桥梁安全监测与预警专题讲座.pdf

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1、桥梁安全监测与预警 谢峻，博士、副研究员 BEng, MSc, PhD, Associate Researcher 内容提要 桥梁安全监测与预警的意义 桥梁安全监测与预警目的与范围 桥梁安全监测与预警的国内外现状 桥梁安全监测与预警系统的构成与主要功能 桥梁安全监测与预警系统应用范例 桥梁安全监测与预警技术的未来发展 桥梁安全监测与预警的意义 环境、材料、运营（超载等）等因素的作用导致桥梁 不可避免的发生各种结构损伤，长期累积的结构将导 致： 正常使用功能退化 结构安全性下降 抗偶遇荷载的能力下降，极端情况下易发生灾难性事故 桥梁日趋大型化、复杂化，对桥梁长期安全运营的难 度不断提升。 目前已

2、建成的悬索桥跨度接近2000m,斜拉桥超过1000m， 梁桥超过300m，拱桥超过550m 保障超大跨径桥梁的耐久性社会、经济意义重大 类型：悬索桥 桥名：明石海峡大桥 国籍：日本 主跨：1991m 竣工：1998年 类型：斜拉桥 桥名：苏通长江大桥 国籍：中国 主跨：1088m 竣工：2008年 类型：拱桥(钢桁系杆拱) 桥名：重庆朝天门长江大桥 国籍：中国 主跨：552m 竣工：2009年 类型：梁桥(钢-混凝土混合梁) 桥名：重庆石板坡长江大桥（复线） 国籍：中国 主跨：330m（钢箱103m） 竣工：2006年 现役桥梁结构安全状况 截至2011年美国桥梁约60.5万座，病害桥（结构性

3、缺 陷或功能性受损）约14.4万座。 截至2011年中国桥梁近68.9万座。 桥梁安全监测与预警的意义 梁桥示例梁桥示例 双曲拱桥示例双曲拱桥示例 甘肃岷县洮河大桥位于甘肃省道甘肃岷县洮河大桥位于甘肃省道306线上线上,岷岷 县县城以北县县城以北500米处，始建于米处，始建于1974年年,总长总长200 多米，桥宽多米，桥宽8米，维修养护不及时，米，维修养护不及时，2006年年5 月倒塌。月倒塌。 现役桥梁结构安全状况 斜拉桥示例斜拉桥示例上海新五桥上海新五桥 新五桥位于上海市郊区松江县新午镇，是我国最早建造的斜拉试验桥之一。 三跨对称布置，中孔54m，主梁为三跨连续的钢筋混凝土组合边箱梁和肋

4、 板式桥面组成三对拉索为竖琴式布置，以65Si2Ti国产高强度低合金粗钢 筋为材料，两端采用镦头锚。 1975年10月建成。因拉索锈蚀而坍塌。 桥梁船撞垮塌示例 广东九江大桥 宁波金唐大桥宁波金唐大桥 桥梁超载垮桥梁超载垮塌示例塌示例- -包头跨铁路桥包头跨铁路桥 2007年10月23日23时许，内蒙古自治区 包头市民族东路高架桥桥面发生倾斜，行驶 在桥上的两辆重型货车和一辆轿车随路面侧 滑到桥底，造成桥下包环（绕城环线）铁路 专用线中断。 桥梁监测养护导致的垮塌示例桥梁监测养护导致的垮塌示例- -宜宾小南门桥宜宾小南门桥 主跨240米中承式拱桥，1990年11月建成 通车,2001年11月7

5、日凌晨4点宜宾小南门 金沙江大桥吊杆钢绞线应力腐蚀导致吊杆局 部断裂，17对吊杆中4对（北岸1对，南岸3 对）共8根突然断裂，使北岸两孔（20m） 南岸4孔（40m）桥面坍塌。 广州海印大桥拉索锈断 桥梁质量导致的垮桥梁质量导致的垮塌示例塌示例- -重庆綦江彩虹桥重庆綦江彩虹桥 年月日晚时分，重庆市綦江县城区一座步行钢管拱 桥突然整体垮塌，数十名过桥者随大桥坠入桥下的綦河，造成了严重伤 亡事故。这次因工程质量导致的重大责任事故，共造成人死亡。 湖湖 南南 凤凤 凰凰 沱沱 江江 大大 桥桥 坍坍 塌塌 国外桥梁垮塌示例-美国旧金山立交桥 美国旧金山市2007年4月日凌晨 发生油罐车翻车起火事故

