高速公路結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

高速公路結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究湖北滬蓉西高速公路建設(shè)指揮部2008年10月中交橋梁技術(shù)有限公司匯報(bào)內(nèi)容橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹西部課題項(xiàng)目概況西部課題階段成果成果在依托工程上應(yīng)用及在其他項(xiàng)目上推廣情況介紹第一部分橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹1橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概念橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)指的是在橋梁上安裝傳感器系統(tǒng)，對(duì)結(jié)構(gòu)荷載和結(jié)構(gòu)受力響應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析結(jié)果用于橋梁評(píng)估的一套硬件和軟件系統(tǒng)總稱。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般包括：（1）傳感器系統(tǒng)（2）數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)（3）數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)（4）結(jié)構(gòu)評(píng)估系統(tǒng)，四個(gè)部分。2從橋梁管理角度看監(jiān)測(cè)系統(tǒng)橋梁使用中服務(wù)能力不斷下降，所以要定期對(duì)橋梁進(jìn)行維修。橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是獲得橋梁維修所需要信息的一種“重要手段”。國(guó)內(nèi)外許多著名的大型橋梁都安裝了橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中以香港幾座橋梁的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)較為著名。3橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用情況AnemometerAccelerometerTemperatureSensorStrainGaugeGPSRoverStationDisplacementTransducerLevelSensingStationDataAcquisitionOutstation青馬橋中國(guó)香港AnemometerAccelerometerTemperatureSensorStrainGaugeGPSRoverStationDisplacementTransducerLevelSensingStationDataAcquisitionOutstation香港汀九橋AnemometerAccelerometerTemperatureSensorStrainGaugeGPSRoverStationDisplacementTransducerLevelSensingStationDataAcquisitionOutstationMaWanTower

LantauTower

香港汲水門大橋深港西部通道斜拉橋

中國(guó)香港AnemometerAccelerometerTemperatureSensorStrainGaugeDisplacementTransducerBarometer,RainGauge,HygrometerCorrosionSensorDigitalVideoCameraDataAcquisitionOutstationEastTowerWestTower1E2E3E4E1W2W3W4W

WIMWIMAnemometerAccelerometer&SeismometerTemperatureSensorStrainGaugeGPSRoverStationDisplacementTransducerBarometer,RainGauge,HygrometerCorrosionSensorDigitalVideoCameraWeigh-In-MotionSystemWIM昂船洲橋中國(guó)香港潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋蘇通長(zhǎng)江大橋西堠門大橋陽邏橋長(zhǎng)江大橋武漢長(zhǎng)江二橋天興洲大橋4橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的一些問題有些橋梁安裝了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但是對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析深度還不夠，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)與橋梁結(jié)構(gòu)健康評(píng)估相互脫節(jié)，同時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果如何應(yīng)用于橋梁決策支持也是沒有解決的問題。橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)本身最大的特點(diǎn)是不阻斷交通在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，給應(yīng)用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷分析帶來了巨大的困難，這也是國(guó)內(nèi)外理論界一直研究但是仍然沒有實(shí)質(zhì)性進(jìn)展的原因。橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與橋梁人工檢測(cè)數(shù)據(jù)沒有整合在一起，基本上還是分別使用不同的橋梁評(píng)估手段和方法。有些橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路基本與橋梁施工監(jiān)控相同，大量使用了靜態(tài)傳感器，而在不斷交通的情況下靜態(tài)傳感器采集的數(shù)據(jù)幾乎沒有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。國(guó)內(nèi)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍然處在重視建設(shè)，輕視數(shù)據(jù)分析階段。第二部分西部課題介紹1項(xiàng)目概況項(xiàng)目名稱高速公路結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究合同編號(hào)200531800037項(xiàng)目負(fù)責(zé)人白山云李毅謙周祖德曹傳林承擔(dān)單位湖北滬蓉西高速公路建設(shè)指揮部起止時(shí)間2005年第三季度至2009年第三季度參加單位中交橋梁技術(shù)有限公司武漢理工大學(xué)1.1項(xiàng)目基本信息表1.2項(xiàng)目大事記2005年5月份接到交通部立項(xiàng)通知書；2005年11月份在北京舉行了項(xiàng)目研究可行性報(bào)告專家評(píng)審會(huì)，并與交通部西部項(xiàng)目管理中心簽訂了項(xiàng)目任務(wù)書；2006年7月份在湖北武漢市舉辦了項(xiàng)目研究大綱和依托工程技術(shù)方案專家評(píng)審會(huì)；2006年10月份在武漢舉辦了四渡河大橋錨碇監(jiān)測(cè)專家評(píng)審會(huì)；2006年10月份在恩施給西部交通科技項(xiàng)目管理中心領(lǐng)導(dǎo)和專家組匯報(bào)了項(xiàng)目進(jìn)展情況；2007年12月份，在湖北野三關(guān)（滬蓉西指揮部第三工作站）舉辦了依托工程施工圖專家咨詢會(huì)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)方案專家咨詢會(huì)現(xiàn)場(chǎng)科研內(nèi)容健康監(jiān)測(cè)光纖光柵長(zhǎng)效傳感器測(cè)試技術(shù)的研究高陡邊坡變形破壞模式與穩(wěn)定性分析研究

