桥梁结构健康监测.docx

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桥梁结构健康监测

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桥梁结构健康监测

桥梁结构健康监测

桥梁结构健康监测

1.桥梁结构健康监测的概念

交通是社会的经济命脉，桥梁是交通的咽喉，交通不畅会制约社会的经济发展，所以保障桥梁的功能性、耐久性，尤其是安全性至关重要。

为保证桥梁安全运行、避免严重事故发生,对桥梁结构进行健康监测应运而生，桥梁结构健康监测是以科学的监测理论与方法为基础，采用各种适宜的检验、检测手段获取数据，为桥梁结构设计方法、计算假定、结构模型分析提供验证；对结构的主要性能指标和特性进行分析，及早预见、发现和处理桥梁结构安全隐患和耐久性缺陷，诊断结构突发和累计损伤发生位置与程度，并对发生后果的可能性进行判断与预测。

通过对桥梁结构健康状态的监测与评估，为桥梁在各种气候、交通条件下和桥梁运营状况异常时发出预警信号，为桥梁维护、维修与管理措施提供依据，并通过及时采取措施达到防止桥梁坍塌、局部破坏，保障和延长桥梁的使用寿命的目的。

2.桥梁结构健康监测系统

2.1.监测内容

数据采集与测量的内容主要为：

变形（沉降、位移、倾斜）、应力、动力特性、温度、外观检测等。

1）变形监测

采取适宜的测量手段，对桥梁主体结构关键部位的沉降、位移、倾斜量进行监测。

常用监测变形的方法有：

导线测量法、几何水准测量法、GPS测定三维位移量法、自动极坐标实时差分测量法和自动全站仪三维坐标非接触量测等。

2）应力监测

桥梁运营状态中主体结构的应力变化是由于主体结构的外部条件和内部状态变化引起的。

外部条件主要有动荷载、气候、侵蚀、撞击和其他突发事件的作用等，而内部状态有混凝土的收缩徐变、温度变化及预应力损失等。

应力监测数据可以定量性地反映出桥梁主体结构的内应力变化和性能变化情况。

3）动力特性监测

桥梁结构的动力特性与桥梁结构的刚度、质量、阻尼值及其分布有关，动力监测是在桥面无任何交通荷载以及桥址附近无规则振源的条件下进行，主要对桥梁结构由桥址处风荷载、水流等随机荷载激振引起的微小振动响应进行测定。

