中小跨径桥梁结构健康监测技术讲稿T107

中小跨径桥梁结构健康监测技术主讲人：王润建单位：交通运输部公路科学研究院北京公科固桥技术有限公司目录Contents01中小跨径桥梁健康监测的必要性02中小跨径桥梁健康监测的现状及存在问题03中小跨径桥梁健康监测从方案设计到数据分析的过程与实例展示04桥梁结构健康监测未来展望我国公路桥梁的现状分析一二三健康监测的必要性桥梁事故统计分析大跨度桥梁和中小跨径桥梁在养护管理方面的区别01中小跨径桥梁健康监测的必要性我国公路桥梁的现状分析—总体规模2.7万座/年2015年各类数量占比中小桥大桥特大桥89.3%10.2%0.5%2015年各类桥梁长度占比中小桥大桥特大桥1841.5万米，40.10%2060.85万米，44.87%690.42万米，15.03%2015年交通运输行业发展统计公报，全国公路桥梁77.92万座、4592.77万米，比上年末增加2.20万座、334.88万米。其中，特大桥梁3894座、690.42万米，大桥79512座、2060.85万米，中桥17.5万座、952.4万米，小桥52.033万座，889.09万米。我国公路桥梁的现状分析—总体规模从我国公路桥梁的数量统计比例分析表明：中小跨径桥梁占主导地位。我国公路桥梁的现状分析—桥梁老龄化加速到来我国公路桥梁的现状分析—桥梁老龄化加速到来大规模建设时期90%投资用于旧桥维护改造我国公路桥梁的现状分析—桥梁老龄化加速到来对比中美30年桥龄的桥梁占比发现，美国从18%到60%，用了60年时间，而中国只用了30年，中国桥梁老龄化将加速到来。我国公路桥梁的现状分析—技术状况我国公路桥梁的现状分析—技术状况上世纪八十十年代以前前修建的桥桥梁，设计计荷载等级级偏低公路桥梁设设计荷载标标准进行5次修订，设设计规范修修订3次不同时期修修建的桥梁梁，设计荷荷载标准存存在较大的的差异急剧增长的的交通量和和运输车辆辆的大型化化，对桥梁梁设计荷载载标准提出出了挑战80年代以前修修建的桥梁梁，技术状状况总体偏偏差早期修建的的低配筋率率桥梁，对对现行交通通荷载的适适应性差部分桥梁结结构存在先先天不足，，造成突发发安全事故故桥梁疲劳损损伤日益显显现，耐久久性问题突突出。我国公路桥桥梁的现状状分析—中小跨径桥桥梁现状技术状况设计荷载本节引用了了西南交通通大学l李亚东教授授的《桥梁事故-分析与思考考》相关数据。。通过书籍、、文献、网网络等渠道道收集到国国内外一部部分桥梁事事故700例（国内138起，国外562起）。对事故的具具体原因大大致进行了了分类（14大类），对对事故进行行统计分析析的目的，，在于了解解总体情况况，不具有有统计学意意义分析要要素发生时时间事故类类型区域分分布结构类类型使用时时长桥梁事事故统统计分分析桥梁事事故统统计分分析-全寿命命期间间潜在在的分分析·指正常常设计计、施施工、、养护护条件件下、、采用用悬臂臂施工工的单单座桥桥梁的的潜潜在风风险分分析·倾斜的的澡澡盆曲曲线？？以指一一个国国家、、地区区桥梁梁总体体的发发展变变化情情况，，中国国目前前的情情况，，大体体在新新建与与管养养并重重阶段段。各类桥桥梁事事故，，通常常在““新建建与管管养并并重阶阶段出出现，，在””以管管养为为主的的阶段段“表表现更更为突突出；；若多多发生生在新新建为为主的的阶段段，则则不正正常。。桥梁事事故统统计分分析-桥梁建建设的的三阶阶段经济发发达和和经济济高速速发展展的区区域和和国家家，桥桥梁基基数大大，桥桥梁事事故的的次数数相对对也较较多多桥梁事事故统统计分分析-事故发发生的的区域域桥梁事事故统统计分分析-事故发发生的的阶段段桥梁事事故统统计分分析-事故发发生的的具体体原因因桥梁事事故统统计分分析-事故发发生的的具体体原因因（中中国138座）桥梁事事故统统计分分析-事故分分类中小跨跨度的的常规规桥梁梁，形形成了了事故故的主主体大跨度度桥梁梁出现现整体体垮塌塌的个个案相相对较较少桥梁事事故统统计分分析-事故发发生的的桥梁梁结构构类型型·美、欧欧桥梁梁事故故从20世纪60年代起起开始始增多多·20世纪80年代以以前，，中国国桥梁梁事故故的信信息相相对欠欠缺中国桥梁事故故从20世纪90年代起开始猛猛增，尤其是是在最近10多年内桥梁事故统计计分析-同时考察事故故发生的时段段和区段较为完备的技技术法规体系系专门配备了养养护设备及技技术力量。案例：大约260座，安装了桥桥梁健康监测测系统，占中中小桥数量的的0.004%。主管部门重视视程度不够，，技术力量和和资金投入严严重不足。健康监测系统统大跨度桥梁中小跨径桥梁基层管养单位位力量薄弱。。巡查、养护手手段落后。信息传递不畅畅。.监管特点普遍应用：2015年，统计结果果300m以上跨径的斜斜拉桥、悬索索桥有208座，大约140座大跨度桥梁梁安装了健康康监测系统，，占斜拉桥、悬索索桥总数的67%，费用占到桥梁梁造价的2%左右。桥梁养护组织织保障体系大跨度桥梁和和中小跨径桥桥梁在养护管管理方面的区区别专门的养护管管理中心。日常巡查、养养护维修及时时、到位。突发事故应急急抢险和处理理机制完善。。桥梁养护管理理人员专业素素质较高。