桥梁结构健康监测及损伤识别技术

桥梁结构健康安全监测与损伤识别技术BridgeStructuralHealth&SafetyMonitoringandDamageIdentification李乔单德山唐亮内容桥梁事故结构健康监测（SHM）的基本涵义SHM基本架构SHM系统设计SHM实例西南交通大学BSHM的解决方案SHM的发展趋势桥梁事故近年来，桥梁垮塌事故时有发生；桥毁人亡的灾难性安全事故，使人民生命财产蒙受巨大损失，也造成恶劣的社会影响；在GOOGLE中搜索“桥梁&事故”，有1,430,000项之多符合搜索结果；桥梁事故1999年1月4日，重庆市纂江县彩虹桥整体垮塌；死亡40余人桥梁事故2000年8月27日，台湾省高屏大桥突然拦腰断裂；导致17辆汽车坠落高屏溪，22人受伤。桥梁事故2001年11月7日，四川宜宾小南门金沙江大桥两端先后发生断裂桥梁事故2004年6月10日，辽宁田庄台辽河大桥整跨断裂桥梁事故2006年12月09日，位于北京顺义城北潮白河支流减河上的悬索桥，在荷载试验时全桥坍塌桥梁事故2007年10月23日，包头市民族东路至丹(东)拉(萨)高速公路包头出口的高架桥发生倾斜坍塌。桥梁事故美国：北京时间2007年8月2日7时10分)，美国明尼苏达州明尼阿波利斯市的一座桥梁发生坍塌。至少7人死亡，数十人受伤桥梁事故2009年6月29日凌晨2时34分左右，铁力市西大桥发生垮塌，至少有6辆货车坠入呼兰河，7人死亡。垮塌的大桥建于1973年，1997年曾进行安全维修。桥梁事故2009年7月15日1时33分，津晋高速公路港塘收费站800米外匝道桥坍塌，5辆载货车坠落，造成6人死亡，4人受伤。问题的提出上述桥梁垮塌实例均在正常运营过程中发生桥梁垮塌不仅国家造成了巨大的经济损失，而且给人们带来的恐惧的回忆，更给遇难者亲属带来难以磨灭的疤痕这不得不引起社会对这些事故的深思……问题的提出桥梁作为客观存在有它特有的生命周期过程，它的“生老病死”如同人类一样，是客观自然规律。如果能在灾难来临之前进行预测，对桥梁的损伤进行监测，从而对桥梁的健康状况给出评估，那将会大大减少事故的发生的几率。再过10~15年，中国将进入桥梁结构的维修高峰。交通部前总工工程师风懋润于2005年,中美桥梁论坛SHM的基本涵义基本涵义类比人看病系统的组成测试分类过程好处SHM的基本涵义使用各种测控技术来评估结构的使用性能南京长江第三大桥的健康监测系统。该系统是目前国内外大型桥梁健康监测中最为完善的系统之一。SHM的基本涵义1自动化数据采集2实时性自我诊断3及时的状态评估智能化自动化、网络化的数据采集与处理基于结构力学、物理等性能的损伤识别结构可靠性分析、强度贮备分析SHM的基本涵义结构健康监测的出现是以下因素导致的需求的增加•新材料和创新设计的监测•既有结构的更好管理科技支持和发展•新型传感器•数据采集•网络技术•数据传输、集中、归档和提取系统—数据库技术•数据处理与事件识别SHM的基本涵义传感器系统数采与传输信号分析处理评估方法•现场的无损评估•安全性•使用性•……损伤识别•动力•静力•有反演•无反演•……结构健康监测SHM安全性、强度、整体、性能类比：SHM与人看病医生监控病人的健康使用医疗设备检查病人的整体健康情况如有需要，开出处方进行治疗SHM工程师监控结构的状态使用传感器检查结构的整体情况如果应力超限、变形过大，报警并处理SHM系统的组成状态评估子系统损伤识别子系统数据处理与控制系统数据采集与传输系统桥梁结构智能健康监测系统传感器子系统实时性自动化集成化网络化SHM系统的组成数据采集数据通讯数据智能处理处理后数据的储存数据查询诊断SHM的测试分类现场静力测试行为试验诊断试验验证试验周期性监测包括现场测试确定结构是否发生变化的试验现场动力测试动应变环境振动测试动力放大系数测试跳车试验连续监测主动监控被动监控SHM的过程LevelIVLevelIIILevelIILevelI处理方案（治病措施）损伤程度（病的程度）损伤定位（生病的部位？）