2010大跨度桥梁健康检测与工程控制

1、大跨度桥梁北京交通大学 土木建筑工程学院姜超2010年10月19日In dex目录.大跨度桥梁健康监测,031.1 监测内容031.2 监测设备04.3 监测系统,041-4 监测过程,051.5 监测方法051.6工程应用,08二.大跨度桥梁工程控制,082.1施工控制任务和工作内容082.2影响桥梁施工控制的因素092.3施工控制中方法,092.4具体桥梁类型的工程控制，10二总结与展望 ,11四参考文献,12大跨度桥梁健康监测与工程控制Structural Health Mon itori ng and Con diti on Assessme ntAnd Engin eeri ng C

2、on trol of Long Span Bridges摘要：现代大跨度桥梁结构形式与功能日趋复杂，需要结合详细的理论分析和健康监测方法，在施工过程中采取相应的施工控制措施，保证桥梁施工的顺利进行，并达到设计预期的目标成桥状大跨度桥梁的健康监测与工程控制问题护已成为国内外相关领域的研究热点，得到了越来越多的关注。对于桥梁安全性、适用性、耐久性的监测评价技术与处理控制方法取 得了较大的进展。大跨度桥梁的监测系统在很多实际案例中得到了应用，其在桥梁建造和工作过程中的重要作用越来越得到重视。在本文对于大跨度桥梁健康监测内容、 设备、监测系统组成、监测过程、主要监测方法和典型案例做了简要的概述。同时，

3、在监测系统的指引下，工程控制方法是保证施工质量的重要环节。是施工过程中，实际桥梁状态与设计状态必定产生误差，这种误差如不加以调整与控制，将导致成桥后的状态与设计的应力和线型状态相差较大，甚至危及结构安全。因此，大跨度桥梁施工控制问题越来越受到重视。本文对于施工控制任务和内容、控制方法、不同桥梁的工程控制要点作了简要综述。关键词:健康监测 工程控制GPS人工神经网络自适应控制Abstract : The modern great span bridge structural style and the function are dayby day complex, n eeds to unify

4、 the detailed theoretical an alysis and the healthmon itormethod, takes the corresp ondingcon structi oncon trolmeasure in thecon struct ion process, guara nteed the bridge con struct ion carries on smoothly, and achieved design anticipated goal Cheng Qiaozhuang the great span bridge the health moni

5、tor and the project control question protects has become the domestic and foreign correlati on doma in the research hot spot, obta ined more and more many atte nti on .Regard ing the bridge security, the serviceability, the durable mon itor appraisal tech no logy and the process ing con trol method

6、has made the big progress.The great span bridge monitor system obtained the applicationin very manyactual cases,it more and more obta ins in the bridge con struct ionand the work process vital roletakes .In this article regard ing the great spa n bridge health mon itor content, the equipme nt, the m

7、on itor system compositi on, the mon itor process, the main mon itor method and the illustrative case has made the brief outline.At the same time, in un der the mon itor system direct ion, the project con trol method is guara ntees the con struct ion quality the importa nt li nk.ls in the con struct

8、 ion process, the actual bridge condition and the design point have the error surely, this kind of error like does not adjust and the control,will cause Cheng Qiaohou the condition and the designstress and the lin ear con diti on differe nee is big, even will endan ger the structure security.Therefo

9、re, the great spa n bridge con structi on con trol questi on more and more receives takes.This article regard ing the con struct ion con trol duty and the content, the con trol method, the differe nt bridge project con trol main point has made the brief summary.Key words: structural health monitorin

10、gengin eeri ng controlANN GPS adaptive control1. 大跨度桥梁健康监测桥梁健康监测是通过对于桥梁相关荷载、变形、环境、材料等情况的数据采集和分析，评价桥梁结构及其附属设施在正常环境与交通条件下的工作状态，评价耐久性，并作为桥梁的维护、加固、弃用的必要的依据。1.1监测内容（1）荷载监测。包括风荷载、地震荷载、雪荷载、水流相关荷载、锚室主缆索 股拉力等。（2）交通情况。车载、车速、车流量、行人流量。（3）位移、转角、变形监测。监测桥梁各部位的静态位置和静态位移，如桥塔 和锚碇的沉降和倾斜、主缆和加劲梁的线型变化、桥跨挠度、基础变位与 沉降、伸缩缝变化