02中小跨径桥梁梁健康监测系统统现状及存在的的问题12制约中小跨径径桥梁结构健健康监测系统统发展的因素素大桥、中小跨跨径桥梁结构构健康监测系系统的区别制约中小跨径径桥梁健康监监测系统发展展的因素1健康监测系统统造价国内健康监测测系统通常大大而全，且由由于由此带来来的高额费用用而只能在特特大跨径的桥桥梁工程中应应用，而未能能重视针对单单一问题建立立简单监测系系统并在中小小跨径桥梁中中予以应用拓拓展。2标准体系《公路桥梁结构构安全监测系系统技术规程程》(JT/T1037-2016)，《结构健康监测测系统设计标标准》（CECS333:2012）标志着大跨径桥梁监测系统统设计技术从从总体上而言言已经趋于成成熟和规范。。而对于中小型型桥梁健康监监测与预警系系统的设计缺缺乏整体性，，规范性的指指导原则，还还没有建立科科学、统一的的设计标准。。3传感器的优化化布置算法还还有待于进一一步研发。中小型桥梁健健康监测与预预警系统的传传感器先行分分布设计仍然然处于探索阶阶段，对已经经出现破损情情况的桥梁如如何加配传感感器还不明确确等。4新技术的及时时应用和更新新还处于滞后后阶段。采样频率fs:表示每秒钟采采集的数据点点数。时间分辨率：：两个数据点点之间的时间间间隔，为采采样频率的倒倒数。例子：单频信信号：频率10Hz，幅值1V。大桥、中小跨跨径桥梁健康康监测系统的的区别—采样频率采样频率荷载响应大桥对采样频频率的要求较较低，小桥要要求较高。频域采样定理理：Fs=2.56Fm，时域至少10倍以上《桥梁健康监测测》（赫尔穆特.文策尔著）书书中，对采样样频率的最低低要求100Hz，国外的研究究成果表明，，较高的采样样率，会提高高数据的准确确性。如果数数据的存储和和传输不是问问题，建议使使用200Hz或者500Hz的采样率，低低采样率下得得到的记录长长度会对结构构评级造成负负面影响。大桥健康监测测系统不适用用于中小跨径径桥梁，中小小跨径桥梁对对传感器的采采样频率要求求更高。结论大桥、中小跨跨径桥梁健康康监测系统的的区别—采样频率桥梁照片桥梁横断面桥梁信息为分析中小跨径径挠度感知特特点，选择桥梁结构为一跨径径12m的钢筋混凝土土简支T梁桥，桥面纵纵向为平坡，，横向为1.5%双向横坡；桥桥面宽度为：：行车道9m、两侧各设人人行道0.85m。大桥、中小跨跨径桥梁健康康监测系统的的区别—采样频率位移传感器布布置图设备类型采样频率LVDT-1以支架为基准100HZLVDT-2以张力线为基准挠度沉降仪10HZ电子百分表1HZ大桥、中小跨跨径桥梁健康康监测系统的的区别—采样频率电子百分表挠度沉降测试仪测试结果LVDT-1LVDT-2大桥、中小跨跨径桥梁健康康监测系统的的区别—采样频率用固定支架的的LVTD传感器测试结结果和以张力力线为基准结结果基本一致致，其中最大大值和最小值值的相对偏差差分别为2.11%和4.04%，均在5%之内。挠度沉降仪和和机电百分表表相对于以固固定支架为支支点的LVDT测试结果偏差差均非常大，，主要原因在在于，二者的的响应频率较较低，测试结结果不能反映映正常运营下下桥梁结构的的动态挠度变变化。其中机机电百分表测测试的最大值值和最小值的的相对LVTD-1测试结果偏差差分别为83.7%和38.6%。序号仪器设备挠度最大值(mm)挠度最小值(mm)备注1LVDT-11.944-2.896以支架为基准2LVDT-21.985-3.013以张力线为基准3挠度沉降仪0.440-1.982以张力线为基准4电子百分表0.316-1.779以支架为基准四个传传感设设备测测试的的挠度度幅值值大桥、中小小跨径桥梁梁健康监测测系统的区区别—采样频率LVDT传感器的响响应频带较较宽，且其其峰值频率率对应的响响应频率分分别均处于于桥梁一阶阶竖向自振振频率(9.29Hz)附近以及一一阶自振频频率的倍频频范围内。。由此可知知LVDT传感器可测测定正常运运营下桥梁梁结构的静静动态挠度度响应。LVDT-1测试数据幅幅值谱LVDT-1测试数据功功率谱测试数据分分析大桥、中小小跨径桥梁梁健康监测测系统的区区别—采样频率对比LVDT1测定的梁体体的挠度信信号幅值谱谱和功率谱谱，可以看看出试验采采用的挠度度沉降仪由由于其响应应频率较低低，只能测测定9.6Hz以下的梁体体结构挠度度变形。。挠度沉降仪仪测试数据据功率谱挠度沉降仪仪测试数据据功率谱测试数据分分析大桥、中小小跨径桥梁梁健康监测测系统的区区别—采样频率中小跨径大桥大桥结构变变形监测对对仪器精度度要求较低低，中小跨跨径要求较较高。结论大桥、中小小跨径桥梁梁健康监测测系统的区区别—仪器精度03中小跨径桥桥梁健康监测从设设计到数据分析的的过程与实例展示示132结构健康监监测概念健康监测系系统各子系系统介绍结构健康监监测的应用用举例跨学科综合合性技术+荷载响应+损伤识别+结构的长期期退化系统结构图图专业解释：：结构健康监监测(StructureHealthMonitoring，简称SHM)，通过分析析定期采集集的结构布布置的传感感器阵列的的动力响应应数据来观观察体系随随时间推移移产生的变变化，损伤伤敏感特征征值的提取取并通过数数据分析来来确定结构构的健康状状态。