公路桥梁大管养体系、技术与应用

公路桥梁大管养体系、技术与应用第一页，共79页。报告提纲1概述2桥梁养护理念3风险评估4桥梁检查检测5桥梁监测6桥梁评估、评定和养护管理7展望第二页，共79页。1概述第三页，共79页。据统计，从2002年到2011年，中国公路总里程有126.52万公里增长到410.64万公里。其中高速公路有2.51万公里增至8.49万公里，居世界第二位；农村公路由133.69万公里增加到356.4万公里，乡镇和建制村公路通畅率分别达97.19%和84.04%。“五纵七横”12条国道主干线全部建成，覆盖城乡的公路交通网络已初步形成，意味着公路工程行业发展的工作重心将逐渐从“新建工程“转向“后期管养”。1概述第四页，共79页。1概述第五页，共79页。1概述保持桥梁的承载及正常使用功能，延长其使用寿命养护的必要性：1.公路交通量剧增,加快了桥梁老化的步伐2.超重车、集装箱车直接导致桥梁损坏3.桥梁设计、施工中存在某些先天不足4.随着社会的进步，对桥梁安全舒适提出更高要求

为保持桥梁及其附属结构正常使用进行的保养和维修作业，是预防、修复桥梁灾害性损坏和提高桥梁服务水平进行的改造。养护的目的：第六页，共79页。1概述养护的必要性：

宜宾小南门桥垮塌（吊杆锈蚀疲劳断裂）韩国圣水大桥（钢材疲劳）四川綦江彩虹桥（设计、施工、管理）缺乏有效的监管和及时的养护！2007年美国明尼苏达州第35号洲际公路上横跨密西西比河钢拱桥倒塌近几年来，世界范围内频发了桥梁灾难性事故。我国桥梁也将会由大规模新建进入桥梁的维护、管理和大修时期。第七页，共79页。1概述运营风险第八页，共79页。1概述桥梁病害2009年某省12条高速公路

运营5年以上中小桥梁总里程1171公里桥梁275035%65%第九页，共79页。阶段时间节点相关规范、标准和制度第一2004年以前《公路养护技术规范》（073-96）《公路旧桥承载能力鉴定方法》(1988年试行版)《公路桥梁养护管理工作制度》（1991年）第二2004年至2011年末《公路桥涵养护规范》(JTGH11-2004)；《公路桥梁养护管理工作制度》(交公路发[2007]336号)；《公路桥梁加固设计规范》(JTG/TJ22-2008)。第三2012年至今《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/TH21-2011）；《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/TJ21-2011）。1概述公路桥梁的检查、检测和评估等业务和相关研究工作将成为未来国内桥梁从业人员的重心所在。第十页，共79页。2桥梁养护理念第十一页，共79页。2桥梁养护理念传统的桥梁养护主要是指桥梁的检查和保养。广义的桥梁养护概念是指为保证桥梁运营期的安全性、适用性、耐久性而采取的各种工程行为。基于这样的理念，桥梁养护行为的介入应从建设期开始，一直延伸到桥梁寿命的终结。它主要包括：建：建设期从设计的角度提出要求，为日后开展桥梁养护工作创造条件。管：为运营期的桥梁管养建立科学合理的管理体系和管理制度，指导养护工作的顺利开展。养：对桥梁结构进行例行的保养，包括小规模的修补。查：采用人工、自动或半自动的方式采集和发现与桥梁安全相关的各类信息。评：从安全、适用、耐久等各个角度，对桥梁结构的状况进行评估。修：对桥梁出现的损伤进行维修和加固。研：与桥梁管养相关的各类科研工作。第十二页，共79页。2桥梁养护理念第十三页，共79页。从整个桥梁寿命周期来看，各养护业务所处的位置如下图所示。2桥梁养护理念第十四页，共79页。养护理念

