结构健康在桥梁工程中的应用

结构健康在桥梁工程中的应用《既有结构性态评估和改造》课程论文结构健康在桥梁工程中的应用学生姓名张宝杰专业桥梁与隧道工程年级班级2015级电子邮箱[e-mail]2016年7月10日结构健康在桥梁工程中的应用目录摘要1.绪论1.1引言2.桥梁结构健康监测技术在国内外的应用3.大型桥梁的健康检测3.1桥梁健康检测的大体描述3.2大型桥梁结构检测系统3.3大型桥梁结构健康监测系统的软件实现研究3.3.1软件系统概述3.3.2桥梁结构健康监测系统4.声发射技术在桥梁结构健康监测中的应用研究进展4.1声发射技术概述4.2声发射技术在桥梁结构损伤监测中的应用4.2.1钢筋混凝土桥梁损伤程度的评价4.2.2钢桥局部损伤的监测4.3桥梁结构关键构件损伤的监测4.3.1拉索损伤的监测4.3.2预应力混凝土桥梁钢筋腐蚀损伤的长期监测4.4无线声发射技术在桥梁健康监测中的应用结构健康在桥梁工程中的应用摘要桥梁在建造和使用过程中，由于受到环境、有害物质的侵蚀，车辆、风、地震、疲劳、人为因素等作用，以及材料自身性能的不断退化，导致结构各部分在远没有达到设计年限前就产生不同程度的损伤和劣化。这些损伤如果不能及时得到检测和维修，轻则影响行车安全和缩短桥梁使用寿命，重则导致桥梁突然破坏和倒塌。因此，为保证桥梁结构的安全性、适用性和耐久性，加强对桥梁健康状况的监测和评估，从而实施合理的养护管理工作极为重要。同事本文还介绍了大型桥梁结构健康检测的系统以及一些需要解决的问题，也介绍了一下健康监测的软件系统。声发射技术作为一种被动的、动态的监测手段,在工程和材料领域得到了广泛的应用,正日益受到桥梁结构健康监测研究者的关注，本文简要介绍了声发射的基本原理和声发射信号处理方法。关键词：大型桥梁；健康检测；软件系统；声发射技术1.绪论1.1引言交通运输是一个国家的经济命脉，而桥梁是交通的咽喉，桥梁的建造和维护是一个国家基础设施建设的重要组成部分，同时也是经济发展与技术进步的象征，随着20世纪预应力技术的引入和钢桥技术的日益成熟，桥梁工程建设取得了突破性的成就，国内外桥梁日益增多。然而，桥梁的发展带来的突出问题就是对桥梁安全性与耐久性的要求越来越高，由于桥梁结构历经长达几十年甚至上百年的服役期，在荷载变化、材料变异、自然灾害以及人为因素等影响下，不可避免地产生损伤积累，甚至产生事故，造成巨大的经济损失。为了确保桥梁结构的使用安全性和耐久性，减少或避免国家财产、人民生命的重大损失，通过恰当的监测手段可以及时了解桥梁的健康状况，特别是有可能在早期就发现危及桥梁安全的隐蔽损伤，将对确保桥梁安全起到至关重要的作用，同时也为桥梁的维修加固提供必要的依据，由此可节约桥梁的维修加固费用，避免频繁大修关闭交通所带来的不便与损失。对于新建的桥梁结构应总结以往的经验和教训，在工程建设的同时应增设长期安全监测系统和损伤识别控制系统，为保证桥梁的安全提供可靠的结构健康在桥梁工程中的应用健康状况信息的同时，通过桥梁结构健康监测所获得的科学数据还对检验大桥的理论模型计算具有重要的意义，桥梁健康监测信息反馈于结构设计的更深远的意义在于，结构设计方法与相应的规范标准等可能得以改进，对桥梁在各种交通条件和自然环境下的真实行为的理解以及对环境荷载的合理建模奠定坚实的基础。现代桥梁结构健康监测技术，已经不只是对传统的桥梁检测技术的简单改进，而且是运用现代传感与通信技术，实时监测桥梁运营阶段在各种环境条件下的结构响应与行为，获取反映结构状况和环境因素的各种信息，最终判定结构的健康状态与可靠性。近十年来，如何解决既有桥梁的健康监测及安全使用问题，已经成为世界各国学术界和工程界面临的共同课题。随着检测技木、计算机技木、电子技术和通讯技术等相关学科研究的进一步深入，桥梁结构健康监测技术的研究也进入了一个崭新的发展期。结构健康在桥梁工程中的应用2.