桥梁结构健康监测技术-发展与挑战

桥梁结构健康监测技术——发展与挑战汇报提纲一健康监测技术的必要性二健康监测技术及其发展三应用案例中国桥梁30年桥龄以上占比（

）美国桥梁30年桥龄以上占比（

）大规模建设期90%投资用于旧桥维护改造在役桥梁老龄化加速到来世界第一桥梁大国公路桥梁超过75万座城市桥梁约10万座铁路桥梁约7万座。桥梁老龄化将加速到来对比中美30年桥龄的桥梁占比可以发现，美国从18增长到60，用了约60年的时间，而中国只要不到30年。1. 健康监测系统应用的必要性重庆綦江彩虹桥垮塌（40人死）河南栾川汤营伊河大桥（67人死）桥梁事故频发一

、在建役设桥背梁景安全与健康形势严峻大量桥梁未老先衰经济高速发展期建成桥梁：总量大、周期短、隐患多桥梁经过20年后，进入病害多发期美国主要桥梁垮塌事故成因一、建设背景2002年到2011年在役桥梁倒塌统计钢桥混凝土桥突发事件船只碰撞列车冲击地震破坏货车超载疲劳开裂 失稳断裂 风致颤振

拉索腐蚀断丝最大宽度2.4mm长期变形过大 混凝土开裂 钢筋锈蚀 支座病害1. 健康监测系统应用的必要性传统检查方法存在诸多缺点，限制决定了其无法直接有效地应用于大型桥梁的健康状况检查。需要大量人力、物力和财力并有诸多检查盲点；主观性强，难于量化；缺少整体性；影响正常交通运行；周期长，实时性差疾病诊断治疗检查监测检查维修诊断1. 健康监测系统应用的必要性结构健康监测系统传感器大脑神经中枢神经末梢人体神经系统

传输网状态评估健康监测——为桥梁构建神经系统1. 健康监测系统应用的必要性2.

健康监测技术及其发展工程应用应用数量：已在国内外超过300座桥梁上应用（不完全统计）应用范围：逐步从特大跨径桥梁向常规桥梁拓展应用功能：与电子化人工巡检系统和养护管理系统系统逐步融合W4E3E2EEast1W2W3W4WWIMWIMNumberofsensors

>1200SensorsontheStonecutters

Bridge2、主要技术成果2、主要技术成果苏通大桥润扬大桥 江阴大桥崇启大桥泰州大桥淮安大桥灌河大桥南京三桥南京二桥南京四桥夹江大桥技术政策交通运输部对桥梁健康监测已有制度要求《公路桥梁养护管理工作制度》：对特别重要的特大桥，应建立符合自身特点的养护管理系统和健康监测系统《十二五公路养护管理发展纲要》：重点加强桥隧养护管理工作，强化健康监测和实施监控系统建设……多个城市对桥梁健康监测提出明确要求天津市市政管理局发布《关于加强市政公路路桥梁设施运行安全管理工作意见的通知

》：“凡新建设的重要（特殊）市政公路桥梁设施，必须同步建设桥梁健康监测系统；在用的重要（特殊）市政公路桥梁设施，要加装并完善桥梁健康监测系统”2.

健康监测技术及其发展技术发展数据存储与传输技术瓶颈已基本被突破传感器方面精度与长期稳定性已有较大提高技术标准方面正在形成体系（ISHMII、CECS、天津、上海、江苏）结构评估方法理论上成立，实验室可行，但现场应用瓶颈尤存2.

健康监测技术及其发展提高发现速度65.865.46564.664.263.863.46362.662.261.861.4-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

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6

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14

15温度(℃)高程(m)使趋势推演成为可能实现观察验证、指导今后2.

健康监测技术及其发展所起作用突发性损伤

——累积性损伤 ——隐蔽部位 ——桥梁设计 ——3.

应用案例案例1：江阴大桥健康监测系统升级改造——细节决定成败原系统概况系统于1999年建成英国Jams

Scott

公司设计

，Strainstall公司施工造价2000万元人民币原系统运行情况数据管理——数据加密，仅能在专有系统中查阅数据分析——仅有简单统计陆续损坏，2004年初，全面瘫痪3.

应用案例案例1：江阴大桥健康监测系统升级改造——细节决定成败主要技术措施：序号原系统故障分析升级改造技术对策1外展散热条件不足开发了具有智能控温功能的仪器仓房，对外站仪器、设备进行温度的自动调节2系统雷电防护不足在传感器输入回路中增加高压隔离模块、在电源系统中增加隔离保护环节、在外站硬件中加入看门狗（watch

dog）等技术防止感应雷电造成对系统损坏3硬件结构存在问题外站数据采集单元（DART）系统采用标准工业控制计算机，采集卡采用NI公司生产的工业级数据采集模块，以保证硬件可靠性4外站硬盘长期在线工作问题系统中采用大容量电子盘作为本地数据记录的缓冲器，从而减少了硬盘在线运行时间，增加其可靠性和寿命。5软件的封闭性软件开发采用工控领域的前沿技术——“虚拟仪器”系统实现6系统缺少必要维护建立定期检查及维护制度，保证系统的正常运行3.