建立电子化的养护管理平台

贯彻预防性养护的思想

巡检、监测和试验技术相结合

2桥梁养护理念第十五页，共79页。建立电子化的养护管理平台2桥梁养护理念123用户终端外业人员数据中心Internet电子化文档多媒体信息记录网络通讯技术第十六页，共79页。更早的发现病害将能节省养护资金。状态时间破坏状态被动的养护积极主动的养护费用长时间交通阻碍短期的交通干扰预防性养护与被动养护2桥梁养护理念贯彻预防性养护的思想第十七页，共79页。2桥梁养护理念巡检、监测和试验技术相结合状态评价与承载力评估日常检查定期检查实时监测特殊检查桥梁健康日常保养小修工程改扩建工程中大修工程加固维修设计方案每月进行目测为主桥面铺装附属设施表观检查小于三年目测及仪器观测接近表面技术状况评定特大桥梁实时监测在线预警评估分析定期报告条件激发专项检测荷载试验验算分析应急检查

第十八页，共79页。3风险评估第十九页，共79页。3风险评估桥梁风险评估是对可能危害桥梁安全的各类风险事件进行识别和评价的过程。它是整个桥梁养护工作的基础，对其它的养护行为具有指导作用。第二十页，共79页。治病要求“对症下药”，明确患病位置、患病原因，然后进行良好医治。桥隧工程管养，也需要对症下药：针对工程的问题所在（风险关注点），通过各种检查监测手段（桥梁检查、自动化监测），对“患病”部位进行重点检查监测，如果桥梁损伤获得确定，那么就应该采取有效的措施（养护维修等）。任务：对症下药从具体实施来说，风险关注点研究是大管养体系工作的起始端，通过探求风险成因，研究风险产生的主客观原因，将分散在桥梁不同部位、产生不同影响的风险关注点汇集起来，为相关检查监测工作和应对措施的制定奠定基础。必要性：基础和起点3风险评估第二十一页，共79页。风险关注点进一步形成数据库，完成工程经验与理论研究的积累过程，为特定的桥梁检查、自动化监测或加固维修奠定基础，提高管养工作的高效性、经济性和合理性。工程项目的风险环境和病害规律具有相似性和个性化的特点，因而桥隧工程运营管养中存在很多成功的经验和失败的教训，通过广泛调研，收集资料、文献研究、专家研讨等方法，对工程运营管养过程中存在的风险关注点、发生概率、评估权重、表现形式、处置方式进行归纳、总结，形成风险信息库的基础资料。目标：数据库3风险评估第二十二页，共79页。125346主缆、索夹、吊索、加劲梁、索塔、索鞍、锚碇、锚杆悬索桥主要构件风险关注点基础墩台下部结构构件风险关注点风险关注点数据库斜拉索、斜拉索护套、预应力混凝土主缆、钢桁梁主梁、钢箱主梁、索塔、锚具及减震装置斜拉桥主要构件风险关注点圬工拱桥、钢筋混凝土拱桥、钢-混组合拱桥、钢拱桥拱式桥上部构件风险关注点混凝土梁式桥、钢梁桥、支座梁式桥上部构件风险关注点地震、大风、车辆撞击船撞、火灾、暴雨/冰雪/大雾特殊车辆过桥事故特殊维修特殊事件风险关注点3风险评估第二十三页，共79页。名称基础不均匀沉降编号XB_JC1权重？表现形式尤其是某一单个承台范围的不均匀沉降（竖向不均匀沉降或水平方向位移），将产生较大的桥墩或主塔变形及内力变化，使结构中产生附加应力，超出混凝土结构的抗拉能力，导致结构开裂。建议处置方式检查人工定期测量监测基础静力水准在线监测、索塔偏位GPS或光纤在线监测养护维修基础加固以控制进一步发展基础不均匀沉降基础局部冲蚀/冲刷/掏空基础开裂混凝土碳化、腐蚀桥墩位移墩身、盖梁、系梁开裂基础墩台下部结构构件风险关注点3风险评估？—拟采用专家研讨确定相关权值第二十四页，共79页。名称基础局部冲蚀/冲刷/掏空编号XB_JC2权重？表现形式桩式基础具有较好的冲刷余度，在及时检查受损情况并采取防护措施情况下，一般不会造成较大损失。但对于明挖基础，往往易于出现冲刷深度大于设计值的情况，造成地基失效，承载力降低，出现严重滑动、下沉、位移、倾斜等现象，造成岸坡滑移或基础无法修复，严重情况下将导致桥梁坍塌。建议处置方式检查人工定期观测、测量，必要时对大桥、特大桥的深水基础派潜水员潜水检查监测采用流速仪、波束测深仪等监测水流流速、冲刷深度和水位高度等，以掌握该冲刷和回淤情况养护维修抛石防护或加固对基础进行防护下部结构构件风险关注点基础不均匀沉降基础局部冲蚀/冲刷/掏空基础开裂混凝土碳化、腐蚀桥墩位移墩身、盖梁、系梁开裂基础墩台3风险评估？—拟采用专家研讨确定相关权值第二十五页，共79页。名称基础开裂编号XB_JC3权重？表现形式发生概率较高而损失较低的情况为：出现轻微结构应力异常，剪切裂缝较小；发生概率较低损失较高的情况为：结构应力异常，出现较宽剪切裂缝，甚至于裂缝贯通，基础处于失稳状态。