桥梁结构健康监测技术在国内外的应用随着现代传感技术、计算机与通讯技术、信号分析与处理技术及结构振动分析理论的迅速发展，大型桥梁结构健康监测与安全评价技术，近年来已成为国内外工程界和学术界关注的热点。从目前理论研究状况来看:近年来，结构健康监测领域涌现了大量的研究论文，这些论文的研究内容包括智能传感器、传感器的优化布置、数据的无线传输、损伤识别方法、桥梁状态评估、桥梁生命周期管理养护等。此外，还举办了许多以结构健康监测为主题的国际会议，如:国际健康监测研讨会、欧洲健康监测研讨会、新型结构健康监测研讨会和智能结构和健康监测会议。另外，国际模态会议、SPIE年会、欧洲智能结构和材料会议、国际结构控制会议等都有结构健康监测和损伤识别的专题。此外，很多研究者正致力于研究并制定桥梁健康监测系统的设计指南和规范，如:Lauzon等研究者提出了一个桥梁监测系统设计建议；美国Dexrel大学的Aktan教授等制定了比较详细的健康监测系统的设计指南；加拿大ISIS组织的主席Mufti教授也主持起草了一份结构健康监测指南。英国的研究者制定了一个指导健康监测系统设计的指南。受国际结构健康监测工作委员会委托，香港理工大学以高赞明教授为首的课题组也正致力于研究制定专门用于大跨索桥监测系统的设计指南。从实际应用来看，通过对传感器的革新和自动远程监控技术的更新换代，桥梁结构健康监测与安全评价系统正向简单易装、经济可行、持久可靠的方向发展，并已在或将在包括江阴大桥、南京二桥、南京三桥、润扬大桥和苏通大桥在内的世界许多大桥中得到应用。从目前监测系统规模和技术水平来看，香港新机场干线上的青马大桥(悬索桥)、汲水门大桥(斜拉桥)和汀九大桥(斜拉桥)装备了目前世界上技术最先进、规模最大的实时监测系统。从发展趋势来看，桥梁结构健康监测与安全评价系统已开始成为大桥建设工程的一部分，香港目前正在兴建的昂船洲大桥和深圳西部通道大桥结构健康监测系统均与主体工程一同招标。包含1271个各类传感器的昂船洲大桥结构健康监测系统，建成后，将会是世界上最具规模的大桥实时监测系统。可以预计，桥梁结构健康监测与安全评价系统将在桥梁管理中发挥越来越大的作用，一个桥梁数字化时代正在来临。上述理论研究和实践应用成果，虽已极大地推动了结构健康监测与安全评价结构健康在桥梁工程中的应用技术的发展，但随着监测技术的不断发展和完善以及在实际工程中的应用实践，亦发现尚存在较多急需解决的问题:(1)缺乏同一标准，系统规模差异性过大；(2)传感器选型与布设合理性有待商榷；(3)健康监测系统本身的使用寿命难以得到保证；(4)环境影响及测量噪声难以消除，降低了监测数据的可靠性；(5)测量数据的不完整性，带来分析困难；(6)海量数据处理困难，淹没真实信息；(7)结构健康状况评价尚不完备；(8)相关系统的有机结合尚待加强。因此，我们有必要加强研究，更进一步优化监测技术、完善健康监测及安全评价理论。结合苏通大桥本身特点，在现有技术水平的基础上，设计出一套切合苏通大桥管理维护要求的功能全面、性能优良、稳定耐久、经济合理的结构健康监测与安全评价系统。现代桥梁结构健康监测技术不只是传统的桥梁检测技术的简单改进，而是运用现代传感与通信技术，实时监测桥梁运营阶段在各种环境条件下的结构响应与行为，获取反映结构状况和环境因素的各种信息，并由此分析结构的健康状况、评估结构的可靠性，为桥梁的管理与维修决策提供科学依据。其技术特征体现在四个方面:(1)自动化监测设备数据采集以及自动判别数据处理条件；(2)实时化的结构监测与评估，能够及时掌握桥梁工作状态，消除了人工检测的滞后性和低效性，提高了预测桥梁健康状况发展趋势的实时性，有效的避免重大事故的出现和资源的浪费；(3)网络化的桥梁结构健康检测可以实现监测数据的共享，实现了各地专家对桥梁状况的评估，通过现代计算机通讯以及远程控制方法，更可以实现对远离城市桥梁的自动实时监测，实现良好的社会效益和经济效益；(4)无线通讯以及无线网络技术在桥梁结构健康监测系统中的运用，大大降低了系统中布线的复杂性，使实现远程监测更为方便。结构健康在桥梁工程中的应用3.