6、，大火和高 温造成旧金山湾区公路桥坍塌。 美国明尼苏达州明尼阿波利斯大桥 又称I-35W密西西比河大桥，为上承式钢桁架拱桥， 1967年11月通车，当地时间2007年8月1日，正值 交通高峰时段，该桥突然坍塌，13人死亡，145人 受伤，是美国自1983年以来最严重的非天灾或外力 因素所造成的桥梁崩塌事件。 该州从中汲取的最重要的教训是，对基础设施的定期 保养事关重大。塌桥事故发生13个月后，新大桥于 2008年9月开通，新桥拥有了世界上最大的防冰系统 和323个传感器来跟踪观察桥粱承受车辆荷载的能力。 印度尼西亚的kutai kartanegara 桥1995 年建成，2011年11月26日

7、在对桥梁主缆 的维修中，设计、施工原因导致吊索突然断 裂，桥面坍塌，仅剩主塔残存，20人死亡, 40人受伤 (33人失踪) 国外桥梁垮塌示例-印度尼西亚悬索桥 1994年10月21日韩国圣水大桥 焊接失误及大桥的设计缺陷和施 工期间的种种问题使得位于第五 与第六根桥柱间的48m长混凝土 桥板整体塌落入水，33人死亡， 17人受伤。 国外桥梁垮塌示例-韩国钢桁架桥 监测养护措施的不足是重要的一个因素! 桥梁灾难性事故的原因 根据统计导致美国桥梁倒塌的主要原因依次为不可抗力（地震、 洪水、火灾，强风）、人为因素（车、船、飞机撞击）、养护 不足、施工原因、设计原因、其中前3种占比80%以上。 桥梁安

8、全监测与预警目的与范围 提早发现桥梁病害，避免病害的累积发展，消除安全隐患， 避免灾难性事件导致的重大社会、经济损失 保证桥梁达到甚至延长桥梁设计使用寿命 掌握桥梁长期性能的演化，为桥梁技术验证与发展提供平台 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 提高管理部门科学管养的技术水平 对极端事件的快速反应与掌控 养护决策的科学性，为桥梁的维修、养护与管理决策提供依据和指导 桥梁安全监测与预警目的与范围 各结构体系中的特大跨径桥梁； 采用新型结构体系的桥梁； 采用新结构材料的桥梁； 地质、水文、气向条件复杂的桥梁； 交通流量繁忙，特别是超限超载车辆行驶或大吨 位船舶通航较为集中的

9、桥梁； 早期建成，荷载标准较低，目前仍在使用的重要 交通线上的各类桥梁。 桥梁安全监测与预警的国内外现状 因桥梁功能失效和塌桥事故的不断发生，桥梁的安全监测 问题在20世纪50年代就已提出，但相关技术与规范发展 缓慢。 1971年美国制定了国家桥梁安全监测标准（NBIS）， 规范了检测方法，检测时间间隔和检测人员的资格条件。 根据NBIS规定，成桥或结构形态改变时进行验收检测； 每两年要对桥梁的物理及功能状态，进行例检；特殊情况 要进行损伤检测，深入检测和临时检测等。 上世纪80年代后期开始，受到宇航与机械工程领域安全 监测技术的启发，国内外外开始建立各种规模的桥梁健康 监测测系统，据不完全统

10、计具有代表性国家及桥型结构如 下： 国家 桥名 结构 主跨径（m） Sunshine Skyway 斜拉桥 440 美国 HAM42-092 连续梁 17+24+17 英国 Flintshire 斜拉桥 194 加拿大 Foyle 连续钢箱梁桥 总长 522 瑞士 Storcks Bridge 斜拉桥 63+61 丹麦 Great Belt East 悬索桥 535+1624+535 挪威 Skarsudat 斜拉桥 240+530+240 泰国 Rama IX 斜拉桥 166+450+160 Nambae 悬索桥 128+404+128 Jindo 斜拉桥 70+344+70 韩国 New

11、Haeng Jv 斜拉桥 160+120+100 明石海峡大桥 悬索桥 960+1990+960 柜石岛桥 斜拉桥 700 日本 南北赞濑户桥 悬索桥 274+1100+274 香港青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥上安装的风与结构健康监测系统 （Wind And Structural Health Monitoring System, WASHMS），分 为两个子系统：青马大桥和汲水门大桥的LFC-WASHMS（Lantau-Fixed Crossings）和汀九大桥的TKB-WASHMS。该监测系统共有900多个传感 器（青马大桥350个、汲水门大桥279个、汀九大桥284个），主要用于监 测