建议处置方式检查人工定期观测、测量监测/养护维修通过提早启动或更换耐久性防护措施（如提早重涂装涂层）来实现，也可进行局部的补强基础不均匀沉降基础局部冲蚀/冲刷/掏空基础开裂混凝土碳化、腐蚀桥墩位移墩身、盖梁、系梁开裂基础墩台下部结构构件风险关注点3风险评估？—拟采用专家研讨确定相关权值第二十六页，共79页。4桥梁检查检测第二十七页，共79页。4桥梁检查检测4.1检查、检测工作内容检查、检测主要参照《公路桥涵养护规范》（JTGH11）第二十八页，共79页。4.1检查、检测工作内容检查、检测主要参照《公路桥涵养护规范》（JTGH11）经常检查定期检查对桥面设施、上部结构、下部结构及附属结构物的技术状况进行的检查。为评定桥梁使用功能，制定管理养护计划提供基本数据，对桥梁主体结构及其附属构造物的技术状况进行的全面检查。根据经常检查和定期检查的结果，对需要进一步判明损坏原因，缺损程度或使用能力的桥梁，针对病害进行专门的现场试验检测、验算与分析等鉴定工作。专门检查当桥梁受到灾害性损伤后，为了查明破损状况，采取应急措施，组织恢复交通，对结构进行的详细检查和鉴定工作。应急检查不少于1次/月不少于1次/3年视具体情况4桥梁检查检测第二十九页，共79页。4.1检查、检测工作内容强度：混凝土电阻率：内部缺陷：碳化：钢筋锈蚀电位：钢筋位置及保护层厚度：氯离子含量：裂缝长宽深：检测项目—混凝土无损检测4桥梁检查检测第三十页，共79页。4.1检查、检测工作内容3、裂缝长、宽、深裂缝长度、宽度的检测采用巡检图的方式进行记录。检测项目—混凝土无损检测4桥梁检查检测第三十一页，共79页。4.1检查、检测工作内容检测项目—测量4桥梁检查检测第三十二页，共79页。4.1检查、检测工作内容检测项目—钢结构检测1、焊缝探伤顶板顶板与U肋U肋嵌补段U肋与横隔板钢结构构造4桥梁检查检测第三十三页，共79页。3.总体内容4.2荷载试验1.工程验收要求2.承载能力评定要求4桥梁检查检测第三十四页，共79页。1）静力荷载试验效率ηq（通常简称荷载效率）4.2荷载试验4.静载试验2）静力荷载试验结构校验系数x3）相对残余变位或相对残余应变S’p4桥梁检查检测第三十五页，共79页。5.动载试验动力响应试验测定桥梁控制部位及控制截面的动挠度、动应变等受迫振动响应，进而识别桥梁结构相应控制部位的汽车冲击系数。某桥中跨0.5L跳车试验典型时域波形某桥中跨0.5L跳车余振自谱分析图40km/h行车速度下梁体竖向动挠度典型时域波形图4.2荷载试验4桥梁检查检测第三十六页，共79页。4.2荷载试验动力特性参数检测主要包括结构各阶频率、振型及阻尼比。进行动力特性参数检测可以达到两个目的：一是通过试验获得结构的动力特性参数，验证理论分析结果，并提供理论计算无法得到的振动阻尼比；二是为今后桥梁健康监测提供比较基准。某双塔双索面钢-混凝土叠合梁斜拉桥，布置为41.13+250+605+250+40.21m6.动力特性参数4桥梁检查检测第三十七页，共79页。4.3特殊检测1.利用缆索机器人检查斜拉索PE4桥梁检查检测第三十八页，共79页。2.斜拉索钢丝锈蚀的开窗检查4.3特殊检测4桥梁检查检测第三十九页，共79页。3.混凝土整体浇筑质量检测-声波CT技术可采用声波CT技术检测重点梁段结构质量情况（混凝土均匀性、密实性、强度等指标情况），评估混凝土整体浇筑质量。颜色波速（km/s）混凝土强度密实程度红色＞4.5＞C55密实性好黄色（4.0，4.5）[C50，C55]较密实蓝色（3.0，4.0）[C40，C50]密实性较差深蓝色＜3.0＜C40不密实，质量有问题4.3特殊检测4桥梁检查检测第四十页，共79页。4.雷达技术检测预应力孔道压浆饱满度可采用雷达探测技术检测预应力孔道压浆饱满度，原理示意如右图。4.3特殊检测4桥梁检查检测第四十一页，共79页。5.工业内窥镜的应用4.3特殊检测4桥梁检查检测第四十二页，共79页。5桥梁监测第四十三页，共79页。5桥梁监测作为收集桥梁安全信息的手段之一，桥梁健康监测系统是对常规的检查、检测和荷载试验业务的重要补充。其不可替代性主要表现在人工巡检无法实现的连续性、同步性、实时性、自动化四个方面。第四十四页，共79页。大型桥梁健康监测不只是传统的桥梁检测加结构评估新技术，而是被赋予了结构监控与评估、设计验证和研究与发展三方面的意义。不同桥梁监测系统的监测项目与规模存在很大差异。这种差异除了桥型和桥位环境因素外，主要是因为对各监测系统建立各个系统的目的（系统的功能要求）和系统的投资额不同。因此，桥梁健康监测系统的设计要遵循着一些基本的准则。对于特定的桥梁，建立健康监测系统的主要目的是桥梁的监控与评估，一旦建立系统的目的确定，系统的监测项目就可以基本上确定；另一方面，监测系统中各监测项目的规模以及所采用的传感器和采集传输设备等的确定需要考虑投资的限度。5桥梁监测第四十五页，共79页。

