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大型桥梁结构健康监测技术大型桥梁结构健康监测技术 the health monitoring technology of structures in large bridges 学科专业：建筑与土木工程 作者姓名： 朱 清 指导教师： 毕继红 教授 企业导师： 李学波 高工 天津大学建筑工程学院 二零一二年十二月 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果， 除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 天津大学天津大学 或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 天津大学天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权 天津大学天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 中文摘要 随着新材料、新技术在土木工程行业中的不断应用和发展，结构在安全性和 稳定性方面的研究需要进一步的深入。利用数据处理系统， 对采集的数据进行处 理、分析，出现比较特殊的信息数据的时候，能够发出预警，根据数据处理和分 析的结果，采取相应的数据处理措施，指导桥梁维护、维修，提供相应的管理决 策， 桥梁结构健康监测系统对桥梁服役期间的运营环境条件和结构健康状况进行 的实时监测。 工程结构健康监测与安全性检测研究是现代土木工程界研究的前沿 性课题， 只有根据监测获得测量精度高的数据资料， 建立具有完善功能的结构健 康、安全监测系统，才可以保证桥梁结构的正常工作。 所以本文主要从现代桥梁健康监测系统构成入手， 介绍了结构健康监测系统 的传感器子系统、数据采集子系统、数据处理和控制子系统、安全预警与评估子 系统等的工作方式，阐述了各个系统之间的合作关系。 在桥梁结构健康监测系统传感器布置方面， 介绍了传感器优化布置原则和不 同施工阶段桥梁结构健康监测的主要内容。 光纤传感器是目前比较先进的传感器， 根据各种光栅元件的工作特点和功能，建立相应的健康监测系统， 并以芜湖长江 大桥健康监测系统为例， 根据芜湖长江大桥的结构特点和结构形式， 介绍了实际 工程中健康监测系统的应用。 本文通过对比不同的健康监测系统的优缺点以及对传感器优化布置、 不同施 工阶段结构监控的介绍， 认为应用于桥梁监控的桥梁监测系统是一个复杂的多学 科交叉系统，其布置原则受到外界环境的制约，但是在我国，尚未有较完善的系 统监测设计方法， 对结果的处理即损伤结果判断的技术指标也处于一个较低水平。 本文工作可为相关大型桥梁工程提供安全可靠的科学理论模型、数学计算假定， 将桥梁健康监测信息进行反馈， 发现桥梁结构的不足， 为桥梁的安全可靠的运行 提供数据信息。 关键词关键词：大跨径桥梁；桥梁状态评估；结构损伤；结构健康监测；光纤传感技 术 abstract with the continuous application and development of new materials and new tech nology in civil engineering industry, safety and stability of this system needs further st udy. processing and analyzing the collected data by using data processing system, it c an emit warning when there is special information. measures can be taken according t o the results of data processing and analyzing, thus,it will guide bridge maintenance, r epairment and provide the corresponding management decisions. bridge structural he alth monitoring system which monitors the operation conditions and structural health conditions when the bridge is on service is a complete real-time on-line monitoring sy stem. only on the basis of monitoring to obtain accurate data, analyzing and establish ing a sound function and various types of structural health, safety monitoring system, the normal work of bridge structure can be