12、作用桥梁上的外部荷载（包括环境因素和车辆荷载）以及桥梁的响应，是 迄今为止规模最大、最复杂的大型桥梁健康监测系统之一。 WASHMS中的传感器包括加速度传感器、应变计、温度传感器、位移 传感器、水准仪、GPS系统、风速仪、车速车轴仪。这些健康监测系 统都统一分为六个部分：传感器系统、数据采集与传输系统、数据处理 与控制系统、桥梁健康评估系统以及便携式数据采集与检测系统。 香港昂船洲大桥为主跨1018m的斜拉桥，香港路政署准备在该桥上安装一个有 1271个传感器的健康监测系统。该监测系统的传感器有风速仪、地震仪（加速 度传感器）、温度传感器、光纤传感器、空气温度和湿度传感器、气压计、雨量 计、腐

13、蚀监测传感器、车速车轴仪、数字摄像仪、加速度传感器、磁感应测力仪、 GPS系统、应变计、位移传感器、倾斜仪、加速度传感器。 我国在役和拟建的大型桥梁健康监测系统还有： 港珠澳大桥健康监测系统 深圳湾西部通道-深圳湾公路大桥结构健康监测系统 广州珠江黄埔大桥健康监测系统 杭州湾大桥健康监测系统 苏通大桥健康监测系统 江阴长江大桥健康监测系统 润扬长江大桥健康监测系统 1940年11月7日美国的Tacoma Narrows Bridge在远低于设计 的低风速（19m/s）下发生强烈的风致振动（颤振），桥面断裂损毁。 是引发桥梁工程界对结构安全监测关注的标志性事件！ 桥梁安全监测与预警的国内外现状

14、桥梁安全监测与预警的国内外现状 桥梁安全监测与预警存在的问题 结构的损伤识别准确性有限 现有数据质量获得的桥梁信息多为整体性信息，对局部损伤不敏感， 环境和运营条件正常变异导致的各种响应的变化大于等于损伤引起 的变化-需要更高精度的测量技术、合适的损伤识别理论和高 质量的数据积累 桥梁结构性能数据规划标准不统一 建立有效的桥梁预警系统，依据的结构数据很重要。那些数据必须 有、那些数据要保留、那些数据可以舍弃，对于海量采集的数据如 何处理是一个现实问题。但目前尚没有统一的标准指导，各桥有各 桥的做法，不利于安全检测技术发展-需要建立桥梁安全监测 数据规划标准 桥梁安全监测系统的耐久性有限 传感器

15、及相关设备的使用年限远低于桥梁结构本体，很多系统在设 计时没有考虑长期运行的更换问题，涉及软件、硬件匹配，数据转 换衔接等，如埋入式应变计与表贴式应变计的置换-安全监测系 统也需要全寿命设计 美国I-40桥为钢混组合梁桥，混凝土桥面宽13.3m，两片纵向工字钢主梁高3.05m， 在连接主梁的横梁上布置有三条纵向加强钢梁。 第1级损伤为在腹板中间开一个2英尺长（约0.6m），3/8英寸宽的缺口，第2级为将 缺口延长至腹板与下翼缘交接处，第3级为将下翼缘从两边向内各切1/4的翼缘长度， 第4级则完全切断下翼缘。 直到第4级损伤，固有频率和模态振型的MAC（Modal Assurance Crite

16、ria）值才有明显变化 利用标准动力特征的衍生指纹方法，如模态曲率法、柔度法、刚度法等的损伤识别与定位的能 力有所改善 需要对测试数据进行统计分析并量化环境条件对模态性能的影响，特别是在仅有小损伤发生的 时候 桥梁安全监测与预警系统的主要功能与构成 一般结构健康监测系统根据控制的范围大小可分为四 个级别： CIS系统级（Civil Infrastructure Systems Level）：指 对一定区域内的土木工程结构的运营及结构性能进行监控。 结构级（Structure Level）：指对CIS中关键结构的运营 及结构性能进行监控。 构件级（Component Level）：指对结构中某些

17、关键构件 的结构性能进行监控。 局部警戒级（Local Sentry）：指对结构中关键构件的局部 和或节点的损伤状态进行监控，如裂纹的出现及扩展等。 桥梁安全监测与预警系统的主要功能与构成 大型桥梁健康监测系统一般对以下几方面进行监控： 桥梁结构在正常车辆荷载及风载作用下的结构响应和力学状 态。 桥梁结构在突发事件(如地震、意外大风或其它严重事故等) 之后的损伤情况。 桥梁结构构件的耐久性, 主要是提供构件疲劳状况的真实情 况。 桥梁重要非结构构件(如支座) 和附属设施(如斜拉桥振动控 制装置) 的工作状态。 大桥所处的环境条件, 如风速、温度、地面运动等。 桥梁健康监测系统大同小异，大致都可