风险分析成本-效益分析桥址处运营风险分析；桥型结构风险分析。成本一效益分析，最优化地选择系统硬件设施。在设计监测系统时首先要从风险分析的角度出发，分析桥址处运营风险以及桥型结构风险，确定监测系统的功能要求；其次监对测系统方案进行成本一效益分析确定投资额度。

监测系统功能要求和投资额度是确定桥梁健康监测系统规模的两大准则。监测系统功能要求投资额度5桥梁监测第四十六页，共79页。结构响应的监测大桥空间变形

(大缆、拱肋、索塔、主梁）结构动力及振动特性(索、塔、梁)索力(大缆、斜拉索、吊杆、吊索、预应力钢束)控制截面或疲劳热点应力支座反力等荷载源的监测风荷载地震动、船撞响应大气温湿度、雨量动态交通荷载腐蚀情况水下冲刷等风险分析5桥梁监测第四十七页，共79页。数据的数据处理、分析、存储、展示WEB3D监测巡检与一体的综合监管平台基于巡检结构目录树三维预警和三维动态病害添加拥有自主知识产权三维桥梁巡检通道钢箱梁细部结构5桥梁监测第四十八页，共79页。（1）监测的定位目标：提供准确可靠的数据现状：部分参数准确可靠，例如大气温湿度、纵向位移、动态应变、结构振动参数；

