桥梁在线监测系统传感器的优化布设及实验研究.doc

浙江工业大学硕士学位论文桥梁在线监测系统传感器的优化布设及实验研究姓名：陈锦申请学位级别：硕士专业：建筑与土木工程指导教师：杨俊杰;王健伟20090928卫、，：，浙江工业大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。作者签名：竹，屈午日期：口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学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于、保密口，在年解密后适用本授权书。、不保密“（请在以上相应方框内打“”）日期：弘刀年嗍：尹月巧日月妒浙江工业人学硕：学位论文（）第一章绪论研究背景及问题提出第一章绪论任何桥梁结构总是存在结构后期老化并或多或少地存在新建时初始缺陷，这些缺陷主要包括设计缺陷（设计规范、设计理论的不完善或设计失误）、施工缺陷（施工误差过大、施工质量较差）、材料缺陷（材料老化、质量较差）和使用缺陷（环境侵蚀、维修保养欠缺、超限使用）。在使用荷载及其它外界各种影响的长期作用下，如果不对桥梁结构上所出现的病害予以监测、检测、维修和加固，结构上的这些初始缺陷加上结构的自然老化将使得桥梁结构上的损伤不断积累和发展，结构的功能不断退化，由此极有可能导致桥梁在一定的使用期后面临损毁、垮塌的危险。近几年，国际、国内外发生的桥梁跨塌事故触目惊心，仅年就已经发生多起桥梁倒塌事件。年月日凌晨，省道位于常州漕桥附近的运村运河大桥，西半幅突然坍塌，该桥跨度米，位于常州南部主干道，如图所示【。年月日，一艘货船与九江大桥桥墩发生严重触碰，造成九江大桥第号、号、号三个桥墩倒塌，其所承桥面约米坍塌，正在桥上行驶的辆汽车（共有司乘人员名）及名大桥施工人员当场坠入江中，致使人死亡，一名司乘人员下落不明，见图所利。年月日，在江苏省昆山市大洋桥水域，一艘货船因避让船只，撞上大洋桥桥墩，致使大桥部分桥面发生坍塌，如图所利。年月点分，湖南省凤凰县堤溪大桥在建时发生坍塌事故，人死亡，人失踪，生还的人中有人受伤，见图所示。年月日，美国明尼苏达首府明尼阿波利斯市内的一座繁忙的跨河立交桥突然倒塌，至少有人在本次事故中丧生，见图所示【。年月日上午，越南南部介于芹苴市与永隆省之间的正在建设中的芹苴大桥坍塌，造成至少人死亡，多人受伤，见图所示【。尽管这些事故与很多因素有关，但缺乏有效的监测及预警措施和合理的养护是最重要的原因之一。新江业大学碗学位论文【第章绪论田江苏昆山太洋桥倒塌现岛照片业学硕学位论文（第一章绪论圈一越南建设中的芹苴大桥倒塌现场照片我国的桥梁建设发展迅速，但桥粱养护管理相对滞后。目前养护管理的桥梁对象一般运营时间币到年，但是已建桥粱不能满足现代功能要求的现象越来越普遍，有些桥梁已经成为交通运输的瓶颈，具体体现在：浙江工业大学硕：学位论文（）第一章绪论（）车辆超载现象严重。（）原有设计标准较低。（）材料老化，结构的损伤累计加剧。（）桥梁常发生突发性破坏倒塌，给经济带来巨大损失。要彻底改变目前桥梁管理的现状，科学、主动地预报桥梁各部件的营运情况，必须建立起一套可靠的结构在线健康监测系统。原冈在于：（）目前的桥梁检测是执行国家规定，到了一定的周期必须检测，表现为盲目性检测，浪费资金。利用在线监测系统可以有钊。对性地进行检测，更能发挥资金的效率。