结构健康监测.docx

1、结构健康监测工程结构健康监测与诊断姓 名： 查 忍 指 导教 师： 学 号： 建筑与土木工程专 业： 琅岐大桥结构健康监测系统初步设计方案1 桥梁健康监测的必要性由于气候、环境等自然因素的作用和日益增加的交通流量及重车、超重车过桥数量的不断增加，大跨度桥梁结构随着桥龄的不断增长，结构的安全性和使用性能必然发生退化。自1940年美国Tacoma悬索桥发生风毁事故以后，桥梁结构安全监测的重要性就引起人们的注意。但是受科技水平的限制和人们对自然认识的局限性，早期的监测手段比较落后，在工程应用上一直没有得到很好的发展。20世纪80年代以来，在北美、欧洲和亚洲的一些国家和地区，相继发生了桥梁结构的突然性

2、断裂事件，这些灾难性事故不仅引起了公众舆论的严重关注，也造成国家财产的严重损失，威胁到人民生命安全。国外从20世纪80年代中后期开始建立各种规模的桥梁健康监测系统。例如，英国在总长522m米的三跨变高度连续钢箱梁桥Foyle桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风荷载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场。国外建立健康监测的典型桥梁还有英国主跨194m米的Flintshire独塔斜拉桥、日本主跨为1991m米的明石海峡大桥和主跨1100m的南备赞濑户大桥、丹麦主跨1624m的Great Belt East悬索桥、挪威主跨为530m的Skarnsunder斜拉桥、美国主

3、跨为440m的Sunshine Skyway Bridge斜拉桥以及加拿大的Confederatio Bridge桥。中国自20世纪90年代起也在一些大型重要桥梁上建立了不同规模的长期监测系统，如香港的Lantau Fixed Crossing和青马大桥、内地的虎门大桥、徐浦大桥，江阴长江大桥等在施工阶段已安装健康监测用的传感设备，以备运营期间的实时监测。导致桥梁结构发生破坏和功能退化的原因是多方面的，有些桥梁的破坏是人为因素造成的，但大多数桥梁的破坏和功能退化是自然因素造成的。自然原因中，循环荷载作用下的裂缝失稳扩展是造成许多桥梁结构发生灾难性事故的主要原因。近年来，国内发生的几起大桥坍塌或

4、局部破坏事故在很大程度上是由于构件疲劳和监测养护措施不足，从而严重影响构件的承重能力和结构的使用，进而发生事故。理论研究和经验都表明，成桥后的结构状态识别和桥梁运营过程中的损伤检测，预警及适时维修，有助于从根本上消除隐患及避免灾难性事故的发生。现代大跨桥梁设计方向是更长、更轻柔化、结构形式和功能日趋复杂化。虽然在设计阶段已经进行了结构性能模拟试验等科研工作，然而由于大型桥梁的力学和结构特点以及所处的特定气候环境，要在设计阶段完全掌握和预测结构在各种复杂环境和运营条件下的结构特性和行为是非常困难的。为确保桥梁结构的结构安全、实施经济合理的维修计划、实现安全经济的运行及查明不可接受的响应原因，建立

5、大跨桥梁结构健康监测系统是非常必要的。通过健康监测发现桥梁早期的病害，能大大节约桥梁的维修费用，避免出现因频繁大修而关闭交通所引起的重大经济损失。桥梁健康监测就是通过对桥梁结构进行无损检测，实时监控结构的整体行为，对结构的损伤位置和程度进行诊断，对桥梁的服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行智能评估，为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，为桥梁的维修、养护与管理决策提供依据和指导。安装结构健康监测系统是提高桥梁的养护管理水平，保证桥梁安全运营的高效技术手段。特别值得一提的是，桥梁的健康监测和施工监控系统均是通过检测和监测手段，测试桥梁结构的内力、变形、环境和荷载，因

