中小跨徑橋梁結構健康監(jiān)測技術講稿2017.4.9杭州

中小跨徑橋梁結構健康監(jiān)測技術單位：交通運輸部公路科學研究院第一頁，共106頁。目錄Contents01中小跨徑橋梁健康監(jiān)測的必要性02中小跨徑橋梁健康監(jiān)測的現狀及存在問題03中小跨徑橋梁健康監(jiān)測從方案設計到數據分析的過程與實例展示04橋梁結構健康監(jiān)測未來展望第二頁，共106頁。我國公路橋梁的現狀分析一二三健康監(jiān)測的必要性橋梁事故統(tǒng)計分析大跨度橋梁和中小跨徑橋梁在養(yǎng)護管理方面的區(qū)別01中小跨徑橋梁健康監(jiān)測的必要性第三頁，共106頁。我國公路橋梁的現狀分析—總體規(guī)模2.7萬座/年第四頁，共106頁。2015年各類數量占比中小橋大橋特大橋89.3%10.2%0.5%2015年各類橋梁長度占比中小橋大橋特大橋1841.5萬米，40.10%2060.85萬米，44.87%690.42萬米，15.03%2015年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報，全國公路橋梁77.92萬座、4592.77萬米，比上年末增加2.20萬座、334.88萬米。其中，特大橋梁3894座、690.42萬米，大橋79512座、2060.85萬米，中橋17.5萬座、952.4萬米，小橋52.033萬座，889.09萬米。我國公路橋梁的現狀分析—總體規(guī)模從我國公路橋梁的數量統(tǒng)計比例分析表明：中小跨徑橋梁占主導地位。第五頁，共106頁。我國公路橋梁的現狀分析—橋梁老齡化加速到來第六頁，共106頁。我國公路橋梁的現狀分析—橋梁老齡化加速到來第七頁，共106頁。大規(guī)模建設時期90%投資用于舊橋維護改造我國公路橋梁的現狀分析—橋梁老齡化加速到來對比中美30年橋齡的橋梁占比發(fā)現，美國從18%到60%，用了60年時間，而中國只用了30年，中國橋梁老齡化將加速到來。第八頁，共106頁。我國公路橋梁的現狀分析—技術狀況第九頁，共106頁。我國公路橋梁的現狀分析—技術狀況第十頁，共106頁。上世紀八十年代以前修建的橋梁，設計荷載等級偏低公路橋梁設計荷載標準進行5次修訂，設計規(guī)范修訂3次不同時期修建的橋梁，設計荷載標準存在較大的差異急劇增長的交通量和運輸車輛的大型化，對橋梁設計荷載標準提出了挑戰(zhàn)80年代以前修建的橋梁，技術狀況總體偏差早期修建的低配筋率橋梁，對現行交通荷載的適應性差部分橋梁結構存在先天不足，造成突發(fā)安全事故橋梁疲勞損傷日益顯現，耐久性問題突出。我國公路橋梁的現狀分析—中小跨徑橋梁現狀技術狀況設計荷載第十一頁，共106頁。本節(jié)引用了西南交通大學l李亞東教授的《橋梁事故-分析與思考》相關數據。通過書籍、文獻、網絡等渠道收集到國內外一部分橋梁事故700例（國內138起，國外562起）。對事故的具體原因大致進行了分類（14大類），對事故進行統(tǒng)計分析的目的，在于了解總體情況，不具有統(tǒng)計學意義分析要素發(fā)生時間事故類型區(qū)域分布結構類型使用時長橋梁事故統(tǒng)計分析第十二頁，共106頁。橋梁事故統(tǒng)計分析-全壽命期間潛在的分析·

指正常設計、施工、養(yǎng)護條件下、采用懸臂施工的單座橋梁的潛在風險分析· 傾斜的 澡盆曲線 ？第十三頁，共106頁。以指一個國家、地區(qū)橋梁總體的發(fā)展變化情況，中國目前的情況，大體在新建與管養(yǎng)并重階段。各類橋梁事故，通常在“新建與管養(yǎng)并重階段出現，在”以管養(yǎng)為主的階段“表現更為突出；若多發(fā)生在新建為主的階段，則不正常。橋梁事故統(tǒng)計分析-橋梁建設的三階段第十四頁，共106頁。經濟發(fā)達和經濟高速發(fā)展的區(qū)域和國家，橋梁基數大，橋梁事故的次數相對也較多橋梁事故統(tǒng)計分析-事故發(fā)生的區(qū)域第十五頁，共106頁。橋梁事故統(tǒng)計分析-事故發(fā)生的階段第十六頁，共106頁。橋梁事故統(tǒng)計分析-事故發(fā)生的具體原因第十七頁，共106頁。橋梁事故統(tǒng)計分析-事故發(fā)生的具體原因（中國138座）第十八頁，共106頁。橋梁事故統(tǒng)計分析-事故分類第十九頁，共106頁。中小跨度的常規(guī)橋梁，形成了事故的主體大跨度橋梁出現整體垮塌的個案相對較少橋梁事故統(tǒng)計分析-事故發(fā)生的橋梁結構類型第二十頁，共106頁?！?美、歐橋梁事故從20世紀60年代起開始增多· 20世紀80年代以前，中國橋梁事故的信息相對欠缺中國橋梁事故從20世紀90年代起開始猛增，尤其是在最近10多年內橋梁事故統(tǒng)計分析-同時考察事故發(fā)生的時段和區(qū)段第二十一頁，共106頁。較為完備的技術法規(guī)體系專門配備了養(yǎng)護設備及技術力量。案例：大約260座，安裝了橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，占中小橋數量的0.004%。主管部門重視程度不夠，技術力量和資金投入嚴重不足。健康監(jiān)測系統(tǒng)大跨度橋梁中小跨徑橋梁基層管養(yǎng)單位力量薄弱。巡查、養(yǎng)護手段落后。信息傳遞不暢。.監(jiān)管特點普遍應用：2015年，統(tǒng)計結果300m以上跨徑的斜拉橋、懸索橋有208座，大約140座大跨度橋梁安裝了健康監(jiān)測系統(tǒng)，占斜拉橋、懸索橋總數的67%，費用占到橋梁造價的2%左右。橋梁養(yǎng)護組織保障體系大跨度橋梁和中小跨徑橋梁在養(yǎng)護管理方面的區(qū)別專門的養(yǎng)護管理中心。日常巡查、養(yǎng)護維修及時、到位。突發(fā)事故應急搶險和處理機制完善。橋梁養(yǎng)護管理人員專業(yè)素質較高。第二十二頁，共106頁。02中小跨徑橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)現狀及存在的問題12制約中小跨徑橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展的因素大橋、中小跨徑橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的區(qū)別第二十三頁，共106頁。制約中小跨徑橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展的因素1健康監(jiān)測系統(tǒng)造價國內健康監(jiān)測系統(tǒng)通常大而全，且由于由此帶來的高額費用而只能在特大跨徑的橋梁工程中應用，而未能重視針對單一問題建立簡單監(jiān)測系統(tǒng)并在中小跨徑橋梁中予以應用拓展。