通俗解释：：结构健康监监测是通过过对结构的的物理力学学性能进行行无损监测测，实时监监控结构的的整体行为为，对结构构的损伤位位置和程度度进行诊断断，对结构构的服役情情况、可靠靠性、耐久久性和承载载能力进行行智能评估估，为结构构在突发事事件下或结结构使用状状况严重异异常时触发发预警信号号，为结构构的维修、、养护与管管理决策提提供依据和和指导。结构健康监监测系统的的概念监测期间应应进行巡视视检查和系系统维护，，监测前应应根据各方方的监测要要求与设计计文件明明确监测目目的，结合合工程结构构特点、现现场及周边边环境条件件等因素，，制定监测测方案。桥桥梁结构监监测应设定定监测预警警值，监测测预警值应应满足工程程设计及被被监测对象象的控制要要求。监测测期间，监监测结果应应与结构分分析结果进进行适时对对比，当监监测数据异异常时，应应及时对监监测对象与与监测系统统进行核查查，当监测测值超过预预警值时应应立即报警警。下列工工程结构的的监测方案案应进行专专门论证：：①特大及及结构形式式复杂的桥桥梁结构；；②发生严重事事故，经检检测、处理理与评估后后恢复施工工或使用的的工程结构构；③监测方案复复杂或其他他需要论证证的工程结结构。桥梁结构健健康监测系系统—一般规定及及流程桥梁结构健健康监测系系统—方案设计原原则经济实用在确定监测测方法时,要根据结构构的特点,选择适当的的监测方法法,尽量经济实实用。统筹规划测点选择多方案比选选在选择监测测仪器时,不能片面追追求精、高高、多、大大、全。应应根据监测测内容所需需要的精度度、可靠度度等要求统统筹考虑,既要能满足足监测要求求,又要满足经经济性原则则。测点要选择择结构的关关键部位布布置。a、应力依据据内力最大大、应力最最大原则,综合考虑结结构受力分分析结果进进行选择。。b、变形测点点选择原则则:根据构件烧烧度最大原原则选则。。c、动力(加速度)测点选取原则则:根据理论振型型选择测点。。根据实际情况况,定制几套不同同的监测方案案,有条件的话同同一测点可用用不同的监测测方法进行校校对。针对不不同的监测方方案,要进行方案的的比较和验证证工作,,特别要避免单单方面追求高高精度、多参参数,脱离实际需要要的监测方案案。方案设计原则则架构传感器子系统统数据采集与处处理子系统数据传输子系系统数据存储子系系统结构损伤识别别与安全评估估子系统用户界面子系系统存在的问题成本高后期维护使用用复杂建设周期长桥梁结构健康康监测系统—系统组成桥梁结构健康康监测系统—系统总体框架架传感器子系统统由用于结构构长期监测的的各类传感器器组成,主要包括各种种智能传感元元件,通过各智能传传感元件感知知和采集各种种环境或监测测对象的信息息,主要完成各种种监测信号的的拾取和转换换。传感器作作为监测系统统的基本组成成部分,在整个系统中中起着举足轻轻重的作用。。根据不同的的监测需要,主要有应变传传感器、位移移传感器、加加速度传感器器、速度传感感器、温度传传感器、摄像像机等。传感感器主要是将将待测的物理理量转变为电电信号或光信信号。传感器子系统统桥梁结构健康康监测系统—传感器子系统统主梁挠度监测测支座变形监测测墩台沉降监测测主梁应力监测测裂缝监测体外预应力监监测主梁温度监测测环境温度监测测车辆荷荷载监监测现场监测主梁振振型监监测频率、、阻尼尼比监监测传感器器子系系统—监测参参数频响特特性精度稳定性性测量对对象及环境境灵敏度度线性范范围613254传感器器选型型原则则传感器器子系系统—传感器器选型型原则则人工监测利用简单的仪器,定期用人工监测。这种方法简单,成本低。但费时,费力,监测的误差比较大自动化监测采用各类传感器及数据采集系统对结构进行在线实时监测,这种方法自动化程度高,准确性高,但成本较大。联合监测将人工监测和自动监测结合起来,利用一些小型的自动化程度较高的监测设备,配合人工监测。这种方法适用于一般常规的结构,是目前比较常用的一种监测方法。监测方方式分分类桥梁变变形的的分类类静态变变形：：通常常指变变形观观测的的结果果只表表示某某一期期间内内的变变形值值，例例如：：墩台台变形形。动态变变形：：指在在外力力影响响下而而产生生的变变形，，它是是以外外力为为函数数表示示的对对于时时间的的变化化，其其观测测结果果是表表示桥桥梁某某个时时刻的的瞬时时变形形，例例如：：桥梁梁结构构的挠挠度变变形。。传感器器子系系统—桥梁变变形的的分类类及监监测方方式自动化化监测测人工监监测人工监监测精密水水准测测量全站仪仪坐标标法酌情选选取自动化化监测测北斗/GPS监测测量机机器人人监测测静力水水准仪仪监测测LVDT位移传传感器器监测测桥梁挠挠度沉沉降仪仪监测测变形监监测手手段随随着科科技的的发展展和现现场的的需要要不断断地向向前发发展和和革新新。每每一种种手段段技术术都有有它的的优势势和不不足，，监测测范围围和精精度有有差异异，适适用性性也不不同。。在不不同的的监测测目标标下，，综合合考虑虑监测测成本本和监监测精精度，，采用用不同同的技技术手手段，，监测测效果果和效效率会会有所所不同同。