6、此，它们在传感器系统、数据传输系统和数据采集系统都具有很大的共享性和重复性。此外，两个阶段在时间顺序上具有衔接性，施工监控阶段的监测数据是健康监测阶段的基础。为了节约资源、降低工程造价，应充分发挥两个系统的共享性，对上述两个系统进行统筹规划和实施，即采取统一设计、统一施工和统一管理的方式，以实现海河大桥的健康监测和施工监控两位一体的工程实施。2琅岐闽江大桥工程概况福州琅岐闽江大桥见图1。该桥为双塔七跨连续半漂浮体系钢箱梁斜拉桥，主桥全长1280m，主跨680m ，起止里程K3+023.000 K4+303.000，跨径布置为（60901506801509060）m，墩号07 号，除亭江侧02

7、号桥墩位于岸上外，其余各墩均位于水中。该桥在两岸各设引桥一座。琅歧侧引桥由水中引桥与岸上引桥两部分组成。水中引桥为60m跨径的等高度预应力混凝土连续梁桥，整幅布置，共一联9孔，全长540m。岸上引桥为45m跨径的等高度预应力混凝土连续梁桥，整幅布置，共两联11（6+5）孔，全长495m。引桥桥面宽25.5m，设双向2横坡。主梁采用等高度预应力混凝土连续箱梁，单箱双室结构，梁高2.6m；墩身为空心板式结构，基础采用钻孔灌注桩。各墩顶竖向均设有隔震支座。该桥设计基准期100 年，大桥主线按双向四车道一级公路同时兼具城市I级主干道标准进行设计，桥梁横断面两侧各布置3.5米紧急停车带（远期可以改为双向

8、六车道），主桥的桥面宽28.7米，引桥桥面宽25.5米。设计行车速度60 公里/小时,设计荷载等级为公路级，工程场地50 年超越概率10%、4%和100 年超越概率10%、4%的基岩水平峰值加速度分别为34gal、66gal 和93gal、138gal；而100年超越概率4%的地表面水平峰值加速度为152gal。 图1 琅岐闽江大桥桥型总体布置图本桥主梁采用的支承体系为：桥塔处采用竖向支撑体系。主梁塔处设置两个活动支座，横向设置抗风支座，约束竖向及水平位移；在塔处设置纵向阻尼装置。辅助墩及边墩均设置竖向支座，并设置横向抗风支座。琅岐闽江大桥主桥采用半漂浮体系，索塔处设竖向支座和横向抗风支座。由

9、于本桥地震荷载较大，因此塔梁间设8台纵向阻尼限位装置，过渡墩和辅助墩设横桥向阻尼限位装置。 图 2 支承体系示意图主桥的钢箱梁长1280米，钢箱梁全宽30.6米，桥面宽28.7米，顶面设2%的横坡，两侧配有风嘴，桥梁中线处梁高3.50米，呈流线型闭合式横截面，能减小该地区强大的风荷载阻力。钢箱梁采用流线型扁平整体钢箱，单箱三室结构。箱梁顶板厚16mm，在拉索锚固区局部加厚至24mm，底板厚12mm，在主塔附近及边跨压重区局部加厚至16mm；顶板U 肋高280mm，板厚8mm，间距600mm；底板U 肋高210mm，板厚6mm，间距720mm。箱内设内、外腹板各两道，两道外腹板间距27.4m，板

10、厚24mm，两道内腹板间距11.96m，板厚12mm。采用单箱三室结构以增强钢箱梁的刚度并保证钢梁制造时横断面的几何形状和钢梁节段安装时能准确定位。横隔板纵桥向间距3m，拉索断面及压重区段为实腹式横隔板，其余断面为空腹式横隔板。钢箱梁材质采用Q370qD钢。图3钢箱梁标准横断面本桥斜拉索设计采用平行钢绞线拉索。斜拉索上端分别锚固于塔柱上，下端锚固于主梁锚拉板上，全桥共168根索。根据受力大小共分八类，钢绞线股数分别为27、31、37、43、49、55六种类型。斜拉索梁上锚固采用锚拉板形式。塔上锚固采用预应力锚固形式。 图 4 锚拉板示意图主塔为钢筋混凝土结构，分别由下、中、上塔柱及下横梁四部分

