淡丹辉--大型桥梁健康监测系统的实践与展望.ppt

内容摘要 重大基础设施健康监测研究的沿革的简单回顾 大桥健康监测系统建设的基本考虑 东海大桥健康监测系统的实现 东海大桥健康监测系统的运行实践 案例一:2007-1-2船撞事件的快速评估 案例二:2008年5-12汶川大地震后上海东海大桥的地震预警 讨论和展望 重大基础设施健康监测研究的沿革 最近一些重大的国内外基础设施的安全事故：2007年年8月月1日美国日美国明尼苏达州大桥坍明尼苏达州大桥坍塌塌 2007年年8月月13日，日，凤凰堤溪大桥倒凤凰堤溪大桥倒塌塌 2007年年6月月15日广东佛山九日广东佛山九江大桥船撞倒江大桥船撞倒塌事件。塌事件。2008年年3月月27日日宁波金塘大桥宁波金塘大桥 2007-09-10印度海印度海得拉巴立交桥坍塌得拉巴立交桥坍塌 2008年年5月月12日日汶川地震中的桥汶川地震中的桥梁倒塌梁倒塌 重大基础设施健康监测研究的沿革 保障重大基础设施（桥梁、道路、涵洞、大坝）的安全、健康的发挥功能，是一件极其重要的事情。桥梁健康监测系统就是用现代高科技的手段来保障桥梁在运营期安全、为桥梁的管理养护服务的 它将传感技术、计算机软硬件技术、通讯技术与土木工程技术相结合，可以极大地满足对桥梁安全及管理养护的需要。重大基础设施健康监测研究的沿革 最初概念的提出：上个世纪八十年代。1987年，英国在总长522m的三跨变高度连续钢箱梁桥Foyle桥上布设传感器。此后，挪威、美国、丹麦、墨西哥、日本和韩国均在其国内发展了规模不等的数十个桥梁健康监测系统。甚至泰国也在其Rama桥上安设了桥梁监测系统（由同济大学负责为其设计）。我国（包括港澳地区）在这一领域的起步稍晚，但进步很快，从早期香港的青马大桥，我国内地的虎门大桥、徐浦大桥、江阴长江大桥，苏通大桥、洞庭湖大桥，到目前的东海大桥健康监测系统，短短十数年，我国已经在此新兴领域走在了世界前列。笔者作为主要人员，全程参与了东海大桥健康监测系统科研、设计、实施及其运行后的分析、二次开发工作。大桥健康监测系统建设的基本考虑 东海大桥健康监测系统建设的基本考虑 东海大桥是上海深水港的物流输送动脉，桥梁总长31公里，是我国第一座长距离跨海大桥。作为我国的生命线工程，在其结构建成后，在上述恶劣环境下，其安全性、耐久性如何将成为很重要的问题。大桥健康监测系统建设的基本考虑 东海大桥健康监测系统建设的基本考虑 概念设计理论框架 桥梁健康监测系统设计及研究的一般化流程桥梁健康监测系统设计及研究的一般化流程桥梁健康监测系统设计及研究的一般化流程桥梁健康监测系统设计及研究的一般化流程概念设计及研究概念设计及研究技术设计及研究技术设计及研究系统实施及运营系统实施及运营总体结构特点分析总体结构特点分析环境特点分析及预测环境特点分析及预测荷载特点分析及预测荷载特点分析及预测结构损伤及性能演变结构损伤及性能演变分析分析(SD&PEA)(SD&PEA)(基于基于SD&PEASD&PEA和和LCCLCC的的)结构管养对策的制订结构管养对策的制订(确保结构管养对策的确保结构管养对策的)健康监测系统的总体健康监测系统的总体框架设计和功能规划框架设计和功能规划基于安全性目的基于安全性目的SD&PEA耐久性失效分析耐久性失效分析使用性失效分析使用性失效分析地震荷载作用下的结构易损性分析交通流荷载作用下的结构易损性分析风荷载作用下的结构易损性分析温度作用下的结构易损性分析沉降作用下的结构易损性分析 结构疲劳分析 局部开裂分析 腐蚀分析 材质劣化分析 正常使用条件下通行舒适度分析（结构振动水平）极端条件下的通行安全度分析（风、雨、振动，车桥耦合振动等）长期效应下的路面变形及平顺度分析(沉降、预应力损失导致的挠度变化等)（管养所需）（管养所需）监测对策分析监测对策分析管养对策分析管养对策分析 内力（索力）、反力 变形 应变 温度 振动（加速度）耐久性(环境、疲劳)大桥健康监测系统建设的基本考虑 东海大桥健康监测系统建设的基本考虑 