橋梁承載能力評(píng)估方法研究傳感器優(yōu)化布點(diǎn)方法研究橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別方法研究橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法研究1.3項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容橋梁監(jiān)測(cè)

四個(gè)子課

題之間關(guān)系子課題1：橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究本項(xiàng)目中橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法研究擬從兩個(gè)方向有所突破和創(chuàng)新，一個(gè)方向是建立基于模態(tài)識(shí)別結(jié)果（振形、頻率和阻尼比等）的損傷識(shí)別指標(biāo)或者損傷識(shí)別方法，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果計(jì)算損傷識(shí)別指標(biāo)，并設(shè)定損傷識(shí)別指標(biāo)閥值（也就是認(rèn)為結(jié)構(gòu)發(fā)生了損傷時(shí)候識(shí)別指標(biāo)的限值），判定結(jié)構(gòu)是否發(fā)生了損傷，并確定損傷的大致位置。損傷識(shí)別另外一個(gè)思路是，基于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的數(shù)據(jù)（應(yīng)變、撓度、加速度等）應(yīng)用反分析的方法反演出結(jié)構(gòu)某個(gè)部位“剛度損傷”，而認(rèn)為出現(xiàn)了剛度損失的部位即為發(fā)生了損傷的位置。這種損傷識(shí)別方法將橋梁損傷統(tǒng)統(tǒng)以結(jié)構(gòu)“剛度損失”來表征。確定損傷大致位置后通過人工檢查確定損傷類型和程度。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器優(yōu)化布點(diǎn)研究的目的就是以最少的傳感器獲得盡可能多的損傷識(shí)別所需要的數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化研究要與所研究的損傷識(shí)別理論和模態(tài)識(shí)別理論直接相互關(guān)聯(lián)。子課題2：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器優(yōu)化布點(diǎn)研究測(cè)點(diǎn)有效性驗(yàn)證實(shí)例基于脈動(dòng)響應(yīng)的大橋環(huán)境激勵(lì)平穩(wěn)性估計(jì)方法；非平穩(wěn)環(huán)境激勵(lì)條件下，橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)脈動(dòng)識(shí)別方法修正；環(huán)境溫度變化對(duì)大型橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別的影響；基于橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)脈動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的模態(tài)參數(shù)識(shí)別研究（包括大型橋梁結(jié)構(gòu)密頻識(shí)別方法和實(shí)測(cè)響應(yīng)信號(hào)分析處理方法；子課題3：橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別研究建立精確并適合數(shù)值計(jì)算的分析模型；基于斷裂力學(xué)提出一種全新的失效模式；構(gòu)件疲勞累積損傷與抗力衰減分析；建立實(shí)用有效的動(dòng)力學(xué)模型；提出橋梁剩余承載力評(píng)估方法。子課題4：橋梁承載能力評(píng)估研究1.4項(xiàng)目依托工程介紹本項(xiàng)目依托工程包括四渡河特大橋、鐵羅坪特大橋、支井河特大橋和龍?zhí)逗犹卮髽虻人淖鶚蛄航Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；還包括了施家良子邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。