将将两种种甚至至更多多技术术融合合起来来，功功能可可以互互补起起来，，将会会起到到更好好的效效果，，这也也将是是以后后发展展的趋趋势。。总结中小跨跨径传感器器子系系统—桥梁变变形的的分类类及监监测方方式测试原原理：：根据安安装在在桥梁梁各处处连通通管内内液面面高度度的变变化获获得桥桥梁挠挠度的的变化化。当当桥梁梁梁体体发生生变形形时，，固定定在梁梁体上上的水水管也也将随随之移移动，，此时时，各各竖直直水管管内的的液面面将与与基准准点处处的液液面保保持在在同一一水平平面，，但各各测点点处的的竖直直水管管液面面却发发生了了大小小不等等的相相对移移动，，测得得的相相对位位移量量即是是该被被测点点的挠挠度值值。结构变变形监监测方方法—静力水水准仪仪工作原原理：：在使使用中中，多多个静静力水水准仪仪的容容器用用通液液管联联接，，每一一容器器的液液位由由传感感器测测出，，传感感器的的浮子子位置置随液液位的的变化化而同同步变变化，，由此此可测测出各各测点点的液液位变变化量量。静力水准仪传感器类型磁致伸伸缩式式静力力水准准仪光栅光光纤式式静力力水准准仪电容式式静力力水准准仪振弦式式静力力水准准仪CCD式静力力水准准仪电感式式静力力水准准仪结构变变形监监测方方法—静力水水准仪仪测量量方法法液体材料的影响静力水准仪主要是通过对容器中的液体液面高度进行观测，从而达到测量高差的目的，因此液体的选择是一个关键。通常的液体有水，玻璃水等。延迟效应的影响温度的影响静力水水准系系统中中的连连通介介质是是液体体，而而液体体极易易受到到外界界温度度的影影响从从而改改变它它的物物理形形态，，即热热胀冷冷缩特特性，，甚至至气化化或凝凝结，，导致致容器器的液液面高高度产产生不不同程程度的的升高高或者者降低低，严严重影影响了了测量量的精精度。。以水水为例例，20℃时相相对于于4℃的线线膨胀胀系数数时，，温度度在20℃附近近每变变化1℃，液液面高高度变变化在在0.04mm。容器中中液体体变化化趋势势相对对于温温度变变化趋趋势有有一定定的滞滞后性性。这这是由由于容容器中中盛纳纳的液液体较较多，，当外外界温温度发发生变变化时时，液液体吸吸热或或者放放热需需要花花费一一定时时间，，导致致液体体温度度与外外界温温度不不同步步。影响响因因素素分分析析结构构变变形形监监测测方方法法—静力力水水准准仪仪测测量量方方法法静力力水水准准仪仪的优优点点比比较较多多，，比比如如：：测测量量精精度度高高、、稳稳定定性性强强、、不不受受低低温温影影响响等等。。主主要要是是通通过过液液位位高高低低的的测测量量来来确确定定被被测测体体的的垂垂直直沉沉降降。。主主要要使使用用在在地地铁铁、、隧隧道道、、桥桥梁梁、、建建筑筑物物基基础础等等的的沉降降观观测测。缺缺点点呢呢，，主主要要是是由由于于液液体体的的粘粘滞滞作作用用，，静力水准准仪管路内部部的液体体需要时时间才能能流动并并且平衡衡，那么么，在这这段时间间内，就就无法实实现高速速测量沉沉降变化化量。结构变形监监测方法—静力水准仪仪测量方法法测试原理：：用两端以恒恒力牵引并并固定于被被测体外不不变位的静静止物上的的Ф0.3~0.6㎜细钢丝作作为静止参参考基准，，沉降仪固固定于被测测结构体上上，用沉降降仪与静止止参考基准准之间的相相对位移变变化来测得得被测结构构体的沉降降、挠度值值。安装方式箱外安装箱内安装无线挠度沉沉降仪结构变形监监测方法—桥梁挠度沉沉降仪工作原理：：LVDT(Linear.Variable.Differential.Transformer)是线性可变变差动变压压器缩写。。工作原理理简单地说说是铁芯可可动变压器器。它由一一个初级线线圈，两个个次级线圈圈，铁芯，，线圈骨架架，外壳等等部件组成成。当铁芯芯由中间向向两边移动动时，次级级两个线圈圈输出电压压之差与铁铁芯移动成成线性关系系。结构变形监监测方法—LVDT位移传感器器LVDT的可动铁芯和线圈之间通常没有实体接触，也就是说LVDT是没有摩擦的部件，其机械寿命，理论上是无限长的。无摩擦测量，无限的机械寿命无限的分辨率输入/输出隔离坚固耐用、环境适应性强零位可重复性径向不敏感LVDT构造对称，零位可回复。可用于高速在线检测，进行自动测量，自动控制。LVDT对于铁芯的轴向运动非常敏感，径向运动相对迟钝。线圈气密封，不再需要对运动构件进行动态密封，采用不锈钢外壳，可以置于腐蚀性液体或气体中。1234567LVDT被认为是变压器的一种，因为它的励磁输入（初级）和输出（次级）是完全隔离的。LVDT无需缓冲放大器，可以认为它是一种有效的模拟信号元件。动态特性好LVDT的无摩擦运作及其感应原理使它具有真正的无限分辨率,可以对铁芯最微小的运动作出响应。