概念设计理论框架 提供准则提供指导提供演化模型行为行为行为行为预测预测预测预测性能演变、损伤发性能演变、损伤发性能演变、损伤发性能演变、损伤发生及其演变的预测生及其演变的预测生及其演变的预测生及其演变的预测分析特性、行为及分析特性、行为及分析特性、行为及分析特性、行为及损伤历程相互作用损伤历程相互作用损伤历程相互作用损伤历程相互作用分析损伤和响应分析损伤和响应分析损伤和响应分析损伤和响应间的关系间的关系间的关系间的关系预评估路线预评估路线预评估路线预评估路线在线评估路线在线评估路线在线评估路线在线评估路线监测监测监测监测信息信息信息信息监测信息监测信息监测信息监测信息再现再现再现再现挖掘隐藏的响应挖掘隐藏的响应挖掘隐藏的响应挖掘隐藏的响应或特性信息或特性信息或特性信息或特性信息利用利用利用利用 SD&PEASD&PEA评估结构现状评估结构现状评估结构现状评估结构现状两种常规两种常规两种常规两种常规路线路线路线路线提供准则提供指导提供演化模型行为行为行为行为预测预测预测预测性能演变、损伤发性能演变、损伤发性能演变、损伤发性能演变、损伤发生及其演变的预测生及其演变的预测生及其演变的预测生及其演变的预测分析特性、行为及分析特性、行为及分析特性、行为及分析特性、行为及损伤历程相互作用损伤历程相互作用损伤历程相互作用损伤历程相互作用分析损伤和响应分析损伤和响应分析损伤和响应分析损伤和响应间的关系间的关系间的关系间的关系预评估路线预评估路线预评估路线预评估路线在线评估路线在线评估路线在线评估路线在线评估路线监测监测监测监测信息信息信息信息监测信息监测信息监测信息监测信息再现再现再现再现挖掘隐藏的响应挖掘隐藏的响应挖掘隐藏的响应挖掘隐藏的响应或特性信息或特性信息或特性信息或特性信息利用利用利用利用 SD&PEASD&PEA评估结构现状评估结构现状评估结构现状评估结构现状两种常规两种常规两种常规两种常规路线路线路线路线 交通流荷载交通流荷载交通流荷载交通流荷载风荷载风荷载风荷载风荷载温度作用温度作用温度作用温度作用不均匀沉降不均匀沉降不均匀沉降不均匀沉降支座变位支座变位支座变位支座变位铺装层不平整铺装层不平整铺装层不平整铺装层不平整预应力损失预应力损失预应力损失预应力损失耐久性退化耐久性退化耐久性退化耐久性退化(锈蚀、老化等锈蚀、老化等锈蚀、老化等锈蚀、老化等)地震荷载地震荷载地震荷载地震荷载偶然事件偶然事件偶然事件偶然事件.预评估路线预评估路线预评估路线预评估路线 荷载和行为的监测数据荷载和行为的监测数据荷载和行为的监测数据荷载和行为的监测数据:交通、风、温度交通、风、温度交通、风、温度交通、风、温度沉降、支座变位、铺装层不平整沉降、支座变位、铺装层不平整沉降、支座变位、铺装层不平整沉降、支座变位、铺装层不平整耐久性退化耐久性退化耐久性退化耐久性退化地震荷载、偶然事件地震荷载、偶然事件地震荷载、偶然事件地震荷载、偶然事件健康监测系统的结构响健康监测系统的结构响健康监测系统的结构响健康监测系统的结构响应测量应测量应测量应测量:力、静应变、位移力、静应变、位移力、静应变、位移力、静应变、位移动应变、动位移动应变、动位移动应变、动位移动应变、动位移速度、加速度速度、加速度速度、加速度速度、加速度在线评估路线在线评估路线在线评估路线在线评估路线 交通流荷载交通流荷载交通流荷载交通流荷载风荷载风荷载风荷载风荷载温度作用温度作用温度作用温度作用不均匀沉降不均匀沉降不均匀沉降不均匀沉降支座变位支座变位支座变位支座变位铺装层不平整铺装层不平整铺装层不平整铺装层不平整预应力损失预应力损失预应力损失预应力损失耐久性退化耐久性退化耐久性退化耐久性退化(锈蚀、老化等锈蚀、老化等锈蚀、老化等锈蚀、老化等)地震荷载地震荷载地震荷载地震荷载偶然事件偶然事件偶然事件偶然事件.