高速公路結構健康監(jiān)測系統(tǒng)關鍵技術研究湖北滬蓉西高速公路建設指揮部2008年10月中交橋梁技術有限公司匯報內容橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)介紹西部課題項目概況西部課題階段成果成果在依托工程上應用及在其他項目上推廣情況介紹第一部分橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)介紹1橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)概念橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)指的是在橋梁上安裝傳感器系統(tǒng)，對結構荷載和結構受力響應進行實時監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，分析結果用于橋梁評估的一套硬件和軟件系統(tǒng)總稱。橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)一般包括：（1）傳感器系統(tǒng)（2）數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)（3）數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)（4）結構評估系統(tǒng)，四個部分。2從橋梁管理角度看監(jiān)測系統(tǒng)橋梁使用中服務能力不斷下降，所以要定期對橋梁進行維修。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是獲得橋梁維修所需要信息的一種“重要手段”。國內外許多著名的大型橋梁都安裝了橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，其中以香港幾座橋梁的監(jiān)測系統(tǒng)較為著名。3橋梁監(jiān)測系統(tǒng)應用情況AnemometerAccelerometerTemperatureSensorStrainGaugeGPSRoverStationDisplacementTransducerLevelSensingStationDataAcquisitionOutstation青馬橋中國香港AnemometerAccelerometerTemperatureSensorStrainGaugeGPSRoverStationDisplacementTransducerLevelSensingStationDataAcquisitionOutstation香港汀九橋AnemometerAccelerometerTemperatureSensorStrainGaugeGPSRoverStationDisplacementTransducerLevelSensingStationDataAcquisitionOutstationMaWanTower

LantauTower

香港汲水門大橋深港西部通道斜拉橋

中國香港AnemometerAccelerometerTemperatureSensorStrainGaugeDisplacementTransducerBarometer,RainGauge,HygrometerCorrosionSensorDigitalVideoCameraDataAcquisitionOutstationEastTowerWestTower1E2E3E4E1W2W3W4W

WIMWIMAnemometerAccelerometer&SeismometerTemperatureSensorStrainGaugeGPSRoverStationDisplacementTransducerBarometer,RainGauge,HygrometerCorrosionSensorDigitalVideoCameraWeigh-In-MotionSystemWIM昂船洲橋中國香港潤揚長江大橋蘇通長江大橋西堠門大橋陽邏橋長江大橋武漢長江二橋天興洲大橋4橋梁監(jiān)測系統(tǒng)存在的一些問題有些橋梁安裝了健康監(jiān)測系統(tǒng)，但是對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析深度還不夠，監(jiān)測系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)與橋梁結構健康評估相互脫節(jié)，同時監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析結果如何應用于橋梁決策支持也是沒有解決的問題。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)本身最大的特點是不阻斷交通在線實時監(jiān)測，給應用監(jiān)測數(shù)據(jù)對結構進行損傷分析帶來了巨大的困難，這也是國內外理論界一直研究但是仍然沒有實質性進展的原因。橋梁監(jiān)測系統(tǒng)與橋梁人工檢測數(shù)據(jù)沒有整合在一起，基本上還是分別使用不同的橋梁評估手段和方法。有些橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設計思路基本與橋梁施工監(jiān)控相同，大量使用了靜態(tài)傳感器，而在不斷交通的情況下靜態(tài)傳感器采集的數(shù)據(jù)幾乎沒有實際的應用價值。國內橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)仍然處在重視建設，輕視數(shù)據(jù)分析階段。第二部分西部課題介紹1項目概況項目名稱高速公路結構健康監(jiān)測系統(tǒng)關鍵技術研究合同編號200531800037項目負責人白山云李毅謙周祖德曹傳林承擔單位湖北滬蓉西高速公路建設指揮部起止時間2005年第三季度至2009年第三季度參加單位中交橋梁技術有限公司武漢理工大學1.1項目基本信息表1.2項目大事記2005年5月份接到交通部立項通知書；2005年11月份在北京舉行了項目研究可行性報告專家評審會，并與交通部西部項目管理中心簽訂了項目任務書；2006年7月份在湖北武漢市舉辦了項目研究大綱和依托工程技術方案專家評審會；2006年10月份在武漢舉辦了四渡河大橋錨碇監(jiān)測專家評審會；2006年10月份在恩施給西部交通科技項目管理中心領導和專家組匯報了項目進展情況；2007年12月份，在湖北野三關（滬蓉西指揮部第三工作站）舉辦了依托工程施工圖專家咨詢會。監(jiān)測系統(tǒng)技術方案專家咨詢會現(xiàn)場科研內容健康監(jiān)測光纖光柵長效傳感器測試技術的研究高陡邊坡變形破壞模式與穩(wěn)定性分析研究

