浅谈桥梁健康监测

浅谈桥梁健康监测（精选6篇）

篇1：浅谈桥梁健康监测

浅谈桥梁结构健康监测

桥梁结构健康监测(对简称:桥监,下同)对于保障桥梁使用功能、安全运行、延长桥梁使用寿命、避免桥梁坍塌和局部破坏等严重事故发生有着重要的现实意义,近年来,桥梁结构健康监测成为国内外学术界、工程界的研究热点,本文阐述了桥梁结构健康监测的概念、监测系统、现状和发展方向.

作者：欧阳平作者单位：中国中铁大桥局集团第四工程有限公司,江苏,南京,210001刊名：中国新技术新产品英文刊名：CHINA NEW TECHNOLOGIES AND PRODUCTS年，卷(期)：“”(4)分类号：U4关键词：桥梁结构健康监测监测系统发展方向

篇2：浅谈桥梁健康监测

浅谈桥梁健康监测的发展现状

简要回顾了桥梁健康监测的发展概况,介绍了桥梁健康监测系统的组成及监控内容.重点讨论了桥梁结构健康状态评估的.可靠度方法,最后探讨了桥梁健康监测领域未来的主要研究和发展方向.

作者：胡正涛作者单位：广东省公路勘察规划设计院有限公司,广东广州,510507 刊名：四川建筑英文刊名：SICHUAN ARCHITECTURE 年，卷(期)： 29(3) 分类号：U446.3 关键词：健康监测可靠度状态评估

篇3：浅谈桥梁健康监测

随着桥梁结构工程建设的持续发展, 桥梁结构作为交通系统的重要组成部分, 其战略重要性与必要性也与日俱增, 在国民经济建设中起着举足轻重的作用。作为交通系统的重要组成部分和主干枢纽的桥梁, 尤其是桥梁在社会发展与国民经济建设中具有极其突出的作用和相当的战略意义。然而, 在桥梁运营过程中, 反复受到车载、风载等多种荷载的作用, 同时受到气候、疲劳、材料老化等各种外界因素和材质劣化的影响, 导致桥梁结构在未达到工程设计使用年限前就发生不同程度上的结构表面或内部缺陷, 使桥梁结构抗力逐渐衰减, 桥梁结构的安全性、适用性和耐久性受到严峻威胁。传统桥梁检测在很大程度上依赖于管理和技术人员的经验, 缺乏科学系统的方法, 信息得不到及时反馈。如果桥梁结构的病害不能及时评估以及估计不到位, 从而易错过最佳养护检修时机, 致使桥梁劣化进程的加快, 桥梁的使用寿命亦会与之相应缩短。另一方面, 对桥梁结构评估过高, 使桥梁承载能力不能充分发挥。由此, 找寻一种实时而有效的监测在役桥梁的状况, 特别是对交通运输起着至关重要的大型桥梁运营状况的桥梁健康监测方法, 达到预知桥梁病害程度, 及时采取应对措施, 以确保在役桥梁健康安全运营, 确保交通系统稳定通畅就显得尤为重要。

1 桥梁健康监测概述

桥梁健康监测通过对桥梁结构状态的监控与评估, 为桥梁在异常气候、复杂交通情况下或桥梁异常运营状况时触发预警信号, 为桥梁的养护、维修和决策管理提供依据与指导[1]。考虑到监测范围包含桥梁多个方面的参数, 同时在设计、运行各环节受到诸多外界因素的制约, 不同桥梁健康监测系统往往存在一定的差异, 但典型的桥梁健康监测系统通常由以下四套子系统构建而成[2,3,4]。

1) 数据信息采集子系统 (传感器子系统) 。该子系统主要是通过布设在结构各控制点及关键位置的不同类型传感仪器收集反映整个结构健康状态的监测数据, 并实现实时数据采集、自动存储、预处理、即时分析、自动传输。

2) 数据通信与传输子系统。该子系统主要是将布设在桥梁结构上的传感设备所采集到的数据通过有线或无线传输方式传输至远程监控中心。

3) 数据存储子系统。该子系统主要是对数据通信与传输系统的实时监测数据进行存储, 同时实现子系统为实时预警、结构健康评估、信息服务等功能提供数据支持。

4) 远程综合管理子系统。该子系统主要利用网络及监控软件对桥梁结构进行远程监视控制, 并对监测采集到实时数据和历史信息进行分析, 实现对结构的同步健康预警和科学数字化、信息化评测。

桥梁健康监测可以通过布设在结构中的数据信息采集子系统自动、长时采集桥梁的各个运营状态参数, 如荷载、挠度、应变以及振动特性等, 随后数据经控制中心预处理后通过通信系统发送至控制中心, 经过数据系统分析处理得到桥梁结构的健康评估信息、损伤病害分析、安全隐患、耐久性缺陷、诊断结构突发和累计损伤发生位置与程度、剩余寿命估计、养护维修建议以及交通控制管理决策等实时结论, 并对发生上述后果的可能性进行判断与预测。

2 桥梁健康监测研究现状综述

2.1 国外桥梁健康监测研究现状

自20世纪70年代起, 桥梁结构健康监测技术便逐渐得到世界各国的重视。1971年, 美国制定了国家桥梁检测标准 (NBIS) , 其提供了检测方法的细节、检测时间间隔和检测人员资格的统一的指导, 在此之后, 世界各国在桥梁健康监测方面都有一定程度的发展。

