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桥梁健康监测系统调研研究报告.doc
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1、桥梁健康监测系统调研报告6月目 录一、传统桥梁结构检验和评定概述1二、现代桥梁健康监测系统概述2三、健康监测系统研究现实状况3四、健康监测系统实施现实状况5五、健康监测系统应用效果和存在问题9六、健康监测系统改善提议和发展前景10一、传统桥梁结构检验和评定概述桥梁在建成后,因为受到气候、腐蚀、氧化或老化等原因,和长久在静载和活载作用下易于受到损坏,对应地其强度和刚度会随时间增加而降低。这不仅会影响行车安全,并会使桥梁使用寿命缩短。为确保大桥安全和交通运输通畅,加强对桥梁维护管理工作极为关键。桥梁管理目标在于确保结构可靠性,关键指结构承载能力、运行状态和耐久性能等,以满足预定功效要求。桥梁健康情
2、况关键经过利用搜集到特定信息来加以评定,并作出对应工程决议,实施保养、维修和加固工作。评定关键内容包含:承载能力、运行状态、耐久能力和剩下寿命估计。承载能力评定和结构或构件极限强度、稳定性能等相关,其评定目标是要找出结构实际安全贮备,以避免在日常使用中产生灾难性后果。运行状态评定和结构或构件在日常荷载作用下变形、振动、裂缝等相关。运行状态评定对于大桥工件条件确实定和定时维修养护实施十分关键。耐久能力评定侧重于大桥损伤及其成因,和其对材料物理特征影响。传统上,对桥梁结构评定经过人工目测检验或借助于便携式仪器测量得到信息进行。人工桥梁检验分为常常检验、定时检验和特殊检验。不过人工桥梁检验方法在实际
3、应用中有很大不足。美国联邦公路委员会最近调查表明,依据目测检验而作出评定结果平全部有56%是不合适。传统检测方法不足之处关键表现在:(i)需要大量人力、物力并有很多检验盲点。现代大型桥梁结构部署极其复杂,构件多且尺寸大,加之大部分构件和隐蔽工程部位难于直接靠近检验,所以,这对现代大型桥梁尤其突出;(ii)主观性强,难于量化。检验和评定结果关键取决于检验人员专业知识水平和现场检测经验。经过半个多世纪发展,即使桥梁分析设计和施工技术已日趋完善,但对一些响应现象,尤其是损伤发展过程,尚处于经验积累中,所以定量化描述是很关键;(iii)缺乏整体性。人工检验以单一构件为对象,而用于现代机械、光学、超声波
4、和电磁波等技术检测工具,全部只能提供局部检测和诊疗信息,而不能提供整体全方面结构健康检测和评定信息;(iv)影响正常交通运行。对于较大型桥梁通常需要搭设观察平台或用观察车辆,无可避免需要实施交通控制;(v)周期长,时效性差。大型桥梁检验周期可达经年。在有重大事故或严重自然灾难情况下,不能向决议者和公众提供即时信息。二、现代桥梁健康监测系统概述因为人工桥梁检验程序和设施无法直接和有效地应用于大型桥梁检测上。所以有必需建立和发展桥梁结构健康监测和安全评定系统用以监测和评定大桥在运行期间其结构承载能力、运行状态和耐久能力等。桥梁监测系统综合了现代传感技术、网络通讯技术、信号分析和处理技术、数据管理方
5、法、知识挖掘、估计技术及桥梁结构分析理论等多个领域知识,极大地延拓了桥梁检测领域,提升了估计评定可靠性。当桥梁结构出现损伤后,结构一些局部和整体参数将表现出和正常状态不一样特征,经过安装传感器系统拾取这些信息,并识别其差异就可确定损伤位置及相正确程度。经过对损伤敏感特征量长久观察,可掌握桥梁性能劣化演变规律,以布署对应改善方法,延长桥梁使用寿命。监测系统为桥梁评定提供即时客观依据,但因为资源等方面所限,就现在情况而言,传感器系统不可能涵盖全部构件。另外,因为对大型桥梁在复杂环境下响应认识和经验限制,也会造成对一些关键性部位监测不足。大桥损伤大致可分为结构性损伤和非结构性损伤两大类。用于结构性损
6、伤检测和非结构性损伤检测传感器种类和部署截然不一样。另外,非结构性损伤即使不会减弱结构承载能力和耐久性,但对桥梁正常运行造成隐患。大桥健康监测系统关键功效包含:(i)监测大桥结构安全及运行情况;(ii)提供大桥定时维修养护所需要信息;(iii)检验大桥设计假定和设计参数可靠性和正确性。我们尤其强调健康监测系统能服务于大桥定时维修和管理。这一功效将经过建立专门构件危险及易损性评级系统和基于整体检测和局部检测评定体系相结合来实现。,建立一个技术优异、稳定高效桥梁健康监测和安全评价系统,对于提升桥梁工程设计、施工和管理水平亦含有十分关键意义。图1 桥梁健康监测构架图三、健康监测系统研究现实状况桥梁结