guaranteed. so,with the elaboration of the composition of modern bridge health monitoring system,this essay mainly introduces the working methods of the sensor subsystem, data acquisition subsystem, data processing and control subsystem, security early warning and assessment subsystem;and also elaborates the cooperation relationship between various systems. to the arrangement of the sensor subsystem in this system, it introduces the principle of optimal sensor placement and the main contents of bridge structure health monitoring in different construction stages. optical fiber sensor is a currently more advanced sensor. according to various grating element characteristics and functions,optical fiber sensor establishes the corresponding health monitoring system.taking wuhu yangtze river bridge health monitoring system as an example, this essay introduces the application of health monitoring system in practical use according to the characteristics and structures of wuhu yangtze river bridge. finally the paper summarizes the main conclusions of the study, pointing out the deficiencies and the study direction at this stage of the bridge health monitoring system. in this essay, through comparing the advantages and disadvantages of the different health monitoring system as well as of optimal sensor placement, the introduction of different construction stage supervision, i got the conclusion that application in bridge monitoring of bridge monitoring system is a complex, multidisciplinary cross system. the layout principle is restricted by external environment. but in our country, there is not much perfect monitoring system design method, the technical indicators are at a low level. this work can provide reliable scientific theory model to related large bridge project, mathematical calculation assumption and find out the deficiencies of bridge structure through data feedback. thus, it can provide information for the safety and reliable operation of the bridge. key words: long-span bridges, bridge condition assessment, structural damage, structural health monitoring, optic fiber sensing technology 目目 录录 第一章 绪论 1 1.1 课题研究的来源 1 1.2 本文的研究对象及研究意义 2 1.2.1 桥梁结构健康监测的主要内容 . 2 1.2.2 桥梁结构健康监测的重要性 . 