11、等。（4）应力监测。（5）桥梁结构工作环境。如温度、湿度、风速、风向、水流特征等。(6) 非结构部件及辅助设施的使用情况1.2监测设备监测设备位移计记录结构的静动力变形倾角仪记录结构的静动力转角应变仪记录桥梁构件的静动力应变和应力测力计(力环、磁弹性仪、剪 力销)记录何载加速度计记录结构各部位的反应加速度风速仪记录风向、风速进程历史，连接数据处理系统后 可得风功率谱温度计记录温度、温度差时程历史动态地秤记录交通荷载流时程历史，连接数据处理系统后 可得交通荷载谱GPS记录关键点位移变化强震仪；记录地震作用。摄像机记录车流情况和交通事故1.3监测系统(1)传感系统：由传感器、二次仪表及高可靠性的工

12、控机等组成；(2)信号采集与处理系统：实现多种信息源、不同物理信号的采集与预处理，并 根据系统功 能要求对数据进行分解、变换以获取所需要的参数并以一定的形式存 储起来；(3) 通信系统：将处理过的数据传输到监控中心；(4)监控中心(结构分析与健康评估中心)：是利用可实现诊断功能的各种软 硬件对接收到的数据进行诊断, 包括结构是否受到损伤以及损伤的位置和程度等通过分析和判断，从而对结构的健康状态作出评估若结构出现异常行为，则由监控中心发出预警信号，并对检测出来的损伤进行定性、定位和定量分析，同时提供维修建议。1.4监测过程结构体系数据采集信号处理监测激励传感器诊断模态分析识别A 模拟计算 f损伤

13、位置和程度模型修正1.5监测方法对于桥梁的变形监测的分析，常用的方法主要有回归分析法、时间序列分析 法、频谱分析法、卡尔曼滤波法、有限元法、人工神经网络法、小波分析法和系 统论方法等。1.5.1人工定期检测 以人工定期检测为特征的桥梁健康监测保障体系，其测 试手段虽然较1971年美国国家桥梁监测标准（NBIS）颁布时有了长足的发展，但这类方法所固有的缺 陷却依然存在： 要预先知道损伤发生的大概位置； 一些重要的结构内部及 人员、设备不易到达处的损伤不易被外观检查所发现； 检查设备昂贵，结果需专业人员的专门知识解释，带有很大主观性；检查过程太长，不能应付突发事件后，迅速查明结构状态，为桥梁管理部

14、门及时提供决策依据的要求。因此以人工定期检测作为桥梁健康状况的监测手段一般只用于中小跨度的非重要桥 梁，在技术日益进步的今天，大跨度桥梁的监测慢慢形成了以传感器-模拟计算为主要核心的现代化监测系统，人工定期检测一般只用于非结构性部件的维护管 理。1.5.2基于GPS的大跨度桥梁变形监测GPS技术可以克服传统的桥梁结构监测方法的缺点，测定位移值的精度可以 达到厘米级（RTK）甚至毫米级（相对静态）的精度.GPS可以实时地得到监测点的三 维坐标，特别是可实现多点同步观测，受外界影响小，数据采集方便，可实现实 时性、自动化管理.利用GPS RTK技术可以用于大型桥梁的三维位移实时动态测量，可以测得桥

15、 梁在风荷载、随机车辆荷载以及温度变化等因素影响下的位移和变形，并分析这 些因素影响下的振动规律和频率特性.随着数据的不断积累，可以分析总 结桥梁 实际运行的规律，验证大桥的设计参数和设计理论.GPS变形监测网一般塔顷变吃测点y.大跨度悬索桥变形监测点布三维基准点应在河岸 两侧均匀分布，设置在由一个或若干个独立观 测环构成，以三角形和 大地四边形组成的混合 网的形式布设2。GPS接收天线。岩土结构稳定的地方（最好是直接嵌固在硬岩出露的天然岩石上），必要时应设置 钻孔式深埋标志.三维基准点应设置强制归心观测墩，为方便全站仪的辅助观测， 强制归心观测墩应可强制归心联结反射棱镜、全站仪、桥梁变形监测

16、的三维形变点由若干个形变观测点构成. 形变观测点应根据桥 型、承载特征等因素灵活设置.通常两端桥台的内侧、 桥墩的顶端、桥面桥跨的 中点、桥塔的顶端、桥塔的根部都是应该设置形变观测点的地方. 形变观测点也 应设置强制归心观测墩，观测墩上可强制归心联结反射棱镜、 GPS接收天线。如果运用可视化技术可以直观地实时描述桥梁关键部位的位移情况、 桥梁整 体位移情况，可以用于大桥运营的安全性管理上，国内外的多项实例表明，GPS技术在大型桥梁变形监测中具有广阔的应用前景.1.5.3基于振动的结构的健康监测（损伤诊断技术）对于遭受不同程度破坏的结构，其自身的结构参数及其响应必然与结构健康 时不同，因此可以运

