中小跨径桥梁结构健康监测技术讲稿2017.4.9杭州

中小跨径桥梁结构健康监测技术主讲人：王润建单位：交通运输部公路科学研究院北京公科固桥技术有限公司目录Contents01中小跨径桥梁健康监测的必要性02中小跨径桥梁健康监测的现状及存在问题03中小跨径桥梁健康监测从方案设计到数据分析的过程与实例展示04桥梁结构健康监测未来展望我国公路桥梁的现状分析一二三健康监测的必要性桥梁事故统计分析大跨度桥梁和中小跨径桥梁在养护管理方面的区别01中小跨径桥梁健康监测的必要性我国公路桥梁的现状分析—总体规模中小桥大桥特大桥89.3%10.2%0.5%中小桥大桥特大桥1841.5万米，40.10%2060.85万米，44.87%690.42万米，15.03%2015年交通运输行业发展统计公报，全国公路桥梁77.92万座、4592.77万米，比上年末增加2.20万座、334.88万米。其中，特大桥梁3894座、690.42万米，大桥79512座、2060.85万米，中桥17.5万座、952.4万米，小桥52.033万座，889.09万米。我国公路桥梁的现状分析—总体规模从我国公路桥梁的数量统计比例分析表明：中小跨径桥梁占主导地位。我国公路桥梁的现状分析—桥梁老龄化加速到来我国公路桥梁的现状分析—桥梁老龄化加速到来大规模建设时期90%投资用于旧桥维护改造我国公路桥梁的现状分析—桥梁老龄化加速到来对比中美30年桥龄的桥梁占比发现，美国从18%到60%，用了60年时间，而中国只用了30年，中国桥梁老龄化将加速到来。我国公路桥梁的现状分析—技术状况27977872010768761512449138200100020003000400050006000700080009000国省干线国道省道县道2015年国省县道四五类桥梁统计（座）四类五类我国公路桥梁的现状分析—技术状况上世纪八十年代以前修建的桥梁，设计荷载等级偏低公路桥梁设计荷载标准进行5次修订，设计规范修订3次不同时期修建的桥梁，设计荷载标准存在较大的差异急剧增长的交通量和运输车辆的大型化，对桥梁设计荷载标准提出了挑战•80年代以前修建的桥梁，技术状况总体偏差•早期修建的低配筋率桥梁，对现行交通荷载的适应性差•部分桥梁结构存在先天不足，造成突发安全事故•桥梁疲劳损伤日益显现，耐久性问题突出。我国公路桥梁的现状分析—中小跨径桥梁现状技术状况设计荷载本节引用了西南交通大学l李亚东教授的《桥梁事故-分析与思考》相关数据。通过书籍、文献、网络等渠道收集到国内外一部分桥梁事故700例（国内138起，国外562起）。对事故的具体原因大致进行了分类（14大类），对事故进行统计分析的目的，在于了解总体情况，不具有统计学意义分析要素·发生时间·事故类型·区域分布·结构类型·使用时长桥梁事故统计分析桥梁事故统计分析-全寿命期间潜在的分析·指正常设计、施工、养护条件下、采用悬臂施工的单座桥梁的潜在风险分析·倾斜的澡盆曲线？以指一个国家、地区桥梁总体的发展变化情况，中国目前的情况，大体在新建与管养并重阶段。各类桥梁事故，通常在“新建与管养并重阶段出现，在”以管养为主的阶段“表现更为突出；若多发生在新建为主的阶段，则不正常。桥梁事故统计分析-桥梁建设的三阶段经济发达和经济高速发展的区域和国家，桥梁基数大，桥梁事故的次数相对也较多桥梁事故统计分析-事故发生的区域桥梁事故统计分析-事故发生的阶段桥梁事故统计分析-事故发生的具体原因桥梁事故统计分析-事故发生的具体原因（中国138座）桥梁事故统计分析-事故分类中小跨度的常规桥梁，形成了事故的主体大跨度桥梁出现整体垮塌的个案相对较少桥梁事故统计分析-事故发生的桥梁结构类型·美、欧桥梁事故从20世纪60年代起开始增多·20世纪80年代以前，中国桥梁事故的信息相对欠缺中国桥梁事故从20世纪90年代起开始猛增，尤其是在最近10多年内桥梁事故统计分析-同时考察事故发生的时段和区段较为完备的技术法规体系专门配备了养护设备及技术力量。案例：大约260座，安装了桥梁健康监测系统，占中小桥数量的0.004%。