四渡河特大橋?yàn)橹骺?00米的鋼桁架加勁梁懸索橋，鐵羅坪橋?yàn)橹骺?20米預(yù)應(yīng)力混凝土主梁的斜拉橋，支井河橋?yàn)橹骺?30米鋼管混凝土拱橋，而龍?zhí)逗哟髽驗(yàn)榭缍?05＋200×3＋105＝820米連續(xù)剛構(gòu)橋，最大墩高179米。施家良子邊坡包括東西兩個(gè)變形體，東變形體面積0.85萬平方米，平均厚度16.5m，體積月14.025萬立方；西變形體面積1.45萬平方米，平均厚度135.m，體積約19.575立方米。通過本項(xiàng)目的實(shí)施，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)滬蓉西高速上典型結(jié)構(gòu)物的“集群式”監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)通過骨干光線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)蕉魇┍O(jiān)控中心進(jìn)行集中分析處理。當(dāng)項(xiàng)目完成時(shí)候還要對(duì)每種結(jié)構(gòu)物人工檢查制度進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種項(xiàng)目規(guī)模在國(guó)際上都是罕見的，力爭(zhēng)項(xiàng)目成果達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。1.5項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃安排科研和工程實(shí)施工作流程圖第三部分西部課題一些階段性成果子課題1：橋梁損傷識(shí)別研究進(jìn)行了充分調(diào)研，收集了大量文獻(xiàn)，并完成了文獻(xiàn)述評(píng)損傷識(shí)別和傳感器優(yōu)化布置過程結(jié)合起來并交替實(shí)施，這樣可以減小初始經(jīng)驗(yàn)參數(shù)對(duì)優(yōu)化結(jié)果的影響。利用損傷識(shí)別過程中產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)信息提出了一種改進(jìn)的損傷參數(shù)識(shí)別方法。子課題3：傳感器布點(diǎn)優(yōu)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），目前該論文正在進(jìn)行第二輪評(píng)審；

M.S.Zhou,Y.Q.Li,Z.H.Xiang,G.Swoboda,Z.Z.Cen.AModifiedExtendedBayesianMethodforParameterEstimation.SecondAsia-PacificInternationalConferenceonComputationalMethodsinEngineering(ICOME)2006,Hefei,Anhui,China,Nov.2006完成了階段性課題“梁缺陷識(shí)別中測(cè)量點(diǎn)布置問題的研究”。研究了基于靜撓度測(cè)量值、常規(guī)最小二乘估計(jì)方法和高斯－牛頓法的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別算法。然后從損傷識(shí)別算法的適定性分析出發(fā)，推導(dǎo)了測(cè)量點(diǎn)合理布置的準(zhǔn)則，并詳細(xì)地介紹了相應(yīng)的組合優(yōu)化算法。最后用一些簡(jiǎn)單的算例來驗(yàn)證了這些算法的正確性。建立了用于損傷識(shí)別和傳感器布點(diǎn)優(yōu)化研究的四座橋梁有限元模型

子課題2：橋梁模態(tài)識(shí)別方法研究基于脈動(dòng)數(shù)據(jù)的高效時(shí)域模態(tài)識(shí)別技術(shù)’方面已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)用改進(jìn)的特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法進(jìn)行橋梁時(shí)域模態(tài)識(shí)別的軟件程序，并以香港青馬橋的成橋原始指紋測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)這個(gè)成果在其他橋梁上進(jìn)行了應(yīng)用。