（）目前在大多情况下，桥梁出现破损后才去检测或维修加固，表现为被动性检测。利用在线监测系统可以将被动性的事后检测转为主动性的前期监测。（）传统的桥梁检测需要封闭交通，而在线监测系统可以在不封闭交通的情况下进行监测，经济效果更明显。桥梁在线监测系统是保证桥梁安伞运营的重要手段之一，将起到确保桥梁安全运营、延长桥梁使用寿命的作用。同时，通过早期桥梁病害的发现，能够大大节约桥梁的维修费用，避免频繁大修关闭交通所引起的重大损失，最大程度减小桥梁事故造成的损失【。研究桥梁健康监测的方向有很多，本文主要研究基于传感器优化布设的桥梁在线健康监测。鉴于经济成本和结构运行状态等方面的原凶，在整座桥梁所有自由度上安置传感器足不可能、也是不现实的，因此，必须考虑传感器的优化布设问题。通过尽可能少的传感器来获取最可靠、最全面的桥梁健康状况信息，就是优化布设的目的。在桥梁健康监测系统中，传感器优化布设也是该系统存在的问题和难点之一。国内外桥梁健康监测研究现状早在世纪年代，人们就开始意识到桥梁安全监测的重要性，并着手于早期桥梁健康监测的尝试。近年来，由于使用年限到期的桥梁大量出现以及大跨径桥梁倒塌事故的逐年增加，对桥梁结构尤其是大跨径桥梁结构的健康检测已经越来越受到国内外桥梁界的重视。浙江工业大学硕，学位论文（）第一章绪论国外桥梁健康监测系统的早期研究关于桥梁结构的健康监测，许多国家在世纪中后期在一些已建和在建的人跨桥梁上进行了有益的尝试。美国威斯康辛在一座已有年历史的提升式桥（）上，安装了世界上第一套全桥远程监测系统。该系统能监测到桥梁设计寿命的裂缝扩展情况和其他状态的变化。世纪年代中后期，欧美一些国家明确提出了桥梁结构健康监测的新理念，并先后在许多重要的大跨度或结构体系新颖的桥梁上建立健康监测系统。美国在年代中后期，开始在多座桥梁上布设监测传感器，佛罗里达州的斜拉桥上安装了多个各类传感器，用来测量桥梁建设过程中和建成后桥梁的温度、应变及位移【。英国在年代后期，在总长的三跨变高度连续钢箱梁桥桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风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。该系统是最早安装的较为完整的监测系统之一，它实现了实时监测、实时分析和数据网络共享【。希腊的桥于年安装了有个通道的振动加速度传感器的测振系统。丹麦曾对总长的跨海斜拉桥进行施阶段及通车首年的监测，丹麦的悬索桥的结构安全监测系统巾，对于桥梁结构的温度分布、结构沉降、位移、振动等进行了监测安装了近个各类传感器。另外，英国的独塔斜拉桥、美围的钢析架桥、挪威的斜拉桥、墨西哥的斜拉桥、加拿人的连续钢构桥等也安装了不同规模的结构安全监测系统】。在亚洲，曼谷的桥年安装了结构整体性与安全性在线报警系统，系统包括通道加速度计和三个通道风的测量、一个通道温度的测型】。国内桥梁健康监测系统的早期研究我国桥梁健康监测工作起步相对较晚，始于上世纪年代末，究其原冈主要是由于观念、资金、测试技术和监测手段的落后。年，在国家科委攀登计划“重大土木与水利工程安全性与耐久性的基础研究”项目予课题“确保大型桥梁结构安全性与耐久性的综合监视系统”（浙江工业入学硕士学位论文（）第一章绪论年）资助下和上海黄浦江大桥建设处的大力支持下，同济大学开发并安装了我国第一个桥梁结构状态监测系统一徐浦大桥结构状况综合豁测系统。