2標準體系《公路橋梁結構安全監(jiān)測系統(tǒng)技術規(guī)程》(JT/T1037-2016)，《結構健康監(jiān)測系統(tǒng)設計標準》（CECS333:2012）標志著大跨徑橋梁監(jiān)測系統(tǒng)設計技術從總體上而言已經趨于成熟和規(guī)范。而對于中小型橋梁健康監(jiān)測與預警系統(tǒng)的設計缺乏整體性，規(guī)范性的指導原則，還沒有建立科學、統(tǒng)一的設計標準。3傳感器的優(yōu)化布置算法還有待于進一步研發(fā)。中小型橋梁健康監(jiān)測與預警系統(tǒng)的傳感器先行分布設計仍然處于探索階段，對已經出現破損情況的橋梁如何加配傳感器還不明確等。4新技術的及時應用和更新還處于滯后階段。第二十四頁，共106頁。采樣頻率fs:表示每秒鐘采集的數據點數。時間分辨率：兩個數據點之間的時間間隔，為采樣頻率的倒數。例子：單頻信號：頻率10Hz，幅值1V。大橋、中小跨徑橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的區(qū)別—采樣頻率第二十五頁，共106頁。采樣頻率荷載響應

大橋對采樣頻率的要求較低，小橋要求較高。頻域采樣定理：Fs=2.56Fm，時域至少10倍以上《橋梁健康監(jiān)測》（赫爾穆特.文策爾著）書中，對采樣頻率的最低要求100Hz，國外的研究成果表明，較高的采樣率，會提高數據的準確性。如果數據的存儲和傳輸不是問題，建議使用200Hz或者500Hz的采樣率，低采樣率下得到的記錄長度會對結構評級造成負面影響。大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)不適用于中小跨徑橋梁，中小跨徑橋梁對傳感器的采樣頻率要求更高。結論大橋、中小跨徑橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的區(qū)別—采樣頻率第二十六頁，共106頁。橋梁照片橋梁橫斷面橋梁信息為分析中小跨徑撓度感知特點，選擇橋梁結構為一跨徑12m的鋼筋混凝土簡支T梁橋，橋面縱向為平坡，橫向為1.5%雙向橫坡；橋面寬度為：行車道9m、兩側各設人行道0.85m。大橋、中小跨徑橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的區(qū)別—采樣頻率第二十七頁，共106頁。位移傳感器布置圖設備類型采樣頻率LVDT-1以支架為基準100HZLVDT-2以張力線為基準撓度沉降儀10HZ電子百分表1HZ大橋、中小跨徑橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的區(qū)別—采樣頻率第二十八頁，共106頁。電子百分表撓度沉降測試儀測試結果LVDT-1LVDT-2大橋、中小跨徑橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的區(qū)別—采樣頻率第二十九頁，共106頁。用固定支架的LVTD傳感器測試結果和以張力線為基準結果基本一致，其中最大值和最小值的相對偏差分別為2.11%和4.04%，均在5%之內。撓度沉降儀和機電百分表相對于以固定支架為支點的LVDT測試結果偏差均非常大，主要原因在于，二者的響應頻率較低，測試結果不能反映正常運營下橋梁結構的動態(tài)撓度變化。其中機電百分表測試的最大值和最小值的相對LVTD-1測試結果偏差分別為83.7%和38.6%。序號儀器設備撓度最大值(mm)撓度最小值(mm)備注1LVDT-11.944-2.896以支架為基準2LVDT-21.985-3.013以張力線為基準3撓度沉降儀0.440-1.982以張力線為基準4電子百分表0.316-1.779以支架為基準

四個傳感設備測試的撓度幅值大橋、中小跨徑橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的區(qū)別—采樣頻率第三十頁，共106頁。LVDT傳感器的響應頻帶較寬，且其峰值頻率對應的響應頻率分別均處于橋梁一階豎向自振頻率(9.29Hz)附近以及一階自振頻率的倍頻范圍內。由此可知LVDT傳感器可測定正常運營下橋梁結構的靜動態(tài)撓度響應。LVDT-1測試數據幅值譜LVDT-1測試數據功率譜測試數據分析大橋、中小跨徑橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的區(qū)別—采樣頻率第三十一頁，共106頁。對比LVDT1測定的梁體的撓度信號幅值譜和功率譜，可以看出試驗采用的撓度沉降儀由于其響應頻率較低，只能測定9.6Hz以下的梁體結構撓度變形。撓度沉降儀測試數據功率譜撓度沉降儀測試數據功率譜測試數據分析大橋、中小跨徑橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的區(qū)別—采樣頻率第三十二頁，共106頁。中小跨徑大橋