预评估路线预评估路线预评估路线预评估路线 交通流荷载交通流荷载交通流荷载交通流荷载风荷载风荷载风荷载风荷载温度作用温度作用温度作用温度作用不均匀沉降不均匀沉降不均匀沉降不均匀沉降支座变位支座变位支座变位支座变位铺装层不平整铺装层不平整铺装层不平整铺装层不平整预应力损失预应力损失预应力损失预应力损失耐久性退化耐久性退化耐久性退化耐久性退化(锈蚀、老化等锈蚀、老化等锈蚀、老化等锈蚀、老化等)地震荷载地震荷载地震荷载地震荷载偶然事件偶然事件偶然事件偶然事件.预评估路线预评估路线预评估路线预评估路线 荷载和行为的监测数据荷载和行为的监测数据荷载和行为的监测数据荷载和行为的监测数据:交通、风、温度交通、风、温度交通、风、温度交通、风、温度沉降、支座变位、铺装层不平整沉降、支座变位、铺装层不平整沉降、支座变位、铺装层不平整沉降、支座变位、铺装层不平整耐久性退化耐久性退化耐久性退化耐久性退化地震荷载、偶然事件地震荷载、偶然事件地震荷载、偶然事件地震荷载、偶然事件健康监测系统的结构响健康监测系统的结构响健康监测系统的结构响健康监测系统的结构响应测量应测量应测量应测量:力、静应变、位移力、静应变、位移力、静应变、位移力、静应变、位移动应变、动位移动应变、动位移动应变、动位移动应变、动位移速度、加速度速度、加速度速度、加速度速度、加速度在线评估路线在线评估路线在线评估路线在线评估路线 荷载和行为的监测数据荷载和行为的监测数据荷载和行为的监测数据荷载和行为的监测数据:交通、风、温度交通、风、温度交通、风、温度交通、风、温度沉降、支座变位、铺装层不平整沉降、支座变位、铺装层不平整沉降、支座变位、铺装层不平整沉降、支座变位、铺装层不平整耐久性退化耐久性退化耐久性退化耐久性退化地震荷载、偶然事件地震荷载、偶然事件地震荷载、偶然事件地震荷载、偶然事件健康监测系统的结构响健康监测系统的结构响健康监测系统的结构响健康监测系统的结构响应测量应测量应测量应测量:力、静应变、位移力、静应变、位移力、静应变、位移力、静应变、位移动应变、动位移动应变、动位移动应变、动位移动应变、动位移速度、加速度速度、加速度速度、加速度速度、加速度在线评估路线在线评估路线在线评估路线在线评估路线大桥健康监测系统建设的基本考虑 东海大桥损伤及性能演变分析 沉降历程中频率变化图-10123451234567沉降历程阶段频率变化百分比（%）系列1系列2系列3系列4系列5系列6系列7系列8系列9系列10-0.003-0.002-0.00100.0010.0020.003020406080100120140160180主塔高程/m主塔水平位移/m整体升温1索梁温差1主梁梯度(1)(a)不均匀沉降下连续梁桥的频率变化(b)收缩徐变和预应力损失下连续梁桥的频率变化(c)单位温度作用下主塔不同位置的水平位移(d)移动重车下主航道桥的几何变形(e)实测风场下主航道桥的几何变形 东海大桥健康监测系统的实现东海大桥健康监测系统的实现 在概念设计的基础上，项目组于2005年完成系统的技术设计和施工图设计，并于2006年月工程实施完成，2006年月正式运行，至今已经平稳地了运行将近两年。图给出系统照片。其中，可以从以下网址访问系统：（http:/health.donghai-）。(a)加速度传感器(c)GPS接收器(b)FBG应变传感器(d)B/S架构的系统软件界面 东海大桥健康监测系统的实现东海大桥健康监测系统的实现 东海大桥健康监测系统由实时监测和人工检测两部分组成，其实时监测部分由11个采集工作站、478个传感器组成的分布式监测系统。系统已经实现了功能的多级跳，既东海大桥健康监测系统不仅是一个数据采集、存储、管理系统，而且实现了采样控制、数据的在线初步处理、数据的逻辑组内信息融合、逻辑组间相关性分析，更重要的是，实现了基于多层次模糊推理桥梁的在线状态评估。和同期国内外其他桥梁健康监测系统相比，该系统精心设计、功能较为完备、先进，初步解决了数据海量堆积而无力处理的难题，而且将其它一些系统需要离线处理的问题在线予以实现，初步解决了监测数据如何用于桥梁的日常评估养护问题。东海大桥健康监测系统的实现东海大桥健康监测系统的实现 东海