大跨度斜拉桥健康监测与安全预后-宗周红

大跨度斜拉桥健康监测不安全预后宗周红博士东南大学土木工程学院2017年12月23日第三届桥梁结构健康不安全技术交流会暨全国在役桥梁安全运营保障技术交流会——2017.12，南京汇报提纲2二、淮安大桥结构健康系统设计简介六、淮安大桥安全性综合评估模型七、淮安大桥安全预警斱法三、淮安大桥结构健康监测系统安装亐、淮安大桥环境振动测试不安全评估四、淮安大桥结构健康监测结果初步分析八、淮安大桥安全预后斱法九、结论不展望一、绪论一、绪论——桥梁健康监测意义对于重要的桥梁结构，如果不对桥梁结构的健康状态进行长期的实时监测，就难于及时发现并消除结构的安全隐患，一旦结构局部失效或整体承载能力不足，势必会影响桥梁结构的正常使用，甚至造成灾难性的重大事故。设计缺陷——塔克马大桥超载——宝山寺大桥船撞事故——九江大桥因此，为了确保大型桥梁结构的使用安全性和耐久性，减少或避免国家财产、人们生命的重大损伤，进行大型桥梁结构的健康监测是大势所趋，并具有一定的意义。大型桥梁健康监测意义监测与评估设计验证研究与发展正常运营监测结构状态识别结构性能评估设计模型验证设计理论改进新型设计方法环境荷载建模桥梁力学问题控制与评估技术安全评估方法方法描述优缺点常规综合评估结合层次分析法通过构建判断矩阵确定各指标合理权重系数，然后运用常权平均或变权平均和两者混合的权值计算法进行加权的综合评估，对多指标定量评价在进行桥梁结构技术状态评估研究的初期，常规综合评估方法对研究工作的开展起到了很好的奠基作用，且是目前既有桥梁评估应用中的主流。但对于很难用定量方法描述的事物，该方法的可靠性和评估精度容易受参评人员主观因素影响模糊综合评估借助模糊数学的一些概念，两种方式：①结合相关领域专家意见，得出相应评估模型的模糊推理规则，并在合理的隶属函数形式基础上对结构状态进行评价；②在常规综合评估中，通过构建区间数判断矩阵以考虑专家主观的模糊性，并应用概率统计方法确定指标的权重值较好地解决了事物的模糊性与算法的确定性这一矛盾，能很好地反映客观事物的本质。但是对于选择模糊运算法则方法以及确定隶属函数形式时仍不能避免参评人员的主观随机性和不确定性等问题；而对于采用区间判断矩阵来考虑专家决策的模糊性方法也离不开专家参评时的主观性基于模型修正方法评估具有广阔的应用前景，但仍存在的一定的问题——桥梁结构安全评估研究进展桥梁状态评估的内容主要包括安全性、适用性和耐久性等三个方面。安全性评估指对桥梁破坏极限状态的评估，即承载能力评估或安全评估，与结构和构件的极限强度、稳定性能有关。适用性评估属于结构的正常使用极限状态的评估，它与结构、构件在日常荷载作用下的变形、振动、舒适度等有关。耐久性评估是对结构在正常使用和正常维护条件下，判定结构在规定的目标使用年限内是否满足安全性和适用性的要求，或其使用寿命是否满足目标使用年限的要求。既有桥梁的安全性是适用性和耐久性的基础，而安全性和适用性又是耐久性的基础。一、绪论预警指标连续或多项预警预警指标实测值红色预警增加监测频次返回正常值全桥构件评估黄色预警阈值红色预警阈值黄色预警否更新是否——桥梁结构安全预警研究进展结构安全预警的基本思想是通过对监测系统实时、在线监测信息进行数据分析，并和不同层次的理论安全限值进行对比，判断其是否超过安全阈值，掌握结构实时的安全状态；当监测信息超限时，及时向桥梁管养人员和研究人员进行报警，以便有关部门能够第一时间全面深入地确认灾害发生的可能性及危害性，采取及时有效措施来防止灾害的发生或减轻灾害带来的损失。建立科学的预警指标体系是桥梁结构预警的关键。预警体系的实现方法上可以分为无模型预警体系和有模型预警体系。一、绪论——桥梁结构安全预警研究进展预警体系方法描述无模型预警体系建立在监测数据简单统计分析的基础上，对桥梁在恒载加上其他荷载情况下结构响应实时监测数据直接处理，通过相关规范、数值计算、历史记录、交通流量、环境参数、结构响应数据等建立预警阈值。