高速公路结构健康监测系统关键技术研究

高速公路结构健康监测系统关键技术研究湖北沪蓉西高速公路建设指挥部2008年10月中交桥梁技术有限公司汇报内容桥梁结构健康监测系统介绍西部课题项目概况西部课题阶段成果成果在依托工程上应用及在其他项目上推广情况介绍第一部分桥梁结构健康监测系统介绍1桥梁健康监测系统概念桥梁健康监测系统指的是在桥梁上安装传感器系统，对结构荷载和结构受力响应进行实时监测，并对监测数据进行分析，分析结果用于桥梁评估的一套硬件和软件系统总称。桥梁结构健康监测系统一般包括：（1）传感器系统（2）数据采集与传输系统（3）数据处理与控制系统（4）结构评估系统，四个部分。2从桥梁管理角度看监测系统桥梁使用中服务能力不断下降，所以要定期对桥梁进行维修。桥梁健康监测系统是获得桥梁维修所需要信息的一种“重要手段”。国内外许多著名的大型桥梁都安装了桥梁健康监测系统，其中以香港几座桥梁的监测系统较为著名。3桥梁监测系统应用情况AnemometerAccelerometerTemperatureSensorStrainGaugeGPSRoverStationDisplacementTransducerLevelSensingStationDataAcquisitionOutstation青马桥中国香港AnemometerAccelerometerTemperatureSensorStrainGaugeGPSRoverStationDisplacementTransducerLevelSensingStationDataAcquisitionOutstation香港汀九桥AnemometerAccelerometerTemperatureSensorStrainGaugeGPSRoverStationDisplacementTransducerLevelSensingStationDataAcquisitionOutstationMaWanTower

LantauTower

香港汲水门大桥深港西部通道斜拉桥

中国香港AnemometerAccelerometerTemperatureSensorStrainGaugeDisplacementTransducerBarometer,RainGauge,HygrometerCorrosionSensorDigitalVideoCameraDataAcquisitionOutstationEastTowerWestTower1E2E3E4E1W2W3W4W

WIMWIMAnemometerAccelerometer&SeismometerTemperatureSensorStrainGaugeGPSRoverStationDisplacementTransducerBarometer,RainGauge,HygrometerCorrosionSensorDigitalVideoCameraWeigh-In-MotionSystemWIM昂船洲桥中国香港润扬长江大桥苏通长江大桥西堠门大桥阳逻桥长江大桥武汉长江二桥天兴洲大桥4桥梁监测系统存在的一些问题有些桥梁安装了健康监测系统，但是对监测数据分析深度还不够，监测系统获得的数据与桥梁结构健康评估相互脱节，同时监测系统的数据分析结果如何应用于桥梁决策支持也是没有解决的问题。桥梁健康监测系统本身最大的特点是不阻断交通在线实时监测，给应用监测数据对结构进行损伤分析带来了巨大的困难，这也是国内外理论界一直研究但是仍然没有实质性进展的原因。桥梁监测系统与桥梁人工检测数据没有整合在一起，基本上还是分别使用不同的桥梁评估手段和方法。有些桥梁健康监测系统设计思路基本与桥梁施工监控相同，大量使用了静态传感器，而在不断交通的情况下静态传感器采集的数据几乎没有实际的应用价值。国内桥梁健康监测系统仍然处在重视建设，轻视数据分析阶段。第二部分西部课题介绍1项目概况项目名称高速公路结构健康监测系统关键技术研究合同编号200531800037项目负责人白山云李毅谦周祖德曹传林承担单位湖北沪蓉西高速公路建设指挥部起止时间2005年第三季度至2009年第三季度参加单位中交桥梁技术有限公司武汉理工大学1.1项目基本信息表1.2项目大事记2005年5月份接到交通部立项通知书；2005年11月份在北京举行了项目研究可行性报告专家评审会，并与交通部西部项目管理中心签订了项目任务书；2006年7月份在湖北武汉市举办了项目研究大纲和依托工程技术方案专家评审会；2006年10月份在武汉举办了四渡河大桥锚碇监测专家评审会；2006年10月份在恩施给西部交通科技项目管理中心领导和专家组汇报了项目进展情况；2007年12月份，在湖北野三关（沪蓉西指挥部第三工作站）举办了依托工程施工图专家咨询会。监测系统技术方案专家咨询会现场科研内容健康监测光纤光栅长效传感器测试技术的研究高陡边坡变形破坏模式与稳定性分析研究