徐浦大桥是上海市区黄浦江上第座斜拉桥，主桥全长，中跨，桥宽，双塔双索面钢箱梁结构，年建成通车。从经济及实用的角度出发，该系统的监测内容包括：车辆荷载监测（车道）；温度监测（点）；挠度监测（点）；应变监测（点）；桥梁振动监测；斜拉索索力及斜拉索的振动监测（根斜拉索）。系统的通讯方式以现场总线技术为主，以、接口通信作为辅助手段，采用为开发平台进行关系型数据库的开发，并利用下（）技术实现了监测数据的自动采集功能。徐浦大桥结构状态监测系统监测规模虽然不大，但它成功实现了利用大量多类型的传感器以及系统集成技术对结构作性能的连续、实时观测，为我国在大型桥梁卜安装多种监测设备对桥梁状态进行系统监测开了先例【】。随着我国改革开放的不断深入，对外经济、文化、科学技术等方面交流的不断扩大，综合国力的不断增强，交通基础设施和大型桥梁的建设得到了前所未有的关注，基本建设的投入迅速增加，桥梁研究工作者相继展开了桥梁结构健康监测系统的研究。传感器优化布设的研究传感器优化御设的研究是在结构健康监测系统的研究与开发基础上应运而生的。结构健康监测系统是集结构监测、系统辨识和结构评估于一体的综合监测系统。其监测内容包括：结构响应监测集合变位、振动响应（位移、速度、加速度）、构件应变或应力等、环境荷载监测（交通荷载、风荷载、温度荷载、地震及船舶撞击荷载等）。根据监测信息，结构健康监测系统对结构状态进行评估，为结构的维护、维修与管理决策提供依据和指导。目前国内已经成功开发的许多大型结构健康监测系统，都进行了传感器布设方面的研究。刘文峰等采用基于应变模态得到的广义应变能密度的结果作为评估参数来确定杭州湾跨海大桥健康监测系统中应变传感器的最优布点，研发了大桥健康监测安全评估系统。缪长青等在润扬长江人桥的健康监测中，对人桥的结构设计特点、环境状况、营运工况等进行了详细的分析研究，建立了一个科学的、浙江工业人学硕学位论文（）第一章绪论精细的三维有限元模型。通过对理论模型进行静动力分析，确定结构应力集中点、位移幅值点等关键部位，进而确定了传感器布设的最优方案并开发了大桥健康监测系统。欧进萍等对大型结构健康监测系统在海洋平台、桥梁、人跨空间结构、建筑、水利工程中的应用进行了总结，并对其现状及存在的问题进行了评述，其中也包含传感器优化布设问题。传感器优化的定义是：由于经济和结构运行状态等方面的原因，在所有自由度上安置传感器是不可能也是不现实的。因此，就出现了在个自由度上如何布置（）个传感器的优化问题。许多学者从不同角度提出了一些方法。一般情况下，结构安全健康监测系统传感器测点布置主要考虑的依据有：基于全桥模型的风洞、振动台试验和主要构件的足尺模型试验的分析结果；基于有限元理论的空间有限元模型分析结果；基于神经网络遗传算法的主梁结构传感器测点优化布置。选用最优的传感器数量及其在结构中的配置已经受到越来越多的关注，不适当的传感器配置将影响识别参数的精度，而且传感器本身需要一定的成本，与其配套使用的数据采集和处理设备的代价也都较高，从经济方面考虑，希望采用尽可能少的传感器。因此，确定传感器的最佳数目，并将它们配置在最优位置，具有重要的实用价值。此外，对于将传感器等与结构系统集成于体的智能结构来说，传感器的优化配置也十分重要，一种好的传感器配置方案应做到以下几点：（）在含噪音的环境中，能够利用尽可能少的传感器获取全面精确的结构参数信息；（）测得的模态应能够与模型分析的结果建立起对应关系；（）能够通过合理添加传感器对感兴趣的部分模态进行数据重点采集；（）测得的时程记录将对模态参数的变化最为敏感。