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桥梁结构健康监测技术——发展与应用长大桥梁健康检测与诊断技术交通行业重点实验室江苏省公路桥梁工程技术研究中心江苏省长大桥梁健康监测数据中心江苏省交通科学研究院股份有限公司南京.2015.01.16报告人:张宇峰汇报提纲一健康监测技术的必要性二健康监测技术及其发展三应用案例桥梁:交通枢纽、生命线工程、地方经济发展的推动力突飞猛进、规模空前1.健康监测系统应用的必要性20世纪90年代以来,我国新建桥梁占全世界的47%公路桥梁73.53万座(世界第一)每年造桥数量过万座1994年韩国汉城圣水大桥断塌,死亡32人。1996年,帕劳共和国的Koror-Babeldaob桥倒塌,6人伤亡。2001年,葡萄牙杜罗河公路桥坍塌,70余人落水失踪。2007年,美国明尼苏达州大桥坍塌,100多人伤亡。2011年,我国福建武夷山公馆大桥垮塌(1死,22伤)2012年,我国哈尔滨阳明滩大桥引桥断裂(3死,5伤)桥梁安全已成为国际桥梁界的关注热点1.健康监测系统应用的必要性疲劳开裂失稳断裂风致颤振拉索腐蚀断丝钢桥混凝土桥长期变形过大混凝土开裂钢筋锈蚀支座病害坑蚀突发事件船只碰撞列车冲击地震破坏货车超载最大宽度2.4mm桥梁投资大、服役周期长、工作环境恶劣、病害普遍危桥数量呈现出边治边增的趋势桥梁养护加固已成为一项重要(乃至主要)的工作1.健康监测系统应用的必要性传统检查方法存在诸多缺点,限制决定了其无法直接有效地应用于大型桥梁的健康状况检查。(i)需要大量人力、物力和财力并有诸多检查盲点;(ii)主观性强,难于量化;(iii)缺少整体性;(iv)影响正常交通运行;(v)周期长,实时性差。美国联邦公路委员会:由人工检查做出的评估结果有56%是不恰当的。国内外桥梁事故的经验教训表明:当桥梁使用十至二十年左右时,设计和施工时的缺陷将完全暴露出来,同时,因长期使用而累积的结构损伤和疲劳也有危及桥梁基本安全的可能,但是,此时桥梁损伤的外在表征又往往表现不够明显,因此最易发生安全事故。1.健康监测系统应用的必要性疾病诊断治疗检查监测检查维修诊断1.健康监测系统应用的必要性结构健康监测系统传感器传输网大脑神经中枢神经末梢人体神经系统状态评估健康监测——为桥梁构建神经系统1.健康监测系统应用的必要性突发性损伤——提高发现速度61.461.862.262.66363.463.864.264.66565.465.8-5-4-3-2-10123456789101112131415温度(℃)高程(m)累积性损伤——使趋势推演成为可能隐蔽部位——实现观察桥梁设计——验证、指导今后1.健康监测系统应用的必要性2.健康监测技术及其发展工程应用应用数量:已在国内外超过300座桥梁上应用(不完全统计)应用范围:逐步从特大跨径桥梁向常规桥梁拓展应用功能:与电子化人工巡检系统和养护管理系统系统逐步融合EastTowerWestTower1E2E3E4E1W2W3W4WWIMWIMAnemometerAccelerometer&SeismometerTemperatureSensorStrainGaugeGPSRoverStationDisplacementTransducerBarometer,RainGauge,HygrometerCorrosionSensorDigitalVideoCameraWeigh-In-MotionSystemWIMNumberofsensors1200SensorsontheStonecuttersBridgeEastTowerWestTower1E2E3E4E1W2W3W4WEastTowerWestTower1E2E3E4E1W2W3W4WWIMWIMAnemometerAccelerometer&SeismometerTemperatureSensorStrainGaugeGPSRoverStationDisplacementTransducerBarometer,RainGauge,HygrometerCorrosionSensorDigitalVideoCameraWeigh-In-MotionSystemWIMAnemometerAccelerometer&SeismometerTemperatureSensorStrainGaugeGPSRoverStationDisplacementTransducerBarometer,RainGauge,HygrometerCorrosionSensorDigitalVideoCameraWeigh-In-MotionSystemWIMNumberofsensors1200SensorsontheStonecuttersBridge1.江苏省大型桥梁健康监测系统建设现状南京二桥南京三桥润扬大桥江阴大桥苏通大桥淮安大桥崇启大桥泰州大桥斜拉桥,主跨648m斜拉桥,主跨628m悬索桥,主跨1490m斜拉桥,主跨406m悬索桥主跨2*1088m悬索桥主跨1385m斜拉桥主跨1088m技术政策交通运输部对桥梁健康监测已有制度要求•《公路桥梁养护管理工作制度》:对特别重要的特大桥,应建立符合自身特点的养护管理系统和健康监测系统•《十二五公路养护管理发展纲要》:重点加强桥隧养护管理工作,强化健康监测和实施监控系统建设……多个城市对桥梁健康监测提出明确要求•天津市市政管理局发布《关于加强市政公路路桥梁设施运行安全管理工作意见的通知》:“凡新建设的重要(特殊)市政公路桥梁设施,必须同步建设桥梁健康监测系统;在用的重要(特殊)市政公路桥梁设施,要加装并完善桥梁健康监测系统”2.健康监测技术及其发展技术发展数据存储与传输-技术瓶颈已基本被突破传感器方面-精度与长期稳定性已有较大提高技术标准方面-正在形成体系(ISHMII、CECS、天津、上海、江苏)结构评估方法-理论上成立,实验室可行,但现场应用瓶颈尤存2.健康监测技术及其发展3.