部分参数准确但不可靠，例如挠度、风荷载、混凝土腐蚀监测、车速仪；

部分参数不准确也不可靠：GPS位移。（2）问题传感器设备的选型和安装；采集与传输系统的可靠性和准确性；采集软件的可靠性和准确性；监测系统整体可靠性和准确性。5桥梁监测发展方向第四十九页，共79页。（3）监测系统的方向优化系统的架构提高系统的可靠性选用高性价比的传感器设备设备及附属配件的统一性，通用性和可更换性安装调试的标准化研发新的测试方法和设备（4）试验验证对传感器测试系统验证：数据采集精度和质量控制、系统性能测量；

软件功能测试；监测设备检定标校；桥隧结构安全监测工程化集成测试

；对各个大桥结构安全状况实时监控，远程集中管理。5桥梁监测发展方向第五十页，共79页。数据挖掘监测项目监测点数量全部监测点存储大小（每年）GB深圳湾公路大桥171833集美大桥130381西堠门大桥2121181金塘大桥3421341曹妃甸1#桥135777曹妃甸一号路桥134668宁波外滩大桥118740宁波湾头大桥77359宁波青林湾大桥110792宁波明州大桥94613总计(GB)

7685（7.5T）海量数据如何使用？5桥梁监测第五十一页，共79页。数据挖掘技术（DataMining）+结构分析理论方法内容异常分析（diagnosis）数据与系统异常、结构异常数学统计分析（statistics）最大值、最小值、平均值、均方差、均方根物理指标抽取分析（extract）频率、阵型、风功率谱、湍流度、荷载谱、校验系数、影响线相关性分析/关联规则（Affinitygroupingorassociationrules）风与结构振动相关性分析、风与结构变形相关性分析、温度与变形相关性分析预测分析（Prediction）腐蚀进程、疲劳寿命、性能退化聚类分析（Clustering）异常分类、评估体系与决策体系的建立数据挖掘5桥梁监测第五十二页，共79页。5.3.2数据挖掘类别监测项目挖掘分析指标基本指标二级指标三级指标环境监测项目风最大值、最小值、平均值、均方差、均方根、3s平均风速、风向角、风攻角、脉动风速、湍流度、阵风因子、风功率谱温度有效温度、温度梯度空间温度场、结构温度差车辆轴重、轴数、轴距、车长、总重、车速、车流量统计概率模型、荷载谱地震动时程、反应谱腐蚀腐蚀进程预测曲线数据挖掘各项指标5.3桥梁监测发展方向5桥梁监测第五十三页，共79页。4