结构变形监监测方法—LVDT位移传感器器安装示意图图结构变形监监测方法—LVDT位移传感器器钢丝自由端端固定方式式传感器现场场安装方式式结构变形监监测方法—LVDT位移传感器器HY-65DJB3000B应变传感器振弦式传感感器，使用用一年左右右数据精准准程度较高高，价格低低廉，监测测中应变测测试使用较较为广泛光纤光栅传传感器，寿寿命多达数数年，数据据采集频率率高，准确确度高，还还具有较多多的技术优优势，应用用于监测要要求高的桥桥梁HY-65DJB3000B应变传感器器，便于安安装携带，，数据采集集简洁准确确，使用周周期较短，，广泛应用用于桥梁荷荷载试验特点分辨度：0.1μεε精度：2.00%稳定性：一一般需2次仪表支持持：需要连线方式：：每个传感感器都需要要单独的线线和2次仪表连接接环境适应性性：好光纤光栅式应变传感器分辨度：0.1μεε精度：0.2%~1.0%稳定性：好好需2次仪表支持持：需要连线方式：：所有传感感器可以串串接到一根根线上环境适应性性：较好分辨度：0.1μεε精度：1.0%稳定性：好好需2次仪表支持持：不需要要连线方式：：所有传感感器可以串串接到一根根线上或采采用无线接接收环境适应性性：好振弦式应变传感器结构应力监监测—应变测量方方法工作原理：：当被测结结构物内部部的应力发发生变化时时，应变计计同步感受受变形，变变形通过前前、后端座座传递给振振弦转变成成振弦应力力的变化，，从而改变变振弦的振振动频率。。电磁线圈圈激振振弦弦并测量其其振动频率率，频率信信号经电缆缆传输至读读数装置，，即可测出出被测结构构物内部的的应变量。。同时可同同步测出埋埋设点的温温度值。结构应力监监测方法—振弦传感器器优点缺点反应速度慢慢，不适宜宜动态监测测钢弦在长期期荷载作用用下易产生生松弛，不不适宜长期期监测钢弦应变计计内部的钢钢弦一般是是通过螺钉钉紧固在传传感器基座座上，长期期使用中会会逐渐松弛弛而导致失失效稳定性好，，零漂小、、能同时测测量温度；；抗干扰能力力强、测值值可靠精度度高高Descriptionofthecontents振弦弦传传感感器器是是机机械械结结构构式式的的，，钢钢弦弦为为转转换换元元件件，，存存在在滞滞后后性性，，只只适适用用于于静静态态和和不不大大于于10Hz的动动态态测测试试。。结构构应应力力监监测测方方法法—振弦弦传传感感器器工作作原原理理：：当光栅栅光光纤纤所所处处环环境境的的温温度度、、应应力力、、应应变变或或其其它它物物理理量量发发生生变变化化时时，，光光栅栅的的周周期期或或纤纤芯芯折折射射率率将将发发生生变变化化，，从从而而使使反反射射光光的的波波长长发发生生变变化化，，通通过过测测量量物物理理量量变变化化前前后后反反射射光光波波长长的的变变化化，，就就可可以以获获得得待待测测物物理理量量的的变变化化情情况况。。结构应应力监监测方方法—光珊光光纤应应变传传感器器精度高高大量程程高分辨辨率实时动动态抗干扰扰能力强强寿命长长易于实实现测测量及及数据据的自自动化化处理理优点电绝缘缘且抗抗电磁磁干扰扰能力力强;经初步步加速速老化化试验验证明明,暴露环境境和退火火条件下下的光纤纤光栅,工作周期期大于25年也没有有明显的的性能退退化。结构应力力监测方方法—光珊光纤纤应变传传感器缺点需要专业业人员施工工造价高封装质量影响结构应力力监测方方法—光珊光纤纤应变传传感器工作原理：：应变传感感器的宝石石测头与微微动测头在在接受到结结构体表面面变形时，，其变形被被传递到宝宝石测头，，宝石测头头带动内置置钐钴合金金材料移动动，霍尔芯芯片在永久久磁场中移移动产生电电压信号。。此电压信信号通过内内致16位单片机经经过非线性性编码调制制成RS485标准数字信信号输出。。A/D转换在传感感器内部完完成，从传传感器出来来的数字信信号通过电电脑中的采采样分析软软件自动记记录、显示示和存储。。安装方式短期长期HY-65DJB3000B应变传感器器结构应力监监测方法—HY-65DJB3000B应变传感器器加速度传感感器桥梁振动监监测—动力性能监监测振动监测应应包括振动动响应监测测和振动激激励监测，，监测参数数可为加速速度、速度度、位移及及应变。桥桥梁动力特特性参数的的变化(频率、振型型、模态阻阻尼系数)是桥梁构件件性能改变变的标志。。桥梁的振振动水平(振动幅值)反映桥梁的的安全运营营状态。桥桥梁自振频频率的降低低、桥梁局局部振型的的改变可能能预示着结结构的刚度度降低和局局部破坏，，是进行结结构损伤评评估的重要要依据。分类电容式加速速传感器伺服式加速速度传感器器压阻式加速速度传感器器压电式加速速度传感器器加速度传感器第一层：工工业现场总总线，使用用RS485总线或无线线作为通信信通道第二层：光光纤网，使使用光缆作作为通信线线路第三层：监监控中心局局域网，使使用超五类类网线第四层：Internet网，4G、WiFi等信号号网络传传输模模式设设计远程管管理中中心和和管理理人员员通过过Internet网随时时随地地查看看监测测数据据，了了解桥桥梁的的健康康状态态数据采采集与与传输输系统统—无线传传输模模块现场采采集设设备光栅光光纤解解调仪仪无线采采集+AD转换模模块数据采采集与与传输输系统统—无线传传输模模块短距离离WiFiUHF无线数数传Zigbee中距离离长距离离微波通通信GPRSGSM3G4G5G物联卡卡一米~几百米几百千米几百米~几千米按距离离分类类数据采采集与与传输输系统统—无线传传输模模块ZigBee是基于于IEEE802.15.4标准的的低功功耗局局域网网协议。根据据国际际标准准规定定，ZigBee技术是是一种种短距距离、、低功功耗的的无线通通信技术。。