利用各种不同的传感器优化布置的数学模型，可以得到优化的布设方式，主要方法有：（）模态动能法：这种方法通过挑选振幅较大的点或者模态动能较大的点，作为传感器布设的位置，但此方法与有限元网格划分的人小有很大的关系。在这种方法的基础上同时还衍生了许多方法，如通过计算所有待测模态的各可能测点的平均动能，选择其中较大者的平均模态动能法：通过计算有限元分析的模态振型在可能测点的乘积，选择其中较大者的特征向量乘积法等。浙江丁业大学硕学位论文（）第一章绪论（）有效独立法：这种方法从所有可能测点出发，利用复模态矩阵的幂等型，计算有效独立向量，按照目标模态矩阵独立性排序，删除对其秩贡献最小的自由度，从而优化信息阵，使信息帧感兴趣的模态向量尽可能保持线性无关。（）奇异值分解法：通过对待测模态矩阵进行奇异值分解，评价信息阵，舍弃那些对信息阵的值无作用的测点。该方法不仅尽量使日标模态矩阵线性独立，而且提出了每一次迭代时舍弃点的允许数日。（）模型缩减法：这种方法可以较好地保留低阶模态，但不一定代表待测模态，有人基于上述限制分别提出改进缩减系统和连续接近缩减方法。（）遗传算法：这种方法采用可控性和客观性指数来获得所有控制模态的累积性能值，以这些指数为优化指标，使控制器和结构之间有最大的能量传递而且根据控制规律使剩余模态的影响最小。（）振动试验模态分析法：主要可分为指纹分析法和模型修正法。前者是通过分析与结构动力特性相关的动力指纹变化情况来判别结构的真实状况；后者则通过综合比较试验模态与原先模型的分析结果，在条件优化约束的基础上，不断地修正模型中的刚度分布，从而获取结构刚度变化的信息。这两种方法的有效性均建立在模态试验的优劣上，而传感器布设的位置与数量则对试验结果起着至关重要的影响。以上几种方法应用比较多，但都具有各自的局限性，日前对传感器在结构健康监测系统中有效性的要求越来越高，如果传感器的位置没有经过慎重的选择，搜集到的信息就不能有效地反映结构的健康状况，这样监测系统作用也就非常有限。解决这个问题的合理方法就是对健康监测系统中的传感器系统进行最优布设【】【】。本文主要研究内容本文以在线健康监测系统开发中的传感器优化布设为研究重点，以杭州市区交通干道桥梁隧道在线安全监控为工程背景，参考已建的桥梁健康监测系统，以国内外桥梁检测技术为基础，研究并开发一套经济实用的桥梁在线健康监测系统。论文的主要研究工作包括以下几个方而：（）桥梁在线健康监测系统的整体构思与设计浙江工业人学硕学位论文（）第一章绪论确定监测项目及采用的测试手段和方法；在现有的工作条件下，采取适当方法建立监测系统，根据实际情况建立在线监测系统的框架，并充分考虑该系统今后的进一步扩充与发展；设计桥梁综合监测数据库，对各监测项目所得的数据进行有效性检查，将监测数据及检查数据分类存档，方便桥梁管理部门与决策者使用数据和进行数据查询。（）探索针对在线监测系统的传感器优化布设方法针对现有传感器布设方法的不足，研究探索一种基于动力响应数据的有效采集以及模态参数的有效识别的传感器优化布设方法，并判断和评价该方法的有效性和适用性。（）针对杭州市市区交通干道桥梁在线安全监控的传感器优化布设设计在吸收及采用已有成果基本思想的基础上，结合杭州市区交通干道桥梁在线安全监控系统的开发，试验验证传感器优化布设方法的实用性。