淡丹辉--大型桥梁健康监测系统的实践与展望

1、内容摘要n重大基础设施健康监测研究的沿革的简单回顾n大桥健康监测系统建设的基本考虑n东海大桥健康监测系统的实现n东海大桥健康监测系统的运行实践q案例一:2007-1-2船撞事件的快速评估q案例二:2008年5-12汶川大地震后上海东海大桥的地震预警n讨论和展望重大基础设施健康监测研究的沿革n最近一些重大的国内外基础设施的安全事故：2007年年8月月1日美国日美国明尼苏达州大桥坍明尼苏达州大桥坍塌塌 2007年年8月月13日，日，凤凰堤溪大桥倒凤凰堤溪大桥倒塌塌2007年年6月月15日广东佛山九日广东佛山九江大桥船撞倒江大桥船撞倒塌事件。塌事件。2008年年3月月27日日宁波金塘大桥宁波金塘大桥

2、 2007-09-10印度海印度海得拉巴立交桥坍塌得拉巴立交桥坍塌 2008年年5月月12日日汶川地震中的桥汶川地震中的桥梁倒塌梁倒塌 重大基础设施健康监测研究的沿革n保障重大基础设施（桥梁、道路、涵洞、大坝）的安全、健康的发挥功能，是一件极其重要的事情。n桥梁健康监测系统就是用现代高科技的手段来保障桥梁在运营期安全、为桥梁的管理养护服务的n它将传感技术、计算机软硬件技术、通讯技术与土木工程技术相结合，可以极大地满足对桥梁安全及管理养护的需要。重大基础设施健康监测研究的沿革n最初概念的提出：上个世纪八十年代。n1987年，英国在总长522m的三跨变高度连续钢箱梁桥Foyle桥上布设传感器。n此

3、后，挪威、美国、丹麦、墨西哥、日本和韩国均在其国内发展了规模不等的数十个桥梁健康监测系统。甚至泰国也在其Rama桥上安设了桥梁监测系统（由同济大学负责为其设计）。n我国（包括港澳地区）在这一领域的起步稍晚，但进步很快，从早期香港的青马大桥，我国内地的虎门大桥、徐浦大桥、江阴长江大桥，苏通大桥、洞庭湖大桥，到目前的东海大桥健康监测系统，短短十数年，我国已经在此新兴领域走在了世界前列。n笔者作为主要人员，全程参与了东海大桥健康监测系统科研、设计、实施及其运行后的分析、二次开发工作。 大桥健康监测系统建设的基本考虑n东海大桥健康监测系统建设的基本考虑 东海大桥是上海深水港的物流输送动脉，桥梁总长31

4、公里，是我国第一座长距离跨海大桥。作为我国的生命线工程，在其结构建成后，在上述恶劣环境下，其安全性、耐久性如何将成为很重要的问题。大桥健康监测系统建设的基本考虑n东海大桥健康监测系统建设的基本考虑q概念设计理论框架 大桥健康监测系统建设的基本考虑n东海大桥健康监测系统建设的基本考虑q概念设计理论框架 提供准则提供指导提供演化模型行为行为行为行为预测预测预测预测性能演变、损伤发性能演变、损伤发性能演变、损伤发性能演变、损伤发生及其演变的预测生及其演变的预测生及其演变的预测生及其演变的预测分析特性、行为及分析特性、行为及分析特性、行为及分析特性、行为及损伤历程相互作用损伤历程相互作用损伤历程相互作

5、用损伤历程相互作用分析损伤和响应分析损伤和响应分析损伤和响应分析损伤和响应间的关系间的关系间的关系间的关系预评估路线预评估路线预评估路线预评估路线在线评估路线在线评估路线在线评估路线在线评估路线监测监测监测监测信息信息信息信息监测信息监测信息监测信息监测信息再现再现再现再现挖掘隐藏的响应挖掘隐藏的响应挖掘隐藏的响应挖掘隐藏的响应或特性信息或特性信息或特性信息或特性信息利用利用利用利用SD&PEASD&PEA评估结构现状评估结构现状评估结构现状评估结构现状两种常规两种常规两种常规两种常规路线路线路线路线提供准则提供指导提供演化模型行为行为行为行为预测预测预测预测性能演变、损伤发性能演变、损伤发性