随着传感技术、数据传输技术、信号处理技术、计算机应用技术等的快速发展, 桥梁结构健康监测系统亦愈加成熟。自20世纪80年代中后期以来, 世界各国开始建立相应规模的桥梁结构健康监测系统, 如英国在总长522 m的三跨变高度连续钢箱梁桥Foyle桥上布设传感器以监测大桥运营阶段主梁在风荷载和车辆荷载下的响应 (挠度、振动及应变等) 。该系统是最早安装的较为完善的健康监测系统之一, 它实现了实时监测、实时分析和数据网络共享[5]。此外, 挪威主跨530 m的Skamsundet斜拉桥、美国主跨440m的Sunshine Skyway斜拉桥、丹麦主跨1 624 m的Great Belt East悬索桥和总长1 726 m的Faroe跨海斜拉桥均建立了成熟且典型的桥梁结构健康监测系统[6]。

2.2 国内桥梁健康监测研究现状

我国桥梁结构健康监测较世界发达国家起步相对较晚, 1997年, 上海徐浦大桥建立了我国第一套桥梁结构健康监测系统, 其监测内容包括:车辆荷载、主梁标高、主梁跨中断面应力及应变、主梁自振特征、斜拉索索力及斜拉索的振动等, 实现了我国桥梁结构健康监测系统成功运用大量的多类型传感器及系统集成技术对桥梁结构运营过程中工作性能的连续、实时监测及评估[1,2,3,4,5,6]。在此之后, 我国先后在钱江四桥 (系杆拱桥) 、南京长江一桥 (连续梁桥) 、南京长江二桥 (斜拉桥) 、重庆大佛寺大桥 (斜拉桥) 、润扬长江大桥 (悬索桥) 、晴川桥 (下承式钢管混凝土拱桥) 苏通长江大桥 (斜拉桥) 建立了不同规模的结构健康监测系统[1,2,3,4,5,6]。

目前随着对特大型、大型重要桥梁结构工程安全性、耐久性与正常使用功能的日渐关注, 桥梁工程建设事业得到了前所未有的发展, 我国的桥梁建设技术已跻身世界前列, 与建设技术相匹配的桥梁结构健康监测技术正以惊人的速度飞速发展。

2.3 桥梁安全检测新方法

基于现有的桥梁常规检测方法的局限性, 随着计算机技术、激光扫描、3D相机技术的快速发展, 国内大量学者开始研究将三维激光扫描技术应用于桥梁结构健康监测。目前国内外普遍适合于桥梁结构日常安全检测的设备主要是移动三维激光扫描系统和定点三维激光扫描系统测量[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。

1) 移动三维激光扫描系统。移动测量系统 (Mobile Mapping Systems, MMS) 是将数字相机、激光扫描仪、动态位置/姿态测量单元 (POS) 等多个传感器集成在一个移动的平台上, 在基于时间同步的条件下, 自动给移动平台提供连续的定位信息, 同时获取三维地理空间数据的测量系统, 目前国内外已有为数众多的机构在此领域的研究中投入巨大。自1989年第一台移动测量系统GPS Van诞生于美国始, 各个国家从未停止过在移动测量领域探索的脚步。

2) 定点三维激光测量系统。定点三维激光扫描系统是将数字相机、激光扫描仪等多个元件集中于一个较小的平台上, 该平台可根据测量需要进行搬移, 但是在测量时需要固定在一个固定支架上。定点三维测量能够避免移动测量系统在移动过程中造成误差。

3 讨论

3.1 传统桥梁检测方法存在的问题

目前国内外在日常安全桥梁检测领域, 常用的安全检测方法有以下几大类:传统的病害检测、依赖桥梁检测车的常规检测和远程健康检测[7,8,9,10]。

1) 传统的病害检测方法。该方法主要依靠望远镜、支架等辅助仪器来进行桥梁的日常检查, 这种传统的桥检方法存在下述问题。

(1) 技术及机动性能落后。对于跨江、跨河、跨海之外的桥梁结构, 采用搭架, 桥检人员在其上进行检测。而跨河、跨海等特大型、大型则需船上搭架的方式进行监测, 然而对于桥梁结构过高以至于船只没法靠近, 搭架的方法无法满足要求, 该类桥梁目前尚无很好的检查手段。

(2) 成本高、耗时长。由于搭架耗费大量的人力、物力, 通常桥梁检测费用的相当比例 (70%~80%) 是用在搭设支架、拆除支架以及租用相应船只等方面, 并且整个过程耗时较长, 明显阻碍桥梁检测进程。

(3) 交通影响大。以搭设支架或船上搭架的方式对桥梁进行检测, 势必对桥梁的通行孔或通航孔进行交通封闭, 对交通产生极大影响。

(4) 安全度较小。工作人员在支架上或者船上对桥梁实施检测, 基本上无任何防护措施, 易造成安全事故。

(5) 检测范围小。

(6) 主观性强。现有的桥梁常规检测中, 由于自动化程度低, 检测人员的参与程度非常高, 因此, 检测结果就不可避免地受到检测人员个人专业知识和经验的影响。

2) 依赖桥梁检测车的常规检测。依赖桥梁检测车的常规检测主要依靠体积庞大的专业桥梁检测车进行。从使用过程看, 其局限性主要有:现有桥检车的目的仅为提供人工观测平台, 检测结果极其依赖于工作人员的业务素质和主观性。但由于该方法切实有效、容易实现, 所以国内外普遍采用。

3) 远程健康监测。远程健康监测是在桥梁结构关键部位安装传感器或视频监测系统, 优点是可及时发现病害, 缺陷是一次性投入大, 且维护成本高, 观测点有限, 并且受远程健康监测系统自身价格等因素的影响, 该方法多用于斜拉桥、悬索桥等大跨径桥梁结构, 对于众多的中、小跨径的梁式桥梁而言使用较少。此外传感器采集系统在自身的可靠性、稳定性、耐久性上得不到保证, 不能适用于量大面广的众多桥梁。