大型桥梁的健康检测3.1桥梁健康检测的大体描述随着经济发展对基础设施建设需求的增加，大型桥梁在国民经济生活中扮演着越来越重要的角色。与此同时，大型桥梁结构的安全性能也受到越来越多的关注，桥梁结构健康监测系统开始在越来越多的大型桥梁上得到应用，其研究已成为桥梁学术界和工程界的一个热点。桥梁健康监测是由传统的桥梁检测衍生出来的主要针对大型桥梁的一种管理方法，目的是通过测量反映大桥环境激励和结构响应状态的信息，实时监测大桥的工作性能和评价大桥的工作条件。通过对桥梁所处环境及其响应的实时监测，分析桥梁的损伤情况，给出桥梁的状态评估和剩余寿命预测，并能在特殊气候、交通或其他情况下触发预警信号，为桥梁的养护、维修及管理决策提供依据。桥梁健康监测系统分析应用研究的重要性主要体现在评估与预警、设计验证和可持续发展三个方面。评估与预警是指通过各种结构允许的测试手段，测试出能够反映结构当前工作状态的内部信息，并在此基础上运用结构状态评估理论，对构件以及结构整体的施工、运营等工作状态进行评估，以确定结构的安全性和耐久性，并对损伤进行预警；设计验证是指大型桥梁在设计时一般依赖于理论分析和实验室室内试验，理论分析常根据理想的有限元模型和基本假定，而实验室室内试验则不可能与大桥所处的真实环境完全相符，因此通过桥梁健康监测所获得环境参数及大桥响应可以用来验证大桥的理论模型与计算假定，并修正和完善桥梁结构现有的设计理论与规范；桥梁健康监测系统另一个重要作用体现在大型桥梁设计年限一般较长，在服务期内或多或少面临着荷载等级的变化，通过对监测系统所获数据开展分析，可以为今后荷载等级提升提供依据。3.2大型桥梁结构检测系统大型桥梁结构健康监测系统中的数据系统是整个监测系统的基础。桥梁健康监测系统能够对桥梁结构的健康状态和安全寿命做出正确的评估，能否为验证设计和修改规范提供科学的依据，取决于数据系统中的有效数据是否准确、可靠、有代表性，是否能如实映射出结构状态的各种特征信息。数据系统又分为数据采集系统和数据管理与分析处理系统。数据采集系统在长期不断地运行中，积累了结构健康在桥梁工程中的应用海量数据，但是却没有有效地手段利用这些数据为决策支持服务，因此在桥梁健康监测系统中除了需要合理的传感器配置和可靠稳定的数据采集与传输系统外，保证监测系统高效运作的另一个关键是数据的有效管理和分析处理。数据管理与分析处理系统用于对数据收集、传输、处理、存储和分析进行全面管理。其能通过对由数据采集和传输系统获取的实测数据进行校准、处理、数据质量和可靠性测试等，以各种可用方式对数据进行处理、可视化、评估、编译，从而完成数据一信息一知识的转化，并通过对数据库中的海量监测数据进行抽取、转换、分析和其他模型化处理，从中提取能辅助后续状态评估的关键性数据。通过数据管理与分析处理系统获取桥梁状态数据为健康评估的依据，支持动态、静态数据管理、并能进行远程控制。其中，数据采集针对动、静态数据采取不同的策略，静态数据采集采用全程连续采集的方式进行，动态数据采集采用子站连续采集，定期备份删除，远程保存全程统计分析数据的采集方式；数据传输在保障数据安全的前提下，采取冗余策略；数据存储引进数据仓库模型与关系数据表相结合的策略。数据管理与分析处理系统包括各硬件子系统对应的静态、动态数据采集、采集过程控制、远程状态报告以及远程控制等模块。数据采集特点：系统监测的对象包含三维变形、温度、索力、应变等静态数据，还包括振动、动应变等动态参量。但就桥梁的动力特性参数(频率、振型和阻尼等)和振动水平(振动强度和峰值)而言，其他变化还是缓慢的。数据采集策略：数据采集策略很大程度上依赖于系统要求于数据库的容量。相对而言，动态监测的数据量远大于静态数据，故重点考虑动态数据采集策略。理论与试验都证明，结构的高阶动力特性与结构损伤关系更明显，更有利于结构损伤的监测与判断。结构损伤除了在特大事故或恶劣气象时可能会突然发生，一般结构损伤的变化缓慢。因此对于动态数据可以考虑在正常情况下