2022年医学专题-淡丹辉-大型桥梁健康监测系统的实践与展望

内容摘要重大(zhòngdà)基础设施健康监测研究的沿革的简单回顾大桥健康监测系统建设的基本考虑东海大桥健康监测系统的实现东海大桥健康监测系统的运行实践案例一:2007-1-2船撞事件的快速评估案例二:2008年‘5-12汶川大地震’后上海东海大桥的地震预警讨论和展望第一页，共二十五页。重大基础设施(jīchǔshèshī)健康监测研究的沿革最近一些重大(zhòngdà)的国内外基础设施的安全事故：2007年8月1日美国明尼苏达州大桥(dàqiáo)坍塌2007年8月13日，凤凰堤溪大桥倒塌2007年6月15日广东佛山九江大桥船撞倒塌事件。2008年3月27日宁波金塘大桥

2007-09-10印度海得拉巴立交桥坍塌2008年5月12日汶川地震中的桥梁倒塌

第二页，共二十五页。重大基础设施健康监测研究(yánjiū)的沿革保障重大基础设施（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。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它将传感技术、计算机软硬件技术、通讯(tōngxùn)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。第三页，共二十五页。重大基础设施健康监测研究(yánjiū)的沿革最初概念的提出：上个世纪八十年代。1987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。此后，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(jiànkāng)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）。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。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。第四页，共二十五页。大桥健康监测系统建设的基本(jīběn)考虑东海大桥健康(jiànkāng)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。第五页，共二十五页。大桥健康监测系统建设的基本(jīběn)考虑东海大桥健康监测系统建设的基本考虑(kǎolǜ)概念设计理论框架第六页，共二十五页。大桥健康监测系统(xìtǒng)建设的基本考虑东海大桥健康监测系统建设(jiànshè)的基本考虑概念设计理论框架第七页，共二十五页。大桥健康监测(jiāncè)系统建设的基本考虑东海大桥损伤及性能(xìngnéng)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第八页，共二十五页。东海大桥健康(jiànkāng)监测系统的实现

在概念设计的基础上，项目组于2005年完成系统(xìtǒng)的技术设计和施工图设计，并于2006年５月工程实施完成，2006年６月正式运行，至今已经平稳地了运行将近两年。图６给出系统照片。其中，可以从以下网址访问系统：（

）。(a)加速度传感器(c)GPS接收器(b)FBG应变传感器(d)B/S架构的系统软件界面第九页，共二十五页。东海(dōnɡhǎi)大桥健康监测系统的实现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。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。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(qítā)一些系统需要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。第十页，共二十五页。东海大桥(dàqiáo)健康监测系统的实现东海大桥健康监测系统已经走到了世界的前列

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。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(jiēduàn)。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。

第十一页，共二十五页。东海大桥健康监测(jiāncè)系统的运行实践自东海大桥健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。同济大学也利用该系统进行(jìnxíng)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。第十二页，共二十五页。东海大桥健康监测(jiāncè)系统的运行实践案例一:2007-1-2船撞事件的快速评估

2007年１月２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(yāoqiú)，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。第十三页，共二十五页。东海大桥健康监测系统的运行(yùnxíng)实践案例(ànlì)一:2007-1-2船撞事件的快速评估(a)船撞前后MAC(1,1)的比较(b)船撞前后MAC(2,2)的比较(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第十四页，共二十五页。东海(dōnɡhǎi)大桥健康监测系统的运行实践案例一:2007-1-2船撞事件的快速评估快速评估得到如下结论：并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。模态参数在船撞前后无明显变化，这反映了结构的安全性。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(cóngér)使结构的边界条件有所改变。第十五页，共二十五页。东海大桥(dàqiáo)健康监测系统的运行实践案例二:2008年‘5-12汶川大地震(dìzhèn)’后上海东海大桥的地震预警

第十六页，共二十五页。东海大桥健康(jiànkāng)监测系统的运行实践案例二:2008年‘5-12汶川大地震’后上海东海(dōnɡhǎi)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14:36~14:39，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。第十七页，共二十五页。东海大桥健康监测(jiāncè)系统的运行实践案例二:2008年‘5-12汶川大地震’后上海东海大桥(dàqiáo)的地震预警第十八页，共二十五页。东海大桥健康(jiànkāng)监测系统的运行实践案例二:2008年‘5-12汶川大地震’后上海东海大桥的地震动(zhèndòng)信号的快速分析和评估第十九页，共二十五页。东海大桥健康监测(jiāncè)系统的运行实践案例二:2008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(fēnxī)和评估第二十页，共二十五页。东海(dōnɡhǎi)大桥健康监测系统的运行实践案例二:2008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：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。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(wánquán)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。第二十一页，共二十五页。讨论(tǎolùn)和展望

纵览国内外已有的桥梁健康监测(jiāncè)系统，可以将它们大致划分为三代：第一代为早期单项监测系统，传感器种类有限，采集设备不安装，间歇性监测。第二代为集成监测系统，传感器种类大大丰富，采集系统完善，连续采集，有数据库管理软件对数据进行管理。第三代为集成监测诊断系统，在第二代的基础上，强调对数据的处理，并利用数据进行结构健康状态的在线评估、在线预警，并为深入地离线评估提供便利；功能更加丰富，无线、internet等技术被用于系统之中；结合检测和监测，综合系统。目前国内外多数系统属于第一到二代，而东海大桥健康监测系统属于第三代的代表。第二十二页，共二十五页。讨论(tǎolùn)和展望第四代的健康监测系统尚处于概念之中，可以称之为智能化桥梁健康监测及诊断系统，主要的特征将是：采用具有特征抽取计算能力和身份辨识的智能型传感器和主动型传感器构成信息源，采用有线和无线混合型组网技术；系统实现模块化和智能化；中央处理中心将免于负担低层例行性的数据处理计算负荷，只需专注于逻辑型计算、力学层次的分析计算，实现智能化的在线的健康状态评估及安全预警功能。这些概念的实现，需要投入大量的前期研究投入。目前，在东海大桥健康监测取得宝贵敬仰(jìngyǎng)的基础上，我国将有机会在未来的几座跨海、跨江大桥中部分实现第四代桥梁健康监测系统，这些著名工程包括,青岛海湾大桥，港珠澳连接工程，上海几座复杂的双层斜拉桥闵浦大桥、闵浦二桥等。第二十三页，共二十五页。讨论(tǎolùn)和展望

总之，笔者认为，发展(fāzhǎn)桥梁健康监测系统是很有必要的。目前最大的两个问题是：由于缺乏对基本问题的统一认识，因而容易产生对桥梁健康监测系统过分乐观期待或过分负面看法；对一些设计理论、关键技术缺乏研究，现有的研究难以指导系统设计。

对这些问题的解决，需要业界人士共同努力，加大科研投入，在国家层面上给与