应用案例案例1:江阴大桥健康监测系统升级改造——细节决定成败系统于1999年建成英国JamsScott公司设计,Strainstall公司施工造价2000万元人民币原系统概况数据管理——数据加密,仅能在专有系统中查阅数据分析——仅有简单统计陆续损坏,2004年初,全面瘫痪原系统运行情况主要技术措施:3.应用案例案例1:江阴大桥健康监测系统升级改造——细节决定成败序号原系统故障分析升级改造技术对策1外展散热条件不足开发了具有智能控温功能的仪器仓房,对外站仪器、设备进行温度的自动调节2系统雷电防护不足在传感器输入回路中增加高压隔离模块、在电源系统中增加隔离保护环节、在外站硬件中加入看门狗(watchdog)等技术防止感应雷电造成对系统损坏3硬件结构存在问题外站数据采集单元(DART)系统采用标准工业控制计算机,采集卡采用NI公司生产的工业级数据采集模块,以保证硬件可靠性4外站硬盘长期在线工作问题系统中采用大容量电子盘作为本地数据记录的缓冲器,从而减少了硬盘在线运行时间,增加其可靠性和寿命。5软件的封闭性软件开发采用工控领域的前沿技术——“虚拟仪器”系统实现6系统缺少必要维护建立定期检查及维护制度,保证系统的正常运行3.应用案例案例1:江阴大桥健康监测系统升级改造——细节决定成败2004年进行升级改造,目前已良好运行10年案例1:江阴大桥结构健康监测系统升级改造——细节决定成败3.应用案例案例2:台风影响分析——指导今后桥梁设计更准确进行苏通大桥等大桥在强/台风作用下的影响分析与可能损伤分析;对今后类似大桥的抗风设计具有指导意义首次建立了基于长期实测的华东沿海地区强/台风谱模型。2005:麦莎、泰利、卡努台风2006:桑美台风2007:圣帕、韦帕、罗莎台风2008:海鸥、凤凰森拉克台风2009:莫拉克台风2010:圆规台风2011:梅花台风2012:海葵、达维台风实测0.030.11410-210-1100101国外Kaimal谱实测数据拟合风谱nz/U(Hz)nSu/(u*)20.78452()29.68(*)1200unSnfuf0.873120.8875()47.64(*)1200unSnfuf39.9320.02343()0.743(*)10.01158unSnfuf(0.02343*39.93-2/3)0100200300400500600-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.5Displacementresponse(m)Time(sec)静风和脉动风导致的竖向位移响应静风,脉动风和自激力导致的竖向位移响应静风和脉动风导致的侧向位移响应3.应用案例众所周知,桥梁伸缩装置是桥梁中最易破损且难以维修的部位。据美国及我国的统计数据,在部分功能失效的桥梁中,其中问题的一半是在伸缩缝上;日本东名高速公路通车后8年间,伸缩缝的平均修补次数为1.6次/缝。案例4:伸缩缝监测——找出常规检测无法发现的病因3.应用案例钢梁被拉开伸缩梁与承载箱相碰•江阴大桥主桥伸缩缝病害不锈钢滑板滑动支座案例4:伸缩缝监测——找出常规检测无法发现的病因1999年建成,2003年出现伸缩缝病害,2006年更换设计寿命40年3.应用案例•润扬大桥主桥伸缩缝病害装置下部装置上部磨损情况磨损情况案例4:伸缩缝监测——找出常规检测无法发现的病因3.应用案例主桥伸缩缝更换老缝拆除8X173.125OFS2-21385JingjiangOFS1-1Temp336.5JiangyinOFS7-7OFS6-6OFS5-5OFS4-4OFS3-3OFS9-9OFS8-8309Temp案例4:伸缩缝监测——找出常规检测无法发现的病因3.应用案例0510152025121416182022Time(h)Effectivetemperature(oC)051015202520406080100120Averagedisplacement(mm)TemperatureDisplacement-5051015202530-350-300-250-200-150-100-50050100150D=10.859T-250.325Effectivetemperature(oC)Longitudinaldisplacement(mm)案例4:伸缩缝监测——找出常规检测无法发现的病因3.应用案例每小时平均位移:3373mm;每天平均累积位移:80.96m,每年累计位移:29.55km每小时平均位移:3890mm;每天平均累积位移:93.36m,每年累计位移:34.08km每小时平均位移:308mm;每天平均累积位移:7.38m,每年累计位移:2.69km润扬大桥苏通大桥案例4:伸缩缝监测——找出常规检测无法发现的病因3.应用案例05.9.15与06.9.15位移累积值对比图0510152006121824时间(h)位移累积值(m)05.09.15通道705.09.15通道806.09.15通道706.09.15通道8案例4:伸缩缝监测——找出常规检测无法发现的病因解决方案江阴大桥、润扬大桥:纵向阻尼器+高耐磨滑块+限位装置估算或实测行程特征;伸缩缝设计;伸缩缝寿命预测;异常监测与更换。推广:050010001500200025003000350040004500161116212631时间(天)累计位移(m)2006年3月2007年3月2008年3月3.应用案例案例4:船舶撞击桥梁的监测—从“不行”到“行”船撞主梁更多造成局部损伤,若不及时发现存在结构安全隐患增加车辆通行风险增加索赔难度指标A:梁端水平转角幅值:2e指标B:报警启动后首周期峰谷值指标C:横桥1阶自功率谱密度幅值船撞导致主梁局部构件变形3.应用案例困难:样本过少报警主要信号来源选取加速度:激振信号超限信号经常性出现,计算量大、信号分离难度大、自动识别困难伸缩缝位移计:测量值相对比较平稳,对车激振动敏感性较低,信噪比高,处理容易江阴大桥主梁AD5CL横向加速度传感器信号(200
本文标题:1.桥梁健康监测技术发展与应用-报告人:张宇峰
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