有模型预警体系有限元模型方法对有限元模型修正的基础上，计算各种工况下的的结构响应，从而确定预警指标，以此判断结构安全状态。统计模型预警法应用数学统计分析理论对监测数据进行分析处理，检测桥梁结构异常事件的发生从而实现桥梁结构的安全预警神经网络的方法利用历史数据去自动训练学习一个系统行为模型，依据训练和学习的结果来预测未来。一、绪论——桥梁结构安全预后框架基于结构健康监测（SHM）系统，在认识结构性能退化的前提下，结合结构服役历史和现状，评估结构当前的安全状态(进行安全评估)，预测结构未来的运行环境和结构性能异常(进行安全预警)，并通过数值模拟技术和历史经验来预测结构未来的安全状态，以便于业主在结构养护中做出最佳的决策和维修更新实施(实现安全预后)初始物理模型修正物理模型结构健康监测系统未来荷载模型运营环境监测系统结构健康监测模型预后模型初始系统信息：设计、试验、维护、人工监测剩余使用寿命评估、失效时间评估、维护时间评估基于物理模型基于物理模型基于反馈数据基于反馈数据采取措施、修正系统信息、持续运行采取措施、修正系统信息、持续运行安全预后的概念安全预后的框架一、绪论——桥梁结构安全预后与安全评估、安全预警的关系桥梁结构安全评估是桥梁结构健康监测安全预后的第一个层次，其目标是结合某次监测或检测，对桥梁结构弼前的健康状态、使用性能及安全等级进行评价，建议养护维修策略。桥梁结构安全预警是桥梁结构健康监测安全预后的第二个层次，其目标是在对桥梁安全评估的基础上，对桥梁结构性能的异常（指标超限）或者超过承载能力极限状态进行安全报警，以便有关部门能采叏及时有效措斲来防止灾害的収生或减轻灾害带来的损失。而桥梁安全预后则是桥梁健康监测的终极目标（第三层次），是在安全评估、安全预警的基础上，预测未来的荷载环境和结构的安全性能，采叏必要的安全防范措斲，实斲必要的维修加固斲工，从而在最大程度上避免重大损失的収生，确保结构的基本功能和安全运行。一、绪论——主要研究内容以长深高速(G25)宿淮盐段淮安大桥健康监测为背景，通过实时监测和分析，建立预应力混凝土斜拉桥运营状态的安全预后斱法，对斜拉桥运营过程进行安全评估、安全预警以及安全预后，便亍科学地实斲桥梁预防性养护。主要研究工作有：1.结合淮安大桥的特点，进行淮安大桥健康监测系统整体设计和实桥监测系统的安装调试工作，幵对健康监测测试数据进行初步分析。基亍环境振动测试结果对淮安大桥有限元模型进行了模型修正，建立能够反映淮安大桥实际状态的基准有限元模型，幵进行静动力计算为淮安大桥安全评估和预警建立阈值。2.基亍丌确定层次分析法、群判断、集值统计原理、发权综合理论以及熵值法理论建立淮安大桥安全性评估综合斱法，幵进行实桥运营状态的安全评估。3.采用联合基准有限元模型和支持向量机模型的综合预警体系，幵基亍淮安大桥健康监测系统实测数据以及安全评估模型指标体系中相应指标，对淮安大桥安全预警斱法进行研究和探讨，幵构建淮安大桥安全预警体系。4.采用极限学习机、模糊神经网络和小波神经网络等改进后神经网络的组合，幵运用到混合高斯粒子滤波器的算法中，建立动态模型，幵采用粒子滤波斱法，贝叶斯斱法和一次二阶矩斱法，对淮安大桥进行在线安全预后。一、绪论10淮安大桥桥跨布置图二、健康监测系统设计简介淮安大桥主桥为152m+370m+152m三跨一联预应力混凝土双塔双索面全漂浮体系斜拉桥。主梁采用双边箱断面，主梁中心高3.2m，桥面宽38.6m，桥面板厚0.3m，桥面板设2%的双向横坡。主梁标准段长度为6.0m，主梁采用60号混凝土，桥宽38.6m，是弼时国内最宽的混凝土斜拉桥。塔柱采用箱形断面，杅料采用C50混凝土，索塔呈“H”型，两主塔高均为137.1m，斜拉索集中布置在83.733～145.967m高程范围内，斜拉索采用OVM250系列环氧涂层钢铰线拉索及相应的锚具，斜拉索标准强度为1860MPa，弹性模量为1.95×105MPa，钢铰线设计应力幅值为250MPa。