11、组成。塔高（从塔座顶面算起，不含塔顶装饰段）为196m，主塔在纵向宽度为8m13m；塔座高为3m。下塔柱高48.6m，横桥向宽6m10m，采用单箱双室截面；中塔柱高67.4m，横桥向等宽6m，采用单箱单室截面；上塔柱高80m，横桥向宽4m6m，采用单箱单室截面，两塔柱在顶端微合,中间刻槽修饰。塔顶以灯塔形式装饰。主塔采用C50级混凝土。图5主塔结构图按安评报告，拟建场地位于福州闽江入海口，拟建大桥北岸位于马尾亭江镇英屿村104国道旁，南岸位于琅歧岛西面，在琅歧轮渡南侧约800米的位置。场地地貌单元主要为海积平原地貌，工程地质分区为淤积冲积区。根据福州市勘测院福州琅歧亭江大桥工程预可阶段岩土工程

12、勘察报告，两岸桥台在勘察控制深度范围内地基土层为杂填、冲淤积成因类型，基底为花岗岩。场地岩土层按其成因、力学强度不同划分工程地质层，场地各岩土层自上而下分别为：杂填土、粘土、淤泥、淤泥质土、含泥粉砂、粘土、卵石、淤泥质土、粉质粘土、淤泥质土、粗砂、卵石、残积砂质粘性土、-1强风化花岗岩（砂土状）、-2强风化花岗岩（碎块状）、中微风化花岗岩。依据公路桥梁抗震设计细则（JTG/TB02-01-2008）的规定，桥梁工程场地类别的划分，应以土层平均剪切波速和场地覆盖层厚度为准。依场地各土层的类型、当地经验，估计的各土层剪切波速，可得琅岐闽江大桥MCK2、MCK4、MCK5、MCK6孔覆盖层厚度在（V

13、s500m/s）36.4-79.4m之间，其有效剪切波速值Vse在109-192m/s之间，如表2-1所示，依据表2-2确定其桥梁工程场地类别为类（表2-3）。本桥为A类抗震设防桥梁，工程场地地震动峰值加速度位于0.05g分区，对应的地震基本烈度为度，100年超越概率4%（E2水准）地表面水平地震动加速度峰值为152gal，按度设防。表-1 各孔覆盖层厚度与平均剪切波速值Vse场地钻孔覆盖层厚度(m)Vse(m/s)琅岐闽江大桥MCK236.4109MCK464.7192MCK579.6142MCK676.0115表2 桥梁工程场地类别（m）平均剪切波速（m/s）场地类别Vse5000500V

14、se25055250Vse14033，5050Vse14033，1515，8080表-3 大桥工程场地类别评判结果表桥段钻孔覆盖层厚度(m)Vse(m/s)桥梁工程场地类别琅岐闽江大桥MCK236.4109MCK464.7192MCK579.6142MCK676.01153系统设计原则与功能目标1 2 3 3.1 系统设计依据(1) 关于市政公路大型桥梁健康监测系统建设和管理工作的批复，福州市建设管理委员会 建城2009934号(2) “关于转发市建委关于市政公路大型桥梁健康监测系统建设和管理工作的批复的通知”，福州市市政公路管理局，管2009459号(3) 福州市桥梁健康监测系统技术指南，福

15、州市市政公路管理局，2009.9(4) 福州市桥梁健康监测系统建设与管理办法，福州市市政公路管理局，2009.9(5) 福州市琅岐大桥设计图纸 中铁大桥勘测设计研究院(6) 公路桥涵设计通用规范JTG D60-2004(7) 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-2004(8) 公路斜拉桥设计规范（试行）JTJ 027-96(9) 工程测量规范GB 50026 - 93(10) 工程振动测量仪器和测试技术标准中国计量出版社，1999(11) 电气装置安装工程电缆路施工及验收规范 GB50168-1992(12) 建筑与建筑群综合布线系统工程设计及验收规范 GB/T50311-

16、12(13) 建筑电气安装工程质量检验评定标准 GBJ 303-883.2 系统设计原则琅岐大桥健康监测系统工程设计原则是：(1) 结合桥梁结构的设计、施工和运营的具体特点和实际情况，遵循适用、经济、长期、高效的原则进行健康监测集成共享系统的优化设计。(2) 采用技术成熟、性价比高的配套产品，保证系统的精确性、稳定性；设置适度冗余的传感器及相关设备，保证系统的可靠性，并满足系统改进、扩展和完善的需求。(3) 采用开放式设计，保证系统具有良好的升级性、远程数据共享性及人工录入功能；(4) 采用实时监测和人工巡检相结合的办法，减少数据采集量和后处理难度。(5) 设计合理、直观、易用的前后处理模块，