大橋結構變形監(jiān)測對儀器精度要求較低，中小跨徑要求較高。結論大橋、中小跨徑橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的區(qū)別—儀器精度

第三十三頁，共106頁。03中小跨徑橋梁健康監(jiān)測從設計到數據分析的過程與實例展示132結構健康監(jiān)測概念健康監(jiān)測系統(tǒng)各子系統(tǒng)介紹結構健康監(jiān)測的應用舉例第三十四頁，共106頁?？鐚W科綜合性技術+荷載響應+損傷識別+結構的長期退化系統(tǒng)結構圖專業(yè)解釋：結構健康監(jiān)測(StructureHealthMonitoring，簡稱SHM)，通過分析定期采集的結構布置的傳感器陣列的動力響應數據來觀察體系隨時間推移產生的變化，損傷敏感特征值的提取并通過數據分析來確定結構的健康狀態(tài)。通俗解釋：結構健康監(jiān)測是通過對結構的物理力學性能進行無損監(jiān)測，實時監(jiān)控結構的整體行為，對結構的損傷位置和程度進行診斷，對結構的服役情況、可靠性、耐久性和承載能力進行智能評估，為結構在突發(fā)事件下或結構使用狀況嚴重異常時觸發(fā)預警信號，為結構的維修、養(yǎng)護與管理決策提供依據和指導。結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的概念第三十五頁，共106頁。

監(jiān)測期間應進行巡視檢查和系統(tǒng)維護，監(jiān)測前應根據各方的監(jiān)測要求與設計文件明確監(jiān)測目的，結合工程結構特點、現場及周邊環(huán)境條件等因素，制定監(jiān)測方案。橋梁結構監(jiān)測應設定監(jiān)測預警值，監(jiān)測預警值應滿足工程設計及被監(jiān)測對象的控制要求。監(jiān)測期間，監(jiān)測結果應與結構分析結果進行適時對比，當監(jiān)測數據異常時，應及時對監(jiān)測對象與監(jiān)測系統(tǒng)進行核查，當監(jiān)測值超過預警值時應立即報警。下列工程結構的監(jiān)測方案應進行專門論證：①特大及結構形式復雜的橋梁結構；②發(fā)生嚴重事故，經檢測、處理與評估后恢復施工或使用的工程結構；③監(jiān)測方案復雜或其他需要論證的工程結構。橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)—一般規(guī)定及流程第三十六頁，共106頁。橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)—方案設計原則經濟實用在確定監(jiān)測方法時,要根據結構的特點,選擇適當的監(jiān)測方法,盡量經濟實用。統(tǒng)籌規(guī)劃測點選擇多方案比選在選擇監(jiān)測儀器時,不能片面追求精、高、多、大、全。應根據監(jiān)測內容所需要的精度、可靠度等要求統(tǒng)籌考慮,既要能滿足監(jiān)測要求,又要滿足經濟性原則。測點要選擇結構的關鍵部位布置。a、應力依據內力最大、應力最大原則,綜合考慮結構受力分析結果進行選擇。b、變形測點選擇原則:根據構件燒度最大原則選則。c、動力(加速度)測點選取原則:根據理論振型選擇測點。根據實際情況,定制幾套不同的監(jiān)測方案,有條件的話同一測點可用不同的監(jiān)測方法進行校對。針對不同的監(jiān)測方案,要進行方案的比較和驗證工作,,特別要避免單方面追求高精度、多參數,脫離實際需要的監(jiān)測方案。方案設計原則第三十七頁，共106頁。架構傳感器子系統(tǒng)數據采集與處理子系統(tǒng)數據傳輸子系統(tǒng)數據存儲子系統(tǒng)結構損傷識別與安全評估子系統(tǒng)用戶界面子系統(tǒng)存在的問題成本高后期維護使用復雜建設周期長橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)—系統(tǒng)組成第三十八頁，共106頁。橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)—系統(tǒng)總體框架第三十九頁，共106頁。傳感器子系統(tǒng)由用于結構長期監(jiān)測的各類傳感器組成,主要包括各種智能傳感元件,通過各智能傳感元件感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息,主要完成各種監(jiān)測信號的拾取和轉換。傳感器作為監(jiān)測系統(tǒng)的基本組成部分,在整個系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用。根據不同的監(jiān)測需要,主要有應變傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、速度傳感器、溫度傳感器、攝像機等。傳感器主要是將待測的物理量轉變?yōu)殡娦盘柣蚬庑盘枴鞲衅髯酉到y(tǒng)橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)—傳感器子系統(tǒng)第四十頁，共106頁。主梁撓度監(jiān)測支座變形監(jiān)測墩臺沉降監(jiān)測主梁應力監(jiān)測裂縫監(jiān)測體外預應力監(jiān)測主梁溫度監(jiān)測環(huán)境溫度監(jiān)測車輛荷載監(jiān)測現場監(jiān)測主梁振型監(jiān)測頻率、阻尼比監(jiān)測傳感器子系統(tǒng)—監(jiān)測參數第四十一頁，共106頁。頻響特性精度穩(wěn)定性測量對象及環(huán)境靈敏度線性范圍613254傳感器選型原則傳感器子系統(tǒng)—傳感器選型原則第四十二頁，共106頁。人工監(jiān)測利用簡單的儀器,定期用人工監(jiān)測。這種方法簡單,成本低。但費時,費力,監(jiān)測的誤差比較大自動化監(jiān)測采用各類傳感器及數據采集系統(tǒng)對結構進行在線實時監(jiān)測,這種方法自動化程度高,準確性高,但成本較大。聯(lián)合監(jiān)測將人工監(jiān)測和自動監(jiān)測結合起來,利用一些小型的自動化程度較高的監(jiān)測設備,配合人工監(jiān)測。這種方法適用于一般常規(guī)的結構,是目前比較常用的一種監(jiān)測方法。監(jiān)測方式分類橋梁變形的分類靜態(tài)變形：通常指變形觀測的結果只表示某一期間內的變形值，例如：墩臺變形。動態(tài)變形：指在外力影響下而產生的變形，它是以外力為函數表示的對于時間的變化，其觀測結果是表示橋梁某個時刻的瞬時變形，例如：橋梁結構的撓度變形。傳感器子系統(tǒng)—橋梁變形的分類及監(jiān)測方式第四十三頁，共106頁。自動化監(jiān)測人工監(jiān)測人工監(jiān)測精密水準測量全站儀坐標法酌情選取自動化監(jiān)測北斗/GPS監(jiān)測測量機器人監(jiān)測靜力水準儀監(jiān)測LVDT位移傳感器監(jiān)測橋梁撓度沉降儀監(jiān)測變形監(jiān)測手段隨著科技的發(fā)展和現場的需要不斷地向前發(fā)展和革新。每一種手段技術都有它的優(yōu)勢和不足，監(jiān)測范圍和精度有差異，適用性也不同。在不同的監(jiān)測目標下，綜合考慮監(jiān)測成本和監(jiān)測精度，采用不同的技術手段，監(jiān)測效果和效率會有所不同。將兩種甚至更多技術融合起來，功能可以互補起來，將會起到更好的效果，這也將是以后發(fā)展的趨勢。總結中小跨徑傳感器子系統(tǒng)—橋梁變形的分類及監(jiān)測方式第四十四頁，共106頁。測試原理：根據安裝在橋梁各處連通管內液面高度的變化獲得橋梁撓度的變化。當橋梁梁體發(fā)生變形時，固定在梁體上的水管也將隨之移動，此時，各豎直水管內的液面將與基準點處的液面保持在同一水平面，但各測點處的豎直水管液面卻發(fā)生了大小不等的相對移動，測得的相對位移量即是該被測點的撓度值。結構變形監(jiān)測方法—靜力水準儀第四十五頁，共106頁。工作原理：在使用中，多個靜力水準儀的容器用通液管聯(lián)接，每一容器的液位由傳感器測出，傳感器的浮子位置隨液位的變化而同步變化，由此可測出各測點的液位變化量。靜力水準儀磁致伸縮式靜力水準儀光柵光纖式靜力水準儀電容式靜力水準儀振弦式靜力水準儀CCD式靜力水準儀電感式靜力水準儀結構變形監(jiān)測方法—靜力水準儀測量方法第四十六頁，共106頁。液體材料的影響靜力水準儀主要是通過對容器中的液體液面高度進行觀測，從而達到測量高差的目的，因此液體的選擇是一個關鍵。通常的液體有水，玻璃水等。延遲效應的影響溫度的影響靜力水準系統(tǒng)中的連通介質是液體，而液體極易受到外界溫度的影響從而改變它的物理形態(tài)，即熱脹冷縮特性，甚至氣化或凝結，導致容器的液面高度產生不同程度的升高或者降低，嚴重影響了測量的精度。以水為例，20℃時相對于4℃的線膨脹系數時，溫度在20℃附近每變化1℃，液面高度變化在0.04mm。容器中液體變化趨勢相對于溫度變化趨勢有一定的滯后性。這是由于容器中盛納的液體較多，當外界溫度發(fā)生變化時，液體吸熱或者放熱需要花費一定時間，導致液體溫度與外界溫度不同步。影響因素分析結構變形監(jiān)測方法—靜力水準儀測量方法第四十七頁，共106頁。靜力水準儀的優(yōu)點比較多，比如：測量精度高、穩(wěn)定性強、不受低溫影響等。主要是通過液位高低的測量來確定被測體的垂直沉降。主要使用在地鐵、隧道、橋梁、建筑物基礎等的沉降觀測。缺點呢，主要是由于液體的粘滯作用，靜力水準儀管路內部的液體需要時間才能流動并且平衡，那么，在這段時間內，就無法實現高速測量沉降變化量。