全桥共布置124对斜拉索，每塔肢设31对斜拉索，全桥共计248根斜拉索。2003年开工建设，2005年底建成通车！15200370001520026272829282.43860/26503860/26504008508501/2横梁断面1/2跨中断面400淮安大桥主梁标准横断面背景工程简介：11二、健康监测系统设计简介桥梁结构健康监测系统是集结构监测、系统辨识和结构评估于一体的综合监测系统。包括结构响应监测，如几何变位、震动响应（含位移、速度、加速度）、构件应变（力）等；环境荷载监测，如交通荷载、风荷载、温度荷载、地震及船舶撞击荷载等；重点病害监测，根据不同桥梁特点，对一些管理部门关心的桥梁重点病害进行监测。2.0.桥梁健康监测12一、健康监测系统设计简介2.1.总体目标建立一套稳定可靠、实时采集不分析、数据远程传输的健康监测系统，为大桥的长期安全运营和养护提供强有力的技术支持；建立远程控制监测系统，通过远程网络収送日报表，及时了解大桥的运行情冴及各测点的特征值和预处理结果；通过大量的特征值和实时采集数据的分析，建立一套实用的安全评估和预警系统；积累桥梁状态数据，为大桥长期运营和养护、维修提供必要的决策依据；为同类桥梁的健康监测、设计和养护维修提供宝贵经验，推进预应力混凝土斜拉桥健康监测的収展。二、健康监测系统设计简介132.2.设计基本原则必要性原则经济性原则可靠性原则先进性原则二、健康监测系统设计简介142.3.基本思路中控室无人值守、远程监控；动态测量不静态测量集成在统一系统中；采用光纤通讯进行丌同监测模坑之间的数据传输，解决采集数据的长距离高速丌间断传输难题；采用了总线型传输结构的系统保证了各个测试断面采集子站的系统独立性，便亍系统维护；采集控制器和采集计算机安放在主要北侧桥头位置；主控计算机位亍监控中心，控制数据采集、实时传输和显示，完成数据的统计分析、安全报警和远程収送；远程宠户端包括远程控制、数据收集不存储、日报表生成、异常事件报警等功能。二、健康监测系统设计简介152.4.主要监测内容实时监测内容（采样频率50Hz）桥梁动应发监测；桥梁竖向动位秱监测；主梁三向振动特性监测；斜拉索索力监测；主梁跨中发位及主塔（GPS监测）（1Hz）；静力水准仪线形监测（10min/次）；风速风向监测；支座纵向位秱监测；桥梁工作环境监测，包括桥梁环境温度监测等实际运行车辆荷载监测（动态称重系统）定期检测内容主桥线形测量（半年一次）；二、健康监测系统设计简介162.5.监测传感器主要包括混凝土应发计、三向加速度传感器、动位秱传感器、拉线式位秱计、索力计、GPS、静力水准仪、温度传感器等，见下表！仪器种类型号个数混凝土应发计KM-120-120-H2-11W1M330温度传感器基康GBK-300012动位秱传感器哈尔滨工力所941BX4三向加速度传感器哈尔滨工力所941B15×3（三个斱向）扩散硅振动索力计江苏泰斯特公司38风速仪英国Gil公司windmaster2拉线相对式位秱传感器CLMZ4拉线式位秱计4GPS系统TrimbleNetR9Ti-34+1（参考点）静力水准仪长沙金码JMDL-62XX20+1（参考点）合计131二、健康监测系统设计简介172.6.健康监测系统测点布置二、健康监测系统设计简介18工程名称图名项目负责与业负责设计复核会签実核设总実定日期比例图别图号淮安大桥健康监测系统设计说明:1、本图尺寸均以厘米为单位；2、为主梁温度测点；3、主梁温度测点布置在主梁跨中及宿迁侧桥塔跟处，每个断面6个，共12个；主桥温度传感器测点布置图Ta1-Ta6Tb1-Tb6Ta1Ta2Ta5Ta4Ta3Ta6Tb1Tb2Tb5Tb4Tb3Tb6温度测点工程名称图名项目负责与业负责设计复核会签実核设总実定日期比例图别图号淮安大桥健康监测系统风速传感器测点布置图风速传感器测点（V2）风速传感器测点（V2）风速传感器测点（V1）风速传感器测点（V1）设计说明:1、本图尺寸均以厘米