这一一名称称（又又称紫紫蜂协协议））来源源于蜜蜜蜂的的八字字舞，，由于于蜜蜂蜂(bee)是靠飞飞翔和和“嗡嗡嗡””(zig)地抖动动翅膀膀的““舞蹈蹈”来来与同同伴传传递花花粉所所在方方位信信息，，也就就是说说蜜蜂蜂依靠靠这样样的方方式构构成了了群体体中的的通信信网络络。其其特点点是近近距离离、低低复杂杂度、、自组组织、、低功功耗、、低数数据速速率。。主要要适合合用于于自动动控制制和远远程控控制领领域，，可以以嵌入入各种种设备备。简简而言言之，，ZigBee就是一种种便宜的的，低功功耗的近近距离无无线组网网通讯技术术。ZigBee是一种低低速短距距离传输输的无线网络络协议。ZigBee协议从下下到上分分别为物理层(PHY)、媒体访访问控制制层(MAC)、传输层层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。数据采集集与传输输系统—ZIgBee例1：通过蓝色色打字突突出，并并实现突突出各项预警警指标值黄色预警警阈值橙色预警警阈值黄色预警警增加监测测频次橙色预警警结构全面面评估返回正常常监测各项指标标均未未超过过阈值某项指标标超超过黄色色阈值某项指标标超过橙橙色阈值值，或多次超超过黄色色阈值，，或多项指指标同时时超过黄黄色阈值值，或发发生极端端突发事事件结构安全全预警模模块—实时在线线预警流流程的设设计结构安全全预警模模块—预警阈值值的设定定原则1历史数据据统计值值基于历史史监测数数据得到到各个预预警指标标的统计计规律，，并取具具有95%保证率的的预警指指标分位位值作为为黄色预预警阈值值。随着着桥梁运运营年限限的增加加，历史史监测数数据积累累越来越越多，可可将其反反馈到结结构预警警体系中中，定期期更新预预警阈值值。2最不利工况响响应值考虑正常使用用极限状态下下设计荷载的的组合情况，，取各荷载组组合下的最不不利工况响应应值作为红色色预警阈值。。随着桥梁运运营年限的增增加，需根据据定期更新的的荷载模型和和结构模型，，对最不利工工况响应值作作出相应调整整。3规范限值规范限值。采采用国家或地地方颁布的相相关规范与规规程规定的限限值作为预警警阈值。由于于规范限值原原则上是不允允许突破的，，因此规范限限值通常用作作红色预警阈阈值。根据55吨车荷载下测测量的实际挠挠度值推算出出结构开裂后后的刚度，修正有限元模模型，根据开裂后刚刚度计算在设设计荷载下的的理论位移值值，当实测位位移或变形大大于该计算值值的0.80倍时，进行黄黄色预警；实实测位移或变变形大于理论论位移值或一一个月内发现现10次以上黄色预预警时，进行行橙色预警。00.801正常监测预警报警、安全评评估、维修管理预警线报警线线σm/σSLS’σSLS’正常运运营极极限值值σm运营状状态监监测结结果结构安安全预预警模模块—预警阈阈值的的设定定原则则诸永高高速怀怀鲁立立交桥桥健康康监测测项目目实时时在线线预警警阈值值设定定原则则基本安全安全存在一定安全隐患结构安安全预预警模模块—预警阈值的的设定原则则安全基本安全存在一定安安全隐患存在严重安安全隐患00.801正常监测预警报警、安全全评估、维修管理预警线报警线σm/σSLS’σSLS’正常运营极极限值σm运营状态监监测结果结构安全预预警模块—预警级别安全1存在严重安安全隐患515基本安全存在严重安安全隐患存在一定安全隐患。预警级别划分标准混凝土结构构跨中下挠挠导致混凝土土梁出现比比预期值更更大的主跨跨跨中下挠挠的主要因因素有两个个：一是结结构刚度的的降低，二二是结构的的受力状态态发生变化化，这两种种因素也会会产生耦合合影响，大大多数情况况下，导致致主跨跨中中出现比预预期值更大大的主跨下下挠现象，，往往是这这两种因素素共同作用用的结果。。结构安全预预警模块—离线预警安装方式短期24小时箱梁跨跨中挠度趋趋势线采用改进的移动动平均值法法对数据进行挖挖掘，可以得到到桥梁上部部结构随时时间损伤的的曲线，根根据结构损损伤曲线，，为桥梁预预防性养护护及时提供供技术资料料。结构安全预预警模块—离线预警结构安全预预警模块—预警结果统统计结构安全预预警模块—预警结果输输出4损伤程度，，评估损伤伤的严重程程度321损伤定位，，确定损伤伤的位置损伤检测，，判断是否否存在损伤伤结构损伤识识别及评估估模块—损伤识别层层次寿命预测，，预估结构构的剩余寿寿命迄今为止，，对于不使使用结构模模型的基于于振动的损损伤识别方方法，主要要能进行第第①层次和和第②层次次的损伤识识别。当振振动的方法法与结构模模型结合，，在某些情情况下可以以达到第③③层次的损损伤识别。。而第④层层次的损伤伤识别与预预测通常要要与断裂力力学，疲劳劳寿命分析析，结构设设计评估的的领域相结结合才可能能实现。结构损伤识识别：:通过对结构构的关键性性能指标的的测试和分分析,判断结构是是否受到损损伤;如果结构受受到损伤,则损伤λ置、损伤大大小如何;为判断结结构能否否继续使使用及其其剩余寿寿命估计计提供决决策依据据。结构构的损伤伤识别主主要包括括4个递进层层次:1级别一：整体状态态——主主要承重重构件（（主要通通过测量量交通负负荷所引引起的整整体挠度度）。