6、能演变、损伤发性能演变、损伤发生及其演变的预测生及其演变的预测生及其演变的预测生及其演变的预测分析特性、行为及分析特性、行为及分析特性、行为及分析特性、行为及损伤历程相互作用损伤历程相互作用损伤历程相互作用损伤历程相互作用分析损伤和响应分析损伤和响应分析损伤和响应分析损伤和响应间的关系间的关系间的关系间的关系预评估路线预评估路线预评估路线预评估路线在线评估路线在线评估路线在线评估路线在线评估路线监测监测监测监测信息信息信息信息监测信息监测信息监测信息监测信息再现再现再现再现挖掘隐藏的响应挖掘隐藏的响应挖掘隐藏的响应挖掘隐藏的响应或特性信息或特性信息或特性信息或特性信息利用利用利用利用SD&PE

7、ASD&PEA评估结构现状评估结构现状评估结构现状评估结构现状两种常规两种常规两种常规两种常规路线路线路线路线 交通流荷载交通流荷载交通流荷载交通流荷载风荷载风荷载风荷载风荷载温度作用温度作用温度作用温度作用不均匀沉降不均匀沉降不均匀沉降不均匀沉降支座变位支座变位支座变位支座变位铺装层不平整铺装层不平整铺装层不平整铺装层不平整预应力损失预应力损失预应力损失预应力损失耐久性退化耐久性退化耐久性退化耐久性退化( (锈蚀、老化等锈蚀、老化等锈蚀、老化等锈蚀、老化等) )地震荷载地震荷载地震荷载地震荷载偶然事件偶然事件偶然事件偶然事件. .预评估路线预评估路线预评估路线预评估路线 荷载和行为的监测数据

8、荷载和行为的监测数据荷载和行为的监测数据荷载和行为的监测数据: :交通、风、温度交通、风、温度交通、风、温度交通、风、温度沉降、支座变位、铺装层不平整沉降、支座变位、铺装层不平整沉降、支座变位、铺装层不平整沉降、支座变位、铺装层不平整耐久性退化耐久性退化耐久性退化耐久性退化地震荷载、偶然事件地震荷载、偶然事件地震荷载、偶然事件地震荷载、偶然事件健康监测系统的结构响健康监测系统的结构响健康监测系统的结构响健康监测系统的结构响应测量应测量应测量应测量: :力、静应变、位移力、静应变、位移力、静应变、位移力、静应变、位移动应变、动位移动应变、动位移动应变、动位移动应变、动位移速度、加速度速度、加速度

9、速度、加速度速度、加速度在线评估路线在线评估路线在线评估路线在线评估路线 交通流荷载交通流荷载交通流荷载交通流荷载风荷载风荷载风荷载风荷载温度作用温度作用温度作用温度作用不均匀沉降不均匀沉降不均匀沉降不均匀沉降支座变位支座变位支座变位支座变位铺装层不平整铺装层不平整铺装层不平整铺装层不平整预应力损失预应力损失预应力损失预应力损失耐久性退化耐久性退化耐久性退化耐久性退化( (锈蚀、老化等锈蚀、老化等锈蚀、老化等锈蚀、老化等) )地震荷载地震荷载地震荷载地震荷载偶然事件偶然事件偶然事件偶然事件. .预评估路线预评估路线预评估路线预评估路线 交通流荷载交通流荷载交通流荷载交通流荷载风荷载风荷载风荷载

10、风荷载温度作用温度作用温度作用温度作用不均匀沉降不均匀沉降不均匀沉降不均匀沉降支座变位支座变位支座变位支座变位铺装层不平整铺装层不平整铺装层不平整铺装层不平整预应力损失预应力损失预应力损失预应力损失耐久性退化耐久性退化耐久性退化耐久性退化( (锈蚀、老化等锈蚀、老化等锈蚀、老化等锈蚀、老化等) )地震荷载地震荷载地震荷载地震荷载偶然事件偶然事件偶然事件偶然事件. .预评估路线预评估路线预评估路线预评估路线 荷载和行为的监测数据荷载和行为的监测数据荷载和行为的监测数据荷载和行为的监测数据: :交通、风、温度交通、风、温度交通、风、温度交通、风、温度沉降、支座变位、铺装层不平整沉降、支座变位、铺装