3.2“桥梁面相学”理论

针对上述目前桥梁常规检测方法存在的问题, 2013年, 重庆交通大学周志祥教授提出“桥梁面相学”理论[7,8,9,10], 即仅依据桥面几何形态的时效变化, 来获知桥梁结构近期安全状况的科学。通过对历次桥面形态数据变化的规律进行分析比较, 从桥面几何形态的三维数据出发, 来判断桥梁当前安全状况, 桥梁结构若存在危及安全的结构病害相应反映到桥面表观形态上。

基于“桥梁面相学”理论, 对桥面几何形态三维点云数据去噪后经Matlab拟合, 从而桥面几何形态三维点云数据, 能够描述桥面真实形态在不同荷载组合下的真实变形状况。根据材料力学中弯矩与曲率的关系, 猜想可对桥面几何形态三维点云数据做出以下几种处理, 从而达到对桥梁结构损伤程度、损伤位置及损伤数量的识别。

1) 基于曲率突变的损伤识别。提取桥面几何形态三维点云数据中横桥向与纵桥向两个特征截面的其对应特征曲线, 由特征截面挠度曲率曲线进行桥梁结构损伤识别。

2) 基于高斯曲率的损伤识别。高斯曲率的几何意义即它反映了曲面的弯曲程度。根据桥面几何形态三维点云数据高斯曲率的变化程度可判断曲面的八种不同形态, 进而对结构损伤进行识别。

3) 基于曲率模态的损伤识别[7,8,9,10]。曲率模态分析可直观表现桥梁结构局部特性变化, 即可正交性, 亦可叠加性, 其局部结构敏感性远远优于位移模态。由桥面几何形态三维点云数据检测某阶曲率模态在损伤前后的变化即可明显确定损伤位置及损伤情况。通过曲率模态曲线即可有效对桥梁结构损伤程度、损伤位置及损伤数量的识别。

“桥梁面相学”理论主要是针对桥梁的日常安全监测, 由“桥梁面相学”理论获得的日常安全监测数据对桥梁的定期检测提供数据参考并具有一定的指导性作用, 与桥梁的定期检测数据结合分析, 进而准确地评判桥梁的安全等级。

4 结论

基于“桥梁面相学”理论的桥梁健康监测的新型桥梁结构日常安全检测是一个很新颖的方向, 随着三维激光扫描技术的快速进步, “桥梁面相学”理论的应用亦会愈来愈广, 但要从真正意义上实现观“桥梁面相”而对桥梁结构做出健康诊断与评级、推动其在实践中的应用, 基本实现桥梁健康监测长期稳定经济的营运要求, 还需后来的桥梁工作者与研究人员的不懈努力与探索。[ID:003558]

摘要：桥梁工程健康监测力求实时监测桥梁结构整体行为的同时, 对结构各状态进行智能化、信息化、数字化评估。本文概述了桥梁健康监测与“桥梁面相学”的含义, 综述了国内外桥梁健康监测的研究现状以及传统桥梁检测方法所存在的问题。最后进一步阐述了“桥梁面相学理论”的新型日常安全监测。

关键词：桥梁面相学理论,健康监测,桥梁

参考文献

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[3]吴志勤.桥梁检测技术及其发展趋势简述[J].山西建筑, 2007, 33 (13) :278-279.

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[5]李鹏飞, 吴太成.桥梁健康监测技术研究综述[J].预应力技术, 2011, 15 (1) :31-35.

[6]吕晔.桥梁健康监测及发展趋势浅析[J], 公路交通科技:应用技术版, 2014, 9 (4) :25-26.

[7]周志祥, 唐亮, 周劲宇.桥面形态数据采集设备及获取桥梁表面面相的方法[P].中国专利:CN103266559, 2013.

[8]周志祥, 唐亮, 周劲宇.BP桥梁安全巡检车及获取桥梁表面面相的方法[P].中国专利:CN103266559A, 2013.

[9]周志祥, 周劲宇, 唐亮.车载桥面形态-结构安全监测系统及检测方法[P].中国专利:CN102636364A, 2012.

篇4：浅议桥梁健康监测的发展

摘要：橋梁健康监测的理念起源于20世纪50年代，随着科学技术的发展而不断更新和进步，从原初的单一人工几何形态测量到当前先进的各种参数的自动测量、健康状态的自动评估，健康监测逐步进行着智能化的转变，功能目标不断扩大和完善，可以预见，这种技术会改变当前的桥梁管养模式。

关键词：健康监测；桥梁工程；智能化

0 前言

桥梁健康监测的概念起步于20世纪50年代，受限于该时期落后的科学技术条件，结构监测主要是进行结构的长期变形、基础沉降变位等几何形态监测，这是健康监测最基本的内容，当然也是很单一的，其技术手段以人工测量为主。二战以后导弹火箭的建造与航空航天的发展引领科学技术的潮流，电子计算机、传感技术、通信技术蓬勃发展。西方国家战后的二三十年进行了大规模的土木工程建设，也是在这个时期部分寿命已长达几十年的桥梁产生病变并不断引发灾难，如1967年美国银桥倒塌，引发行业巨大反思。桥梁发展的现状迫切需要结构方面的监测以进行桥梁状况判断从而进行适当维护并确保安全，健康监测观念早已有之，又有来自尖端领域的借鉴以及基础技术的积累，健康监测系统遂进入桥梁工程，国外土木工程实时健康监测始于20世纪70年代末。我国的基础设施建设起步较晚，但经过20余年的学习与追赶，跟踪与提高，各类特大型桥梁遍布全国各地，成就之巨大令国外同行难以置信[1]，我国的健康监测就是在这样的情形下开始于20世纪90年代中期的，当前，我国已有超过200座大型桥梁安装了健康监测系统[2]。2013年3月1日中国工程建设标准化协会发布的《结构健康监测系统设计标准》开始实施，有助于该技术在我国得到进一步的发展。

