淡丹輝-大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)踐與展望

內(nèi)容摘要重大基礎(chǔ)設(shè)施健康監(jiān)測研究的沿革的簡單回顧大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的基本考慮東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐案例一:2007-1-2船撞事件的快速評(píng)估案例二:2008年‘5-12汶川大地震’后上海東海大橋的地震預(yù)警討論和展望重大基礎(chǔ)設(shè)施健康監(jiān)測研究的沿革最近一些重大的國內(nèi)外基礎(chǔ)設(shè)施的安全事故：2007年8月1日美國明尼蘇達(dá)州大橋坍塌2007年8月13日，鳳凰堤溪大橋倒塌2007年6月15日廣東佛山九江大橋船撞倒塌事件。2008年3月27日寧波金塘大橋

2007-09-10印度海得拉巴立交橋坍塌2008年5月12日汶川地震中的橋梁倒塌

重大基礎(chǔ)設(shè)施健康監(jiān)測研究的沿革保障重大基礎(chǔ)設(shè)施（橋梁、道路、涵洞、大壩）的安全、健康的發(fā)揮功能，是一件極其重要的事情。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)就是用現(xiàn)代高科技的手段來保障橋梁在運(yùn)營期安全、為橋梁的管理養(yǎng)護(hù)服務(wù)的它將傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、通訊技術(shù)與土木工程技術(shù)相結(jié)合，可以極大地滿足對(duì)橋梁安全及管理養(yǎng)護(hù)的需要。重大基礎(chǔ)設(shè)施健康監(jiān)測研究的沿革最初概念的提出：上個(gè)世紀(jì)八十年代。1987年，英國在總長522m的三跨變高度連續(xù)鋼箱梁橋Foyle橋上布設(shè)傳感器。此后，挪威、美國、丹麥、墨西哥、日本和韓國均在其國內(nèi)發(fā)展了規(guī)模不等的數(shù)十個(gè)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。甚至泰國也在其Rama橋上安設(shè)了橋梁監(jiān)測系統(tǒng)（由同濟(jì)大學(xué)負(fù)責(zé)為其設(shè)計(jì)）。我國（包括港澳地區(qū)）在這一領(lǐng)域的起步稍晚，但進(jìn)步很快，從早期香港的青馬大橋，我國內(nèi)地的虎門大橋、徐浦大橋、江陰長江大橋，蘇通大橋、洞庭湖大橋，到目前的東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)，短短十?dāng)?shù)年，我國已經(jīng)在此新興領(lǐng)域走在了世界前列。筆者作為主要人員，全程參與了東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)科研、設(shè)計(jì)、實(shí)施及其運(yùn)行后的分析、二次開發(fā)工作。大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的基本考慮東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的基本考慮東海大橋是上海深水港的物流輸送動(dòng)脈，橋梁總長31公里，是我國第一座長距離跨海大橋。作為我國的生命線工程，在其結(jié)構(gòu)建成后，在上述惡劣環(huán)境下，其安全性、耐久性如何將成為很重要的問題。大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的基本考慮東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的基本考慮概念設(shè)計(jì)理論框架大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的基本考慮東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的基本考慮概念設(shè)計(jì)理論框架大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的基本考慮東海大橋損傷及性能演變分析(a)不均勻沉降下連續(xù)梁橋的頻率變化(b)收縮徐變和預(yù)應(yīng)力損失下連續(xù)梁橋的頻率變化(c)單位溫度作用下主塔不同位置的水平位移(d)移動(dòng)重車下主航道橋的幾何變形(e)實(shí)測風(fēng)場下主航道橋的幾何變形東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

在概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目組于2005年完成系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)，并于2006年５月工程實(shí)施完成，2006年６月正式運(yùn)行，至今已經(jīng)平穩(wěn)地了運(yùn)行將近兩年。圖６給出系統(tǒng)照片。其中，可以從以下網(wǎng)址訪問系統(tǒng)：（