17、用这些变化来反推结构是否发生损伤，即可以将结构损伤检测看作是对结构本身参数及其响应的参数识别问题 3。其理论核心为基于振动的损伤识别技术（其基本思想认为损伤将显著改变结 构的刚度、质量或耗能能力，进而引起所测结构动力特征或响应的改变，通过从 监测数据中提取全桥不同部位动力参数信息或其衍生信息，并比对结构无损状态下的相应信息来实现结构的健康检测与评估 ）。理论上，这一概念用于对桥梁 结构损伤与老化的诊断。1.5.4人工神经网络法人工神经网络的方法是80年代以来得到广泛关注的一 种模拟人体神经机理来研究客观事物的新方法，其高效并行的信息处理的方式（学习/训练，计算/识别）将反问题正问题化，故特别适

18、于对大型反问题（如结构的损伤诊断）的求解。 香港理工大学以香港的青马、汀九和汲水门3座大跨桥为背景运用ANN方法对大 跨 桥的健康和安全状态的监测方法进行了探讨4。注意到当前大多数的基于 ANN 的 损伤识别方法学习模式都为“指导”型如广泛使用的BP网络，对于大型复杂 结构 就存在一个问题即大数目的自由度数造成损伤的情况数 （网络的训练样本） 过大，不但给网络收敛带来困难且往往不可能穷尽所有情况。自组织神经网络为无“指导”的向量竞争算法，只需输入不需输出，网络会自动根据输入资料的规 律和自 身功能进行权重的调整，虽然目前对其训练机理还不能说完全清楚，但可预见是ANN方法用于结构损伤诊断的一个重

19、要发展方向。1.5.5应力监测 目前已经发展起来的索力监测技术主要有 5种：压力表法、测 力环法、频谱法、磁通量法以及光纤传感技术 。1.6工程应用（1）丹麦对总长1 726 m的Fa roe跨海斜拉大桥进行施工阶段及通车首年的监 测；（2）墨西哥对总长1 543 m的Tamp ico斜拉桥进行了动力特性测试并比较了环 境激振和传统振动试验的效果；（3）英国在总长522 m的三跨变高度连续钢箱梁桥 Foyle桥上布设传感器，监测 大桥运营阶段在车辆与风荷载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场。（4）中国自20世纪90年代起也在一些大型重要桥梁上建立了不同规模的长期监

20、测系统，如香港的Lantau Fixed Crossing和青马大桥、内地的虎门大桥、徐浦 大桥，江阴长江大桥等在施工阶段己安装健康监测用的传感设备，以备运营期间的实时监测。（5）苏通大桥建立了健康监测评估以及在武汉阳逻公路大桥完成了光纤光栅桥 梁施工控制及健康监测系统；（6）江苏省境内的润扬长江大桥的结构健康监测系统除了对大桥的车流量、车辆荷载状况（车载、车速及车流量）、桥址处的气候环境（风速、风向）、地动脉、 索塔沉降等进行检测以外，还对南汊悬索桥的主跨纵向、横向、竖向位移、载面的压力分布、温度等，锚室主缆索股拉力、索塔的振动特性，北汊斜拉桥的斜拉 索拉力、斜拉索振动、主梁线型、索塔的振动

21、等特性进行了连续监测。52. 大跨度桥梁工程控制施工控制是随施工过程中的预测、实测、评估及反馈、再预测的循环控制逐 渐实现的，它是将实用的结构现场测试技术和计算分析技术应用于施工，并结合施工过程形成结构评估、监测及反馈控制的安全及质量技术控制系统。其目的是 通过监控监测及计算预测、评估使施工过程处于安全、可控状态，成桥后桥梁结 构内力及线形满足设计目标要求；同时，通过监控计算及详细分析提高施工精度， 优化施工顺序，保证施工顺利进行。因此，施工控制既是桥梁施工质量的保证措 施，又是施工过程安全的保证措施。2.1施工控制任务和工作内容（1）几何（变形）控制。桥梁结构在施工过程中产生变形， 且变形受