11、层不平整沉降、支座变位、铺装层不平整沉降、支座变位、铺装层不平整耐久性退化耐久性退化耐久性退化耐久性退化地震荷载、偶然事件地震荷载、偶然事件地震荷载、偶然事件地震荷载、偶然事件健康监测系统的结构响健康监测系统的结构响健康监测系统的结构响健康监测系统的结构响应测量应测量应测量应测量: :力、静应变、位移力、静应变、位移力、静应变、位移力、静应变、位移动应变、动位移动应变、动位移动应变、动位移动应变、动位移速度、加速度速度、加速度速度、加速度速度、加速度在线评估路线在线评估路线在线评估路线在线评估路线 荷载和行为的监测数据荷载和行为的监测数据荷载和行为的监测数据荷载和行为的监测数据: :交通、风、

12、温度交通、风、温度交通、风、温度交通、风、温度沉降、支座变位、铺装层不平整沉降、支座变位、铺装层不平整沉降、支座变位、铺装层不平整沉降、支座变位、铺装层不平整耐久性退化耐久性退化耐久性退化耐久性退化地震荷载、偶然事件地震荷载、偶然事件地震荷载、偶然事件地震荷载、偶然事件健康监测系统的结构响健康监测系统的结构响健康监测系统的结构响健康监测系统的结构响应测量应测量应测量应测量: :力、静应变、位移力、静应变、位移力、静应变、位移力、静应变、位移动应变、动位移动应变、动位移动应变、动位移动应变、动位移速度、加速度速度、加速度速度、加速度速度、加速度在线评估路线在线评估路线在线评估路线在线评估路线大桥

13、健康监测系统建设的基本考虑q东海大桥损伤及性能演变分析(a) 不均匀沉降下连续梁桥的频率变化(b) 收缩徐变和预应力损失下连续梁桥的频率变化(c) 单位温度作用下主塔不同位置的水平位移(d) 移动重车下主航道桥的几何变形(e) 实测风场下主航道桥的几何变形东海大桥健康监测系统的实现东海大桥健康监测系统的实现 n在概念设计的基础上，项目组于2005年完成系统的技术设计和施工图设计，并于2006年月工程实施完成，2006年月正式运行，至今已经平稳地了运行将近两年。图给出系统照片。其中，可以从以下网址访问系统：（http:/health.donghai- ）。(a) 加速度传感器(c) GPS接收器

14、(b) FBG应变传感器(d) B/S架构的系统软件界面东海大桥健康监测系统的实现东海大桥健康监测系统的实现n东海大桥健康监测系统由实时监测和人工检测两部分组成，其实时监测部分由11个采集工作站、478个传感器组成的分布式监测系统。n系统已经实现了功能的多级跳，既东海大桥健康监测系统不仅是一个数据采集、存储、管理系统，而且实现了采样控制、数据的在线初步处理、数据的逻辑组内信息融合、逻辑组间相关性分析，更重要的是，实现了基于多层次模糊推理桥梁的在线状态评估。 n和同期国内外其他桥梁健康监测系统相比，该系统精心设计、功能较为完备、先进，初步解决了数据海量堆积而无力处理的难题，而且将其它一些系统需要

15、离线处理的问题在线予以实现，初步解决了监测数据如何用于桥梁的日常评估养护问题。东海大桥健康监测系统的实现东海大桥健康监测系统的实现n东海大桥健康监测系统已经走到了世界的前列q 笔者曾于2007年九月代表东海大桥健康监测项目组在美国斯坦福大学参加有关结构健康监测技术的国际学术会议，也曾受邀访问对美国新泽西州里大学、里海大学。q从交流情况来看，目前西方国家和日韩在此领域上多处于学术论证和工程试验阶段。q东海大桥健康监测系统无论就其传感器数目和种类、系统复杂程度、实时程度、稳定程度，还是对数据的处理深度和评估利用程度，均给与会的世界各国人员留下深刻印象。 东海大桥健康监测系统的运行实践n自东海大桥健