3 1.2.3 课题的研究意义 3 1.3 国内外研究概况介绍 5 1.3.1 国内研究现状 5 1.3.2 国外研究现状 6 1.4 本文主要研究内容 7 第二章 桥梁健康监测系统概述 9 2.1 桥梁健康监测系统 9 2.1.1 传感器子系统 9 2.1.2 数据采集和传输子系统. 10 2.1.3 数据处理和控制子系统. 10 2.1.4 安全预警与评估决策子系统 . 11 2.2 桥梁健康监测技术方法 11 2.3 大型桥梁结构健康监测分类 12 2.3.1 施工阶段的健康监测内容 . 12 2.3.2 运营阶段的健康监测内容及使用的传感器 . 14 第三章 桥梁结构状态评估与传感器布置. 17 3.1 桥梁结构状态评估的基本方法 17 3.1.1 对比诊断法 . 17 3.1.2 人工神经网络法 . 17 3.1.3 模糊数学法 18 3.1.4 模式识别法 18 3.1.5 专家系统法 18 3.1.6 动力响应法 18 3.2 桥梁监测内容的确定 . 19 3.2.1 桥梁工作环境监测 19 3.2.2 桥梁结构整体性能监测. 20 3.2.3 桥梁结构局部性能监测. 20 3.3 传感器优化布置原则 . 20 3.3.1 识别误差最小原则 21 3.3.2 插值拟合原则 21 3.3.3 模态应变能原则 21 3.3.4 模型缩减原则 21 第四章 光纤传感技术在桥梁健康监测中的应用 . 22 4.1 传统电测法概述 . 22 4.1.1 电测法的主要特点 22 4.1.2 电测法的局限性 22 4.2 光纤传感技术 . 23 4.2.1 光纤传感器概述 24 4.2.2 光纤传感器在桥梁裂缝监测中的应用 . 25 4.3 桥梁应变监测的光纤传感器的分类及基本原理 27 4.3.1 fp 光纤传感器系统 . 28 4.3.2 布拉格光栅光纤传感器系统 . 28 4.3.3 sofo 光纤传感系统 . 29 4.4 光纤传感器在桥梁健康监测中的研究和应用 30 4.5 芜湖长江大桥健康监测应用设计 30 第五章 结论与展望 41 5.1 桥梁结构健康监测技术总结 41 5.2 桥梁结构的健康监测发展方向展望 43 参考文献 45 附件：部分施工过程中监控监测照片 50 发表论文及科研情况 55 致 谢 56 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 课题研究的来源 桥梁结构，在道路交通网络中，具有跨越障碍物，连接交通线路的作用，是 交通的咽喉。交通网络的畅通，可以促进各个地区的物流快捷的沟通，直接关系 到国家经济发展的命脉， 桥梁的建造属于国家的基础设施建设， 是交通网络的重 要组成部分， 投入运营以后需要根据环境条件和自身的结构状态进行维护。 在一 定程度上， 大型桥梁的架设技术，反映了一个国家经济的发展水平和土木工程设 计和施工等先进技术的掌握水平1。二十世纪以来，预应力钢筋的制作技术和设 计原理研究不断发展，预应力技术和钢桥建设技术在桥梁建设过程中不断应用， 因此，国内外桥梁结构建设的跨度不断增加，结构形式越来越复杂，数量也日益 增多，桥梁工程建设有了很大的发展，取得了举世瞩目的突破性成就，桥梁建设 具有规模大型化、形式轻柔化等特点，桥梁结构的功能越来越复杂，这也是是未 来桥梁建设的发展方向。 例如： 日本的明石海峡大桥， 修建于上个世纪九十年代， 跨径达到 1990 米，从结构形式上来分属于悬索桥；2008 年，连接中国江苏省苏 州和南通，横跨长江的大桥苏通大桥建成通车。目前，这是中国国内，也是世 界上跨度最大的斜拉桥；等等。世界各国都建设了许多的大型桥梁结构。 这些大型桥梁的建设，极大的拉近了距离，方便了交通网络的连接和沟通， 然而，随着桥梁结构形式复杂化和跨度大型化，带来了许多突出的问题，对桥梁 结构的安全性和耐久性要求也是越来越高。 大型桥梁结构设计服役年限一般都在 一百年左右，许多桥梁需要工作长达几十年甚至上百年，桥梁结构服役期间，承 受的环境条件变化、荷载条件变化、人为活动因素、材料性能变异以及自然灾害 等影响下就会出现各种结构损伤，当损伤积累到一定程度以后， 就会产生结构突 然破坏的事故， 给人们的生命财产安全带来巨大的威胁， 造成巨大的经济损失2。 近几十年以来，大型桥梁损坏、垮塌事故屡见不鲜，1967 年美国俄亥俄河主桥 桥梁倒塌，原因是牛腿损伤积累导致桥梁断裂，伤亡人数将近五十人；1994 年 韩国圣水大桥中央桥面坍塌了一段，15 米的桥面和行驶在上面的车辆一起掉入 第一章 绪论 2 河中，伤亡数十人；1999 年中国重庆的彩虹大桥倒塌，2003 年，辽宁盘锦大桥 垮塌，等等，这些桥梁垮塌事故都给人们带来了巨大的灾难和损失。 我国国土面积辽阔，地形地貌复杂，河流众多，长江黄河横贯东西，在进行 道路交通网络建设的时候， 必须修建许多桥梁。 随着近几年我国高速公路及高速 铁路快速建设的发展， 桥梁占线路总长的比例不断增高， 大中型桥梁数目不断增 多， 在西部多山地区的交通线路中， 地面起伏较大， 需要修建桥梁连接交通网络， 桥梁占线路网络总长的比例高达百分之四十3。我国铁路从 1997 年开始，进行 了第一次提速， 至今已经实行了五次全面提速， 有些火车运行的最高时速已经高 达三百多千米/小时， 这对于早期修建的铁路桥梁结构来说， 是一个巨大的考验。 