桥梁承载能力评估方法研究传感器优化布点方法研究桥梁结构模态识别方法研究桥梁结构损伤识别方法研究1.3项目研究内容桥梁监测

四个子课

题之间关系子课题1：桥梁结构损伤识别研究本项目中桥梁结构损伤识别方法研究拟从两个方向有所突破和创新，一个方向是建立基于模态识别结果（振形、频率和阻尼比等）的损伤识别指标或者损伤识别方法，根据监测结果计算损伤识别指标，并设定损伤识别指标阀值（也就是认为结构发生了损伤时候识别指标的限值），判定结构是否发生了损伤，并确定损伤的大致位置。损伤识别另外一个思路是，基于监测系统测量的数据（应变、挠度、加速度等）应用反分析的方法反演出结构某个部位“刚度损伤”，而认为出现了刚度损失的部位即为发生了损伤的位置。这种损伤识别方法将桥梁损伤统统以结构“刚度损失”来表征。确定损伤大致位置后通过人工检查确定损伤类型和程度。监测系统传感器优化布点研究的目的就是以最少的传感器获得尽可能多的损伤识别所需要的数据。监测系统测点优化研究要与所研究的损伤识别理论和模态识别理论直接相互关联。子课题2：监测系统传感器优化布点研究测点有效性验证实例基于脉动响应的大桥环境激励平稳性估计方法；非平稳环境激励条件下，桥梁结构模态参数脉动识别方法修正；环境温度变化对大型桥梁结构模态参数识别的影响；基于桥梁健康监测系统实测脉动响应信号的模态参数识别研究（包括大型桥梁结构密频识别方法和实测响应信号分析处理方法；子课题3：桥梁结构模态识别研究建立精确并适合数值计算的分析模型；基于断裂力学提出一种全新的失效模式；构件疲劳累积损伤与抗力衰减分析；建立实用有效的动力学模型；提出桥梁剩余承载力评估方法。子课题4：桥梁承载能力评估研究1.4项目依托工程介绍本项目依托工程包括四渡河特大桥、铁罗坪特大桥、支井河特大桥和龙潭河特大桥等四座桥梁结构健康监测系统；还包括了施家良子边坡监测系统。四渡河特大桥为主跨900米的钢桁架加劲梁悬索桥，铁罗坪桥为主跨320米预应力混凝土主梁的斜拉桥，支井河桥为主跨430米钢管混凝土拱桥，而龙潭河大桥为跨度105＋200×3＋105＝820米连续刚构桥，最大墩高179米。施家良子边坡包括东西两个变形体，东变形体面积0.85万平方米，平均厚度16.5m，体积月14.025万立方；西变形体面积1.45万平方米，平均厚度135.m，体积约19.575立方米。通过本项目的实施，最终实现对沪蓉西高速上典型结构物的“集群式”监测，数据通过骨干光线网络传输到恩施监控中心进行集中分析处理。当项目完成时候还要对每种结构物人工检查制度进行设计。这种项目规模在国际上都是罕见的，力争项目成果达到国际先进水平。1.5项目进度计划安排科研和工程实施工作流程图第三部分西部课题一些阶段性成果子课题1：桥梁损伤识别研究进行了充分调研，收集了大量文献，并完成了文献述评损伤识别和传感器优化布置过程结合起来并交替实施，这样可以减小初始经验参数对优化结果的影响。利用损伤识别过程中产生的中间数据的统计信息提出了一种改进的损伤参数识别方法。子课题3：传感器布点优化研究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），目前该论文正在进行第二轮评审；