出现损伤（是否生病？）SHM的好处加深现场结构的理解早期损伤诊断确保结构的强度与使用性减少巡检和维修的次数建立合理的维护/管理策略提高维修资金的合理分配促进新材料和新桥型的使用SHM的基本架构理想的SHM系统：提供结构健康相关的信息出现损伤时报警SHM是多学科、多方向的交叉计算机材料通讯智能处理传感数据采集数据库损伤诊断结构工程……SHM的基本架构采集传输处理储存诊断查询数据采集采集关心的结构原始数据应变、变形、加速度、温度、湿度水平、声发射、外荷载等等传感器的选择合适的传感器长期或短期的监测结构的哪些特征需要监测？数据采集传感器布置与安装不能改变结构的力学行为采集系统附属设备的安装与布置•采集箱、电源、布线等等数据采集现场数据集中方法有线传输•传感器与数采系统间采用物理连接•经济、采用比较普遍•在某些特大型结构中实现较为困难•连接线过长会增加信号“噪声”无线传输•比较贵•信号传输速度和准确性难以保证数据采集需考虑的因素传感器本身的类型与采样频率现场数据存储的分类有可能出现海量的数据需要有效的数据采样和存储策略数据采集数据采集监测的内容与使用的传感器荷载变形应变温度加速度风速与风压（环境参数）声发射—索、预应力钢筋监控录像数据传输将现场数采系统采集的数据传输到远程控制室实现远程监测电话线有线网络无线网络DAS远程控制室数据的智能处理数据储存之前进行处理，以利后期使用分析目的：去掉噪声、温度或其他不需要的测试因素的影响又称为：数据清理要求：简单快速准确数据的储存数据的长期保存数据查询的可理解性数据不能损坏足够的存储空间数据归档的重要性确保以后的查询一般来说，仅重点保存清理后的数据原始数据仅仅存档备查原始数据的再分析困难诊断分布式光纤测裂缝裂缝混凝土老化性能监测力学特性物理特性化学特性静力识别方法动力识别方法静动力联合反演识别方法诊断十分重要的部分将抽象的数据信号转换为表征结构响应和状态的有用信息目前还没有统一的标准方法方法选择的依据结构类型传感器的类型和安装位置监测的目的所关心的结构响应数据查询在数据存储时，为以后数据查询方便数据含义必须明确分析中的置信度目的是：为合理的、基于人工智能的工程决策提供详细的物理数据SHM系统设计损伤或退化的机理退化引起力学响应分类结构的理论和数值模型建立关键参数的特征响应不同退化水平的敏感性分析参数选择并确定性能指标不同退化水平的响应的相关变化系统设计传感器选择、数据采集与管理数据解释安装并标定SHM系统确定系统的起点分析现场测试数据并在需要时调整系统I40-Bridge在美国，有2500座与I-40桥完全一样的桥I-40桥梁对美国桥梁健康监测起到非常大的促进作用结构类型：混凝土桥面板+钢板梁跨径组成：39.9+49.9+39.9mSHM时间:2001年9月传感器数量:26Z24Bridge该桥位于瑞士，14+30+14三跨连续梁桥基于动力特性变化识别桥梁结构的BenchmarkSHM时间:1998年8~9月传感器数量:(15+2)x9可动测点+3参考测点COMMODOREBARRYBRIDGE美国新泽西州，跨越Delaware河结构类型:大跨度钢桁桥跨径:822ft+1,644ft+822ft.SHM时间:1998传感器数量:97HuntingdonRailwayViaduct位于英国剑桥郡结构类型：连续梁桥，最大跨度64.3mSHM时间:1998传感器数量:36SoundPrint预应力筋断丝检测系统OresundBridge连接瑞典和丹麦结构类型：斜拉桥跨径组成：49跨引桥(7跨120m,42跨140m)，主桥为160+490+141