17、以便有效处理、分析和管理采集的数据。(6) 组织专业化的监测、试验队伍，贯彻质量方针和目标，精心组织，科学实施，严格质量控制，确保工程质量和施工安全。3.3 功能目标桥梁运营阶段健康监测系统主要监测大桥的环境，荷载，主梁的应力、变形及振动，斜拉索的索力、桥塔应力、变形及振动，对桥梁结构的内力状态改变及损伤进行评估，以保障桥梁在运营过程的安全，也可以在结构遭受突发性荷载、严重超载、损伤，危及结构安全性时及时报警。健康监测系统可以较全面系统地把握结构的健康状态，据此对桥梁结构进行及时和恰当的养护与维修，从而尽量延长结构安全运营的时间，降低桥梁的寿命成本。4 健康监测系统方案设计4.1 传感器子系统

18、根据琅岐大桥的结构特点，需要对该桥的以下部位及内容进行监控：(1) 环境(风、湿度、温度) (2) 交通状况(3) 结构变形（主塔塔顶变位和主梁挠度、梁端位移）(4) 主梁和桥塔应力(5) 斜拉索索力(6) 结构动力特性（主梁、主塔振动）为达到以上监测目的，同时需要结合环境的变化情况进行分析数据。传感器子系统是由对环境参数、应力应变、结构温度、主梁挠度和主塔变位、结构动力特性等参数进行监测的传感器组成的模块。各种传感器完成监测参数的直接采集任务，根据监测参数的不同形成不同的光或电信号供数据采集模块分析处理。传感器子系统按照监测对象不同，划分为6个子模块，见表1，测点布置见附图J-1。表1 传感

19、器子系统划分子模块监测对象1环境监测子模块温度、湿度、风速等2视频子模块桥面交通状况3变形监测子模块桥塔变位、主梁线形4应变(应力)监测子模块关键截面应变(力)及其变化5斜拉索索力监测子模块斜拉索索力及其变化6结构动力特性监测子模块主梁和塔振动4.1.1 环境监测由于桥位处环境与气象站差异较大，且桥址位于临海地区，受海洋气候影响，因此应在桥位处安装环境监测设备。环境监测的主要目的和作用是：通过环境监测选择合适的监测时机；通过环境监测激活危险状态数据采集；通过风荷载监测，把握该桥址处的风荷载真实状况；利用温度监测结果修正监测的应力和桥梁的动力特性；通过湿度和温度监测桥梁材料的耐久性。全桥布置9个

20、温、湿度计，2个风速仪，2个梯形阳极腐蚀监测仪。风速仪安装于塔顶和主跨跨中，监测环境风速、风向和风攻角；温湿度计分别安装于主塔和箱梁内，监测桥塔和钢箱梁内的温度和相对湿度，塔柱水位变化位置和主梁内埋设梯形阳极腐蚀监测仪，监测外部环境对结构耐久性的影响，测点布置见图J-2。4.1.2 视频监测系统在本桥上安装视频监测系统的目的是使结构响应监测子系统与视频监测系统协同工作，当结构响应子系统反映受力指标超限时，通过视频监测系统能获取此刻的桥面荷载信息，便于对照分析，由此也可以用于监测超载车在桥上的行驶状况，并做下纪录，以为桥梁监控评估提供实证。同时，便于追溯桥面以上的交通事故发生的原因。根据监测需求

21、，在桥塔上横梁双向各架设1台监测摄像机，对主塔两侧交通状况进行监控，在主梁下安装两台摄像机，监测桥下通行状况。因摄像机24小时在室外工作，所以摄像机安装有云台、风扇、防护罩、加热器、雨刷等设施。铺设同轴电缆，将视频信号传输到中控室的网络视频服务器。4.1.3 结构变形监测(1) 结构变形监测的重点：主梁变形、主塔变形结构变形是结构状态改变最灵敏与最精确的反映，因此对结构变形的监测能够更为准确地把握结构恒载内力状态的改变；另外，部分的结构损伤也将导致变形情况的异常，通过对变形的监测也可识别出这些损伤来；桥面的变形与桥梁线形直接相关，通过桥梁线形的变化也可以判断桥梁的适用性。因此，结构变形的监测对