因为最初修建的铁路桥梁设计最大时速仅为一百千米小时， 火车运行速度远远 的超出了设计最大时速，许多桥梁处于高负荷运行状况4。 与传统的桥梁检测技术相比，现代桥梁结构健康监测技术具有很大的不同， 现代结构健康监测技术不仅仅是对传统监测技术简单地加以改进。 现代桥梁结构 健康监测技术已经成为一个系统，是整个桥梁结构系统的一个组成部分， 在桥梁 运营阶段， 利用先进的传感和通信技术， 实时监测在各种环境条件变化与荷载变 化情况下的结构响应， 利用先进的光纤传感器系统， 采集反映结构健康状况的各 种数据资料， 根据数据处理系统的分析结果， 最终判定桥梁结构的健康状态与可 靠性。 随着计算机技术、通讯技术和电子技术等相关学科的不断发展和研究工作 的进一步深入， 为结构健康检测技术的发展提供了技术支持， 奠定了坚实的基础， 大型桥梁结构健康监测系统的研究在桥梁结构的安全性、耐久性评估等问题上， 进入了一个崭新的发展期。 世界各国土木工程建设者和桥梁专家都开始进行结构 健康监测系统的相关的研究，现已成为一项比较热门的研究课题。 1.2 本文的研究对象及研究意义 1.2.1 桥梁结构健康监测的主要内容 桥梁结构健康监测的主要监测内容包括在桥梁结构投入运营以后，结构承受 的应力变化、产生的相应的应变值、位移变化、工作环境条件（诸如温度条件、 湿度条件等等） 、 在车辆荷载、 地震荷载、 撞击荷载等条件下的动力反应特性等。 第一章 绪论 3 利用传感器系统， 包括各种测试元件和仪器组成的测试系统， 评价桥梁结构关键 部位的承受静、 动态荷载的能力， 在运营过程中， 对桥梁结构关键部位进行实时、 在线的观测，现场采集测试数据，通过光导纤维等介质传输指令与数据，在数据 存储与处理系统中，分析处理采集的各种数据资料，分析桥梁结构的安全状况， 为桥梁结构运营过程中安全可靠性的评估与灾害预警等决策机制提供数据资料 和评价依据5。 桥梁结构健康监测系统是一个现代信号分析与信号传播技术综合的监测系 统。以计算机技术、网络技术、检测技术、通讯技术、以及人工智能等多个学科 技术为基础， 涉及结构仿真分析和数据自动采集与传输等等多个交叉的学科领域， 随着这些技术的迅速发展， 桥梁结构健康监测技术在监测系统总体设计、 传感器 及其优化布置、 健康状况诊断和结构可靠性研究等方面有了很大的进步， 集成了 远程通信与评判控制的综合性健康监测系统，自动化、网络化、系统化、实时化 是结构健康监测系统的技术发展方向和发展前沿。 1.2.2 桥梁结构健康监测的重要性 随着经济的发展和科学技术不断进步，国内外都修建了许多大跨度的桥梁， 而且桥梁建设发展有着大型化、 普遍化的发展趋势。 虽然在进行桥梁设计的时候， 尽可能进行合理、 保守的设计，但是受到当前知识水平和对结构复杂性的认识的 限制，在物理化学腐蚀等环境条件下，超期服役、突发地震、车船的冲撞、爆炸 等突发危害性事件，具有不可预知、不可确定或不定时等诸多的特点，大型复杂 桥梁结构，人们不能准确对桥梁健康状况进行认识，不能实时的预测、掌握和控 制桥梁的健康状态 6。所以，在桥梁结构运营过程中，为了保证大跨度桥梁的使 用安全性能、保证桥梁结构的耐久性能，对桥梁结构进行健康监测，建立实时在 线的监测系统，了解桥梁结构的工作状况，对桥梁结构的正常工作和运营，保证 交通网络的畅通是十分重要的。 大型桥梁的健康监测技术研究与分析也逐渐成为 国内外土木建筑行业的工程师和桥梁专家研究的热门前沿性的课题。 1.2.3 课题的研究意义 传统的桥梁检测，主要是以人工定期检测为主，检测方式也主要是靠人工肉 第一章 绪论 4 眼观测，测试手段虽然在 20 世纪七八十年代测试技术有了很大的进步，测试系 统中加入了许多电子测试设备， 但测试技术落后的缺陷依然存在。 人工检测技术 很难发现结构构件内部的损伤，也无法预知损伤发生的位置，对于特殊部位，检 测设备和检测人员难以到达； 而且， 与检测人员的知识水平和经验有很大的关系， 容易受到人为主观因素的影响， 测试结果的科学性难以保证。 人工检测需要耗费 大量的人力、物力资源，每次检测需要的时间很长，不能及时为桥梁管理部门提 供数据资料，在发生突发事件的时候，也难以应对。 目前， 受到人们掌握的科学技术知识的限制， 人们对大型复杂结构工作机理， 受力变形状况等等都不能准确的测量和预测，虽然在进行桥梁设计的时候， 许多 的设计参数和荷载取值都比较偏于合理保守，但是为了保证在运营过程中， 大型 桥梁结构的健康工作， 更好的为交通网络服务， 必须要采用先进的监测技术手段， 对桥梁的健康状况实时的监测。 现代大型桥梁结构健康监测系统， 运用先进的通 信技术、 电子技术和现代传感技术， 克服了传统桥梁结构人工检测技术效率低下 和滞后的特性， 可以实时的测量和分析桥梁运营过程中的结构状态信息和环境条 件信息， 记录桥梁结构的各种受力响应行为， 并根据先进的评估方法和分析软件， 对采集的数据进行科学的处理和分析，对桥梁的受力状态和工作状况进行分析。 