浙江工业人学硕二学位论文（）第章桥梁在线健康监测系统的研究现状及发展趋势第二章桥梁在线健康监测系统的研究现状及发展趋势概述结构健康监测（，），综合来说，是指利用结构现场布设的传感器系统，对其运营期的工作状态进行长期、实时、有效的监测，并结合结构理论特性分析，以识别其在运营状态下的结构响应变化，从而揭示其中可能发生的损伤或退化【】。结构健康监测系统的关键所在，从技术上而言，主要是先进传感器系统的优化布设和测试数据信息的正确、高效采集与传输，理论上而言，卡要是结构损伤识别理论和状态评估理论的发展。随着交通事业的发展，荷载等级、交通流量、行车速度等必然提高，还有一些不可预测的自然破坏力也将会危及桥梁的安伞，若在建设桥梁时进行了施工控制，并预留长期观测点，将会给桥梁创造终身安全监测的条件，从而给桥梁营运阶段的养护工作提供科学的、可靠的数据，给桥梁安全使用提供可靠保证。这方面的反面事例在工程界广泛存在，因而在桥梁的营运阶段急需一套长期有效的监测系统，使桥梁养护部门能根据该桥的实际使用情况进行有效地更换和维护，而不是目前只靠外观检查等简单手段，得到粗略的依据进行不切要害的养护。要彻底改变目前桥梁养护部门的现状，科学、主动地预报桥梁各部位营运情况，必须在桥梁施工过程中进行施工控制系统的建立，进而建立起一套可靠的结构健康监测系统，使其能长期对桥梁营运阶段进行监测，这样才能确保这些耗资巨大、与国计民生密切相关的大桥的安全耐久。可见，桥梁结构健康监测的首要目的在于确保桥梁结构的安全营运【】。桥梁健康监测的新概念与意义桥梁健康监测的基本内涵即是通过对桥梁结构状态的在线监控与评估，为桥梁在特定气候、交通条件下或桥梁营运状况严重异常时触发预警信号，为桥梁维浙江业大学硕：上学位论文（）第一章桥梁在线健康：测系统的研究现状及发展趋势护、维修与管理决策提供依据和指导。为此，监测系统应对以下几个方面进行监控：（）桥梁结构在正常环境与交通条件下营运的物理与力学状态；（）桥梁重要非结构构件（如支座）和附属设施（如振动控制元件）的工作状态；（）结构构件耐久性；（）桥梁所处环境条件等。与传统的检测技术不同，桥梁在线健康监测不仅要求在测试上具有快速大容量的信息采集与通讯能力，而且力求实现对结构整体行为的实时监控和对结构状态的智能化评估。然而，桥梁结构健康监测彳仅仅只是为了结构状态监控与评估。由于桥梁的力学和结构特点以及所处的特定环境，在桥梁设计阶段完全掌握和预测结构的力学特性和行为是非常困难的。结构理论分析常基于理想化的有限元离散模型，并且分析时常以很多假定条件为前提，这些往往与实际的真实条件不全相符。因此，通过桥梁健康监测所获得的实际结构的动静力行为来验证桥梁的理论模型、计算假定具有重要意义。桥梁健康监测信息反馈于结构设计的更深远意义在于，结构设计方法与相应的规范标准等可能得以改进，而且对桥梁在各种交通条件和自然环境下的真实行为的理解以及对环境荷载的合理建模是将来实现桥梁“虚拟设计”的基础。还应看到，桥梁在线健康监测带米的将不仅是监测系统和对某特定桥梁设计的反思，它还可能并应该成为桥梁研究的“现场实验室”。同时，桥梁结构控制与健康评估技术的深入研究与开发也需要结构现场试验与调查。桥梁健康监测为桥梁工程中的未知问题和超大跨度桥梁的研究提供了新的契机。由营运中的桥梁结构及其环境所获得的信息不仅是理论研究和实验室试验研究的补充，而且可以提供有关结构行为与环境规律的最真实的信息。桥梁在线健康监测不只是传统的桥梁检测加结构评估新技术，而是被赋予了结构在线监控与评估、设计验证和研究与发展三方面的意义。