评估,数据处理与结构评估,数据评估,31,同济大学桥梁工程系 孙利民,在线评估（评估报告）,数据处理与结构评估,船撞监测（2007.1）,同济大学桥梁工程系 孙利民,汶川地震（2008.5）,同济大学桥梁工程系 孙利民,8.0,同济大学桥梁工程系 孙利民,结构频率随温度变化,同济大学
12、桥梁工程系 孙利民,结构频率随温度变化,同济大学桥梁工程系 孙利民,结构频率与温度的相关性,同济大学桥梁工程系 孙利民,支座位移随温度变化,同济大学桥梁工程系 孙利民,39,同济大学桥梁工程系 孙利民,桥梁结构健康监测新理论、新技术,40,同济大学桥梁工程系 孙利民,课题,系统设计 健康监测系统.vs.养护管理系统 传感器优化布设 全寿命集成 传感技术可行性 （耐久性） 传感传输技术 （绝对）变形、位移测量 拉索锈蚀检测 疲劳监测 光纤传感器 无线传输、物联网,41,同济大学桥梁工程系 孙利民,课题（续）,识别、评估、预警理论 数据处理（海量数据？、数据质量提升（去伪、校核、互补） 损伤或状态
13、识别（反问题、信息不完全、环境因素的影响、敏感参数） 结构性能评估（信息有效利用、理论与经验方法的结合） 预警理论方法（预警指标、预警阈值、预警方法）,42,同济大学桥梁工程系 孙利民,传感技术可行性研究 (Q. W. Zhang, 2006),43,同济大学桥梁工程系 孙利民,44,同济大学桥梁工程系 孙利民,45,同济大学桥梁工程系 孙利民,A Case Study,易损性分析 (G. Yu, 2007),46,同济大学桥梁工程系 孙利民,易损性分析 (G. Yu, 2010),47,同济大学桥梁工程系 孙利民,易损性分析 (G. Yu, 2010),易损性评价参数：主梁失稳 易损性评价参
14、数：主梁轴向应力,48,同济大学桥梁工程系 孙利民,传感器技术开发光纤传感器,49,同济大学桥梁工程系 孙利民,传感器技术开发声发射技术 (T. Jin, 2007),Waveform analysis,Generated by pencil-lead break Generated by friction Time-frequency distribution of typical AE signals from experiment,50,同济大学桥梁工程系 孙利民,传感器技术开发EM传感器,51,同济大学桥梁工程系 孙利民,无线传输技术,52,同济大学桥梁工程系 孙利民,结语 土木工程基础设施养护工程展望,53,同济大学桥梁工程系 孙利民, 基础设施养护管理工程学的形成； 全寿命、可持续结构理念的体现； 反设计； IT技术的应用； 与工程经济学建立更紧密的联系。 （完）,