桥梁结构监测技术研究的意义主要体现在以下几个方面： 首先， 大型桥梁监测系统可以实时的监测桥梁结构现场交通、 结构变形信息， 便于桥梁管理部门了解现场实际状况，应对突发事件， 根据结构的健康状况和受 力特点，对桥梁结构进行相应的、合理的交通控制和管理措施； 其次，大型桥梁监测系统可以借助先进的检测手段来进行结构分析和检测， 及早发现桥梁病害， 了解桥梁结构的安全状况， 对桥梁结构的关键部位进行损伤 的定性处理和定量分析， 为桥梁管理部门维修、 养护桥梁结构提供依据和指导建 议，也可以根据检测的结果，对桥梁结构剩余寿命进行评估，具有十分重要的指 导意义； 再次，大型桥梁监测系统可以对桥梁结构的运营状况进行实时的观测，在发 生环境条件突变、 应力应变数值变化幅度过大等异常情况的时候， 可以发出预警 信号，有效地应对突发事件，避免重大安全事故的发生，保证交通网络系统的畅 通和人民生命财产的安全； 第一章 绪论 5 最后，大型桥梁监测系统可以记录桥梁结构在各种荷载作用下的变形、应变 等状态， 验证桥梁结构设计的各种模型和结构设计计算中的各种计算假定， 提高 人们在桥梁设计方面的设计水平， 完善人们对大型复杂结构实际工作状况的认识， 推动我国桥梁设计水平的提升和桥梁施工技术的发展。 1.3 国内外研究概况介绍 1.3.1 国内研究现状 随着我国经济水平的不断发展和综合国力的不断提高，自 20 世纪 60 年代起 在长江、黄河、黄浦江等比较大的河流上面建设了许多大型的桥梁工程，如武汉 长江大桥、南京长江大桥、江苏的江阴长江大桥和润扬长江大桥、上海的杨浦大 桥广州的虎门大桥等等， 桥梁设计和施工技术水平得到了极大的发展和提高。 在 这些大型桥梁结构上，根据实际情况，建立了不同数量和规模的健康监测装置， 其中香港的青马大桥(tsing ma bridge)和汀九(ting kan bridge)大桥， 上海的卢浦 大桥和杨浦大桥， 重庆的万洲长江大桥等在施工阶段就安装了健康监测设备， 记 录施工过程中桥墩、桥塔、基础等部位的受力情况和变形情况，建立了不同规模 的传感设备和长期监系统，实时监测桥梁运营期间的各项数据指标。 香港的青马大桥(tsing ma bridge)修建于 1997 年，是一座悬索桥，中跨最大 跨径达到一千三百多米， 悬索桥属于柔性桥梁结构， 索塔和悬索结构对风荷载的 变化比较敏感。汀九(ting kan bridge)大桥是两跨三塔结构的单索面斜拉桥，跨 径最大的两跨跨径都将近五百米。还有汲水门桥也是一座斜拉桥， 但与汀九桥不 同，是传统的双索面斜拉桥，中跨跨径也超过四百米。斜拉桥桥塔是承受桥梁结 构重量的主要部位， 桥塔的高度和斜拉索的长度都比较大， 在风荷载的作用下产 生明显的晃动， 如果桥梁结构自振频率与风振频率相同时还会发生共振现象， 共 振作用会极大的危害桥梁结构的安全使用7。 所以， 香港路政署在这些桥的索塔、 悬索、斜拉索等重要结构部位上安装了风速风向仪、加速度计、全球定位系统 （gps）测量仪器、地震仪、温度计、位移计、应变计和动态称重等将近八百个 传感器，构成了“风和结构健康监测系统” ，测量环境因素及车辆荷载等作用下 的桥梁响应， 是我国最早的功能比较完备的桥梁健康综合监测系统， 其投资数额 第一章 绪论 6 和规模在世界上也是比较少见的。 近年来，国内的同济大学、东南大学、湖南大学等多所土木工程专业学科比 较强的高等院校和科研院所都进行了大量的桥梁结构健康监测系统的研究， 取得 了丰富的研究成果和实际应用成果， 极大的推动了桥梁健康监测技术和结构设计 等相关理论的发展。 相信随着研究的不断深入， 中国大型桥梁健康监测系统一定 会不断进步，继续走在世界桥梁结构研究的前列8。 1.3.2 国外研究现状 最早的结构健康监测系统应用，起源于航空飞行、机械加工等精密行业和领 域。从二十世纪五十年代开始，许多的大型桥梁结构突发的破坏事故，造成了巨 大的损失， 使得人们越来越重视到桥梁结构健康监测的重要性， 但是受到人们知 识水平和当时科学技术条件的限制， 长期以来只能依靠人工方法对桥梁进行定期 检查， 或者在发生地震、 洪水等极端的气候灾害的情况下， 桥梁结构出现大面积、 大范围的损伤， 结构受到严重破坏的时候再进行检测评估， 相应的检测费用和评 估费用就比较高。由于没有隐伏损坏的预警信息，不能及时发现结构损坏部位， 不能及时对结构损坏的部位采取相应的维修和保护措施， 桥梁结构的破坏也会进 一步加大，这也会增加以后的桥梁维修费用。桥梁结构监测系统的推广和应用， 受到落后的人工检测手段极大限制，长期以来没有得到实质性的发展。近年来， 随着现代信息处理技术、数据保真传输技术、计算机信号处理技术、光纤传感技 术以及计算机智能评估、 预测功能的不断发展， 促进了桥梁健康监测系统研究的 进一步发展， 以计算机智能化技术发展为基础的桥梁健康监测系统， 得到了迅速 发展， 逐步成为国内外桥梁健康监测系统研究的热点问题， 许多重要的大型桥梁 特殊部位都采取了定期监测和连续监测等系统化的健康监测。 国外重要大型桥梁 监测系统主要有： （1） 加拿大的 confedration 桥， 这是一座预应力混凝土桥梁， 建于 1997 年， 是目前世界上最长的建于海水中的桥梁，采用箱梁结构形式， 每跨跨径为二百五 十米，共有四十五跨，全长达到一千二百多千米，设计寿命为 100 年9。