用北京市110國(guó)道上實(shí)測(cè)汽車荷載數(shù)據(jù)研究了基于汽車荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立汽車荷載模型的方法。在‘用于評(píng)定即有橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際安全度的精確分析模型的建立原則的研究’方面，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)化模型給出的分析結(jié)果的錯(cuò)誤源，初步找到了建立精確分析模型的一些要點(diǎn)；在‘基于結(jié)構(gòu)可靠度理論的即有橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際安全度評(píng)定評(píng)估使用的荷載和抗力分項(xiàng)系數(shù)評(píng)估方法的研究’方面，已經(jīng)把公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中強(qiáng)度驗(yàn)算公式分類，已經(jīng)開始考慮恒載、車載、風(fēng)載聯(lián)合作用，用FORM方法對(duì)一個(gè)范圍的活載/恒載比對(duì)規(guī)范的每個(gè)公式計(jì)算其實(shí)際可靠度。.子課題4：橋梁承載能力評(píng)估方法研究北京市110國(guó)道汽車載重直方圖車型統(tǒng)計(jì)軸載分布統(tǒng)計(jì)（1）研究了山區(qū)高速公路巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分類；（2）研究出了邊坡位移預(yù)測(cè)的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法；（3）研究出了邊坡位移預(yù)測(cè)的微粒群算法；（4）開發(fā)了基于上述邊坡位移預(yù)測(cè)算法的計(jì)算程序，并在古樹屋滑坡和臥龍寺滑坡上進(jìn)行了應(yīng)用子課題5：邊坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)方法研究古樹屋滑坡位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與分析數(shù)據(jù)對(duì)比

臥龍寺滑坡位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與分析數(shù)據(jù)對(duì)比

項(xiàng)目研究主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在實(shí)際工程環(huán)境下，可靠地識(shí)別橋梁模態(tài)參數(shù)；在實(shí)際工程環(huán)境下，用不完備振型構(gòu)建對(duì)損傷高靈敏的損傷識(shí)別指標(biāo)；與模態(tài)識(shí)別和損傷識(shí)別相結(jié)合的傳感器優(yōu)化布點(diǎn)方法；根據(jù)現(xiàn)行公路橋設(shè)計(jì)規(guī)范的設(shè)計(jì)使用年限和時(shí)不變目標(biāo)可靠度指標(biāo)，并根據(jù)時(shí)變可靠度理論推斷受損橋梁結(jié)構(gòu)在后續(xù)使用年限內(nèi)的合理可靠度以及相應(yīng)的廣義可靠度指標(biāo)；用水準(zhǔn)2可靠度理論根據(jù)上述成果修正抗力分項(xiàng)系數(shù)，從而建立既有橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際安全度評(píng)定使用的荷載和抗力分項(xiàng)系數(shù)評(píng)估公式，并對(duì)照AASHTO，NCHRP的有關(guān)系數(shù)進(jìn)行檢查；高邊坡穩(wěn)定性判據(jù)和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型。高速公路結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系列光纖光柵長(zhǎng)效傳感器測(cè)試技術(shù)的研究。第四部分課題成果應(yīng)用及推廣情況1研究成果在依托工程上應(yīng)用情況2依托工程進(jìn)展情況完成了總體技術(shù)方案；四座橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)施工圖已經(jīng)完成，并于2007年12月進(jìn)行了評(píng)審?fù)瓿闪耸┘伊甲舆吰卤O(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)方案和詳細(xì)設(shè)計(jì)，正在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)傳感器安裝。龍?zhí)逗訕蚝丸F羅坪橋預(yù)埋傳感器的安裝完畢；支井河橋和四渡河橋傳感器正在隨著主體工程施工過程進(jìn)行安裝；傳感器安裝情況四渡河橋鐵羅坪橋支井河橋龍?zhí)逗訕驊?yīng)