桥梁结构一体化实时监测系统研究文档格式.docx

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自20世纪50年代以来，世界桥梁工程取得长足发展，计算机“四新技术”和先进的结构计算设计理论、测试手段的应用，使得长大复杂桥梁在科学理论和关键技术方面有了重大进展，很多专家学者现在正致力于这一技术的改进和创新，并取得了不少成功经验。

从长远看，桥梁工程具有高度智能化、信息化和远距离自动控制的发展趋势，在桥梁的制造和运营过程中的信息技术应用，特别是桥梁工程施工监控和健康诊断技术研究已成为当今桥梁工程界关注的热点。

0.1桥梁结构施工监控

桥梁结构的施工监控主要是通过一定的手段，对桥梁施工状态进行实时识别（监测）、调整（纠偏）、预测，确保在施工过程中桥梁结构的内力和变形始终处于容许的安全范围内，确保成桥状态（包括成桥线形与成桥结构内力）符合设计要求。

主要是对关键部位浇筑断面的变形控制、应力控制、稳定控制等来实现控制目标。

0.2桥梁结构健康监测

桥梁结构的健康监测主要包括桥梁结构的局部检测和整体的健康监测。

监测采用的方法主要是通过应用无损检测或测试技术来收集相关数据，识别结构和材料的性能和损伤，以判断结构在外部环境和交通条件下的物理力学状态，以及正常工作的可靠性等。

1一体化实时监测系统的设想

1.1意义

桥梁在建造施工时的质量控制和维持其正常的安全运营与延长桥梁的使用寿命总是息息相关的，桥梁施工过程中的一些质量事故，特别是许多桥梁出现裂缝问题，使人们十分关注桥梁的施工监控问题。

现行的桥梁施工技术规范中对桥梁施工的监测与控制都有具体明确的要求，以求建成的桥梁满足设计要求的结构内力及线型。

随着桥梁的长期运营，以及外部环境的不断变化，近几年来，已经到了桥梁破坏的高峰期，使人们逐渐认识到桥梁结构健康监测的必要性和迫切性。

许多国家都尝试在桥梁施工阶段对重要桥梁安装永久性的实时结构整体安全报警系统，我国的广东虎门大桥、上海徐浦大桥、江苏江阴大桥等在施工阶段也已开始进行传感器的安装，以备将来运营期间的实时监测，希望通过早期桥梁病害的发现，及时采取处理措施，以节约桥梁的维修费用，避免突发性的破坏而造成桥梁结构的安全事故。

1.2目标

要实现一体化实时监测的构想，必须明确相应的工作目标，即具备能实现实时监测的元器件和监测设备，寻求能进行智能化数据处理的解决方案，最终能构成满足施工控制和健康诊断要求的一体化实时监测系统。

1.2.1元器件及相关设备由于应力监测是一个长期的连续的量测过程，要实时、准确地监测结构的应力情况，采用方便、可靠和耐久的传感组件非常重要，目前应力监测主要是采用电阻应变片传感器、钢弦式传感器等，但就其稳定性和耐久性方面要同时满足施工监控和健康诊断的要求还有很大的局限性。

光纤光栅传感器的应用为桥梁工程等进行实时安全、温度及应变监测提供了一种非常实用的技术。

以光纤光栅技术为基础的光纤光栅传感器与传统的电传感器相比具有非常明显的技术优势，主要表现在：

1、可靠性好，抗干扰能力强，能用于恶劣的化学环境下状态；

2、传感头结构简单、尺寸小，适用于各种应用场合；

3、可复用性强，采用多个光纤光栅传感器，可以构成分布式光纤传感网络，具有工程化的特点。

近年来，压电式传感器受到广泛重视，它是一种典型的双向传感器，能有效地应用于桥梁施工状态以及服役状态、应变（应力）与动态几何监测的重要传感设备。

以上两种设备能更好地适应施工控制以及运营阶段的长期应力监测需要。

1.2.2系统解决方案为了方便测出结构的温度变化或应变值，办法之一就是建立多通道传感系统网络，以实现多点测量以及找出唯一参数变化的对应值。

为有效地实用于施工监控和健康诊断，在结构成型过程中埋设智能化读数模块，并进行必要的维护，通过信号传输技术连接在计算机上，实现24h不中断测量，桥梁建成后，组成桥梁的监控系统，对关键部位实时跟踪测试，通过相关的接收设备和智能化处理系统进行数据处理，利用专家技术系统进行结构评估，达到健康监测的目的。

但这些设备造价通常比较昂贵，相关成本较高。

1.2.3数据处理智能桥梁结构的智能计算问题，不仅是一个多目标过程，而且各目标之间还存在一定的因果关系，因而，一个完善的实现方案应该是既能完成多个目标的计算，又能通过对其内部这些因果关系，同时还要考虑智能计算机的实时性特点，使系统具有自动适应和自动调节的能力，从而满足桥梁施工监控的需要，实现桥梁的自动损伤识别，并以此为依据做出进一步的结构状态健康诊断过程。