2级别二：断面状态态——动动态汽车车衡重分分类系统统，采用用经校准的加加速度计计，在模模式识别别的基础础上，再再现竖向向悬臂的的变形。。3级别三：：局部状态态——如如桥梁扭扭转支撑撑底部和和顶部的的连接（（利用附附加的应应变计进进行验证证）。每天的交交通量与与由货运运交通产产生的疲疲劳度相相关的结结构动态态反应两两者之间间的关系系来确定定的。一一个必不不可少的的需求是是以雨流流计数法法来减少少永久性性监测系系统的数数据量，，雨流计计数法可可以描述述在不同同密度和和出现概概率时与与剩余疲疲劳相关关的循环环反应周周期。目目前桥梁梁结构寿寿命是通通过损伤伤累计引引起的应应力来计计算的，，因此对对于通过过转换得得到的监监测数据据，有必必要进行行整体与与局部的的有限元元分析。。结构损伤伤识别及及评估模模块—损伤识别别级别结构损伤伤识别及及评估模模块—损伤识别别流程作用激励待测结构构传感器动态信息息特征提取取状态信息息健康监测测与损伤伤诊断加固维修修安全性与与剩余寿寿命评价结构构加固方方案输出结果果有损伤无损伤继续使用用输出结果果损伤模式式损伤特征结构损伤伤识别及及评估模模块—损伤识别别方法指纹识别别方法（即损伤伤指标方方法）基于模型型的损伤伤识别方法法时频分析析方法模式匹配配方法频域分析析方法结构损伤伤识别方方法模型修正正方法基于固有有频率变变化的损损伤识别别方法基于振型变化化的损伤识别别方法基于刚度变化化的损伤识别别方法基于柔度变化化的损伤识别别方法基于振型曲率率变化的损伤伤识别方法基于残余力向向量的损伤识识别检测方法法基于单元模态态应变能变化化率的损伤识识别方法基于传递函数数(频响函数)变化的损伤识识别方法直接法灵敏度法神经网络法智能优化算法法Wigner-Ville分布HUbert-Huang变换(HHT)方法小波分析方法基于小波奇异异性检测的方方法基于损伤前后后小波变换系系数变化的方方法基于小波变换换和弹性波传传播理论的方方法基于小波变换换和神经网络络的方法基于无模型的的损伤识别方法关键问题测试噪声及各各种环境不确确定性干扰测试技术及仪仪器精度的制制约环境综合激励励并非理想白白噪声测试自由度及及模态不完备备土木木工工程程结结构构的的损损伤伤识识别别问问题题目目前前没没有有真真正正的的解解决决总结结结构构损损伤伤识识别别及及评评估估模模块块—损伤识别关键键问题常用系统组合合方式系统组合一传感器：静力水准仪+振弦传感器+裂缝+温度采样频率：低数据传输方式：S485总线+GPSR采集方式：自动化采集系统组合二系统组合三传感器：水准准仪+振弦传感器+裂缝+温度采样频率：低低数据传输方式式：ZigBee采集方式：人人工+自动化采集传感器：LVDT+光纤光栅应变变传感器+温度采样频率：高高数据传输方式式：无线+光缆采集方式：自自动化采集中小跨径健康康监测系统—系统组合方式式监测方法及内容桥梁线形-水准仪关键截面应力-振弦传感器新老混凝土应力-振弦传感器裂缝-振弦传感器温度-温度传感器桥梁概况桥面全宽为12m，横向布置为为0.5m+11m+0.5m，上部结构采采用等截面预预应力混凝土土连续箱梁，，其中9号桥第四联组组成为5×27m，梁高1.6m；第五联跨度度组成为38+2×50+38，梁高为2.5m。2012年11月，进行了修复性加固固，对超过0.15mm的裂缝进行灌灌缝注胶处理理，腹板加厚厚在加厚腹板板内增设预应应力，箱梁内内增设体外索索，进行张拉拉加固，箱梁梁底部张贴钢钢板，并将桥桥面二恒凿除除后植筋后重重新铺装，将将原12.5cm的铺装层增大大为20cm。中小跨径健康康监测系统—案例一监测及数据传输方式自动化监测+人工定期监测应力、裂缝、温度—自动化桥面线形—人工定期监测数据传输S485总线+GPSR采样频率桥梁线形-1次/季度关键截面应力-1次/15分钟新老混凝土应力-1次/15分钟裂缝-1次/15分钟温度-1次/15分钟第五联温度监测断面第四联温度监测断面中小跨径健康康监测系统—案例一第五联变形监测断面第四联变形监测断面中小跨径健康康监测系统—案例一中小跨径健康康监测系统—案例一数据管理系统统总体框图中小跨径健康康监测系统—案例一应变传感器安安装桥面面线线形形测测点点现场场采采集集仪仪现场场照照片片中小小跨跨径径健健康康监监测测系系统统—案例例一一半年年的的运运营营期期时时间间内内，，第第四四联联各各跨跨挠挠度度均均有有增增加加，，第第一一跨跨跨跨中中下下挠挠1mm，第第二二跨跨跨跨中中下下挠挠2mm，第第三三跨跨跨跨中中下下挠挠4mm，第四跨跨跨中下挠5mm，第五跨下下挠2mm；根据《公公路桥梁计计算状况评评定标准》》（JTG/TH21-2011）表5.1.1-8，跨中最大大挠度5mm<计算跨径的的1/1000=27mm，桥梁结构构处于安全全状态。