主管部门重视程度不够，技术力量和资金投入严重不足。健康监测系统大跨度桥梁中小跨径桥梁基层管养单位力量薄弱。巡查、养护手段落后。信息传递不畅。.监管特点普遍应用：2015年，统计结果300m以上跨径的斜拉桥、悬索桥有208座，大约140座大跨度桥梁安装了健康监测系统，占斜拉桥、悬索桥总数的67%，费用占到桥梁造价的2%左右。桥梁养护组织保障体系大跨度桥梁和中小跨径桥梁在养护管理方面的区别专门的养护管理中心。日常巡查、养护维修及时、到位。突发事故应急抢险和处理机制完善。桥梁养护管理人员专业素质较高。02中小跨径桥梁健康监测系统现状及存在的问题12制约中小跨径桥梁结构健康监测系统发展的因素大桥、中小跨径桥梁结构健康监测系统的区别制约中小跨径桥梁健康监测系统发展的因素1健康监测系统造价国内健康监测系统通常大而全，且由于由此带来的高额费用而只能在特大跨径的桥梁工程中应用，而未能重视针对单一问题建立简单监测系统并在中小跨径桥梁中予以应用拓展。2标准体系《公路桥梁结构安全监测系统技术规程》(JT/T1037-2016)，《结构健康监测系统设计标准》（CECS333:2012）标志着大跨径桥梁监测系统设计技术从总体上而言已经趋于成熟和规范。而对于中小型桥梁健康监测与预警系统的设计缺乏整体性，规范性的指导原则，还没有建立科学、统一的设计标准。3传感器的优化布置算法还有待于进一步研发。中小型桥梁健康监测与预警系统的传感器先行分布设计仍然处于探索阶段，对已经出现破损情况的桥梁如何加配传感器还不明确等。4新技术的及时应用和更新还处于滞后阶段。采样频率fs:表示每秒钟采集的数据点数。时间分辨率：两个数据点之间的时间间隔，为采样频率的倒数。例子：单频信号：频率10Hz，幅值1V。大桥、中小跨径桥梁健康监测系统的区别—采样频率采样频率荷载响应大桥对采样频率的要求较低，小桥要求较高。频域采样定理：Fs=2.56Fm，时域至少10倍以上《桥梁健康监测》（赫尔穆特.文策尔著）书中，对采样频率的最低要求100Hz，国外的研究成果表明，较高的采样率，会提高数据的准确性。如果数据的存储和传输不是问题，建议使用200Hz或者500Hz的采样率，低采样率下得到的记录长度会对结构评级造成负面影响。大桥健康监测系统不适用于中小跨径桥梁，中小跨径桥梁对传感器的采样频率要求更高。结论大桥、中小跨径桥梁健康监测系统的区别—采样频率桥梁照片桥梁横断面桥梁信息为分析中小跨径挠度感知特点，选择桥梁结构为一跨径12m的钢筋混凝土简支T梁桥，桥面纵向为平坡，横向为1.5%双向横坡；桥面宽度为：行车道9m、两侧各设人行道0.85m。大桥、中小跨径桥梁健康监测系统的区别—采样频率位移传感器布置图设备类型采样频率LVDT-1以支架为基准100HZLVDT-2以张力线为基准挠度沉降仪10HZ电子百分表1HZ大桥、中小跨径桥梁健康监测系统的区别—采样频率电子百分表挠度沉降测试仪测试结果LVDT-1LVDT-2大桥、中小跨径桥梁健康监测系统的区别—采样频率用固定支架的LVTD传感器测试结果和以张力线为基准结果基本一致，其中最大值和最小值的相对偏差分别为2.11%和4.04%，均在5%之内。挠度沉降仪和机电百分表相对于以固定支架为支点的LVDT测试结果偏差均非常大，主要原因在于，二者的响应频率较低，测试结果不能反映正常运营下桥梁结构的动态挠度变化。其中机电百分表测试的最大值和最小值的相对LVTD-1测试结果偏差分别为83.7%和38.6%。序号仪器设备挠度最大值(mm)挠度最小值(mm)备注1LVDT-11.944-2.896以支架为基准2LVDT-21.985-3.013以张力线为基准3挠度沉降仪0.440-1.982以张力线为基准4电子百分表0.316-1.779以支架为基准四个传感设备测试的挠度幅值大桥、中小跨径桥梁健康监测系统的区别—采样频率LVDT传感器的响应频带较宽，且其峰值频率对应的响应频率分别均处于桥梁一阶竖向自振频率(9.29Hz)附近以及一阶自振频率的倍频范围内。