但是为实现这两种目标的计算，在计算模型、理论方法、约束条件、数据参数、计算能力和效力上有所区别，因此在智能计算模块系统建立方面要进行系统目标分解。

其一用于实现对结构工作状态的监测，监测现时的内力结构力学环境，再者用于实现对结构场信息的全面了解，诊断现阶段结构的力学行为；

另一个则专用于监测结构特性的变化，满足相应计算参数的获取。

由于智能结构对计算的实时性要求，至今尚无理想的方法，很多学者对此进行了长期不懈的努力，提出了很多相关的解决方案，取得一定的研究成果，但还需进一步研究完善。

2应用实例

2.1衢江大桥概况

浙江省衢州市衢江大桥从2002年8月开工建设，已经于2004年8月竣工。

大桥全长1700m，主桥为中承式系杆拱+Y型墩身的V型刚构组合拱。

桥型新颖、结构复杂。

大桥主跨120m，边跨50m，呈对称布置，桥宽30m，拱肋为单片钢结构箱形（截面2m×

2m）构件，线型为二次抛物线，拱高21m。

主梁为混凝土箱梁，梁高2.5m，宽30m，配有纵横向预应力。

Y形墩身为预应力实体结构，斜腿及竖腿配有预应力钢铰线。

全桥共设17对吊杆，纵向间距为5m，横向为0.8m。

系杆采用可换式钢绞线成品索，全桥共设22对。

（见图1）

图1衢江大桥主桥总体布置示意图

2.2施工监控要求

主桥施工过程中的监控分为施工计算和施工控制：

通过施工计算，控制施工步驟，完成主梁体系转换；

通过施工监控，把握主梁施工状态，校核并修正施工计算参数。

1）复算设计单位提供的各安装阶段主拱内力、坐标并提供主拱各段安装标高；

2）根据实测数据对主拱安装和合拢段施工细则及主拱的安装阶段和合拢前的线形提出是否需要调整或如何调整的建议；

3）提出吊杆张拉力对主梁线形的影响或需进行调整的建议；

4）确定各施工理想状态的内力、位移与稳定性。

2.3健康诊断设想

通过施工过程中布设的传感设施，利用计算机系统收集、分析数据，长期、不间断地观测桥梁的工作状态，全面了解桥梁在自身结构、行车荷载及外部自然条件（温度、风力等）作用下的运营情况和质量情况，为桥梁的运管理、维修养护、可靠性评估等提供科学的依据和指导，确保桥梁结构安全。

2.4实施方案

从施工监控和健康诊断的实施角度，一体化监测布点关键在应力应变数据采集的重点部位，本桥主要包括四大部分：

拱肋、Y腿、主梁和吊杆索。

具体一体化测点布置如图2、图3所示。

1）拱肋、Y腿、主梁结构部分基础数据采集（包括：

混凝土的弹性模量、混凝土容重、施工临时荷载）及主桥相关各部位温度的测定。

2）主拱、主梁施工过程及运营过程中结构线形及位移监测。

主要是对主拱肋与Y腿连接处、主拱拱顶和节段接头处进行线形及位移监测，分为竖直

图2衢江大桥一体化监测点布置断面图

图3主桥箱梁和Y腿中一体化测点布置点位图示

面内的线形及位移监测与水平面内的线形及位移监测两个部分，通过两个面内的测量准确掌握主拱肋的真实状况，有效地监控主拱肋的质量情况，保证施工及运营时的安全。

3）主拱肋、Y腿和主梁结构应力监测。

通过该项应力监测，掌握主拱肋、Y腿和主梁受力状况，及时判断主拱肋、Y腿和主梁应力是否超限，从而掌握主拱肋、Y腿和主梁的安全状况。

4）吊杆索力监测。

用环境激振仪对每根吊杆的拉力进行快速监测，获得吊杆真实拉力状态。

2.5实施效果

1）对衢江大桥主桥施工过程实施监测与控制，确保在施工过程中桥梁结构的内力和变形处于容许的安全范围内，确保成桥状态（包括成桥线形与成桥结构内力）符合设计要求，达到理想状态。

现该桥经过荷载试验验证和竣工验收专家鉴定，圆满地实现了该阶段的目标。

2）对衢江大桥主桥运营过程中的状态进行监测，通过监测系统收集有关数据进行健康诊断，确保在安全状态下运营。

在下步大桥运营管理过程中将利用一体化测点开展这部分工作。

3展望和讨论

展望我国桥梁工程在21世纪中对于施工监测和健康诊断领域内发展前景，可以有近期和远期两种考虑。

从近期看，面对长大复杂性桥梁工程的许多技术难题和挑战，以及进入WTO后外国同行的竞争，我们需要做好充分的准备，主要是：

1）超大跨度桥梁施工控制技术的研究；

2）重要复杂桥梁健康诊断技术的研究；

3）进一步研究、开发、引进更为先进的监测技术（如遥感技术和新型传感器）；

4）长大复杂桥梁的结构体系及特殊力学问题的研究；

5）结合施工控制和健康诊断需要的一体化实时监测系统的完善和开发。

从远期看，预计到21世纪20年代，同比经济有了很长足的发展，桥梁工程也得具有高度智能化、信息化和远距离自动控制的特征，人们得运用高度发展的计算机辅助手段和先进的信息处理技术，通过智能化建造系统，精确地完成建设任务。

在交付使用后，将通过自动监测和管理系统保证桥梁的安全和正常运营，一旦发生故障和损伤，健康诊断和专家系统将会自动报告损伤部位和程度，并指示养护和维修对策。

4结语

桥梁施工控制和健康诊断技术都是基于结构与环境的不确定性和各种因素的影响，通过量测获得必要的信息，识别相关的风险因素，运用有效的设计和计算理论，进行分析处理，寻求对策，以满足桥梁结构物的可靠性。

有鉴于此，通过一体化实时监测系统的研究，能有效地推动我国桥梁建造技术和大型桥梁模块与损伤监测技术的发展，加强计算机和信息技术在桥梁工程中的应用。

参考文献：

[1]刘效尧,蔡键,刘晖.桥梁损伤诊断[M].北京:

人民交通出版社,2002.

[2]秦权.桥梁结构的健康监测[J].中国公路学报13-2,2000.