1 健康监测的技术手段

目前，健康监测各种参数的采集均已实现自动化。如结构变形及位移是与结构安全直接相关，反映结构整体性能的重要参数，在参数获取上可采用全站仪、激光位移计、GPS，连通管、电子倾角仪等。应力反映关键截面的受力状况，应力水平关系结构的稳定，强度与安全，应力的监测采用钢弦应变计或光纤应变计。风速仪、温度湿度仪、电子称等广泛用于桥梁环境因素及车辆荷载的监测。传感领域中光纤、激光、GPS、声波、压电等各种全天候、高稳定的新型信息获取手段正在不断发展完善。基于电信网、互联网的数据传输技术使得桥梁管理人员远在千里之外即可对桥梁结构技术状况了如指掌。深刻地改变了桥梁设施传统的有人值守的管养模式。

2 安全评估技术

桥梁的安全评价技术方面，结构整体性评估和损伤识别方面均已有了广泛的研究。如研究利用结构应变模态、应变曲率以及其他静力相应的历史记录，建立桥梁结构的“指纹特征”，通过指纹特征来评估桥梁的健康和安全的评估方法。还发展了利用桥梁运营过程中的环境振动响应、识别桥梁动态特征的方法，将模糊系统灰色理论、神经网络等方法同时引入到桥梁状态评估中，通过动静态结合、整体局部结合进行综合评估，建立专家系统。目前各种科研机构大专院校及专业公司针对桥梁监测均有相应的程序软件设计，运用了各种评估方法，但是基于静力测试数据结构状况评估，在当前结构检测及分析技术下是可靠而准确的，这一点是使健康评估进入实际应用并取信于人的关键；动态测试对于获取冲击系数，结构自振特性是不可或缺的手段，但基于动态测试数据的评估技术还有待进一步的发展。传感技术已实现数据测量采集自动化，健康评估代替人的部分脑力劳动使桥梁检测评估智能化。

3 健康监测系统的目标

健康监测既以传感通信技术为基础，凭借健康评估的方法，可以实现四个目标：一是长期监测和评估桥梁结构健康状况，为桥梁科学管理和维护提供依据。二是针对异常状况提前预警报警，从而采取相应措施确保桥梁安全运营和实现防灾减灾，灾害发生后也可为结构状态评估及时提供数据。三是开展桥梁结构理论的科学研究，验证结构设计、分析、试验的假定和所采用的参数，健康监测是桥梁结构的现场试验室，可为新技术新方法的发展及应用提供建议。四是健康监测系统可在施工阶段安装并进行施工监测控制，使桥梁建成时达到理想成桥状态并确保施工过程安全，桥梁建成即用于运营状态监测。

4 健康监测系统的合理设想

当前对桥梁的检测通过桥梁缺损状况检查、结构材质状况与状态参数检测评定、结构检算与承载力评定，静力动力荷载试验等手段对桥梁进行检测评定，该方法固然行之有效，但是常规桥梁检测如荷载试验需要较多的人力及设备等资源，大型桥梁的检测试验动辄数十万的高昂费用，交通中断，耗费大量的资源，资金，时间，按现行制度桥梁定期检查周期不超过三年，特殊桥梁需进行周期性的荷载试验[3]，部分限载限行的四五类桥梁的安全监测，不期而至的灾害的发生，如风灾、船舶撞击、地震等，需要及时的预警及灾后检测评估，常规的检测手段已经穷于应对。然而健康监测技术却可以实现长期实时监测，它的位移应力测试等内容与荷载试验原理相似，而其功能可以达到比常规的检测手段还多，另外健康监测在基础的传感技术层面正致力于追求耐久与稳定的目标，一旦监测系统可实现自身寿命达数年或十几年甚至几十年，其对当前检测手段的替代或部分替代，就可改变桥梁检测的模式并取得十分可观的效益。这种设想是科学合理的，近期武汉军山长江大桥的试验可以说明这一点，该桥为漂浮5跨连续双塔双索面钢箱梁斜拉桥，安装了一套健康监测系统，为完成该系统的验收，就采用了荷载试验进行对比验证，并针对环境温湿度、风速风向、索力、振动、主塔偏位、塔梁空间变形等环境因素和结构响应，进行同一时刻同一位置的人工检测结果与自动监测系统结果及相应的理论计算值进行对比，吻合较好，误差在允许范围内[4]。

5 结语

桥梁健康监测系统通过自动监测和管理，保证桥梁的安全和正常运行，故障一旦发生，则有有健康评估和专家系统自动进行损伤评估并做出养护对策。知识经济时代的背景下，健康监测系统正推动桥梁管养领域和其他行业一样进行自动化、信息化和智能化的转变。

参考文献：

[1]项海帆，潘洪萱等.中国桥梁史纲[M].上海：同济大学出版社，2009.

[2]梁新政，韩依璇等.始于足下的TBL计划[J].桥梁，2013，（5）.

[3]中华人民共和国交通运输部标准.JTG H11—2004 公路桥涵养护规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[4]葛新民.对既有桥梁健康监测系统的首次试验[J].桥梁，2013，（1）.