結構變形監(jiān)測方法—靜力水準儀測量方法第四十八頁，共106頁。測試原理：用兩端以恒力牽引并固定于被測體外不變位的靜止物上的Ф0.3~0.6㎜細鋼絲作為靜止參考基準，沉降儀固定于被測結構體上，用沉降儀與靜止參考基準之間的相對位移變化來測得被測結構體的沉降、撓度值。安裝方式箱外安裝箱內安裝無線撓度沉降儀結構變形監(jiān)測方法—橋梁撓度沉降儀第四十九頁，共106頁。工作原理：LVDT(Linear.Variable.Differential.Transformer)是線性可變差動變壓器縮寫。工作原理簡單地說是鐵芯可動變壓器。它由一個初級線圈，兩個次級線圈，鐵芯，線圈骨架，外殼等部件組成。當鐵芯由中間向兩邊移動時，次級兩個線圈輸出電壓之差與鐵芯移動成線性關系。結構變形監(jiān)測方法—LVDT位移傳感器第五十頁，共106頁。LVDT的可動鐵芯和線圈之間通常沒有實體接觸，也就是說LVDT是沒有摩擦的部件，其機械壽命，理論上是無限長的。無摩擦測量，無限的機械壽命無限的分辨率輸入/輸出隔離堅固耐用、環(huán)境適應性強零位可重復性徑向不敏感LVDT構造對稱，零位可回復?？捎糜诟咚僭诰€檢測，進行自動測量，自動控制。LVDT對于鐵芯的軸向運動非常敏感，徑向運動相對遲鈍。線圈氣密封，不再需要對運動構件進行動態(tài)密封，采用不銹鋼外殼，可以置于腐蝕性液體或氣體中。1234567LVDT被認為是變壓器的一種，因為它的勵磁輸入（初級）和輸出（次級）是完全隔離的。LVDT無需緩沖放大器，可以認為它是一種有效的模擬信號元件。動態(tài)特性好LVDT的無摩擦運作及其感應原理使它具有真正的無限分辨率,可以對鐵芯最微小的運動作出響應。結構變形監(jiān)測方法—LVDT位移傳感器第五十一頁，共106頁。安裝示意圖結構變形監(jiān)測方法—LVDT位移傳感器第五十二頁，共106頁。鋼絲自由端固定方式傳感器現場安裝方式結構變形監(jiān)測方法—LVDT位移傳感器第五十三頁，共106頁。HY-65DJB3000B應變傳感器振弦式傳感器，使用一年左右數據精準程度較高，價格低廉，監(jiān)測中應變測試使用較為廣泛光纖光柵傳感器，壽命多達數年，數據采集頻率高，準確度高，還具有較多的技術優(yōu)勢，應用于監(jiān)測要求高的橋梁HY-65DJB3000B應變傳感器，便于安裝攜帶，數據采集簡潔準確，使用周期較短，廣泛應用于橋梁荷載試驗特點分辨度：0.1με精度：2.00%穩(wěn)定性：一般需2次儀表支持：需要連線方式：每個傳感器都需要單獨的線和2次儀表連接環(huán)境適應性：好光纖光柵式應變傳感器分辨度：0.1με精度：0.2%~1.0%穩(wěn)定性：好需2次儀表支持：需要連線方式：所有傳感器可以串接到一根線上環(huán)境適應性：較好分辨度：0.1με精度：1.0%穩(wěn)定性：好需2次儀表支持：不需要連線方式：所有傳感器可以串接到一根線上或采用無線接收環(huán)境適應性：好振弦式應變傳感器結構應力監(jiān)測—應變測量方法第五十四頁，共106頁。工作原理：當被測結構物內部的應力發(fā)生變化時，應變計同步感受變形，變形通過前、后端座傳遞給振弦轉變成振弦應力的變化，從而改變振弦的振動頻率。電磁線圈激振振弦并測量其振動頻率，頻率信號經電纜傳輸至讀數裝置，即可測出被測結構物內部的應變量。同時可同步測出埋設點的溫度值。