18、由传感系统、数据采集 与传输系统、数据处理和控制系统及安全评估四大子系统组成 桥梁安全监测与预警系统的主要功能与构成 网 络 结 构 多 采 用 上 下 两 层 的 体 系 ， 基 于 Browser/Server架构（监控中心-用户）与 Client/Server架构（监控中心-采集站）相结合 的软件系统。 桥梁安全监测与预警系统的主要功能与构成 桥梁健康监测系统-传感器子系统 根据桥梁形式、运营管理需求的不同其构成内容各异 常见的内容包括： 桥梁工作环境感知系统，包括环境风速风向、车、船交通荷载、环 境温度湿度、结构温度等 桥梁结构响应感知系统，包括静力响应（控制位置的应变、位移和 索力等

19、）、动力响应（频率、振形、振幅、加速度） 桥梁几何位置感知系统，包括沉降、倾斜、线形变化等 桥梁特殊性状感知系统，包括锈蚀、氯离子浓度等 传感器子系统包括前端的传感器和后端的采集仪。常用的传感器 包括：位移计、应变计、倾角仪、GPS、电子测距器(EDM)、风速 仪、温度传感器、空气温度和湿度传感器、腐蚀监测传感器、车 速车轴仪、数字摄像仪、加速度传感器、磁感应测力仪等 某斜拉桥的传感系统 大型桥梁位移的GPS监测技术 GPS位移监测原理：利用接收导航卫星载波相位 进 行 实 时 相 位 差 分 即 RTK 技 术 （ Real Time Kinematic），实时测定大桥位移。 基站 监测站

20、监测站 结果分析与可视化 GPS RTK差分系统 是由 GPS基准站、 GPS监测站和通信 系统组成。 运行过程： 基准站将接收到的卫星差分信息经过光纤或者无线方式 实时传递到监测站。 监测站接收卫星信号及GPS基准站信息，根据现对定位 原理，进行实时差分后可实时测得站点的三维空间坐标。 此结果将送到GPS监控中心。 监控中心对接收的GPS差分信号结果进行桥梁桥面、桥 塔的位移、转角计算，提供大桥管理部门进行安全分析。 GPSGPS监测大桥位移特点： 各监测站之间勿需通视，是相互独立的 观测值，可实现各测点的同步观测。 GPS定位受外界大气影响小，可以在暴 风雨中进行监测。 GPS测定位移自动

21、化程度高。从接收信 号，捕捉卫星，到完成RTK差分位移都 可由仪器自动在1s中完成。所测三维坐 标可自动存入监控中心服务器进行大桥 安全性分析。 GPS定位速度快、精度高。GPS RTK最快 可达1020Hz速率输出定位结果，定位 精度平面为10mm，高程为20mm。 一般用于索桥等跨度较大桥梁，设置在 索塔、主梁跨中等位置。 桥梁安全监测与预警系统的主要功能与构成 数据采集与传输子系统 为保证安全监测系统的长期可靠和稳定，目前采用较多的是 双环型网路，具有断环重构自愈能力。 数据传输包括本地传输与远程传输两级。视条件许可选择微 波无线通讯和光纤通讯模式。 数据预处理即利用前置数据采集专用工控

22、机进行被测物理量 量测结果的预处理（即将原始数据转换为分析系统可用的计 算数据，如量测结果的修正换算等），并按规定的格式整理 形成数据文件到指定目录。 数据的预处理主要进行统计运算，计算设定时段内的测点最 大最小值、均值、方差、标准差、变化幅值等统计信息，给 出具有意义的趋势信息、基准模型比对信息，分离环境因素 的影响获得结构整体、局部的损伤识别信息等。 桥梁安全监测与预警系统的主要功能与构成 数据处理和控制子系统 提供对桥上、桥下各子统开启与停止的远程控制 与各子系统对接实时提供桥梁结构监测系统工作状态、 各监测项目和结构安全状态的可视化显示 桥梁安全监测与预警系统的主要功能与构成 桥梁结构