22、到诸多因素的影响，极易使桥梁结构在施工过程中的实际位置偏离预期目标， 使桥梁难以顺利合龙，或者成桥线 形与设计不符。施工控制过程中以允许误差来进行控制， 一旦超过允许范围要分 析原因，进行后续调整。（2）应力控制。桥梁施工过程、成桥状态的受力情况是否与设计相符是施工控制要明确的重要问题。一般通过关键断面的应力监测，同计算结果进行校核。主要控制预应力、 索力、顶推力等，确保结构安全。在施工过程中，一些大型临时设施（支架、挂篮、缆索吊系统等）对桥梁施工安全有直接影响，也要引起高度重视。（3）稳定控制。桥梁结构的稳定性关系到桥梁结构的安全，它与桥梁的强度有着同等的甚至更重要的意义。世界上不少桥梁在施

23、工过程中是由于失稳而导致破坏的。桥梁施工过程中不仅要严格控制变形和应力，还要严格控制施工各阶段结构构件的局部 和整体稳定。目前主要通过稳定分析计算， 得到稳定安全系数，并结合结构的应 力、变形情况来综合评定、控制其稳定性 。（4）影响性因素分析。 对于大跨度桥梁影响监控测试结果的因素较多 （如温度等）， 为及时、有效、准确地反馈桥梁控制性参数，必须对各关键性因素进行影响性分析， 以保证测试 结果的有效性。2.2影响桥梁施工控制的因素 影响桥梁施工控制的因素有：结构参数，包括结构截面尺寸、材料容重、材料弹性模量、材料热胀系数、施工荷载、预应力和索力等；施工工艺；施工监测； 结构计算模型；温度变化

24、；收缩、徐变；施工管理；监控组织体系。特别是结构 参数、温度变化、收缩徐变等影响因素，一般需要在前期施工控制计算时进行敏 感性分析，确定对桥梁施工结构行为影响较大的因素，以便于对计算模型、参数的修正调整。2.3施工控制中方法（1）开环控制。即单向控制，在各构件中安装误差影响不大时， 这种方法是简单可行的。因此一般只用于中小桥，而不用于大跨度桥梁。（2）反馈控制。大跨度桥梁结构复杂，误差会在施工阶段不断积累， 最终导致结构线型和内 力出现较大偏离。因此需要在误差出现时进行反馈计算， 这就形成了一个闭环控 制系统。（3） 自适应控制。对某一工况，以前的累计误差已经被调整掉，由于计算模 型中参数差距

25、的存在，以后的施工中仍然会出现新的误差， 因此又需要新一轮的调整，这样将大大 增加施工的工序。这时就需要采取自适应控制方法（4） 综合方法。大跨度桥梁往往采用最优控制、 模糊控制、预测控制、专家 系统控制等方法进行综合控制，以此达到对于工况的控制2.4具体桥梁类型的工程控制2.4.1大跨度悬索桥（1）悬索桥是由刚度相差很大的构件（索、吊杆、梁）组成 的高次超静定结构，与 其他形式的桥相比，具有显著可挠的特点。在整个施工过程中，悬索桥结构的几 何形状变化较大。（2）悬索桥结构几何形状对温度变 化非常敏感，温度变化将引起悬索桥结构几何形状的较大改变。（3）施工各阶段中消除误差比较困难。在悬索桥的施

26、工过程中，主缆一旦施工完毕，无法调整其长度，而且吊杆的长度也无法像斜拉桥施工中对斜拉索的重复张拉那样进 行调整，仅可通过垫片微幅调整 2.4.2大跨度连续刚构桥（1）施工一个梁段称为一个阶段，为了改善施工过程中 的挂篮和混凝土主梁的受 力，每阶段分成4个工况：挂篮前移并定位立模；主 梁混凝土浇筑一半；浇注全 部混凝土；预应力张拉。（2）主梁挠度观测测点布置：每一梁段悬臂端截面梁顶设立三个标高观测点， 同时也作为坐标观测 点。测点须用短钢筋预埋设置并用红漆标明编号。当前现浇梁段悬臂端截面同时设立三个标高观测点，作为当前梁段控制截面梁底标高 用，并给出对应的测点的高程关系。其中上、下游观测点作为长期监控观测点，同时应注意岸上基准点的 设置和保护。10测试方法：用精密水准仪测量测点标高。根据理论计 算，确定复测频率为3个梁段一次。(3) 墩顶水平变位及墩身垂直度测量 测点布置：主墩顶、底上、下游各设12个测点，测点位置选在墩顶、底 便于观测的可靠位置处。墩顶、底观测点应测出相对坐标。测试方法：用全站仪测量。(4) 截面钢筋应力或混凝土应变观测。2.4.3大跨度斜拉桥11斜拉桥施工控制首先是根据桥的构形、受力及结构特点借助有