检测项目主要为：

主体结构的自振频率、振型等。

桥梁结构动力检测方法主要有：

固有频率、应变模态、模态置信度判据、柔度矩阵、小波分析、遗传算法等。

4）温度监测

通过对整桥温度场的监测，可以设法消除温度变化对某些监测过程或传感器本身的测量精度的影响；可以了解桥梁结构在某种温度场下的结构变形、内力变化等情况。

5）表观检测

表观检测的主要内容为：

桥梁混凝土裂缝、强度、碳化深度、外观质量检测、钢梁及金属结构外观及腐蚀检测及支座、桥面铺装、伸缩缝、锚端连接等部位、部件的损坏情况观察等。

2.2.数据传输

稳定可靠的数据采集和传输对于保证监测系统的长期运行有着重要意义，同时是获取有效、可靠的监测数据的前提，要注重并做好以下几项关键性工作：

（1）数据采集传输的同步是桥梁结构监测系统的关键性技术问题，是数据处理、分析和桥梁健康评估的基本前提条件。

做到挠度、振动等子系统各点采集的时间同步性尤为重要。

（2）关于数据采集节点设备和传输链路的合理配置与优化。

影响数据采集节点设备和传输链路可靠性的因素相当复杂，必须研究设计和重点考虑系统合理的配置和优化。

（3）关于系统数据采集过程中单点故障问题。

系统需要具有单点故障不影响控制网络其他部分的功能。

（4）关于检测系统自身故障的自检与报警。

系统能够识别和检查出传感器故障、电流回路泄漏、对不可信信号电频的捕获和子系统故障等，并能在系统主机上给出相应的报警信息。

（5）关于数据可靠性检验的问题。

系统具有能够对所监测数据进行自检、互检和标定的功能，是保障原始数据可靠性的重要手段。

（6）关于实现远程监控的问题。

通过因特网技术可以使桥梁管理者或桥梁专家在异地对系统实现远程监控和数据分析，是桥梁结构健康监测系统的新需求。

2.3.数据分析处理和控制

数据分析处理与控制是指对获得的数据信息进行收集、整理、加工、存贮及传播等一系列活动的总和。

它的基本环节是进行数据的组织、存贮、检查和维护等工作。

这些工作是数据处理的中心问题，一般称之为数据管理。

二十世纪六、七十年代以来，数据管理技术提高到了数据库阶段，计算机中的数据及数据的管理统一由数据库系统来完成。

数据库系统的目标是：

解决数据冗余问题；实现数据独立性；实现数据共享；并解决由于数据共享而带来的数据完整性、安全性及并发控制等一系列问题。

2.4.大型桥梁结构健康监测系统

大型桥梁结构健康监测系统一般应包括以下几部分内容：

1）传感系统：

由传感器、二次仪表及高可靠性的工控机等部分组成。

2）信号采集与处理系统：

实现多种信息源、不同物理信号的采集与预处理，并根据系统功能要求对数据进行分解、变换以获取所需要的参数，以一定的形式存储起来。

3）通信系统：

将处理过的数据传输到监控中心。

4）监控中心：

利用可实现诊断功能的各种软硬件对接收到的数据进行诊断，包括结构是否受到损伤以及损伤位置、损伤程度等。

传感器监测到的实时信号，经过采集与处理曲通信系统传送到监控中心进行分析和判断，从而对结构的健康状况作出评估。

若结构出现异常行为，则由监控中心发出预警信号，并对检测出来的损伤进行定性、定位和定量分析同时提供维修建议。

2.5.桥梁结构健康监测的现状与发展方向

桥梁结构健康监测系统对桥梁结构评估主要有三个方面：

承载能力、营运状态和耐久能力。

承载能力是有关大桥结构或构件的极限强度、稳定性能等，其评估目的是要找出大桥结构的实际安全储备，以避免桥梁发生灾难性的损毁。

营运状态评估与桥梁结构或其构件在日常荷载工作下的变形、裂缝、振动等有关，其评估结果有助于合理安排养护维修。

耐久能力的评估则专注于大桥的损伤及其成因以及其对材料物理特性的影响。

目前的桥梁结构监测系统中存在着监测项目种类不足和个别项目的规模又过于庞大的情况。

在监测数据的管理方面，没有一个较为完善的数据存储与管理系统，大量的监测数据得不到妥善的处理与利用。

并且，现有的桥梁结构监测和状态评估系统大多属于单一的监测系统或者是单一的管理系统。

桥梁结构健康监测综合评估系统在桥梁设计阶段予以提前考虑并做出桥梁结构健康监测设计有着十分重要的积极意义：

设计人员可依据桥型设计理论和结构特点、四新技术的应用等方面采用适宜的监测理论、方法与手段，做出符合桥梁特点和系统的监测设计。

桥梁结构健康监测设计与桥梁设计同时形成可及时、妥善地将相关监测软、硬件在施工、运营过程予以配备与设置，使得监测系统的准备与运行工作做得更加充分与科学。

我国的桥梁结构健康监测尚处初期阶段，随着桥梁结构健康监测工作的深入开展，在远距离监测、提高系统可靠性、完善数据处理和分析理论等方面还需要提高和完善，目前尚无现成的性能和数据评估方面的规范，因此探索并形成稳定、可靠的监测系统、明确各项参数指标、科学获取与处理监测数据、形成监测规范等工作是桥梁结构健康监测今后的发展与努力方向。