7、构健康监测和安全评价系统包含研究范围包含:传感器优化布设和系统集成研究,数据采集、处理、显示及存放研究,结构状态评定研究。传感器优化布设(传感器类型,位置和数量)对监测结果起决定作用。因为客观原因制约,传感器数量总是有限,怎样布设有限数量传感器从噪声信号中实现对结构状态改变信息最优采集,是大跨度桥梁健康监测关键技术之一。系统集成是将系统内不一样功效子系统在物理上、逻辑上和功效上连接在一起,以实现信息综合分析和管理。系统集成是桥梁监测系统智能化程度关键标志,意在实现资源共享和信息综合,其发展方向是“一体化集成”和开放分布式网络结构系统,和外部多种通信网络互联,组成信息高速公路一个节点或广义“信息
8、点”。数据采集、处理、存放及提取是桥梁监测系统关键内容。应向满足多媒体、同时化、宽带化、高速率、大容量等信息传输要求方向发展,确保系统进行连续、同时实时数据采集,立即有效地处理、分析、存放和管理庞大数据流。桥梁结构状态评定是桥梁监测系统关键和目标。借助于有限元分析模型和大量监测数据,采取统计、系统识别和模式识别方法,评定桥梁结构环境和条件状态,监测结构性能及其退化趋势。系统识别法以结构系统模型和模型估量(或修正)为基础,经过识别模型参数改变来实现结构状态监测和损伤诊疗。基于特征模式识别法是利用传感器信号合适特征,经过模式分类过程来辨识结构改变。所谓“特征”是由测量数据转换得到、反应结构状态分类
9、本质量。振动模态参数是最早用来识别结构损伤特征,现在得到普遍认同一个最实用方法就是结合系统识别、振动理论、振动测试技术、信号采集和分析等跨学科技术试验模态分析法。这种方法大致可分为模型修正法和指纹分析法两大类。伴随现代传感技术、计算机和通讯技术、信号分析和处理技术及结构振动分析理论快速发展, 大型桥梁结构健康监测和安全评价技术, 多年来已成为中国外工程界和学术界关注热点。从现在理论研究情况来看: 多年来, 结构健康监测领域涌现了大量研究论文, 这些论文研究内容包含智能传感器、传感器优化部署、数据无线传输、损伤识别方法、桥梁状态评定、桥梁生命周期管理养护等。另外, 还举行了很多以结构健康监测为专
10、题国际会议, 如:国际健康监测研讨会、欧洲健康监测研讨会、新型结构健康监测研讨会和智能结构和健康监测会议。另外, 国际模态会议、SP IE 年会、欧洲智能结构和材料会议、国际结构控制会议等全部有结构健康监测和损伤识别专题。另外, 很多研究者正致力于研究并制订桥梁健康监测系统设计指南和规范, 如: L auzon 等研究者提出了一个桥梁监测系统设计提议; 美国Dex rel大学A k tan 教授等制订了比较具体健康监测系统设计指南; 加拿大IS IS 组织主席M uf t i 教授也主持起草了一份结构健康监测指南。英国研究者制订了一个指导健康监测系统设计指南。香港理工大学以高赞明教授为首课题组
11、也正致力于研究制订专门用于大跨索桥监测系统设计指南。鉴于桥梁结构健康监测和安全评价系统已在世界上得到广泛应用,国际桥梁协会于7月在瑞士决定制订相关桥梁结构健康监测国际规程,以指导和推进该项技术在各国应用。四、健康监测系统实施现实状况伴随现代传感技术、计算机和通讯技术、信号分析和处理技术及结构振动分析理论快速发展,大型桥梁结构健康监测和状态评定多年来已成为中国外工程界和学术界关注热点。桥梁结构健康监测和安全评价系统总目标是经过测量反应大桥环境激励和结构响应状态一些信息,实时监测大桥工作性能和评价大桥工作条件,以确保大桥安全运行及为大桥养护维修提供科学依据。和传统桥梁监测方法(包含众多无损检测技术
12、)不一样,桥梁结构健康监测和安全评价系统重在诊疗可能发生结构损伤或灾难条件和环境原因,评定结构性能退化征兆和趋势,方便立即采取养护维修方法。而传统检测方法重在损伤发生后检验损伤存在并采取维修加固手段,所以,桥梁结构健康监测和安全评价系统概念含有革命性变革。经过对传感器革新和自动远程监控技术更新换代,桥梁结构健康监测和安全评价系统正向简单易装、经济可行、持久可靠方向发展,并已在世界很多大桥得到应用。表1列出了世界上安装监测系统部分桥梁,其中阳逻长江大桥、北京清河桥和南宁大桥为我院承接,表2、表3为传感器装备情况,表4为健康监测系统投资情况。表1安装健康监测系统部分桥梁桥梁名称结构类型跨度(米)位
13、置昂船洲桥斜拉桥1018中国香港西部通道斜拉桥210中国香港汀九桥斜拉桥127+448+475+127中国香港汲水门桥斜拉桥160+430+160中国香港南京二桥斜拉桥628中国徐浦大桥斜拉桥590中国Skarsundet斜拉桥240+530+240挪威Rama IX斜拉桥166+450+166泰国Jindo斜拉桥70+344+70韩国New Haeng Ju斜拉桥160+120+100韩国柜石岛桥斜拉桥700日本多多罗桥斜拉桥890日本Normandie桥斜拉桥856法国大佛寺桥斜拉桥198+450+198中国南京三桥斜拉桥257+648+257中国杭州湾跨海桥斜拉桥448中国芜湖桥斜拉桥1
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