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篇5：桥梁健康监测系统心得体会

桥梁健康监测系统的建设关键还是在桥梁结构专业方向上为主，依托的是相当专业的桥梁专业知识，也是监测方向的和监测手段实现的最根本思路所在，目前来讲，主要存在的问题有以下几点：

1.数据可靠度的验证，由于监测设备(传感器和信号处理器)本身的误差和不正当使用可能造成数据的不准确性，如何解决底层数据来源的可靠度是系统运行的根本要求

2.海量数据的存储方式：究竟利用什么形式来存储海量数据，并且有效的实现各项系统功能，便于后期数据挖掘功能开发，这个是系统很关键技术问题，虽然数据存储在大多数程序员看来也就是硬盘大小的问题，其实不然，作为一个系统来讲海量数据存储不仅仅是保存就行那么简单，更多是要为更好的实现数据的有效利用而服务，无疑是整个系统在开发的基础

篇6：桥梁监测方案解读

【摘要】

结合工程实践，对桥梁监测系统进行了总体的介绍，可以初步了解桥梁监测系统的构成。分析了桥梁相应的危险有害因素并进行了相应的分类，同时，对检测过程中各种传感器的选择选择与使用也做了相应的介绍，本文同时对桥梁监测系统的数据采集，分析和相应的过程进行了介绍，阐述了每个部分的应用和各个系统之间的联系，是比较系统和完善的对桥梁监测系统做了相应的介绍，随着时代进步，安全监测会凸显出其重要性。

【关键词】

桥梁监测系统；监测设备；危险源；传感器；数据分析；

1、桥梁监测系统

1.1 桥梁检测的简介

桥梁安全监测是在传统的桥梁检测技术的基础上,运用现代化传感设备与光电通信及计算机技术, 实时监测桥梁运营阶段在各种环境条件下的结构响应和行为, 获取反映结构状况和环境因素的信息, 由此分析结构健康状态, 评估结构的可靠性, 为桥梁的管理与维护提供科学依据。在偶发事件(如地震)发生后, 可通过监测数据识别结构的损伤和关键部位的变化, 对桥梁结构的承载能力和抗风、抗震能力做出客观的定量的评估。由于桥梁(尤其是斜拉桥、悬索桥)的力学和结构特点以及所处的特定环境, 在桥梁设计阶段完全掌握和预测结构的力学特性和行为是非常困难的,桥梁的设计依赖于理论分析并通过风洞、振动台模拟试验预测桥梁的动力性能并验证其动力安全性。而结构理论分析常基于理想的有限元模型, 并且分析时常以很多假定为前提, 这种模拟试验和计算假定可能与真实桥位不完全相符。因此, 可以通过桥梁健康监测所获得的实际结构的动静力行为, 可以验证桥梁的结构分析模型、计算假定和设计方法的合理性, 而且监测数据可用于深入研究桥梁结构及其环境中的未知和不确定性问题。而且桥梁健康监测信息反馈于结构设计的更深

1.2 桥梁监测系统的结构

桥梁监测系统就是通过对桥梁结构进行无损检测, 实时监控结构的整体行为, 对结构的损伤位置和程度进行诊断, 对桥梁的服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行智能评估, 为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号,为桥梁的维修、养护与管理决策提供依据和指导。桥梁监测系统的基本组成如图1所示。

图1 桥梁检测系统基本组成框图 1.3 桥梁监测系统的特点

桥梁监测系统作为现代桥梁系统中必不可少的一部分，有着极其重要的地位，对桥梁的安全和争产运行起到了极其重要的作用，基于对桥梁监测系统的研究，其具有以下一些共同特点:(1)通过测量结构各种响应的传感装置获取反映结构行为的各种记录.(2)除监测结构本身的状态和行为以外,还强调对结构环境条件(如风、车辆荷载等)的监测和记录分析;同时,试图通过桥梁在正常车辆与风载下的动力响应来建立结构的“指纹”,并借此开发实时的结构整体性与安全性评估技术.(3)在通车运营后连续或间断地监测结构状态,力求获取的大桥结构信息连续而完整.某些桥梁监测传感器在桥梁施工阶段即开始工作并用于监控施工质量.(4)监测系统具有快速大容量的信息采集、通讯与处理能力,并实现数据的网络共享.1.4 桥梁监测系统的监测方面

桥梁监测的基本内涵即是通过对桥梁结构状态的监控与评估,为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号,为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导.为此,监测系统对以下几个方面进行监控:(1)桥梁结构在正常车辆荷载及风载作用下的结构响应和力学状态。

(2)桥梁结构在突发事件(如地震、意外大风或其它严重事故等)之后的损伤情况。

(3)桥梁结构构件的耐久性, 主要是提供构件疲劳状况的真实情况。

(4)桥梁重要非结构构件(如支座)和附属设施(如斜拉桥振动控制装置)的工作状态。

(5)大桥所处的环境条件, 如风速、温度、地面运动等。

2、桥梁危险源

2.1 桥梁中的危险因素

桥梁中存在诸多因素会导致桥梁发生事故，对这些因素的研究有助于我们对桥梁事故更好的预测和分析，可以更好地避免事故发生，减少人员伤亡和财产的损失，因此，桥梁监测系统所监测的因素主要有以下几方面。(1)荷载。包括风、地震、温度、交通荷载等。

(2)几何监测。监测桥梁各部位的静态位置、动态位置、沉降、倾斜、线形变化、位移等。(3)结构的静动力反应。监测桥梁的位移、转角、应变应力、索力、动力反应(频率模态)等。

(4)非结构部件及辅助设施。支座、振动控制设施等。

2.2 桥梁事故的事故树分析

针对可能发生的桥梁事故，分析导致的原因事件，然后根据这些原因事件建造事件树，确定成立的事故方案，并应用ANSYS软件等工具计算出桥梁结构在各种可能原因事件以及各种可能事故方案的作用下的空间应力状态；最后通过对这些可能事故方案的分析来确定事故的原因及机理。具体分析过程如图2所示。

图2 基于可靠性的事故分析模型

如果某工程事故在事故原因调查分析时通过专家意见、现场调查、文献搜集以及回顾等确定有3 种可能事故原因事件(E1,E2,E3)，则有6种可能事故方案，如图3所示。

图3 所有可能引起事故的方案

在完成事件树建造之后，下一步就是对每个破坏事件进行品质分析(也即这些事件发生的条件概率)和确定每种事故方案的发生概率.如果事故方案中的某一事件的条件概率小于事故发生的极限概率值，则认为该事故方案不成立，而只需要对那些成立的方案进行分析，如图4所示.图4 研究的事故方案