3.桥梁结构健康监测系统的意义

3.1.桥梁结构健康监测系统的主要作用包括：

1）设计验证，确保桥梁安全；

2）及时发现桥梁损伤；

3）为桥梁维护管理提供技术依据；

4）辅助桥梁日常交通管理。

尽管（截止到2006年）我们国家现有桥梁已经达到了50万余座，但是有些地方的桥梁管理者对现有桥梁的管理仍然是被动式的，也就是当桥梁发生安全事故的时候才对桥梁进行维护（检测和加固）这种被动式的管理不可避免的会带来桥梁安全事故的频繁发生。

结构检测与健康监测概况工程结构一般会受到两种损伤：

突发性损伤和累积性损伤。

突发性损伤由突发事件引起，使损伤在短期内达到或超过一定限值；累积损伤则有缓慢积累的性质，达一定程度会引起破坏影响安全和使用。

健康检测能够在突发性损伤发生时及时做出判断和警报，以便采取处理措施，防止发生进一步的破坏和引发其它事故。

对于累积损伤，能够定期对损伤的状态做出描述，以便根据情况采取相应措施。

3.2.桥梁健康监测意义

（1）监控与评估

桥梁健康检测的基本内涵是通过对桥梁结构状态的监控与评估，为工程在特殊气候、交通条件下或运营状况严重异常时发出预警信号，为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导。

为此，监测系统通常对以下几个方面进行监控：

①桥梁结构在正常环境与交通条件下运营的物理与力学状态；②桥梁重要非结构构件和附属设施的工作状态；③结构构件耐久性；④工程所处环境条件等等。

（2）设计验证

由于大型桥梁的力学和结构特点以及所处的特定环境，在大桥设计阶段安全掌握和预测其力学特性和行为特性是非常困难的。

因此，通过桥梁健康检测所获得的实际结构的动静力行为来检验大桥的理论模型和计算假定具有重要意义。

不仅对设计理论和设计模型有验证作用，而且有益于新的设计理论的形成。

（3）研究与发展

桥梁健康监测带来的将不仅是监测系统和某种特定桥梁设计的反思，它还可能并成为桥梁研究的现场实验室。

由于运营中的桥梁结构及其环境所获得信息不仅是理论研究和实验室调查的补充，而且可以提供有关结构行为与环境规律的最真实的信息。

4.现有桥梁结构监测系统存在的问题

在目前已有的桥梁结构健康与安全监测系统中，明显存在监测项目种类不足，而个别监测项目规模又过于庞大，尤其在对监测数据的管理方面，还没有形成一个较为完善的数据存储与管理查询系统，大量的监测数据得不到妥善的处理和利用。

总结现有桥梁健康与安全监测系统的不足之处，主要体现在监测系统的总体规划和桥梁结构健康监测及诊断的研究水平两个方面。

（一）在监测系统的总体规划上主要有以下一些较为突出的问题：

1）缺乏有效实用的优化算法造成测点数量巨大，系统规模过大导致数据量大、信息大量冗余；

2）监控系统与管理系统未能实现无缝连接；

3）结构安全评价系统研究多基于理论范畴，缺少工程实用性的研究；

4）桥梁监测系统缺乏规范性指导原则。

（二）就现在桥梁结构健康监测及诊断的研究水平来看，在技术层面上也有许多问题主要表现为：

传感器的优化布设是桥梁结构健康监测和诊断中的一个重要问题，应该做到使用尽量少的传感器获取尽可能多的结构的健康信息。

开发适合桥梁结构检测的专用传感器是桥梁检测问题中的关键。

测量仪器的精度不够以及效率低是困扰桥梁检测的一大难题。

5.结语

桥梁结构健康监测研究涉及振动理论、传感技术、测试技术、系统辨识理论、信号分析处理、数据通信、计算机、随机过程和可靠度等多门学科，是—个系统工程。

经过多年来的积极探索，人们已经取得了许多成果。

但是由于桥梁结构受到许多不确定因素和复杂工作环境的影响，现有技术还无法满足桥梁结构健康监测的要求，因此对桥梁结构健康监测的探索还需进一步进行完善。