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3

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computersReviewthedeployment4.Deploy数据挖掘的价值1.应急管理与灾害预警台风、地震、超载、船撞监测实时监控预警为业主提供应急管理服务和报告（两年免费，后期收费）2.桥梁状态识别与评估恒载状态的改变承载能力、耐久性演变为业主提供养护管理服务和报告3.设计验证设计模型验证设计理论的改进规范修编4.足尺模型与科研大跨度桥梁抗风抗震研究全寿命研究结构控制技术数据挖掘5桥梁监测第五十四页，共79页。数据挖掘数据挖掘的实施手段数据挖掘和在线分析处理（OLAP）系统研发数据挖掘技术人才培养数据仓库的建立（北京数据中心+大桥现场中心）专家、教授顾问团队支持5桥梁监测第五十五页，共79页。按照监测目的的不同，桥梁健康监测可分为“长期监测”和“短期监测”两种类型。长期监测是指不间断的长期数据采集；短期监测则是周期性的或临时性的数据采集。目前，国内的健康监测系统主要是长期监测系统。其特点是不分监测项目，均是不间断的连续采集，暴露出来的主要缺陷包括：（1）造成了海量的数据，分析难度很大；（2）受制于资金压力，监测系统规模有限，无法提供全面的数据。（3）在系统建构时，由于无法准确预测未来需求的变化，造成系统灵活性不足。基于以上的原因，目前正在考虑加强短期监测在整个健康监测业务中的比重。采用长短结合的方式，将目前的庞大的、固定的监测系统变为精悍的、灵活的健康监测系统。短期监测5桥梁监测第五十六页，共79页。6桥梁评估、评定和养护管理第五十七页，共79页。6.1桥梁评估基于健康监测系统的综合评估内力状态识别索力识别线形识别模态识别安全性评估车辆荷载分析台风分析地震分析船撞分析适用性评估行车舒适度评价、异常振动耐久性评估钢结构疲劳分析钢筋混凝土腐蚀分析6桥梁评估、评定和养护管理第五十八页，共79页。6.1桥梁评估6桥梁评估、评定和养护管理混凝土结构耐久性评估由于现阶段针对公路桥梁混凝土结构的耐久性评估暂无专门规范，因此对桥梁混凝土结构耐久性评估工作可按以下思路展开：1）基于评定标准的评估2）基于原设计规范和设计标准的评估3）基于专项评估体系的评估第五十九页，共79页。6桥梁评估、评定和养护管理6.2桥梁评定现有公路桥梁检测评定规范体系第六十页，共79页。6.2桥梁评定现有公路桥梁检测评定规范体系6桥梁评估、评定和养护管理第六十一页，共79页。6.2桥梁评定1.《公路桥涵养护规范》养护规范为桥梁技术状况的评定，提供了三种方法，推荐采用考虑桥梁各部件权重的综合评定方法。桥梁技术状况评定6桥梁评估、评定和养护管理第六十二页，共79页。6.2桥梁评定桥梁技术状况评定2.《公路桥梁技术状况评定标准》6桥梁评估、评定和养护管理第六十三页，共79页。6.2桥梁评定桥梁技术状况评定2.《公路桥梁技术状况评定标准》构件和部件评分6桥梁评估、评定和养护管理第六十四页，共79页。6.2桥梁评定桥梁技术状况评定2.《公路桥梁技术状况评定标准》评分计算技术状况评分技术状况等级Dj1类2类3类4类5类Dr(SPCI、SBCI、BDCI)[95，100)[80，95)[60，80)[40，60)[0，40)6桥梁评估、评定和养护管理单项指标一票否决第六十五页，共79页。6.3养护管理平台体系设计类型一新建大型桥梁——全面的结构安全监测系统Title类型二类型三类型四新建桥梁——部分的结构安全监测系统既有桥梁——部分的结构安全监测系统既有桥梁——单项结构安全监测系统自动化监测为主人工巡检为辅人工巡检为主自动化监测为辅6桥梁评估、评定和养护管理第六十六页，共79页。平台架构桥梁结构养护管理平台架构

6.3养护管理平台6桥梁评估、评定和养护管理第六十七页，共79页。6.3养护管理平台1基于WEBGIS进行区域桥梁信息管理2基于三维构件信息化的虚拟现实技术3基于手机、平板电脑的手持终端一体化养护平台4完善的桥梁知识库桥梁助手辅助管理决策6桥梁评估、评定和养护管理第六十八页，共79页。桥梁管养体系的地位和作用6.4桥梁管养体系研究桥梁管养体系是指养护模式、组织机构、养护流程、养护制度等。它是养护工作保证桥梁养护工作顺利开展的体制保证。6桥梁评估、评定和养护管理第六十九页，共79页。养护模式养护模式经常性检查定期检查和特殊检查小修保养大中修代表性桥梁管理型外包专业公司常驻外包外包外包杭州湾大桥、舟山连岛工程实体型自己承担（养护大队）外包自己承担外包江阴大桥、润扬大桥、福建青州闽江桥

特大桥养护趋势：建立“分项养护、总体评估”的专业化养护体系和多层次的专家顾问体系。6.4桥梁管养体系研究6桥梁评估、评定和养护管理第七十页，共79页。养护机构管理型：杭州湾大桥实体型：江