加拿大 位于美洲北部，气候寒冷，该桥建立了一套综合的监测系统，监测桥梁结构在寒 冷的气候条件下，对于桥梁的短期和长期变形情况，监测桥梁结构在冰荷载、车 辆荷载、 风和地震荷载及温度荷载等荷载组合作用下的变形性能和动力响应， 还 第一章 绪论 7 对环境侵蚀作用进行了重点观测，整个健康监测系统由超过七百个传感器组成， 包括加速度计、应变计、全球卫星定位系统 gps 测量仪器、倾斜计、地震仪、 热电偶、以及水荷载传感器等。 （2）法国的诺曼底大桥，该桥是一座双塔双面斜拉桥，建于 1991 年，主跨 跨径将近八百米，桥宽三十多米，是目前法国国内跨度最大的斜拉桥。该桥建成 以后， 法国政府花费约一百多万美元建立了桥梁结构健康监测系统， 包括全球卫 星定位系统 gps 测量仪器、加速度计、倾角仪、地震仪、位移计和腐蚀传感器 等三百多个传感器，建立了结构静动态健康监测系统。 （3）日本明石海峡(akashikaikyo)大桥，这是一座悬索桥，该桥建于 1998 年，是目前世界上跨径最大的悬索桥，主跨跨径将近两千米。日本是个岛国，地 震灾害频发， 该桥的将抗监测系统， 可以实时测量桥梁结构在温度变化的变形特 性， 在强风和受其他环境条件影响下的振动频率， 并且为以后桥梁结构在地震作 用下的计算假定和和有关参数积累了大量的数据资料。明石海峡(akashi kaikyo)大桥的健康监测系统由地震仪、 风速计、 位移计、 全球卫星定位系统 gps 测量仪器；加速度计和速度计等传感器组成。 1.4 本文主要研究内容 桥梁结构健康监测系统本身是一个复杂的综合系统， 涉及到多个学科的内容， 而且各个学科之间还具有交叉复杂性，理论研究滞后于结构设计理论的发展， 目 前还没有统一的规范和标准指导桥梁健康监测工作， 建立客观统一的桥梁结构状 态评估标准，传统的桥梁结构检测，主要是以人工定期检测为主，检测方式也主 要是靠人工肉眼观测， 人工检测技术很难发现结构构件内部的损伤， 也无法预知 损伤发生的位置，对于特殊部位，检测设备和检测人员难以到达；而且，与检测 人员的知识水平和经验有很大的关系，容易受到人为主观因素的影响， 测试结果 的科学性难以保证。人工检测需要耗费大量的人力、物力资源，每次检测需要的 时间很长，不能及时为桥梁管理部门提供数据资料，在发生突发时间的时候，也 难以应对。 本文主要研究健康监测的内容包括结构变形控制、结构应力控制、 系杆索力 控制及结构安全控制，控制的工序主要包括：主拱湿接段浇筑前后、腹拱施工完 第一章 绪论 8 成后、连续箱梁节段施工、系杆分级张拉、腹拱支架分段拆除、主拱支架分段拆 除、 连续箱梁湿接段浇筑、 连续箱梁支架分段拆除、 体系转换完成、 成桥状态等， 施工监测的内容则包括主拱应力、腹拱应力、连续箱梁应力、系杆索力、主拱位 移、 桥面线型等。根据全过程对上述监测内容的测量结果与监控值和设计值的比 较，满足设计与规范要求的系杆索力，并达到了较高的控制值精度要求。满足设 计和规范要求的主梁线形， 使主桥应力在控制的安全应力范围内， 达到了设计的 预想效果，结构安全可靠。 第二章 桥梁健康监测系统概述 9 第二章 桥梁健康监测系统概述 2.1 桥梁健康监测系统 大型桥梁结构监测系统一般分为四部分组成： 第一部分是大型桥梁的传感器子系统； 第二部分是大型桥梁的数据采集与传输子系统； 第三部分是大型桥梁的数据处理和控制子系统； 最后一部分就是大型桥梁的安全预警与决策评估子系统。 这四个部分分工合作，共同工作，实时、在线的监测结构的各种动力变化， 实现了桥梁健康监测系统的功能要求及监测目标。 图 2-1 大型桥梁结构监测系统网络图 2.1.1 传感器子系统 传感器子系统是整个桥梁检测系统的基础部分，根据测量数据的不同，传感 器也有多种多样的类型， 包括： 风速 （风向） 仪、 加速度计、 全球定位系统 （gps） 测量仪器、地震测量仪、车轴车速仪、温度计、湿度计、位移测量计、应变测量 计、水平仪、风速风向测试器等等。这些不同类型和不同功能的传感器可以测量 在正常车辆荷载及风载作用下， 或者在非正常的地震荷载、 飓风作用下桥梁的力 学状态和结构响应 10。 传感器类型的选择和安装的位置， 要根据桥梁结构的受力 特点，综合考虑实际的环境条件，工作情况和自身结构需要，根据桥梁建设中的 具体情况，从实际情况出发，综合考虑多种环境因素和结构因素进行确定。传感 器是整个结构健康监测系统的基础部分，造价占有相当大的比例， 应当选择技术 第二章 桥梁健康监测系统概述 10 水平完善、 工作性能稳定和耐久性良好的传感器元件， 这样有利于延长整个桥梁 检测系统的使用寿命。 2.1.2 数据采集和传输子系统 数据采集和传输子系统的主要功能，就是采集传感器子系统测量的环境条件 和结构自身的声、 光、 电、 磁等信号， 并将信号处理成数字信号， 通过光纤网络、 电子网络等传输介质的传输， 送到桥梁健康监测系统的数据库中心进行分析和处 理。 数据采集和传输子系统的安装位置要根据传感器子系统的布置确定， 尽可能 的选择与传感器元件寿命相当的材料设备，保证整个系统在使用年限内， 能够正 常的使用和工作。 数据采集和传输子系统应当具有一定的诊断功能， 对于异常的 信息数据、 传感器失效和损坏部位等等能进行快速的分辨， 并且保证系统能够在 恶劣的气候条件（如雨、雪、飓风、地震等等）下正常运行，连续的采集传输桥 梁结构的各方面的信息数据。 数据采集和传输子系统还具有一定的数据初步处理 功能。