橋梁承載能力評估方法研究傳感器優(yōu)化布點方法研究橋梁結構模態(tài)識別方法研究橋梁結構損傷識別方法研究1.3項目研究內容橋梁監(jiān)測

四個子課

題之間關系子課題1：橋梁結構損傷識別研究本項目中橋梁結構損傷識別方法研究擬從兩個方向有所突破和創(chuàng)新，一個方向是建立基于模態(tài)識別結果（振形、頻率和阻尼比等）的損傷識別指標或者損傷識別方法，根據(jù)監(jiān)測結果計算損傷識別指標，并設定損傷識別指標閥值（也就是認為結構發(fā)生了損傷時候識別指標的限值），判定結構是否發(fā)生了損傷，并確定損傷的大致位置。損傷識別另外一個思路是，基于監(jiān)測系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)（應變、撓度、加速度等）應用反分析的方法反演出結構某個部位“剛度損傷”，而認為出現(xiàn)了剛度損失的部位即為發(fā)生了損傷的位置。這種損傷識別方法將橋梁損傷統(tǒng)統(tǒng)以結構“剛度損失”來表征。確定損傷大致位置后通過人工檢查確定損傷類型和程度。監(jiān)測系統(tǒng)傳感器優(yōu)化布點研究的目的就是以最少的傳感器獲得盡可能多的損傷識別所需要的數(shù)據(jù)。監(jiān)測系統(tǒng)測點優(yōu)化研究要與所研究的損傷識別理論和模態(tài)識別理論直接相互關聯(lián)。子課題2：監(jiān)測系統(tǒng)傳感器優(yōu)化布點研究測點有效性驗證實例基于脈動響應的大橋環(huán)境激勵平穩(wěn)性估計方法；非平穩(wěn)環(huán)境激勵條件下，橋梁結構模態(tài)參數(shù)脈動識別方法修正；環(huán)境溫度變化對大型橋梁結構模態(tài)參數(shù)識別的影響；基于橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)實測脈動響應信號的模態(tài)參數(shù)識別研究（包括大型橋梁結構密頻識別方法和實測響應信號分析處理方法；子課題3：橋梁結構模態(tài)識別研究建立精確并適合數(shù)值計算的分析模型；基于斷裂力學提出一種全新的失效模式；構件疲勞累積損傷與抗力衰減分析；建立實用有效的動力學模型；提出橋梁剩余承載力評估方法。子課題4：橋梁承載能力評估研究1.4項目依托工程介紹本項目依托工程包括四渡河特大橋、鐵羅坪特大橋、支井河特大橋和龍?zhí)逗犹卮髽虻人淖鶚蛄航Y構健康監(jiān)測系統(tǒng)；還包括了施家良子邊坡監(jiān)測系統(tǒng)。四渡河特大橋為主跨900米的鋼桁架加勁梁懸索橋，鐵羅坪橋為主跨320米預應力混凝土主梁的斜拉橋，支井河橋為主跨430米鋼管混凝土拱橋，而龍?zhí)逗哟髽驗榭缍?05＋200×3＋105＝820米連續(xù)剛構橋，最大墩高179米。施家良子邊坡包括東西兩個變形體，東變形體面積0.85萬平方米，平均厚度16.5m，體積月14.025萬立方；西變形體面積1.45萬平方米，平均厚度135.m，體積約19.575立方米。通過本項目的實施，最終實現(xiàn)對滬蓉西高速上典型結構物的“集群式”監(jiān)測，數(shù)據(jù)通過骨干光線網(wǎng)絡傳輸?shù)蕉魇┍O(jiān)控中心進行集中分析處理。當項目完成時候還要對每種結構物人工檢查制度進行設計。這種項目規(guī)模在國際上都是罕見的，力爭項目成果達到國際先進水平。1.5項目進度計劃安排科研和工程實施工作流程圖第三部分西部課題一些階段性成果子課題1：橋梁損傷識別研究進行了充分調研，收集了大量文獻，并完成了文獻述評損傷識別和傳感器優(yōu)化布置過程結合起來并交替實施，這樣可以減小初始經(jīng)驗參數(shù)對優(yōu)化結果的影響。利用損傷識別過程中產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)的統(tǒng)計信息提出了一種改進的損傷參數(shù)識別方法。子課題3：傳感器布點優(yōu)化研究Y.Q.Li,Z.H.Xiang,M.S.Zhou,G.Swoboda,Z.Z.Cen.ConsiderationofSensorPlacementDesignforDamageDetection.COMPUTATIONALMETHODSINENGINEERINGANDSCIENCE(EPMESC)X,Sanya,Hainan,China,Aug.2006）