22、于内力状态及损伤识别均有重要的意义。通过变形监测能够达到以下目的：修正计算结构内力的有限元模型；根据监测结果直接判断桥梁的适用性。 结构变形监测传感器布设及实施方案主梁标高变化的监测采用液压连通测压管监测主梁静态线形，斜拉桥一侧布置1套(1个基站+9个传感器)，其工作原理如图5所示。主桥变形安装12套GPS进行监测，其中GPS基站建立在津沽公路侧固定处，GPS监测点安装在桥塔顶部和主跨挠度最大部位。在梁端伸缩缝位置布设位移传感器，监测伸缩缝变形。各测点传感器布置见附图J-3。图6 连通测压管工作原理4.1.4 应变(应力)及温度场监测(1) 应力监测重点结构应力是判断结构安全最直接的指标，结构

23、亚健康状态往往将导致应力超限或应力异常重分布，所以对于应力的异常变化应给予足够的重视，并结合环境、变形等其它监测结果来综合判定结构状态是否处在安全及可控的范围。结构应力监测主要目的在于：直接判断测试位置应力是否处于安全水平；校核结构模型修正及损伤识别的结果。结构温度场对结构的应力和变形具有显著的影响。结构温度场监测的主要目的：将温度场作为参数作用于结构有限元模型，研究温度应力及温度导致的结构变形变化；完成应变传感器的补偿。结构健康监测要求传感器应具有较好的长期稳定性和耐久性。因此，在健康监测系统中，应变监测选用光纤光栅传感器，因为其精度满足要求、测试通道容量大、长期工作性能稳定、不受电磁干扰，

24、尽管温漂大，但通过在应变测点布设的光纤温度传感器对温漂进行修正后可以基本上消除温度影响。 应变监测传感器布设及实施方案共布置13个应变监测断面，测点布置见附图J-4。1) 在主梁边跨、主跨、钢箱梁与预应力钢筋混凝土梁结合处布设9个断面，每个断面布设78个光纤光栅应变传感器，共67个应变传感器。2) 在下塔柱、中塔柱底部各布设1个断面，每个断面8个光纤光栅应变传感器。3) 在塔柱上横梁中部布设2个断面，共8个光纤光栅应变传感器。4) 为了对光纤光栅应变传感器进行温度补偿，在主梁各截面每个截面应变传感器相同位置布设光纤光栅温度传感器。同时在主塔上布置8个光纤光栅温度传感器，横梁上布置4个光纤光栅温

25、度传感器，在对光纤光栅应变传感器进行补偿的同时，监测主塔两侧及横梁顶底面的日照温差变化。4.1.5 斜拉索索力监测琅岐大桥的主梁自重及汽车荷载均由拉索承担，拉索是特别容易产生疲劳和腐蚀损伤的构件，其寿命往往比桥梁其它构件的寿命都短，但拉索是桥梁中的重要构件，起着牵一发动全身的作用，因此准确及时掌握拉索的内力及其变化特征至关重要。为了监测索力的变化，以及在斜拉索发生损伤时，能够及时通过安装索力监测系统的传感器监测其变化，系统中对长、中、短索，都选择部分斜拉索进行监测。拉索的索力可以采用基于动力法索力测试、光纤光栅智能索和磁通量传感器等方法测试，其中振动法测索力技术应用比较广泛，该方法对长索具有较

26、好的精度，但对短索误差较大；磁通量技术测试精度高，但其造价较高、数据采集系统较复杂，对传输线的要求较高；光纤光栅智能索可以较准确地测量拉索的应变，但是成品索的制作和运输要求较高，本方案采用磁通量传感器监测斜拉索索力，从而直接进行拉索的安全评定。全桥共计74根斜拉索，在其中24根索内布置传感器，测点布置见附图J-5。4.1.6 结构动力性能监测(1) 结构动力特性监测重点：主梁、主塔振动结构损伤实质上是结构局部刚度、质量的损失，反映在结构动力特性上是结构模态参数，如固有频率和振型的变化。本系统利用结构动力特性的变化来对结构的整体性能进行损伤监测，即将结构系统的实测结构模态特性与健康结构的模态特性