由此可知LVDT传感器可测定正常运营下桥梁结构的静动态挠度响应。LVDT-1测试数据幅值谱LVDT-1测试数据功率谱测试数据分析0510152025303540455000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.05频率/Hz振幅LVTD-1幅值谱05101520253035404550-40-35-30-25-20-15-10频率/HzdBLVDT-1功率谱大桥、中小跨径桥梁健康监测系统的区别—采样频率对比LVDT1测定的梁体的挠度信号幅值谱和功率谱，可以看出试验采用的挠度沉降仪由于其响应频率较低，只能测定9.6Hz以下的梁体结构挠度变形。挠度沉降仪测试数据功率谱挠度沉降仪测试数据功率谱测试数据分析0510152025303540455000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.05频率/Hz振幅挠度沉降仪幅值谱05101520253035404550-200-180-160-140-120-100-80-60-40-200频率/HzdB挠度沉降仪功率谱大桥、中小跨径桥梁健康监测系统的区别—采样频率中小跨径大桥大桥结构变形监测对仪器精度要求较低，中小跨径要求较高。结论大桥、中小跨径桥梁健康监测系统的区别—仪器精度03中小跨径桥梁健康监测从设计到数据分析的过程与实例展示132结构健康监测概念健康监测系统各子系统介绍结构健康监测的应用举例跨学科综合性技术+荷载响应+损伤识别+结构的长期退化系统结构图专业解释：结构健康监测(StructureHealthMonitoring，简称SHM)，通过分析定期采集的结构布置的传感器阵列的动力响应数据来观察体系随时间推移产生的变化，损伤敏感特征值的提取并通过数据分析来确定结构的健康状态。通俗解释：结构健康监测是通过对结构的物理力学性能进行无损监测，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，对结构的服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行智能评估，为结构在突发事件下或结构使用状况严重异常时触发预警信号，为结构的维修、养护与管理决策提供依据和指导。结构健康监测系统的概念监测期间应进行巡视检查和系统维护，监测前应根据各方的监测要求与设计文件明确监测目的，结合工程结构特点、现场及周边环境条件等因素，制定监测方案。桥梁结构监测应设定监测预警值，监测预警值应满足工程设计及被监测对象的控制要求。监测期间，监测结果应与结构分析结果进行适时对比，当监测数据异常时，应及时对监测对象与监测系统进行核查，当监测值超过预警值时应立即报警。下列工程结构的监测方案应进行专门论证：①特大及结构形式复杂的桥梁结构；②发生严重事故，经检测、处理与评估后恢复施工或使用的工程结构；③监测方案复杂或其他需要论证的工程结构。桥梁结构健康监测系统—一般规定及流程桥梁结构健康监测系统—方案设计原则经济实用在确定监测方法时,要根据结构的特点,选择适当的监测方法,尽量经济实用。统筹规划测点选择多方案比选在选择监测仪器时,不能片面追求精、高、多、大、全。应根据监测内容所需要的精度、可靠度等要求统筹考虑,既要能满足监测要求,又要满足经济性原则。测点要选择结构的关键部位布置。a、应力依据内力最大、应力最大原则,综合考虑结构受力分析结果进行选择。b、变形测点选择原则:根据构件烧度最大原则选则。c、动力(加速度)测点选取原则:根据理论振型选择测点。•根据实际情况,定制几套不同的监测方案,有条件的话同一测点可用不同的监测方法进行校对。针对不同的监测方案,要进行方案的比较和验证工作,,特别要避免单方面追求高精度、多参数,脱离实际需要的监测方案。方案设计原则架构•传感器子系统•数据采集与处理子系统•数据传输子系统•数据存储子系统•结构损伤识别与安全评估子系统•用户界面子系统存在的问题•成本高•后期维护使用复杂•建设周期长高配