第13章--大型桥梁的健康监测

第13章大型桥梁的健康监测教学目标了解桥梁健康监测系统的基本组成掌握桥梁健康监测系统内容及所使用的仪器设备了解桥梁健康监测系统设计的内容。教学要求知识要点能力要求相关知识桥梁健康监测概论(1)了解桥梁健康监测的概念、意义以及作用(2)了解桥梁健康监测系统的基本组成(3)了解桥梁健康监测的内容桥梁健康监测技术(1)掌握GPS监测系统(2)掌握实验模态分析法(3)掌握结构损伤检测定位技术桥梁健康监测系统的设计(1)了解设计准则和测点布置(2)了解监测项目桥梁工程中，大型桥梁的健康状态直接影响桥梁的使用运营。大型桥梁的健康监测能够适时的了解桥梁的运营状况，及时发现桥梁病害，确定桥梁损伤是否发生并定性和定量地确定其发生部位及损伤程度，同时桥梁的健康监测能够验证桥梁设计理论及计算假定的正误，并对桥梁的研究与发展提供实践依据。通过本章学习，了解桥梁健康监测系统的基本组成，掌握桥梁健康监测系统内容及所使用的仪器设备，了解桥梁健康监测系统设计的内容。13.1桥梁健康监测概论概念通过先进的监测系统对桥梁结构的工作状态和整体行为进行实时监控，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科学的依据和指导。意义和作用（1）评估和预警（2）设计验证（3）研究与发展基本组成（1）传感系统。由传感器、二次仪表及高可靠性的工控机等部分组成。（2）信号采集与处理系统。实现多种信息源、不同物理信号的采集与预处理，并根据系统功能要求对数据进行分解、变换以获取所需要的参数，以一定的形式存储起来。（3）通信系统。将处理过的数据传输到监控中心。（4）监控中心。利用可实现诊断功能的各种软硬件对接收到的数据进行诊断，包括结构是否受到损伤以及损伤位置、损伤程度等。桥梁健康监测系统的基本组成及其工作流程图桥梁健康监测系统监测内容及使用的传感器（1）环境监测(包括温度、湿度、有害气体等)。主要目标在于监测桥梁所处的物理化学环境，从而为随后的桥梁耐久性评估提供原始数据。所使用的传感器有：①电阻式温度计—记录温度、温差时程历史；②湿度计—记录环境的湿度；③酸性气体监测仪—监测桥梁周围空气中的CO，CO2，SO和CL-的浓度；④酸碱度(PH值)传感器—测量桥梁周围水体中的PH值；⑤钢筋锈蚀监测装置—监测钢筋、钢材锈蚀前后的电位变化，准确预测锈蚀的发生、发展情况。桥梁健康监测系统监测内容及使用的传感器（2）荷载。包括风、地震、温度、交通荷载等。所使用的传感器有:①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；②温度计—记录温度、温度差时程历史；③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；④强震仪—记录地震作用；⑤摄像机—记录车流情况和交通事故。桥梁健康监测系统监测内容及使用的传感器（3）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、数字照像机等。（4）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：①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；②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；③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。（5）非结构部件及辅助设施。支座、振动控制设施等。13.2健康监测技术GPS监测系统1.基本概念2.位移监测原理13.2健康监测技术GPS监测系统3.技术特点（1）GPS监测站之间勿需通视，可以实现不同测点间的同步观测；（2）GPS观测工作可以在任何地点，任何时间连续地进行，受外界大气影响小；（3）GPS测定位移自动化程度高。（4）GPS定位速度快、精度高。结构损伤检测定位技术模式识别法模型修正法人工神经网络法遗传算法13.3桥梁健康监测系统的设计监测系统设计准则和测点布置（1）监测系统的设计应首先考虑建立该系统的目的和功能。对于特定的桥梁，建立健康监测系统的目的可以是桥梁监控与评估，或是设计的验证，甚至是以研究发展为目的。因此，一旦系统的目的和功能确定，系统的监测项目也就能确定。（2）系统投资额的限度。监测系统中各监测项目的规模以及所采用的传感器和通信设备等的确定都需要考虑整个项目投资额的限度，必须对设计方案做成本—效益分析，再根据目的、功能要求和成本—效益分析将监测项目和测点数设计到所需范围之内。表13-1国内外大型桥梁健康监测系统传感器布置表桥梁名称健康监测传感器环境应变位移振动风速仪温度传感器动态地坪电阻应变计位移传感器水平仪GPS速度计加速度传感器青马大桥611561182915-17汀九桥7836882-5-45汲水门桥2224646652-2明石桥9--87--1210铜陵大桥2626---302-20润扬长江大桥140-72--15-53东海跨海大桥-23-9--5-15南京长江大桥130-5012---28上海长江大桥554-107--16-15监测项目监测项目包括3个方面内容：工作环境监测、结构状态监测、结构响应行为监测1．风力效应监测2．桥梁结构温度场监测3．交通荷载效应监测4．铁路荷载效应监测5．大桥主缆索的索力监测6．大桥主要构件的应力监测13.4润扬长江大桥健康监测实例润扬长江大桥是由悬索桥和斜拉桥组合而成的特大型缆索支承型桥梁（如图13.3）。其中，斜拉桥为三跨(176m+406m+176m)双塔双索面型钢箱梁桥，悬索桥为单跨双铰简支钢箱梁桥，主跨1590m，为中国第一，世界第三。斜拉桥的监测测点布置1．斜拉索的监测2．桥面主梁的监测3．索塔的监测斜拉桥的监测测点布置1．斜拉索的监测2．桥面主梁的监测3．索塔的监测图13.5润扬大桥斜拉桥结构健康监测系统测点布置图（单位：mm）Acc-加速度传感(80个);Str-应变传感器(60个);Ane-风速仪((1个);T-温度传感器(24个);GPS-GPS站点(8个)悬索桥监测测点布置1．主缆和吊索的监测2．主梁的监测3．索塔的监测4．环境监测图13.6润扬大桥悬索桥结构健康监测系统测点布置图（单位：mm）Acc-加速度传感(93个);Str-应变传感器(72个);Ane-风速仪(1个);T-温度传感器(40个);GPS-GPS站点(8个)