結構應力監(jiān)測方法—振弦傳感器第五十五頁，共106頁。優(yōu)點缺點

反應速度慢，不適宜動態(tài)監(jiān)測

鋼弦在長期荷載作用下易產生松弛，不適宜長期監(jiān)測鋼弦應變計內部的鋼弦一般是通過螺釘緊固在傳感器基座上，長期使用中會逐漸松弛而導致失效穩(wěn)定性好，零漂小、能同時測量溫度；抗干擾能力強、測值可靠

精度高Descriptionofthecontents

振弦傳感器是機械結構式的，鋼弦為轉換元件，存在滯后性，只適用于靜態(tài)和不大于10Hz的動態(tài)測試。結構應力監(jiān)測方法—振弦傳感器第五十六頁，共106頁。工作原理：當光柵光纖所處環(huán)境的溫度、應力、應變或其它物理量發(fā)生變化時，光柵的周期或纖芯折射率將發(fā)生變化，從而使反射光的波長發(fā)生變化，通過測量物理量變化前后反射光波長的變化，就可以獲得待測物理量的變化情況。結構應力監(jiān)測方法—光珊光纖應變傳感器

第五十七頁，共106頁。精度高大量程高分辨率實時動態(tài)抗干擾能力強壽命長易于實現測量及數據的自動化處理優(yōu)點

電絕緣且抗電磁干擾能力強;經初步加速老化試驗證明,暴露環(huán)境和退火條件下的光纖光柵,工作周期大于25年也沒有明顯的性能退化。結構應力監(jiān)測方法—光珊光纖應變傳感器第五十八頁，共106頁。缺點需要專業(yè)人員施工造價高封裝質量影響結構應力監(jiān)測方法—光珊光纖應變傳感器第五十九頁，共106頁。工作原理：應變傳感器的寶石測頭與微動測頭在接受到結構體表面變形時，其變形被傳遞到寶石測頭，寶石測頭帶動內置釤鈷合金材料移動，霍爾芯片在永久磁場中移動產生電壓信號。此電壓信號通過內致16位單片機經過非線性編碼調制成RS485標準數字信號輸出。A/D轉換在傳感器內部完成，從傳感器出來的數字信號通過電腦中的采樣分析軟件自動記錄、顯示和存儲。安裝方式短期長期HY-65DJB3000B應變傳感器結構應力監(jiān)測方法—HY-65DJB3000B應變傳感器第六十頁，共106頁。加速度傳感器橋梁振動監(jiān)測—動力性能監(jiān)測振動監(jiān)測應包括振動響應監(jiān)測和振動激勵監(jiān)測，監(jiān)測參數可為加速度、速度、位移及應變。橋梁動力特性參數的變化(頻率、振型、模態(tài)阻尼系數)是橋梁構件性能改變的標志。橋梁的振動水平(振動幅值)反映橋梁的安全運營狀態(tài)。橋梁自振頻率的降低、橋梁局部振型的改變可能預示著結構的剛度降低和局部破壞，是進行結構損傷評估的重要依據。電容式加速傳感器伺服式加速度傳感器壓阻式加速度傳感器壓電式加速度傳感器加速度傳感器第六十一頁，共106頁。第一層：工業(yè)現場總線，使用RS485總線或無線作為通信通道