通过上述理论，可以形成事件树分析法对事故分析步骤.(1)确定或寻找可能导致事故的事件.破坏事件可通过专家意见、工程现场调查、文献搜集以及回顾等确定；

(2)确定可能导致事故严重后果的初因破坏事件，所有的事故失效事件都有可能是初因失效事件；并对初因事件进行分类，对于那些可能导致相同事件树的初因事件可划分为一类；(3)建造事件树，对事件进行分析，排除包含事件的条件概率小于极限失效概率值的事故方案，确定成立的事故方案；

(4)对事故方案进行仿真计算，计算出各种事件作用时对结构的应力状态影响，并比较分析确定这些事件对事故的权重；

(5)评价被调查的事故方案发生的可能性，找出事故原因.3、桥梁传感器

3.1 桥梁监测系统中的传感器

桥梁检测系统中由于检测的因素过多，因此会使用到种类众多的传感器，具体传感器类型包括：

(1)应变/温度传感器——测量混凝土构件内部应变和温度的分布。(2)斜拉锁索力计(锚索计和智能拉索）——测量斜拉索索力。

(3)静力水准仪——测量桥梁沿桥轴线方向各断面的相对高程变化、即挠度。(4)倾角计——测量桥梁墩柱、索塔、箱梁等构件偏转角。

(5)加速度/速度计——测量桥梁运营过程中自振和强迫振动的动态特性。(6)位移计——测量斜拉桥索塔与主梁之间相对纵向位移。

(7)桥梁线形及变位永久监测网——由基准站、测站和监测点构成，定期监测桥梁几何线形变化。

3.2 桥梁中针对不同因素所使用的传感器

桥梁中的不同因素由于性质差别大，则需要选择相应的传感器，下面是针对不同的因素所使用的相应传感器：

(1)荷载。包括风、地震、温度、交通荷载等。所使用的传感器有: 风速仪—— 记录风向、风速进程历史, 连接数据处理系统后可得风功率谱;温度计——记录温度、温度差时程历史;动态地秤——记录交通荷载流时程历史, 连接数据处理后可得交通荷载谱;强震仪—— 记录地震作用;摄像机—— 记录车流情况和交通事故。

(2)几何监测。监测桥梁各部位的静态位置、动态位置、沉降、倾斜、线形变化、位移等。所使用的传感器有: 位移计、倾角仪、GPS、电子测距器(EDM)、数字像机等。(3)结构的静动力反应。监测桥梁的位移、转角、应变应力、索力、动力反应(频率模态)等。所使用的传感器有: 应变仪——记录桥梁静动力应变应力, 连接数字处理后可得构件疲劳应力循环谱;测力计(力环、磁弹性仪、剪力销)—— 记录主缆、锚杆、吊杆的张拉历史;加速度计—— 记录结构各部位的反应加速度、连接数据处理后可得结构的模态参数。

(4)非结构部件及辅助设施。支座、振动控制设施等。

3.3 桥梁中针对不同因素监测方式和频率

桥梁中涉及到的因素有静态的有动态的，有有形的有无形的，因此针对不同的因素要采取不同的方法和频率。依据桥梁中不同因素所属的种类不同，将相应因素进行了相应的分类，同时给出了相应的监测手段。下表1中具体列出了不同因素的监测方式和频率。

表1 不同因素的分析表

4、桥梁监测系统的具体实施方案

在桥梁监测系统中不同的功能目标所要求的监测项目不尽相同.绝大多数桥梁监测系统的监测项目都是从结构监控与评估出发的,个别也兼顾结构设计验证甚至部分监测项目以桥梁问题的研究为目的.如果监测系统考虑具有结构设计验证的功能,那就要获得较多结构系统识别所需要的信息,因此,对于大型桥梁,需要较多的传感器布置于桥塔、加劲梁以及缆索/ 拉索各部位,以获得较为详细的结构动力行为并验证结构设计时的动力分析模型和响应预测,另外,在支座、挡块以及某些联结部位需安设传感器获取反映其传力、约束状况等的信息.4.1 桥梁监测方案中组成部分

（1）硬件部分

监测系统的硬件主要用于桥梁参数的采集和数据处理，在监控分中心设置数据服务器进行系统数据分析处理，并设置工作站计算机进行实时监控，在桥梁现场设置网络传输设备和数据采集处理设备进行远程数据的传输和采集，在桥梁的不同位置设置原始数据采集设备进行桥梁实时状态的监测。原始数据采集设备如下：

(1)风力风向监测设备

成桥后风荷载是桥梁结构的主要动力荷载之一。在风荷载作用下，桥梁的主要构件索、梁和塔都将产生振动，引起疲劳损伤累积，导致桥梁抗力衰减。通过监测风速、风向，统计最大风速值、风荷载脉动特性及风功率谱密度等，可以得出结构的风与结构响应关系，从而对结构进行风致振动的分析。(2)环境温度监测设备通过环境温度的监测，可以分析环境温度对结构静力响应的影响，以使基于静力测试的识别方法能更准确地反映结构基准状态；可以分析环境温度对振动特性的影响，以使基于振动测试的损伤检测方法能更准确；可以预测可能出现的极限环境温度荷载。同时，空气湿度对结构的耐久性影响也较大。环境监测中温度和湿度的监测对于分析结构状态和结构损伤发展状态是重要的参数指标，另外温湿度监测可以为系统采集站设备的工作环境控制提供参考数据。(3)结构温度监测设备