）。(a)加速度傳感器(c)GPS接收器(b)FBG應(yīng)變傳感器(d)B/S架構(gòu)的系統(tǒng)軟件界面東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)由實(shí)時(shí)監(jiān)測和人工檢測兩部分組成，其實(shí)時(shí)監(jiān)測部分由11個(gè)采集工作站、478個(gè)傳感器組成的分布式監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了功能的‘多級(jí)跳’，既東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)不僅是一個(gè)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、管理系統(tǒng)，而且實(shí)現(xiàn)了采樣控制、數(shù)據(jù)的在線初步處理、數(shù)據(jù)的邏輯組內(nèi)信息融合、邏輯組間相關(guān)性分析，更重要的是，實(shí)現(xiàn)了基于多層次模糊推理橋梁的在線狀態(tài)評(píng)估。和同期國內(nèi)外其他橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)精心設(shè)計(jì)、功能較為完備、先進(jìn)，初步解決了數(shù)據(jù)海量堆積而無力處理的難題，而且將其它一些系統(tǒng)需要離線處理的問題在線予以實(shí)現(xiàn)，初步解決了監(jiān)測數(shù)據(jù)如何用于橋梁的日常評(píng)估養(yǎng)護(hù)問題。東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)走到了世界的前列

筆者曾于2007年九月代表東海大橋健康監(jiān)測項(xiàng)目組在美國斯坦福大學(xué)參加有關(guān)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的國際學(xué)術(shù)會(huì)議，也曾受邀訪問對(duì)美國新澤西州里大學(xué)、里海大學(xué)。從交流情況來看，目前西方國家和日韓在此領(lǐng)域上多處于學(xué)術(shù)論證和工程試驗(yàn)階段。東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)無論就其傳感器數(shù)目和種類、系統(tǒng)復(fù)雜程度、實(shí)時(shí)程度、穩(wěn)定程度，還是對(duì)數(shù)據(jù)的處理深度和評(píng)估利用程度，均給與會(huì)的世界各國人員留下深刻印象。

東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐自東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行近兩年來，該系統(tǒng)成功地為東海大橋的管理養(yǎng)護(hù)發(fā)揮了重要作用。同濟(jì)大學(xué)也利用該系統(tǒng)進(jìn)行了大量的科研工作，為保障大海大橋的運(yùn)營安全和保障上海洋山港的繁忙的運(yùn)輸暢通發(fā)揮了作用。下面給出兩個(gè)實(shí)例，說明該系統(tǒng)在保障基礎(chǔ)設(shè)施安全性方面的重要作用。東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐案例一:2007-1-2船撞事件的快速評(píng)估

2007年１月２日凌晨一點(diǎn)到兩點(diǎn)間，東海大橋的顆珠山斜拉橋PM473墩遭到一只大約兩千噸級(jí)的運(yùn)砂船的撞擊，東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)忠實(shí)記錄了此次撞擊事故，事故發(fā)生后，本文作者應(yīng)管理部位的要求，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，并據(jù)此提出了船撞事故的預(yù)警及事后結(jié)構(gòu)評(píng)估方案。東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐案例一:2007-1-2船撞事件的快速評(píng)估(a)船撞前后MAC(1,1)的比較(b)船撞前后MAC(2,2)的比較(a)船撞前后模態(tài)頻率的比較(b)船撞前后模態(tài)阻尼比的比較東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐案例一:2007-1-2船撞事件的快速評(píng)估快速評(píng)估得到如下結(jié)論：并據(jù)此得出撞擊對(duì)橋的正常運(yùn)營影響不大的初步結(jié)論，橋在當(dāng)日正常使用。模態(tài)參數(shù)在船撞前后無明顯變化，這反映了結(jié)構(gòu)的安全性。在船撞后的模態(tài)保證因子有明顯的下降，這說明，由船撞事件對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性還是造成了一定的影響。分析原因，結(jié)論是撞擊對(duì)梁和墩間的支座有少許影響，從而使結(jié)構(gòu)的邊界條件有所改變。東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐案例二:2008年‘5-12汶川大地震’后上海東海大橋的地震預(yù)警

東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐案例二:2008年‘5-12汶川大地震’后上海東海大橋的地震預(yù)警