数据采集和传输子系统网络建设，应当符合国家有关的规范要求，实现远 程控制功能， 实时在线的远程控制数据传输。 由于桥梁结构健康监测需要的传感 器种类众多，涉及声、光、电、温度等等，所以监测信号的物理特征各不相同， 分为好多种。振动监测信号，以结构的振动、模态参数、机械冲击、结构动态变 化等为监测目标；有以噪声、超声、声音强度等为监测目标的声学监测信号；有 以电阻、 电流、 电磁性、 电功率等为监测日标的电参数监测信号； 有以温度变化、 温度插值、温度场为监测目标的温度监测信号；有以应变、应力、变形、压力、 扭矩和各种性能指标未检测目标的强度性能监测信号；等等，所以，应当尽量统 一电气、机械等行业的通信协议，采用相应国家标准或兼容规范，能够方便的进 行数据的传输与数据处理 11。 2.1.3 数据处理和控制子系统 数据处理与控制子系统是数据传输子系统的下一个环节，对于数据采集和传 输子系统采集传输过来的大量原始数据资料，需要通过数据处理与控制子系统， 进行深一步的处理和分析。通过软件、硬件系统的处理，进行数据校对检验、总 体数据初步分析、 响应后续子系统功能模块的指令等等。 数据处理和控制子系统 实现了数据查询、存储、可视化等结构化处理，控制着桥梁安装上的数据采集设 第二章 桥梁健康监测系统概述 11 备， 通过数据库操作实现了数据的提取和处理， 是对原始数据进行处理和分析的 关键系统部分。 2.1.4 安全预警与评估决策子系统 安全预警与评估决策子系统的主要功能就是对采集数据进行统计分析，并对 各种环境条件下， 在一定的温度和荷载作用下， 桥梁结构关键部件和控制截面的 参数值，结合有限元分析模型，确定应力和变位的值域范围，在各种情况下，监 测关键参数的变化，并通过数据判断出变化趋势，在遇到突发状况的时候，能够 提前判断结构各种状况，在应力、应变等达到限值的时候发出预警信息。 2.2 桥梁健康监测技术方法 桥梁结构健康监测，在某种程度上说，主要是对桥梁损伤程度进行检测，并 以此为基础对桥梁健康监测和桥梁运营状况评估管理。桥梁结构健康监测系统， 由各种传感器、测量仪器、装置组成，在科学的监测理论指导下，采用各种检测 技术手段， 从桥梁结构运营状态的获取并处理数据， 对桥梁结构状态的主要性能 指标分析处理，计算桥梁结构的累积损伤和耐久性缺陷，进行各种适宜的检验， 为检测结构模型、结构设计方法、桥梁计算假定等理论知识进一步发展，提供数 据资料基础。在发生意外状况的时候，例如在特殊的气候环境条件、交通荷载条 件下，发现和处理桥梁结构安全隐患，指导桥梁结构的维护、维修、养护，预测 结构突发损伤发生位置和判断可能发生的破坏程度， 保证桥梁结构的正常工作和 交通网络的正常运营 12。 桥梁结构健康监测思想，最初来源于航空、航天、机械精密加工领域，对桥 梁结构进行局部和整体的监测，利用无损测量技术（noe）监测结构是否发生损 伤、 发生损伤的位置和发生损伤的程度。 传统的桥梁健康监测方法包括以下几种： 模型试验法，按照实际结构物的比例，做成相对应的结构模型，将缩小的模型建 筑放到振动台或者风洞实验室进行试验，得到结构模型在各种风速、风振频率、 振动加速度作用下相关的数据资料；数值模拟法，以基本的物理定律为基础，将 结构物理体系用离散化变量描述，利用电子计算机技术， 计算在基本物理过滤约 束下各个离散化变量的演变，体现结构的物理变化过程的规律；超声波探测法， 第二章 桥梁健康监测系统概述 12 利用超声波技术，对结构内部进行超声波检测，可以检测出结构内部的裂缝、缺 陷等损伤；仪器检测法，在实际建筑结构上安装各种光学、物理传感器，进行观 测的方法；另外传统的目检法、冲击回弹法、机械压痕法、化学试剂染色法、混 凝土表面硬度试验法等都属于无损检测技术。 现阶段新兴的监测方法就是运用全球定位系统（gps） 、地震仪、应变仪、车 轴车速仪、 温度计、 位移计、 水平仪、 风速风向测试器等传感器元件， 精确定位、 检查结构的缺陷部位，建立完善的结构健康监测系统，对结构构件进行静态、动 态测量和定量分析。结构健康监测系统，比传统的人工检测操作方便，提高了检 测工作的效率， 可以检测桥梁的外观以及结构的某些物理及力学性， 对监测数据 进行分析处理，根据测量数据计算桥梁局部刚度等的变化，在一定程度上，可以 对桥梁当前的缺损状况进行精确的测量， 对结构整体安全性与运营工作可靠性状 态，迸行检测和评估。 2.3 大型桥梁结构健康监测分类 对于大型桥梁结构来说，根据监测的间隔时间、检测内容等，可以分为连续 性监测和定期性监测两种监测类型。 连续性监测主要是针对某些比较重要的大型 桥梁结构，这些桥梁投资巨大，在交通线路中起着咽喉的作用，事关交通网络畅 通的重要桥梁结构。 对这些桥梁结构的变形、 位移等参数进行二十四小时不间断 的连续采集，重点监测。定期性监测是指根据道路交通管理部门的要求，每隔一 定的时间段， 对桥梁结构的工作状态进行检测， 对这些在时间上不连续的数据进 行分析比较，对结构的工作状态进行评判13。定期监测的对象是那些受到技术 水平限制， 或者是没有足够的人力、 物力资源进行连续性监测的桥梁结构。 另外， 由于传感器种类繁多，采集的信号种类也是多种多样的，在每次监测的时候，尽 量采用性能、参数接近的测量设备进行，保证测量数据测量单位、数量级的一致 性，使这些数据具有一定的可比性和可操作性。 