第二層：光纖網，使用光纜作為通信線路

第三層：監(jiān)控中心局域網，使用超五類網線

第四層：Internet網，4G、WiFi等信號網絡傳輸模式設計遠程管理中心和管理人員通過Internet網隨時隨地查看監(jiān)測數據，了解橋梁的健康狀態(tài)數據采集與傳輸系統(tǒng)—無線傳輸模塊第六十二頁，共106頁。現場采集設備光柵光纖解調儀無線采集+AD轉換模塊數據采集與傳輸系統(tǒng)—無線傳輸模塊第六十三頁，共106頁。短距離WiFiUHF無線數傳Zigbee中距離長距離微波通信GPRSGSM3G4G5G物聯(lián)卡一米~幾百米幾百千米幾百米~幾千米按距離分類數據采集與傳輸系統(tǒng)—無線傳輸模塊第六十四頁，共106頁。ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協(xié)議。根據國際標準規(guī)定，ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。這一名稱（又稱紫蜂協(xié)議）來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網絡。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網通訊技術。ZigBee是一種低速短距離傳輸的無線網絡協(xié)議。ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網絡層(NWK)、應用層(APL)等。數據采集與傳輸系統(tǒng)—ZIgBee第六十五頁，共106頁。例1：通過藍色打字突出，并實現突出各項預警指標值黃色預警閾值橙色預警閾值黃色預警增加監(jiān)測頻次橙色預警結構全面評估返回正常監(jiān)測各項指標均未超過閾值某項指標超過黃色閾值某項指標超過橙色閾值，或多次超過黃色閾值，或多項指標同時超過黃色閾值，或發(fā)生極端突發(fā)事件結構安全預警模塊—實時在線預警流程的設計第六十六頁，共106頁。結構安全預警模塊—預警閾值的設定原則1歷史數據統(tǒng)計值基于歷史監(jiān)測數據得到各個預警指標的統(tǒng)計規(guī)律，并取具有95%保證率的預警指標分位值作為黃色預警閾值。隨著橋梁運營年限的增加，歷史監(jiān)測數據積累越來越多，可將其反饋到結構預警體系中，定期更新預警閾值。2最不利工況響應值考慮正常使用極限狀態(tài)下設計荷載的組合情況，取各荷載組合下的最不利工況響應值作為紅色預警閾值。隨著橋梁運營年限的增加，需根據定期更新的荷載模型和結構模型，對最不利工況響應值作出相應調整。3規(guī)范限值規(guī)范限值。采用國家或地方頒布的相關規(guī)范與規(guī)程規(guī)定的限值作為預警閾值。由于規(guī)范限值原則上是不允許突破的，因此規(guī)范限值通常用作紅色預警閾值。第六十七頁，共106頁。根據55噸車荷載下測量的實際撓度值推算出結構開裂后的剛度，修正有限元模型，根據開裂后剛度計算在設計荷載下的理論位移值，當實測位移或變形大于該計算值的0.80倍時，進行黃色預警；實測位移或變形大于理論位移值或一個月內發(fā)現10次以上黃色預警時，進行橙色預警。00.801正常監(jiān)測預警報警、安全評估、維修管理預警線報警線σm/σSLS’σSLS’正常運營極限值σm運營狀態(tài)監(jiān)測結果結構安全預警模塊—預警閾值的設定原則諸永高速懷魯立交橋健康監(jiān)測項目實時在線預警閾值設定原則第六十八頁，共106頁?；景踩踩嬖谝欢ò踩[患結構安全預警模塊—預警閾值的設定原則安全基本安全存在一定安全隱患存在嚴重安全隱患第六十九頁，共106頁。00.801正常監(jiān)測預警報警、安全評估、維修管理預警線報警線σm/σSLS’σSLS’正常運營極限值σm運營狀態(tài)監(jiān)測結果結構安全預警模塊—預警級別安全1存在嚴重安全隱患515基本安全存在嚴重安全隱患存在一定安全隱患。預警級別劃分標準第七十頁，共106頁?；炷两Y構跨中下?lián)蠈е禄炷亮撼霈F比預期值更大的主跨跨中下?lián)系闹饕蛩赜袃蓚€：一是結構剛度的降低，二是結構的受力狀態(tài)發(fā)生變化，這兩種因素也會產生耦合影響，大多數情況下，導致主跨跨中出現比預期值更大的主跨下?lián)犀F象，往往是這兩種因素共同作用的結果。結構安全預警模塊—離線預警第七十一頁，共106頁。安裝方式短期24小時箱梁跨中撓度趨勢線

采用改進的移動平均值法對數據進行挖掘，可以得到橋梁上部結構隨時間損傷的曲線，根據結構損傷曲線，為橋梁預防性養(yǎng)護及時提供技術資料。結構安全預警模塊—離線預警第七十二頁，共106頁。結構安全預警模塊—預警結果統(tǒng)計第七十三頁，共106頁。結構安全預警模塊—預警結果輸出第七十四頁，共106頁。4損傷程度，評估損傷的嚴重程度321損傷定位，確定損傷的位置損傷檢測，判斷是否存在損傷結構損傷識別及評估模塊—損傷識別層次壽命預測，預估結構的剩余壽命迄今為止，對于不使用結構模型的基于振動的損傷識別方法，主要能進行第①層次和第②層次的損傷識別。當振動的方法與結構模型結合，在某些情況下可以達到第③層次的損傷識別。而第④層次的損傷識別與預測通常要與斷裂力學，疲勞壽命分析，結構設計評估的領域相結合才可能實現。結構損傷識別：:通過對結構的關鍵性能指標的測試和分析,判斷結構是否受到損傷;如果結構受到損傷,則損傷λ置、損傷大小如何;為判斷結構能否繼續(xù)使用及其剩余壽命估計提供決策依據。結構的損傷識別主要包括4個遞進層次:第七十五頁，共106頁。1級別一：整體狀態(tài)——主要承重構件（主要通過測量交通負荷所引起的整體撓度）。