结构体系：双层桥面，上层为4车道公路，下层为双线铁路SHM时间：2000年6月传感器数量：55NewSvinesundBridge连接瑞典与挪威结构类型：单肋拱桥跨度：主拱跨度247m结构体系：桥面板为2个钢箱梁，悬吊在单肋混凝土拱圈上SHM时间：2003年6月传感器数量：施工阶段58/成桥阶段68台中桥结构类型：斜拉桥跨度89.5+89.5m系统由奥地利VCE设计SHM时间：2003年12月传感器数量：15青马大桥结构类型：悬索桥主跨：1377m全长：2.2km大缆：直径1.1m通航净空：62m传感器数量350汀九桥结构类型：三塔斜拉桥跨径组成：127+475+448+127mSHM时间：1998年12月传感器数量：7种236个大陆桥梁健康监测系统润扬长江大桥舟山连岛工程杭州湾大桥苏通长江大桥南京长江大桥南京长江三桥泸州泰安长江大桥大胜关长江大桥济南黄河大桥文辉大桥钱塘江四桥Etc…….测试设备完成的科研项目和实际工程模型试验桥梁巡检评估维修养护系统BirMMSB/S架构的桥梁管理系统BSBMS桥梁管理系统数据库管理子系统评估子系统维修计划和费用分析子系统决策分析子系统统计分析子系统系统管理桥梁基本资料检测基本资料结果数据维修对策数据桥梁安全评估桥梁功能评估桥梁结构满足性评估维修计划费用分析桥梁状况优选排列桥梁维修费用排列桥梁维修总排列基本信息统计结果信息统计用户管理权限管理智能桥梁系统SmartBridge服务器子系统数据读取数据存储采集得到的数据浏览器子系统用户与权限管理数据展示智能客户端子系统数据预处理状态评估损伤识别InternetInternet连接Internet设置用户管理界面数采示例西南交大BSHM的解决方案硬件系统统计模式识别分布式光纤裂缝识别评估硬件系统集成了数据采集、信号处理与分析和数据远程传输与控制自行研发了不同类型的数字调理器现场组网，建立远程服务器，并入Internet网的方式实现数据远距离传输和控制模型试验中，建立了一套完整的智能化桥梁硬件系统的原型统计模式识别统计模式识别测试不完备按正问题的方法解决问题测试误差或噪声1、从多元统计的角度，应用现代数学的方法。2、避免反问题求解的收敛问题统计方法模式识别方法分类间隔2||w||最优分类线支持向量支持向量损伤发生侦测统计模式识别的过程损伤定位损伤程度判断统计模式识别的过程模式识别模式库损伤特征易损性分析损伤识别结果损伤模式库的建立优化特征库基本特征库动力时程数据高层特征中层特征低层特征特征选择特征提取时域或时频域损伤指标简约而不简单损伤识别结果损伤识别结果荷载值传统反演方法统计模式识别识别出的位置识别出的位置70-22KN7、11×9、10√65-20KN6、7×9、10√55-18KN5、8×9、10√50-15KN7×9、10√45-15KN8、14×9、10√40-15KN6、14×9、10√损伤识别结果荷载值识别出的损伤程度与实际是否相符70-22KN0.571√65-20KN0.514√55-18KN0.471√50-15KN0.461√45-15KN0.459√40-15KN0.444√裂缝微弯生成机制微弯变形裂缝宽度裂缝－光纤夹角传感光纤径向相对位移结构完好状态裂缝开展状态裂缝OTDR测试原理OTDR典型曲线及测试现象后向散射光入射光脉冲机械连接器微弯曲光纤末端测量端反射峰值熔接损耗台阶机械连接点反射峰值微弯损耗台阶光纤末端反射峰值动态范围熔接点最小二乘法拟合直线光纤测量端光损曲线拟合光损曲线拟合光损曲线拟合光损曲线边跨测试数据分析(波长=1625nm)(波长=1550nm)(波长=1310nm)试验情况边跨测试数据分析(波长=1625nm)(波长=1550nm)(波长=1310nm)试验情况边跨测试数据分析(波长=1625nm)(波长=15