2008年5月12日下午14:40，東海大橋主航道橋地震監(jiān)測組及顆珠山橋地震監(jiān)測組均出現(xiàn)預(yù)警信息；該警報(bào)是根據(jù)布設(shè)于主航道橋和顆珠山橋橋塔承臺(tái)處的強(qiáng)震儀加速度響應(yīng)值來進(jìn)行預(yù)警的。本次預(yù)警發(fā)生在2008年5月12日14:36~14:39，持續(xù)時(shí)間約為3分鐘，警報(bào)級(jí)別為一般。經(jīng)分析并結(jié)合當(dāng)天下午四川省汶川發(fā)生的8.0級(jí)地震，本次預(yù)警針對(duì)的是汶川地震影響上海時(shí)東海大橋的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐案例二:2008年‘5-12汶川大地震’后上海東海大橋的地震預(yù)警東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐案例二:2008年‘5-12汶川大地震’后上海東海大橋的地震動(dòng)信號(hào)的快速分析和評(píng)估東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐案例二:2008年‘5-12汶川大地震’后上海東海大橋的地震動(dòng)信號(hào)的快速分析和評(píng)估東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐案例二:2008年‘5-12汶川大地震’后上海東海大橋的地震動(dòng)信號(hào)的快速分析和評(píng)估結(jié)論：汶川大地震對(duì)數(shù)千公里外的上海東海大橋產(chǎn)生了明顯的震動(dòng)影響由于地震能量經(jīng)過長距離傳播和衰減，本次地震對(duì)東海大橋結(jié)構(gòu)安全和正常使用不構(gòu)成任何威脅，大橋可以繼續(xù)使用。本次預(yù)警事件表明：人類對(duì)重大災(zāi)變事件來臨后對(duì)重大基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警的夢(mèng)想是完全可以實(shí)現(xiàn)的。東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)是世界上首次實(shí)現(xiàn)對(duì)地震的預(yù)警的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，這反映了我國在此領(lǐng)域已經(jīng)走在了世界前列。討論和展望

縱覽國內(nèi)外已有的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，可以將它們大致劃分為三代：第一代為早期單項(xiàng)監(jiān)測系統(tǒng)，傳感器種類有限，采集設(shè)備不安裝，間歇性監(jiān)測。第二代為集成監(jiān)測系統(tǒng)，傳感器種類大大豐富，采集系統(tǒng)完善，連續(xù)采集，有數(shù)據(jù)庫管理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。第三代為集成監(jiān)測診斷系統(tǒng)，在第二代的基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)對(duì)數(shù)據(jù)的處理，并利用數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的在線評(píng)估、在線預(yù)警，并為深入地離線評(píng)估提供便利；功能更加豐富，無線、internet等技術(shù)被用于系統(tǒng)之中；結(jié)合檢測和監(jiān)測，綜合系統(tǒng)。目前國內(nèi)外多數(shù)系統(tǒng)屬于第一到二代，而東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)屬于第三代的代表。討論和展望第四代的健康監(jiān)測系統(tǒng)尚處于概念之中，可以稱之為智能化橋梁健康監(jiān)測及診斷系統(tǒng)，主要的特征將是：采用具有特征抽取計(jì)算能力和身份辨識(shí)的智能型傳感器和主動(dòng)型傳感器構(gòu)成信息源，采用有線和無線混合型組網(wǎng)技術(shù)；系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模塊化和智能化；中央處理中心將免于負(fù)擔(dān)低層例行性的數(shù)據(jù)處理計(jì)算負(fù)荷，只需專注于邏輯型計(jì)算、力學(xué)層次的分析計(jì)算，實(shí)現(xiàn)智能化的在線的健康狀態(tài)評(píng)估及安全預(yù)警功能。這些概念的實(shí)現(xiàn)，需要投入大量的前期研究投入。目前，在東海大橋健康監(jiān)測取得寶貴敬仰的基礎(chǔ)上，我國將有機(jī)會(huì)在未來的幾座跨海、跨江大橋中部分實(shí)現(xiàn)第四代橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，這些著名工程包括,青島海灣大橋，港珠澳連接工程，上海幾座復(fù)雜的雙層斜拉橋閔浦大橋、閔浦二橋等。討論和展望

總之，筆者認(rèn)為，發(fā)展橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是很有必