2級別二：斷面狀態(tài)——動態(tài)汽車衡重分類系統(tǒng)，采用經校準的加速度計，在模式識別的基礎上，再現豎向懸臂的變形。3級別三：局部狀態(tài)——如橋梁扭轉支撐底部和頂部的連接（利用附加的應變計進行驗證）。每天的交通量與由貨運交通產生的疲勞度相關的結構動態(tài)反應兩者之間的關系來確定的。一個必不可少的需求是以雨流計數法來減少永久性監(jiān)測系統(tǒng)的數據量，雨流計數法可以描述在不同密度和出現概率時與剩余疲勞相關的循環(huán)反應周期。目前橋梁結構壽命是通過損傷累計引起的應力來計算的，因此對于通過轉換得到的監(jiān)測數據，有必要進行整體與局部的有限元分析。結構損傷識別及評估模塊—損傷識別級別第七十六頁，共106頁。結構損傷識別及評估模塊—損傷識別流程作用激勵待測結構傳感器動態(tài)信息特征提取狀態(tài)信息健康監(jiān)測與損傷診斷加固維修安全性與剩余壽命評價結構加固方案輸出結果有損傷無損傷繼續(xù)使用輸出結果損傷模式損傷特征第七十七頁，共106頁。結構損傷識別及評估模塊—損傷識別方法指紋識別方法（即損傷指標方法）基于模型的損傷識別方法時頻分析方法模式匹配方法頻域分析方法結構損傷識別方法模型修正方法基于固有頻率變化的損傷識別方法基于振型變化的損傷識別方法基于剛度變化的損傷識別方法基于柔度變化的損傷識別方法基于振型曲率變化的損傷識別方法基于殘余力向量的損傷識別檢測方法基于單元模態(tài)應變能變化率的損傷識別方法基于傳遞函數(頻響函數)變化的損傷識別方法直接法靈敏度法神經網絡法智能優(yōu)化算法Wigner-Ville分布HUbert-Huang變換(HHT)方法小波分析方法基于小波奇異性檢測的方法基于損傷前后小波變換系數變化的方法基于小波變換和彈性波傳播理論的方法基于小波變換和神經網絡的方法基于無模型的損傷識別方法第七十八頁，共106頁。關鍵問題測試噪聲及各種環(huán)境不確定性干擾

測試技術及儀器精度的制約

環(huán)境綜合激勵并非理想白噪聲

測試自由度及模態(tài)不完備

土木工程結構的損傷識別問題目前沒有真正的解決總結結構損傷識別及評估模塊—損傷識別關鍵問題第七十九頁，共106頁。常用系統(tǒng)組合方式系統(tǒng)組合一傳感器：靜力水準儀+振弦傳感器+裂縫+溫度采樣頻率：低數據傳輸方式：S485總線+GPSR采集方式：自動化采集系統(tǒng)組合二系統(tǒng)組合三傳感器：水準儀+振弦傳感器+裂縫+溫度采樣頻率：低數據傳輸方式：ZigBee采集方式：人工+自動化采集傳感器：LVDT+光纖光柵應變傳感器+溫度采樣頻率：高數據傳輸方式：無線+光纜采集方式：自動化采集中小跨徑健康監(jiān)測系統(tǒng)—系統(tǒng)組合方式第八十頁，共106頁。監(jiān)測方法及內容橋梁線形-水準儀關鍵截面應力-振弦傳感器新老混凝土應力-振弦傳感器裂縫-振弦傳感器溫度-溫度傳感器橋梁概況橋面全寬為12m，橫向布置為0.5m+11m+0.5m，上部結構采用等截面預應力混凝土連續(xù)箱梁，其中9號橋第四聯(lián)組成為5×27m，梁高1.6m；第五聯(lián)跨度組成為38+2×50+38，梁高為2.5m。2012年11月，進行了修復性加固，對超過0.15mm的裂縫進行灌縫注膠處理，腹板加厚在加厚腹板內增設預應力，箱梁內增設體外索，進行張拉加固，箱梁底部張貼鋼板，并將橋面二恒鑿除后植筋后重新鋪裝，將原12.5cm的鋪裝層增大為20cm。中小跨徑健康監(jiān)測系統(tǒng)—案例一監(jiān)測及數據傳輸方式自動化監(jiān)測+人工定期監(jiān)測應力、裂縫、溫度—自動化橋面線形—人工定期監(jiān)測數據傳輸S485總線+GPSR采樣頻率橋梁線形-1次/季度關鍵截面應力-1次/15分鐘新老混凝土應力-1次/15分鐘裂縫-1次/15分鐘溫度-1次/15分鐘第八十一頁，共106頁。第五聯(lián)溫度監(jiān)測斷面第四聯(lián)溫度監(jiān)測斷面中小跨徑健康監(jiān)測系統(tǒng)—案例一第八十二頁，共106頁。第五聯(lián)變形監(jiān)測斷面第四聯(lián)變形監(jiān)測斷面中小跨徑健康監(jiān)測系統(tǒng)—案例一第八十三頁，共106頁。中小跨徑健康監(jiān)測系統(tǒng)—案例一第八十四頁，共106頁。數據管理系統(tǒng)總體框圖中小跨徑健康監(jiān)測系統(tǒng)—案例一第八十五頁，共106頁。應變傳感器安裝橋面線形測點現場采集儀現場照片中小跨徑健康監(jiān)測系統(tǒng)—案例一第八十六頁，共106頁。