16、康监测系统运行近两年来，该系统成功地为东海大桥的管理养护发挥了重要作用。n同济大学也利用该系统进行了大量的科研工作，为保障大海大桥的运营安全和保障上海洋山港的繁忙的运输畅通发挥了作用。 下面给出两个实例，说明该系统在保障基础设施安全性方面的重要作用。东海大桥健康监测系统的运行实践q案例一:2007-1-2船撞事件的快速评估 2007年月日凌晨一点到两点间，东海大桥的颗珠山斜拉桥PM473墩遭到一只大约两千吨级的运砂船的撞击，东海大桥健康监测系统忠实记录了此次撞击事故，事故发生后，本文作者应管理部位的要求，对数据进行了分析，并据此提出了船撞事故的预警及事后结构评估方案。 东海大桥健康监测系统的运

17、行实践q案例一:2007-1-2船撞事件的快速评估(a) 船撞前后MAC(1,1)的比较0500100015002000250030000.950.960.970.980.991A comparison between before and after collisionTime (min)MACMAC(2,2) beforeMAC(2,2) after2007-01-01 00:00:002007-01-03 02:35:002007-01-0200:50:002007-01-0201:35:000500100015002000250030000.9750.980.9850.990.9951

18、Time (min)MACA comparison between before and after collisionMAC(1,1) beforeMAC(1,1) after2007-01-01 00:00:002007-01-03 02:35:002007-01-0200:50:002007-01-0201:35:00(b) 船撞前后MAC(2,2)的比较0500100015000.40.450.50.55Time (min)Frequency (Hz)mode1 beforemode1 aftermode2 beforemode2 aftere2007-01-01 00:00:0020

19、07-01-02 01:35:002007-01-02 00:50:002007-01-03 02:35:0005001000150000.0050.010.0150.020.025Time (min)Modal damping ratiomode4 beforemode4 after2007-01-01 00:00:002007-01-02 01:35:002007-01-02 00:50:002007-01-03 02:35:00(a) 船撞前后模态频率的比较(b) 船撞前后模态阻尼比的比较东海大桥健康监测系统的运行实践q案例一:2007-1-2船撞事件的快速评估快速评估得到如下结论：n并

20、据此得出撞击对桥的正常运营影响不大的初步结论，桥在当日正常使用。n模态参数在船撞前后无明显变化，这反映了结构的安全性。n在船撞后的模态保证因子有明显的下降，这说明，由船撞事件对结构的振动特性还是造成了一定的影响。分析原因，结论是撞击对梁和墩间的支座有少许影响，从而使结构的边界条件有所改变。 东海大桥健康监测系统的运行实践q案例二:2008年5-12汶川大地震后上海东海大桥的地震预警 东海大桥健康监测系统的运行实践q案例二:2008年5-12汶川大地震后上海东海大桥的地震预警 2008年5月12日下午14:40，东海大桥主航道桥地震监测组及颗珠山桥地震监测组均出现预警信息 ； 该警报是根据布设于

21、主航道桥和颗珠山桥桥塔承台处的强震仪加速度响应值来进行预警的。 本次预警发生在2008年5月12日 14:3614:39，持续时间约为3分钟，警报级别为一般。经分析并结合当天下午四川省汶川发生的8.0级地震，本次预警针对的是汶川地震影响上海时东海大桥的结构响应。东海大桥健康监测系统的运行实践q案例二:2008年5-12汶川大地震后上海东海大桥的地震预警东海大桥健康监测系统的运行实践n案例二:2008年5-12汶川大地震后上海东海大桥的地震动信号的快速分析和评估东海大桥健康监测系统的运行实践n案例二:2008年5-12汶川大地震后上海东海大桥的地震动信号的快速分析和评估东海大桥健康监测系统的运行

22、实践n案例二:2008年5-12汶川大地震后上海东海大桥的地震动信号的快速分析和评估结论：n汶川大地震对数千公里外的上海东海大桥产生了明显的震动影响n由于地震能量经过长距离传播和衰减，本次地震对东海大桥结构安全和正常使用不构成任何威胁，大桥可以继续使用。n本次预警事件表明：人类对重大灾变事件来临后对重大基础设施实现安全预警的梦想是完全可以实现的。 东海大桥健康监测系统是世界上首次实现对地震的预警的桥梁健康监测系统，这反映了我国在此领域已经走在了世界前列。讨论和展望 纵览国内外已有的桥梁健康监测系统，可以将它们大致划分为三代：n第一代为早期单项监测系统单项监测系统，传感器种类有限，采集设备不安装，间歇性监测