23、安全评估子系统 桥梁结构健康状态评估系统是桥梁健康监测系统的核心，与 前期的施工监控、后期的大桥管理养护密切结合，对桥梁构 件的不正常表现做出及时诊断并找出其根源，及早发现灾难 性破坏的隐患。 常见的系统模块包括： 桥梁结构运营应力与变形趋势分析与预警模块 桥梁疲劳损伤监测与评估模块 桥梁动力响应监测模块 桥梁安全分级预报警模块 超重车辆报警模块 船舶撞击监测模块 人工巡检模块 桥梁安全监测与预警系统的主要功能与构成 桥梁结构安全评估子系统 结构健康状态评估系统可分为在线评估和离线评估两部 分。 在线评估主要对实时采集的监测数据、人工巡检数据进行 基本的统计分析、趋势分析，设立预警系统，给出结

24、构的 初步安全状态评估。 离线评估主要对各种监测数据（包括其他系统、日常人工 管养信息等）进行综合的高级分析。离线评估采用有限元 分析、模态分析、模型修正分析等方法进行。 桥梁安全监测与预警系统的主要功能与构成 桥梁结构安全评估子系统 运营安全预警系统主要是根据桥梁结构控制截面的设计 计算值、验收荷载试验量测结果以及历史监测数据极值 等，确定桥梁结构在不同运营水准下的正常使用的控制 限值。 桥梁结构安全预警主要针对桥梁处于危及结构安全的状 态进行预警。如结构性能长期劣化到危害安全的程度、 遭受突然的地震、强风、爆炸等突发事件后，通过安全 评估认为损伤程度危及结构安全的情况。 结构健康评估方法主

25、要包括基准模型比对评估法、测点 趋势分析评估法，动、静力特征综合评估法，局部损伤 评估法、疲劳累积损伤及剩余寿命估计法等。 桥梁损伤识别的三步法 只对受怀疑单元进行搜索，是一种基于先验信息的反演， 反演时损伤搜索的范围和计算量大为减少，提高了识别 的准确性 第一步：采用常规的模态残余力来提供初步的损伤先验 信息 第二步：损伤定位的单元筛选和搜索 第三步：依据前2步获得的先验信息进行精确的单元级 定位和损伤量化 桥梁安全监测与预警系统的主要功能与构成 桥梁安全监测与预警系统的主要功能与构成 桥梁安全监测与预警系统的主要功能与构成 桥梁损伤识别的三步法的改进 提高三步法损伤识别抗随机干扰的能力 改

26、造第1步，根据流程第一步获得的结构每个自由度对 应的模态残余力在损伤与无损工况下的统计特征,使用 来自正态总体的均值差t检验法来判断在一定概率保证 水平下,该自由度的残余力水平与无损状态比较是否有 显著变化。如果通过假设检验,判断该自由度的残余力 值的确具有统计意义上的显著变化,就有理由怀疑该自 由度发生损伤。 桥梁安全监测与预警系统的主要功能与构成 桥梁损伤识别的三步法的改进 考虑随机误差水平:频率1%,模态振形10%的识别结果 直接识别 统计识别 桥梁安全监测与预警系统应用范例 预应力混凝土桥梁桥结构健康监测 长期性能（应力、变形、温度场、预应力、收缩徐变、 材料劣化）演变规律 损伤识别/

27、运营安全/结构安全 加拿大联邦桥安 装5类113个传 感器。 交通引起桥梁垂直振动的平均傅立叶谱幅 桥梁安全监测与预警系统应用范例 斜拉桥 香港汀九大桥 1998建成结 构健康系统， 共安装7类传 感器共236个。 无损状态 有损状态 其健康监测系统采用的基于频率的损伤指标即使在噪声水平 高于损伤导致的频率改变水平下仍然准确提示了损伤的实现 苏通大桥主桥传感器测点布置方案 苏通大桥安装16类传感器1440个。 其中上部结构778个，下部结构 636个。 法国-米拉高架桥共安装8类412个传感器 桥梁安全监测与预警系统应用范例 悬索桥 润扬大桥健康监测系统 丹麦大带桥健康监测系统 桥梁安全监测与预警系统应用范例 拱桥 俄罗斯 Bolshoj Moskvoretsky Bridge 安装应变和温度传感器 共22个，监测沿拱的平均应变、水平和竖直方向的曲率。 桥梁安全监测与预警技术的未来发展 桥梁健康监测与预警系统硬件：无线体系、高精度、高灵 敏、高耐久，易更换，单点式-分布式； 桥梁健康监测与预警系统软件：高预警准确率、高度智能 化的损伤定位与安全评估、与建管养一体化系统融合; 桥梁安全监测与预警理论： 基于先验信息的损伤识别技术 基于局部感知的损伤识别技术 基于概率理论的损伤识别技术 环境运营效应与结构真实响应分离技术