半年的運營期時間內，第四聯(lián)各跨撓度均有增加，第一跨跨中下?lián)?mm，第二跨跨中下?lián)?mm，第三跨跨中下?lián)?mm，第四跨跨中下?lián)?mm，第五跨下?lián)?mm；根據《公路橋梁計算狀況評定標準》（JTG/TH21-2011）表5.1.1-8，跨中最大撓度5mm<計算跨徑的1/1000=27mm，橋梁結構處于安全狀態(tài)。中小跨徑健康監(jiān)測系統(tǒng)—案例一第八十七頁，共106頁。應變測試斷面應變測點布置荷載組合：恒載×1.0+鋼束一次×1.0+鋼束二次×1.0+汽車荷載×1.0+溫度正（負）梯度×1.0；斷面位置A-A（G-G）C-C(F-F)E-EB-BD-D下緣下緣下緣下緣上緣上緣成橋應力-4.9-2.5-1.0-2.8-3.5-2.3應力最大值-3.2-0.41.1-1.4-2.6-1.6應力最小值-5.4-3.6-1.8-4.5-4.4-3.0中小跨徑健康監(jiān)測系統(tǒng)—案例一C-C斷面下緣應力圖A-A斷面下緣應力圖第八十八頁，共106頁。中小跨徑健康監(jiān)測系統(tǒng)—案例二監(jiān)測方法及內容橋梁線形-LVDT位移傳感器應力、溫度-光纖傳感器監(jiān)測及數據傳輸方式應力、溫度—光纜橋面線形—無線微波傳輸采樣頻率主梁撓度-80Hz應力、溫度-100Hz第八十九頁，共106頁。中小跨徑健康監(jiān)測系統(tǒng)—案例二第九十頁，共106頁。中小跨徑健康監(jiān)測系統(tǒng)—案例二第九十一頁，共106頁。中小跨徑健康監(jiān)測系統(tǒng)—案例二第九十二頁，共106頁。中小跨徑健康監(jiān)測系統(tǒng)—案例二第九十三頁，共106頁。中小跨徑健康監(jiān)測系統(tǒng)—案例二第九十四頁，共106頁。中小跨徑健康監(jiān)測系統(tǒng)—案例二第九十五頁，共106頁。243橋梁管養(yǎng)技術研究方向結構損傷研究與發(fā)展的方向基于視覺識別的結構損傷識別技術5基于動態(tài)響應參數的車輛荷載識別技術04中小跨徑橋梁健康監(jiān)測未來發(fā)展方向1中小跨徑橋梁健康監(jiān)測云平臺系統(tǒng)第九十六頁，共106頁。無損檢測技術面對我國橋梁工程材質、損傷、缺陷和受力狀態(tài)的檢測需求，需要研發(fā)橋梁永久荷載下橋梁受力狀態(tài)非破損檢測技術及裝備，發(fā)展橋梁損傷和缺陷的可視化檢測診斷方法及裝備體系，構建服役橋梁材質狀況高精度量化無損檢測技術體系，以支撐我國橋梁養(yǎng)護和安全保障水平的提升。。評定方法養(yǎng)護理念研究總方向面對我國橋梁長期性能研究和運營管理的技術需求，需要研發(fā)高精度、長壽命、智能化傳感器，發(fā)展橋梁關鍵狀態(tài)參數和性能指標長期跟蹤監(jiān)測技術，構建橋梁健康診斷以及性能和抗力衰變監(jiān)測技術體系與標準，研發(fā)基于BIM技術的橋梁管養(yǎng)系統(tǒng)，以推動我國公路橋梁養(yǎng)護管理技術的發(fā)展。健康監(jiān)測技術面對服役橋梁養(yǎng)護科學決策的技術需求，需要進一步完善和發(fā)展橋梁技術狀況評定、承載能力和減災防災能力鑒定方法，構建橋梁安全可靠性評估和使用壽命預測等的理論體系及技術方法，以推動我國橋梁服役可靠性的提升和使用壽命的延長。面對我國服役橋梁養(yǎng)護管理和橋梁資產保全增效的技術需求，需要轉變橋梁養(yǎng)護理念，發(fā)展橋梁預防性養(yǎng)護技術，提升橋梁機械化養(yǎng)護能力，構建符合我國國情的橋梁養(yǎng)護技術及裝備體系，以促進我國橋梁技術向“建養(yǎng)并重”轉型發(fā)展。橋梁管養(yǎng)研究方向—改進橋梁養(yǎng)護技術，全面提升橋梁服役性能·第九十七頁，共106頁。橋梁健康監(jiān)測云平臺現代信息化架構正從縱向“信息孤島”向橫向整合的“信息云”演進信息架構從“煙囪型”演變?yōu)闊o所不在的“層次資源化的云”橋梁健康監(jiān)測云平臺，以云計算技術為基礎，專注橋梁檢測、監(jiān)測、養(yǎng)護管理信息化建設，面向大中小型各類橋梁，構建一個提供信息化管理解決方案的云計算平臺。云平臺是集物聯(lián)網、云計算和大數據存儲管理分析于一體，為用戶提供信息化基礎設施、監(jiān)測與管理軟件及運行平臺等優(yōu)質的云計算資源，提供異構數據融合、數據異地備份容災、大數據存儲管理分析、結構監(jiān)測分析與報告、綜合安全評估與智能預警等服務。橋梁云平臺健康監(jiān)測系統(tǒng)—云平臺·云平臺演變趨勢第九十八頁，共106頁。云平臺優(yōu)勢12345成本節(jié)約：不再需要單獨的機房建設與運維、聘請專業(yè)的管理人員、支付高昂的獨立網絡費用；只需支付較低的普通網絡費用和云計算服務費用。中小型橋梁在線監(jiān)測完美解決方案：精簡橋梁現場在線監(jiān)測設施，節(jié)省工程造價，通過集約化管理，降低在線監(jiān)測系統(tǒng)維護工作量。安全可靠：異地數據備份容災保障，并提供統(tǒng)一的監(jiān)控、報警、問題處理等專業(yè)服務，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，避免數據的丟失遺漏。高效的數據分析處理能力：提供優(yōu)質穩(wěn)定的服務器群，實現高效的大數據分析處理，減少用戶在一手數據的獲取及整理上的工作量。簡約橋梁在線監(jiān)測：簡化施工過程和系統(tǒng)運維，讓用戶只需關注橋梁現場傳感設備安裝，提供更加全面的監(jiān)測功能，真正實現橋梁在線監(jiān)測簡約而不簡單。