构件温度的分布状况将直接影响到结构的变形和内力状态，构件温度场中的温差效应的实际分布也是设计单位关心的一个重要结构参数；对结构温度分布情况的监测可以用于分析结构温度场对结构静力响应的影响，以使基于静力测试的识别方法能更准确地反映结构基准状态；可以帮助分析结构温度场对振动特性的影响，以使基于振动测试的损伤检测方法能更准确。因此温度荷载的监测可以帮助考察可能出现的极限温度场荷载，为结构分析提供帮助。另外温度场监测可为部分监测设备做温度补偿。(4)地震监测设备

地震荷载的监测是指在地震事件或船舶撞击下监测大桥桥址处的地震动加速度时程及其频谱，为结构整体和局部的动静力响应及灾后评估提供依据，为大桥管理部门处理突发事件提供资料。(5)动态交通荷载监测

交通荷载的监测一方面可以对运营期大桥的交通量进行统计，对过桥的车辆轴重、速度、车长进行动态实时监测，当车辆超载时可给出预警。另一方面，车辆交通荷载的监测可以为结构响应大小提供对比的参照，提供桥梁是否处于无车辆活荷载的近似恒载的判断依据，作为桥梁恒载状态对比分析的前提条件。(6)结构应变监测设备

对构件应力的监测可以分析求解出测点的应力状况。结构的应力是重要的结构局部信息，一旦应力超限，便可能导致材料开裂或破坏，进而导致构件和桥梁的破坏。应变指标是运营期间安全性预警的重要信息，也是结构状态分析的参考信息，尤其对一些关键的结构部位(如主梁跨中、主梁支座顶部、桥塔根部等)，必须对其进行监测。

(7)主梁挠度监测设备

桥梁主梁挠度直接反应了主梁当前的整体受力状态，桥梁挠度也是监测系统预警和安全评定的主要指标。(8)索塔倾斜监测设备

桥塔是斜拉桥的主要承重构件，桥塔一旦出现较大倾斜，整个斜拉桥会有倾覆的危险。另外桥塔沿桥纵向倾斜也是索力不均匀分布的表现。(9)主梁及索塔空间变位监测设备

主梁和索塔的空间变位是反映大桥安全状态及进行内力状态评估分析的重要参数，是结构安全预警的重要指标。(10)整体位移监测设备

斜拉桥主梁在温度作用下会发生纵向变形，这种纵向变形将通过伸缩缝处主梁端部位移来反映。伸缩缝处主梁端部位移与温度之间具有一定的对应关系，通过监测可以掌握主梁纵向变形情况，如果主梁的纵向变形异常(变形未被释放)，则会导致主梁出现较大的温度应力，这对主梁安全将产生危险。(11)斜拉索索力监测设备

斜拉索是斜拉桥最重要的受力构件，斜拉索索力的变化直接反映桥梁结构受力状态的变化，关系到整座大桥的安全，通过索力的监测能够为运营期间的安全性提供直接的预警信息和状态评估信息。(12)动力特性监测设备

桥梁动力特性参数的变化(频率、振型、模态阻尼系数)是桥梁构件性能改变的标志。桥梁的振动水平(振动幅值)反映桥梁的安全运营状态。桥梁自振频率的降低、桥梁局部振型的改变可能预示着结构的刚度降低和局部破坏，是进行结构损伤评估的重要依据。(13)腐蚀监测设备

桥墩支撑着整个桥梁，一旦出现问题，后果极其严重。桥墩所处位置环境恶劣，各种腐蚀因素会导致桥墩混凝土耐久性降低，通过对桥墩处混凝土耐久性CL一腐蚀进程监测，能及时掌握桥墩混凝土的腐蚀程度，在腐蚀速度过快或腐蚀程度过大时可及时进行补救。在桥梁现场设置的工作站进行数据转换后，将光信号和模拟信号转换成数字信号，通过光缆传输到监控分中心，在现场的工作站设置一套同步时钟系统，以保证各个设备采集数据的同时性。（2）软件部分

监测系统要实现全桥整体状态的监测，离不开最后软件系统的数据分析与处理，其中，又可以把软件系统分为三大块，分别是：(1)数据采集与传输系统

数据采集与传输系统是整个监测系统实现的首要条件，通过这个子系统，实现了对传感器信号的采集、处理、存储、传输与显示功能，现场设备与数据服务器紧密联系，可以随时对所需要的数据进行调用。(2)数据处理与分析系统

这个子系统是桥梁监测系统的核心，它完成桥梁巡检、养护管理及预警功能，实现巡检动态数据的录入、存储、导出、上传功能。达到桥梁监测系统要求的数据接收与处理服务器上的数据传输、数据下载、数据处理及数据存储等功能，并通过WEB统一门户形式，提供给用户使用。(3)数据库管理系统

根据系统运行数据的规模和系统功能要求，数据库管理系统利用数据库软件，作为结构监测系统数据存储及共享的平台。这个子系统是整个系统的基础。软件部分三个子系统实际上是密不可分的，系统进行数据分析，不仅仅是自动采集的，也包括人工巡检后录人数据库的数据。其中桥墩变位、斜拉索索力、斜拉索探伤、钢结构焊缝探伤、腐蚀、混凝土强度、混凝土碳化深度、混凝土裂缝测量、桥面线形、桥面状况、混凝土表观状况、钢结构状况、斜拉索状况、阻尼器状况、伸缩缝状况、支座状况、桥梁的抗震设施、人行通道、护栏状况、其他设施状况等都需要人工巡检后录入。

4.2 桥梁监测系统中的布置

4.2.1 桥梁中传感器/作动器网络的优化设计准则

无论是以静力作用下的结构参数识别还是动力作用下桥梁的模态识别为主要目的的监测情况，下面一些优化设计准则是常用（1）识别(传递)误差最小准则

该方法的要点是连续对传感网络进行调整，直至识别(传递)目标的误差达到最小值为至。基本思想是逐步消防那些对目标参量的独立性贡献最小的自由度，以使目标的空问分辩率达到最佳程度；