中小跨径健健康监测系系统—案例一应变测试断断面应变测点布布置荷载组合：：恒载×1.0+钢束一次××1.0+钢束二次××1.0+汽车荷载××1.0+温度正（负负）梯度××1.0；断面位置A-A（G-G）C-C(F-F)E-EB-BD-D下缘下缘下缘下缘上缘上缘成桥应力-4.9-2.5-1.0-2.8-3.5-2.3应力最大值-3.2-0.41.1-1.4-2.6-1.6应力最小值-5.4-3.6-1.8-4.5-4.4-3.0中小跨径健健康监测系系统—案例一C-C断面下缘应应力图A-A断面下缘应应力图中小跨径健健康监测系系统—案例二监测方法及内容桥梁线形-LVDT位移传感器应力、温度-光纤传感器监测及数据传输方式应力、温度—光缆桥面线形—无线微波传输采样频率主梁挠度-80Hz应力、温度-100Hz中小跨径健健康监测系系统—案例二中小跨径健健康监测系系统—案例二中小跨径健健康监测系系统—案例二中小跨径健健康监测系系统—案例二中小跨径健健康监测系系统—案例二中小跨径健健康监测系系统—案例例二二243桥梁梁管管养养技技术术研研究究方方向向结构构损损伤伤研研究究与与发发展展的的方方向向基于于视视觉觉识识别别的的结结构构损损伤伤识识别别技技术术5基于于动态态响响应应参数数的的车车辆辆荷荷载载识识别别技技术术04中小小跨跨径径桥桥梁梁健健康监监测测未未来来发发展展方向向1中小小跨跨径径桥桥梁梁健健康康监监测测云云平平台台系系统统无损损检检测测技技术术面对对我我国国桥桥梁梁工工程程材材质质、、损损伤伤、、缺缺陷陷和和受受力力状状态态的的检检测测需需求求，，需需要要研研发发桥桥梁梁永永久久荷荷载载下下桥桥梁梁受受力力状状态态非非破破损损检检测测技技术术及及装装备备，，发发展展桥桥梁梁损损。评定方方法养护理理念研究总总方向向面对我我国桥桥梁长长期性性能研研究和和运营营管理理的技技术需需求，，需要要研发发高精精度、、长寿寿命、、智能能化传传感器器，发发展桥桥梁关关键状状态参参数和和性能能指标标长期期跟踪踪监测测技术术，构构建桥桥梁健健康诊诊断以以及性性能和和抗力力衰变变监测测技术术体系系与标标准，，研发发基于于BIM技术的的桥梁梁管养养系统统，以以推动动我国国公路路桥梁梁养护护管理理技术术的发发展。。健康监监测技技术面对服服役桥桥梁养养护科科学决决策的的技术术需求求，需需要进进一步步完善善和发发展桥桥梁技技术状状况评评定、、承载载能力力和减减灾防防灾能能力鉴鉴定方方法，，构建建桥梁梁安全全可靠靠性评评估和和使用用寿命命预测测等的的理论论体系系及技技术方方法，，以推推动我我国桥桥梁服服役可可靠性性的提提升和和使用用寿命命的延延长。。面对我我国服服役桥桥梁养养护管管理和和桥梁梁资产产保全全增效效的技技术需需求，，需要要转变变桥梁梁养护护理念念，发发展桥桥梁预预防性性养护护技术术，提提升桥桥梁机机械化化养护护能力力，构构建符符合我我国国国情的的桥梁梁养护护技术术及装装备体体系，，以促促进我我国桥桥梁技技术向向“建建养并并重””转型型发展展。桥梁管管养研研究方方向—改进桥桥梁养养护技技术，，全面面提升升桥梁梁服役役性能能·桥梁健康监监测云平台台现代信息化化架构正从从纵向“信信息孤岛””向横向整整合的“信信息云”演演进信息架架构从““烟囱型””演变为无无所不在的的“层次资资源化的云云”桥梁健康监监测云平台台，以云计算算技术为基基础，专注注桥梁检测测、监测、、养护管理理信息化建建设，面向向大中小型型各类桥梁梁，构建一一个提供信信息化管理理解决方案案的云计算算平台。云平台是集物联网、、云计算和和大数据存存储管理分分析于一体体，为用户户提供信息息化基础设设施、监测测与管理软软件及运行行平台等优优质的云计计算资源，，提供异构构数据融合合、数据异异地备份容容灾、大数数据存储管管理分析、、结构监测测分析与报报告、综合合安全评估估与智能预预警等服务务。桥梁云平台台健康监测测系统—云平台·云平台演变变趋势云平台优势12345成本节约：不再需要单独的机房建设与运维、聘请专业的管理人员、支付高昂的独立网络费用；只需支付较低的普通网络费用和云计算服务费用。中小型桥梁在线监测完美解决方案：精简桥梁现场在线监测设施，节省工程造价，通过集约化管理，降低在线监测系统维护工作量。安全可靠：异地数据备份容灾保障，并提供统一的监控、报警、问题处理等专业服务，提高系统稳定性，避免数据的丢失遗漏。高效的数据分析处理能力：提供优质稳定的服务器群，实现高效的大数据分析处理，减少用户在一手数据的获取及整理上的工作量。简约桥梁在线监测：简化施工过程和系统运维，让用户只需关注桥梁现场传感设备安装，提供更加全面的监测功能，真正实现桥梁在线监测简约而不简单。桥梁云平台台健康监测测系统—云平台·云计算随需自助服服务。基于虚拟化化技术快速速部署资源源或资源动动态扩展。。随时随地用用任何网络络设备访问问。减少用户终终端的处理理负担。降低了用户户对于IT专业知识的的依赖。多人共享资资源池。可被监控与与量测的服服务。云计算就是是“按需应应变”的网网络延伸，，即服务提提供商按照照用户不断断变化的需需求提供相相应的硬件件、软件服服务。云计计算是网格格计算、分分布式计算算、网络存存储、虚拟拟化、负载载均衡等传传统计算机机技术和网网络技术发发展融合的的产物。云计算核心心理念是通通过不断提提高“云””的处理能能力，进而而减少用户户终端的处处理负担，，最终将用用户终