27、进行比较, 判断结构是否发生损伤；进一步对有限元模型进行修正，从而可以进行多荷载和复杂环境条件下桥梁结构的系统深入计算分析并进行桥梁结构的安全评定和预警。 结构动力特性监测传感器布设及实施方案为监测斜拉桥主梁的动力特性，对斜拉桥主梁选定9个断面对称布置18个加速度传感器，其中12个竖向单轴加速度传感器，为了监测主梁的横向振动，在布设6个横向+竖向双向加速度传感器；在塔顶布置1个三向加速度传感器，横桥向在每个横梁位置各布设2个单向加速度传感器，测点布置见附图J-6。全桥共布置16个单轴加速度传感器，6个双轴加速度传感器，1个三向加速度传感器。4.1.7 监测传感器统计琅岐大桥健康监测采用传感器数

28、量如表2所示，括号内数值为采用磁通量传感器测索力方案。表2 琅岐大桥健康监测系统传感器数量统计监测项目测点选择传感器选择数量备注环境与外荷载风荷载塔顶风速仪2监测风速和风向(兼具测温度)温湿度斜拉桥主梁光纤光栅温度传感器67温度补偿和温度场桥塔光纤光栅温度传感器12塔内温湿度计6环境温度和相对湿度主跨钢箱梁温湿度计12环境温度和相对湿度腐蚀桥塔、主梁梯形阳极腐蚀监测仪2环境腐蚀视频桥塔/桥面视频系统4视频监测结构性态响应加速度桥 面单向加速度传感器12采用差容式力平衡加速度传感器桥 塔单向加速度传感器4桥 面双向加速度传感器6桥 塔三向加速度传感器1位移桥 塔GPS系统1塔顶位移岸边基准点GP

29、S系统1桥面GPS系统1主梁线形斜拉桥主梁线形液压连通管10伸缩缝位移位移传感器4应变斜拉桥主梁光纤光栅应变传感器67应力监测桥塔光纤光栅应变传感器24斜拉索磁通量传感器24锚下测力计2合 计2624.2 数据采集系统数据采集制度需采用阈值和定时两种方式，本次设计为：在桥梁结构运行的初期，采取24小时连续采集的策略；运行30天后，对数据进行分析，揭示桥梁结构实际受力特点和规律，根据桥梁结构的实际受力特点和规律，确定触发采集系统的阈值和确定定时采集的具体时间段。4.2.1 数据采集系统设计数据采集系统的设计考虑数据采集系统的总体构架、数据采集系统的软件、硬件、数据采集策略等几个方面。该桥不是很长

30、，信号衰减不明显，因此，采用一个数据采集站进行数据的集中采集。数据采集站塔梁结合部位主梁桥面上，见附图J-7，为保证监测仪器正常工作，必须保持24小时连续供电。数据采集策略将分为动态数据采集和静态数据采集，数据采集制度需采用阈值和定时两种方式，采样频率将根据桥梁结构的计算结果确定，但需保证数据具有间隔实时对应关系。数据处理与控制子系统完成监测数据的校验、结构化存储、管理、可视化以及对监测采样的控制等工作。数据处理与控制子系统在整个系统中起到承前启后的重要作用，其具有以下几个功能：监测数据的校验；数据的初步分析；数据的结构化以及存储、查询、可视化；能够响应后续功能模块对数据的请求；能够控制传感器子系统的采样。数据处理与控制子系统总体构成见图6。图6 数据处理与控制子系统构成示意图4.2.2 数据采集系统硬件系统基于PCBASED的DA&C(数据采集和控制)系统，与基于PLC的顺序逻辑控制系统和基于DCS的大型控制系统相比，硬件价格低、易使用、开放性强、运算能力强、通讯能力强、开发成本低廉。因此，基于PCBASED的DA&C系统在中小型的非专属测控系统中得到了广泛的应用。基于PCBASED的DA&C系统通