该准则即适于静力作用下的结构参数识别也适于动力作用下桥梁的模态识别。

（2）模型缩减准则

在模型缩减中常常将系统自由度区分为主要自由度和次要自由度，缩减以后的模型应保留主要自由度而去掉次要自由度。将传感器配置于这些主要自由度上测得的结构效应或响应，应能较好的反映结构的动、静力特性。（3）插值拟合准则

有时传感器优化配置的目的是为了利用有限测点的效应(对动力而言为响应)来获得未测量点的响应。这时可采用插值拟合的方法获得目标点(未测量点)的响应，为了得到最佳效果，可采用插值拟合的误差最小原则来配置传感器。（4）模态应变能准则

其基本思想是具有较大模态应变能的自由度上的响应也比较大，将传感器配置于这些自由度所对应的位置上将有利于参数识别。这一方法需要借助有限元分析法。

针对以上原则设计出最好的实验方案，由于不同桥梁的设计方案不尽相同，在此不一一赘述。

4.3 桥梁监测系统总体运行

桥梁监测系统由外场设备进行数据的采集，由软件进行数据的归纳分析，对桥梁的整体状态进行评估，并根据桥梁的初始状态暨通车前交工后的状态和正常运营时的状态进行对比，设定桥梁危险信号的预警值，当系统分析桥梁不安全时，会自动发出警报，实现尽早发现、尽早处理的管理方式，可以提前规避重大事故的发生。

5、桥梁监测系统分析数据的方法

5.1 分析数据的相应方法

（1）有限元法

有限元“化整为零”的思想十分简单明了.它把一个复杂的结构分解成相对简单的“单元”,各单元之间通过结点相互连接.单元内的物理量由单元结点上的物理量按一定的假设内插得到,这样就把一个复杂结构从无限多个自由度简化为有限个单元组成的结构.只要分析每个单元的力学特性,然后按照有限元法的规则把这些单元“拼装”成整体,就能够得到整体结构的力学特性.进行有限元分析,可以基于计算机语言编程,如: Fortran和Matlab等.同时,亦有众多的有限元商用软件流行,其中平面分析的有限元软件有:国内有桥梁博士、桥梁通和GQJX,国外有Midas等;空间分析的通用有限元软件大多为国外的,有:Midas,ANSYS, NASTRAN, AD INA和ABAQUS等,它们包含众多单元类型,能求解各类问题.5.2 数据处理流程

（1）数据预处理

这一过程在数据采集单元内完成,主要进行简单的统计运算,如:设定时段内的最大值、最小值、均值、方差和标准差等,计算结果作为初级预警的输入.（2）数据的二次处理在数据处理与分析服务器上进行,主要计算方法, 如: 傅立叶变换、HHT 变换和小波变换等及其他方法,流程如图1所示.其中动力数据处理的具体方法及其比较见表2.图2 数据二次处理计算方法及流程框图

（3）数据后处理

主要进行监测数据的高级分析,如:实时模态分析、桥梁特征量与环境因素之间的相关性分析和非线性回归分析等.由于这些方法常需占用一定的计算时间,这一过程往往离线进行,分析数据来自动态数据库和已备份的原始数据库.5.3 数据预处理与传输系统

数据预处理工作由数据采集单元完成，以对信号进行调理、滤波、A/D转换，以及进行简单的统计处理，并将信号通过系统主干光纤网络传输给数据

处理与控制服务器。现场数据采集单元同时管理本地NAS存储，当上位机或主干网故障时，现场采集单元通过降档控制继续执行数据采集工作，并保证经预处理的采集数据在本地NAS保存30d。

5.4 数据处理与分析系统

数据处理与分析系统运行在监控分中心的桥梁监测工作站上，通过网中网连接并控制各被测桥梁的现场控制单元，并经由现场控制单元与现场安装的传感器和采集设备通讯。运行数据处理与分析软件的桥梁监测工作站应装备足够的缓冲内存、网卡、适当的备份设备、光纤网络接口和执行数据处理分析的操作模块；数据处理与分析系统管理一个桥梁信息数据库和一个动态数据库，桥梁信息数据库用于存储采集到的原始数据、处理结果、评估报告、桥梁运营档案等相关信息。动态数据库用于保存桥梁结构当前的原始数据和预处理结果。动态数据库信息保存30 ；桥梁信息数据库中的信息通过定期存档、备份作永久保存，以保持数据连续性。

5.5 系统集成

系统硬件由传感器、现场采集设备、通信链路、供电电路、接地防雷设备、远程监控工作站等组成。根据总体功能要求及现场环境条件，数据采集系统采用分布式布置监控中心设一远程监控工作站进行人机联系：控制数据采集单元工作、监视运行情况、进测行结构安全评估的等工作。网络交换机在数据采集单元与远程监控工作站之间完成现场数据与控制数据的交换各桥桥址处均设立结构线形和变位永久观测网，由基准站、观测站和监测点组成。

6、结束语

桥梁监测系统为运营期桥梁科学有序的养护运营管理提供了一个平台，建立了桥梁监控系统全寿命期大桥的数字化、信息化“档案”，对大桥整体与局部性能、工作状态做出评估，对构件异常现象及时作出判断并找出原因，及早发现安全隐患，通过制定合理、主动、预防性的养护措施，有效地掌控了运营期桥梁的结构使用状态及其发展演化趋势，有效地降低了桥梁全寿命期的运营养护成本，最大限度延长了桥梁的使用年限，这是科技的进步与发展。

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读书的好处

1、行万里路，读万卷书。

2、书山有路勤为径，学海无涯苦作舟。