M.S.Zhou,Y.Q.Li,Z.H.Xiang,G.Swoboda,Z.Z.Cen.AModifiedExtendedBayesianMethodforParameterEstimation.SecondAsia-PacificInternationalConferenceonComputationalMethodsinEngineering(ICOME)2006,Hefei,Anhui,China,Nov.2006完成了阶段性课题“梁缺陷识别中测量点布置问题的研究”。研究了基于静挠度测量值、常规最小二乘估计方法和高斯－牛顿法的结构损伤识别算法。然后从损伤识别算法的适定性分析出发，推导了测量点合理布置的准则，并详细地介绍了相应的组合优化算法。最后用一些简单的算例来验证了这些算法的正确性。建立了用于损伤识别和传感器布点优化研究的四座桥梁有限元模型

子课题2：桥梁模态识别方法研究基于脉动数据的高效时域模态识别技术’方面已经开发了一个用改进的特征系统实现算法进行桥梁时域模态识别的软件程序，并以香港青马桥的成桥原始指纹测试数据为基础，对这个成果在其他桥梁上进行了应用。

用北京市110国道上实测汽车荷载数据研究了基于汽车荷载监测数据建立汽车荷载模型的方法。在‘用于评定即有桥梁结构实际安全度的精确分析模型的建立原则的研究’方面，已经发现简化模型给出的分析结果的错误源，初步找到了建立精确分析模型的一些要点；在‘基于结构可靠度理论的即有桥梁结构实际安全度评定评估使用的荷载和抗力分项系数评估方法的研究’方面，已经把公路桥梁设计规范中强度验算公式分类，已经开始考虑恒载、车载、风载联合作用，用FORM方法对一个范围的活载/恒载比对规范的每个公式计算其实际可靠度。.子课题4：桥梁承载能力评估方法研究北京市110国道汽车载重直方图车型统计轴载分布统计（1）研究了山区高速公路岩质边坡稳定性分类；（2）研究出了边坡位移预测的RBF神经网络算法；（3）研究出了边坡位移预测的微粒群算法；（4）开发了基于上述边坡位移预测算法的计算程序，并在古树屋滑坡和卧龙寺滑坡上进行了应用子课题5：边坡稳定性预测方法研究古树屋滑坡位移监测数据与分析数据对比

卧龙寺滑坡位移监测数据与分析数据对比

项目研究主要创新点在实际工程环境下，可靠地识别桥梁模态参数；在实际工程环境下，用不完备振型构建对损伤高灵敏的损伤识别指标；与模态识别和损伤识别相结合的传感器优化布点方法；根据现行公路桥设计规范的设计使用年限和时不变目标可靠度指标，并根据时变可靠度理论推断受损桥梁结构在后续使用年限内的合理可靠度以及相应的广义可靠度指标；用水准2可靠度理论根据上述成果修正抗力分项系数，从而建立既有桥梁结构实际安全度评定使用的荷载和抗力分项系数评估公式，并对照AASHTO，NCHRP的有关系数进行检查；高边坡稳定性判据和预测预报模型。高速公路结构健康监测系列光纤光栅长效传感器测试技术的研究。第四部分课题成果应用及推广情况1研究成果在依托工程上应用情况2依托工程进展情况完成了总体技术方案；四座桥梁监测系统施工图已经完成，并于2007年12月进行了评审完成了施家良子边坡监测系统技术方案和详细设计，正在进行现场传感器安装。龙潭河桥和铁罗坪桥预埋传感器的安装完毕；支井河桥和四渡河桥传感器正在随着主体工程施工过程进行安装；传感器安装情况四渡河桥铁罗坪桥支井河桥龙潭河桥应