应用案例案例1：江阴大桥健康监测系统升级改造——细节决定成败2004年进行升级改造，目前已良好运行10年案例1：江阴大桥结构健康监测系统升级改造——细节决定成败3.

应用案例更准确进行苏通大桥等大桥在强/台风作用下的影响分析与可能损伤分析；对今后类似大桥的抗风设计具有指导意义案例2：台风影响分析——指导今后桥梁设计首次建立了基于长期实测的华东沿海地区强/台风谱模型。2005:

麦莎、泰利、卡努台风2006:

桑美台风2007:

圣帕、韦帕、罗莎台风2008：海鸥、凤凰森拉克台风2009：莫拉克台风2010: 圆规台风2011：梅花台风2012：海葵、达维台风实测0.030.110-210-1100101国外Kaimal谱实测数据拟合风谱nSu/(u*)2(u*)2nSu

(n)

29.68

f

1

200

f

0.7845(u*)2nSu

(n)

47.64

f

1

200

f

0.8875

0.8731unS

(n)(u*)21 4nz/U（Hz）

0.743

f（0.02343*39.93-2/3）

1

0.01158

f

0.02343

39.930 100

200

300

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500

6000.50.0-0.5-1.0-1.5-2.01.01.5Displacementresponse

(m)Time

(sec)静风和脉动风导致的竖向位移响应

静风，脉动风和自激力导致的竖向位移响应静风和脉动风导致的侧向位移响应3.

应用案例案例3：崇启大桥TMD设计与抑振作用分析——指导与验证设计010111213141516171840 80 120

160

200

240

280

320

360风向（度）风速(m/s)安装TMD之前安装TMD之后1011121617024681012141613 14 15风速(m/s)加速度)lga(DMT安装TMD前后风速风向

安装TMD前后主梁加速度

TMD加速度通过监测，确定TMD参数，安装TMD后，主梁振动明显减小。六跨钢连续梁桥102m+4*185m+102m=944m主跨TMD阻尼器010 120.050.10.150.2主梁加速度(gal)安装TMD之前安装TMD之后14 16 18风速(m/s)安装TMD前后（2012年5月

VS

2013年8月）3.

应用案例案例4：伸缩缝监测——找出常规检测无法发现的病因众所周知，桥梁伸缩装置是桥梁中最易破损且难以维修的部位。据美国及我国的统计数据，在部分功能失效的桥梁中，其中问题的一半是在伸缩缝上；日本东名高速公路通车后8年间，伸缩缝的平均修补次数为1.6次/缝。3.

应用案例钢梁被拉开伸缩梁与承载箱相碰江阴大桥主桥伸缩缝病害不锈钢滑板滑动支座案例4：伸缩缝监测——找出常规检测无法发现的病因1999年建成，2003年出现伸缩缝病害，2006年更换设计寿命40年3.

应用案例润扬大桥主桥伸缩缝病害装置下部装置上部磨损情况磨损情况案例4：伸缩缝监测——找出常规检测无法发现的病因3.

应用案例主桥伸缩缝更换老缝拆除8X173.1251385JingjiangOFS1-1Temp336.5JiangyinOFS9-9OFS2-2OFS3-3OFS4-4OFS5-5OFS6-6OFS7-7

OFS8-8309Temp案例4：伸缩缝监测——找出常规检测无法发现的病因3.

应用案例121416182022Time

(h)Effectivetemperature

(oC)051015202025406080100120Averagedisplacement

(mm)TemperatureDisplacement100150D=10.859T-250.325m 50)mnt 0(eme

-50capldi

-100slnaudi

-150tiong

-200L-250-300350-

-5

0

5

10

15

20

25

30Effectivetemperature

(oC)案例4：伸缩缝监测——找出常规检测无法发现的病因3.

应用案例每小时平均位移：3373mm;每天平均累积位移：80.96m,每年累计位移：29.55km每小时平均位移：3890mm;每天平均累积位移：93.36m,每年累计位移：34.08km每小时平均位移：308mm;每天平均累积位移：7.38m,每年累计位移：2.69km润扬大桥苏通大桥案例4：伸缩缝监测——找出常规检测无法发现的病因3.

应用案例01051520612182时间(h)0位移05.09.15通道705.09.15通道806.09.15通道706.09.15通道8案例4：伸缩缝监测——找出常规检测无法发现的病因解决方案江阴大桥、润扬大桥：纵向阻尼器+高耐磨滑块+限位装置估算或实测行程特征；伸缩缝设计；伸缩缝寿命预测；异常监测与更换。推广：2006年3月2007年3月2008年3月时间（天）450040003500300025002000150010005000161116212631累计位移(m)3.

应用案例案例5：