YiqianLi,MashengZhou;Zhihai

Xiang;YinghuaLiuandZhangzhi

Cen.Deflection-basedDamageDetectionandSensorPlacementDesignforBridges.ASCEJOURNALOFSTRUCTURALENGINEERING），目前該論文正在進行第二輪評審；

M.S.Zhou,Y.Q.Li,Z.H.Xiang,G.Swoboda,Z.Z.Cen.AModifiedExtendedBayesianMethodforParameterEstimation.SecondAsia-PacificInternationalConferenceonComputationalMethodsinEngineering(ICOME)2006,Hefei,Anhui,China,Nov.2006完成了階段性課題“梁缺陷識別中測量點布置問題的研究”。研究了基于靜撓度測量值、常規(guī)最小二乘估計方法和高斯－牛頓法的結構損傷識別算法。然后從損傷識別算法的適定性分析出發(fā)，推導了測量點合理布置的準則，并詳細地介紹了相應的組合優(yōu)化算法。最后用一些簡單的算例來驗證了這些算法的正確性。建立了用于損傷識別和傳感器布點優(yōu)化研究的四座橋梁有限元模型

子課題2：橋梁模態(tài)識別方法研究基于脈動數(shù)據(jù)的高效時域模態(tài)識別技術’方面已經(jīng)開發(fā)了一個用改進的特征系統(tǒng)實現(xiàn)算法進行橋梁時域模態(tài)識別的軟件程序，并以香港青馬橋的成橋原始指紋測試數(shù)據(jù)為基礎，對這個成果在其他橋梁上進行了應用。

用北京市110國道上實測汽車荷載數(shù)據(jù)研究了基于汽車荷載監(jiān)測數(shù)據(jù)建立汽車荷載模型的方法。在‘用于評定即有橋梁結構實際安全度的精確分析模型的建立原則的研究’方面，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)簡化模型給出的分析結果的錯誤源，初步找到了建立精確分析模型的一些要點；在‘基于結構可靠度理論的即有橋梁結構實際安全度評定評估使用的荷載和抗力分項系數(shù)評估方法的研究’方面，已經(jīng)把公路橋梁設計規(guī)范中強度驗算公式分類，已經(jīng)開始考慮恒載、車載、風載聯(lián)合作用，用FORM方法對一個范圍的活載/恒載比對規(guī)范的每個公式計算其實際可靠度。.子課題4：橋梁承載能力評估方法研究北京市110國道汽車載重直方圖車型統(tǒng)計軸載分布統(tǒng)計（1）研究了山區(qū)高速公路巖質邊坡穩(wěn)定性分類；（2）研究出了邊坡位移預測的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡算法；（3）研究出了邊坡位移預測的微粒群算法；（4）開發(fā)了基于上述邊坡位移預測算法的計算程序，并在古樹屋滑坡和臥龍寺滑坡上進行了應用子課題5：邊坡穩(wěn)定性預測方法研究古樹屋滑坡位移監(jiān)測數(shù)據(jù)與分析數(shù)據(jù)對比

臥龍寺滑坡位移監(jiān)測數(shù)據(jù)與分析數(shù)據(jù)對比

項目研究主要創(chuàng)新點在實際工程環(huán)境下，可靠地識別橋梁模態(tài)參數(shù)；在實際工程環(huán)境下，用不完備振型構建對損傷高靈敏的損傷識別指標；與模態(tài)識別和損傷識別相結合的傳感器優(yōu)化布點方法；根據(jù)現(xiàn)行公路橋設計規(guī)范的設計使用年限和時不變目標可靠度指標，并根據(jù)時變可靠度理論推斷受損橋梁結構在后續(xù)使用年限內的合理可靠度以及相應的廣義可靠度指標；用水準2可靠度理論根據(jù)上述成果修正抗力分項系數(shù)，從而建立既有橋梁結構實際安全度評定使用的荷載和抗力分項系數(shù)評估公式，并對照AASHTO，NCHRP的有關系數(shù)進行檢查；高邊坡穩(wěn)定性判據(jù)和預測預報模型。高速公路結構健康監(jiān)測系列光纖光柵長效傳感器測試技術的研究。第四部分課題成果應用及推廣情況1研究成果在依托工程上應用情況2依托工程進展情況完成了總體技術方案；四座橋梁監(jiān)測系統(tǒng)施工圖已經(jīng)完成，并于2007年12月進行了評審完成了施家良子邊坡監(jiān)測系統(tǒng)技術方案和詳細設計，正在進行現(xiàn)場傳感器安裝。龍?zhí)逗訕蚝丸F羅坪橋預埋傳感器的安裝完畢；支井河橋和四渡河橋傳感器正在隨著主體工程施工過程進行安裝；傳感器安裝情況四渡河橋鐵羅坪橋支井河橋龍?zhí)逗訕驊?/p>