2.3.1 施工阶段的健康监测内容 大型桥梁结构，主跨的跨径一般比较大，在施工阶段容易受到各种自然环境 因素和施工荷载变化的影响， 使结构过早地发生物理变形， 桥梁成桥状态的受力 状态、外观状态，与原始设计外观状态不一样，所以需要在施工过程中，对桥梁 第二章 桥梁健康监测系统概述 13 结构的变形、应力等状态进行监测，保证施工阶段桥梁结构的安全性，使结构设 计状态尽可能的接近设计状态14。具体的监测项目包括以下几种： （1）桥梁结构几何形态监测；对已经施工完成的结构构件的高程、跨度、 拉索的长度、外形、位移等几何形态参数进行监测； （2）桥梁结构构件的内力监测；在桥梁施工阶段，对混凝土应力、钢筋应 力、预应力等内容进行监测，是桥梁施工阶段安全监测的主要内容。对已经连接 的拉索进行应力、变形测量，这对于许多大型悬索桥、斜拉桥的施工建设过程来 说， 具有十分重要的意义， 斜拉索、 悬索、 吊索等结构部件是保证桥面结构平顺、 悬吊的主要结构受力构件，是保证施工过程中，桥梁安全监测的重要参数，也是 结构健康监测系统的主要监测内容。 （3）桥梁结构的温度监测；对于处于野外环境的大型桥梁结构来说，早晚 温差变化大，在热胀冷缩效应影响下，会产生相当大的温度应力，特别是整体性 较好的大型斜拉桥或悬索桥，拉索在温度变化时，发生热胀冷缩现象，产生温度 应力，还会直接影响桥面和主梁的标高，因此，需要在施工阶段开始，对温度条 件进行观测； （4）桥梁结构的预应力监测，现代桥梁预应力的应用技术已经相当成熟， 应用范围已经相当广泛， 特别是对于大型桥梁， 预应力钢筋的数量占有很大的比 例。因此，有必要对钢筋的预应力变化情况进行系统的监测，测量预应力钢筋张 拉的实际应力和施工阶段由于管道摩阻、结构变形等原因造成的预应力损失； （5）桥塔等下部结构构件的监测，对于斜拉桥和悬索桥等大型桥梁来说， 桥塔是承受自重荷载和外加荷载的主要部件，而且桥塔一般都很高， 基础范围有 限， 荷载集中作用在有限的基础面积上， 因此为了保证桥梁结构的施工安全和运 营安全， 需要对桥塔基础影响范围内的地基外部变形、 锚定周围地基应力和主塔 结构内力等进行实时的监测。 第二章 桥梁健康监测系统概述 14 图 2-2 施工阶段监测流程图 2.3.2 运营阶段的健康监测内容及使用的传感器 桥梁结构投入运营以后，开始承受各种荷载的作用，需要通过各种传感器装 置，及时的测量结构的各项数值指标，具体的检测项目包括： （1）桥梁运营阶段的荷载监测； 桥梁结构承受的荷载主要有自重荷载、车辆荷载、雨雪荷载、风荷载、温度 荷载等，意外状况时还会出现车船撞击荷载、地震荷载。测量这些荷载需要的传 感器有：摄像装置，可以记录车辆的种类和通过的车流量等内容，发生交通事故 的时候还能及时的发现，避免交通堵塞状况发生在桥面上，增加外加荷载作用， 对桥梁结构不利15；动态地秤，可以用来测量通过桥梁的各种车辆的重量，既 可以得到交通荷载总量，又能为大货车计重收费提供参考；风速仪，这种传感器 可以记录风向、风速等内容，通过连续的测量，经过数据处理系统初步的分析处 理， 可以得到风功率谱， 记录风振频率， 避免桥梁结构自振频率与风振频率相同， 施 工 监 控 系 统 顾 问 组 测 试 组 计 算 组 计算模型的 建立与修正 施工阶段结构 计算及分析 仪器设备的 标定、校 准及维护 现场测试、 测试数据的 整理与分析 技术咨询、 指导及把关 测 试 结 果 业 主 施 工 管 理 决 策 系 统 设 计 监 理 施 工 监 控 决 策 ： 问 题 解 决 方 案 或 准 予 进 行 下 一 步 施 工 模 拟 计 算 结 果 第二章 桥梁健康监测系统概述 15 发生共振现象，损坏桥梁结构；温度计，主要用来记录温度、温度变化幅度等内 容，为桥梁设置合适的伸缩缝，避免产生过大的温度应力；地震仪，在发生地震 作用的时候， 能够连续的记录桥梁结构在地震荷载作用下的变形、 应力的发展变 化，为桥梁结构状态评估和以后桥梁结构设计模型提供数据资料。 （2）桥梁运营阶段的结构强度监测； 对于大型悬索桥、斜拉桥来说，这部分检测内容尤为重要，利用各种传感器 装置监测结构的应力、变形、索力、扭矩、动力反应谱等内容。测量这些指标需 要的传感器装置主要有：测力计，包括测力环、剪力测量仪、磁弹性仪等，可以 测量主缆索、吊杆、锚索、斜拉索等特殊部位的张拉历史，在发生异常值的时候 及时采取措施， 进行维修、 养护处理， 避免发生次生灾害， 引发更加严重的事故； 应变仪，可以测量桥梁结构在自重荷载和车辆荷载作用下的应变、变形等，通过 数据处理系统的初步分析处理可以得到结构构件的疲劳应力作用下的滞回环， 得 到应力反应谱； 加速度测量仪，可以测量结构构件在车辆荷载等动态荷载作用下 的加速度变化，记录各部位的反应加速度，得到结构的动模态参数值；振动测量 仪，可以测量结构构件的振动、机械冲击作用下的各种模态参数等，为以后的结 构设计提供数据资料16。 （3）桥梁运营阶段的外形状态检测； 随着桥梁地基基础范围内的土体的压缩变形的发展，桥梁结构各部位会发生 沉降、倾斜等动态变化，而且在车辆荷载反复作用和环境条件的腐蚀作用下，结 构表面不可避免的