浙江工业大学硕一学位论文（）第章桥梁在线健康测系统的研究现状及发展趋势桥梁在线健康监测系统研究现状桥梁健康监测研究系统的组成桥梁结构健康监测系统主要由四个子系统组成并通过网络联系进行工作，见图。这四个子系统分别是：（）传感器系统，包括：风速风向仪、加速度计、位移计、温度计、水平仪、车轴车速仪、信息放大处理器及连接介面等；（）信息收集系统，包括：信号采集器及相应的数据存储设备；图在线健康监测系统的拓扑结构（）信息处理和分析系统，包括：高性能计算机及分析软件；（）评估控制系统，对上述处理结果进行评估，作出决策建议。卜述四个子系统又可以分为硬件系统和软件系统两大类。硬件系统包括传感器系统、信息收集系统中的硬件系统、处理分析系统中的硬件系统以及控制系统中的电脑硬件系统；软件系统包括计算机系统运作，信息收集、处理、传送，结构分析、评估，信息存储、传送、管理以及可视化处理等。结构在线健康监测在航空领域的研究中十分活跃，但它在航空、机械、土木工程各领域的应用中存在着很大区别。例如，由于桥梁以及大多数土木工程结构物尺寸大，自振频率、结构的动力响应受非结构因素的影响较大，而且这些因素的变化易与结构损伤发生混淆。并且钢筋混凝土桥梁结构的有限元模型的不确定性比单根梁或空间桁架结构更大。总之，土木工程结构体的体型庞大，材料性质复杂，给结构（如桥梁等）的损伤评估带来极大的挑战。浙江业大学硕：学位论文（）第二章桥梁在线健康监测系统的研究现状及发展趋势桥梁结构健康监测系统的新发展及应用进入新世纪以后，桥梁健康监测进入了一个崭新的发展阶段。年，等人对只本明石海峡人桥（）的桥梁健康监测系统作了简单的综述【。明石海峡大桥于年建成，是一座主跨的悬索桥。该桥的健康监测系统除了对桥梁结构本身的异常状态进行自检外，更重要的是作为一个稳定装备用来准确监测桥梁结构所处位置的地震和台风。监测的总体目标包含了设计验证（）、结构维护（）、交通管理（）三大方面的内容。其中：设计验证包括：为验证桥梁在强风和地震作用下的设计假定提供结构动力响应数据，为改进桥梁设计方法提供结构实际状态响应数据，使得设计方法更加合理并发展一套具有自检功能的可靠监测系统，用来监测结构本身的异常。结构维护包括：为分析和评估桥梁结构行为是否健康提供测试数据，为评价结构的性能退化和功能降级提供依据。交通管理包括：在强风和地震时对交通流进行控制，确保交通安全；为评估台风和地震后的结构可靠度提供数据，用来控制并管理交通流量。年，等人对一座高架桥（）的实时健康监测系统进行了详细说吲。该桥是一座主跨的钢主梁斜拉桥，后张预应力混凝上桥面板。桥梁健康监测系统由三个了系统构成：监测结构缓慢变化子系统（），主要是用来监测由温度改变、基础沉降、混凝土收缩徐变等引起的结构参数变化。该子系统通过一个测候站（）每隔六小时自动采集一次相应传感器的数据，监测的桥梁构件主要是混凝十桥墩和桥面板；监测结构快速变化子系统（），主要是用来监测山交通载荷、台风、地震等引起的结构参数变化。该子系统由加速度传感器、风速仪、应变计三大类型的传感器组成，主要监测高架桥所遭受的各种动力载荷并提供结构的动力响应信息；第三个子系统主要检测钢筋混凝土桥墩及预应力混凝土桥面板内的钢筋锈蚀，考虑到混凝土内钢筋锈蚀变化很慢，该部分每隔半年检测一次。年，韩国等人综述了国内桥梁结构健康监测系统的发展和应用情况】【。韩国已经在（悬索桥，主跨）、（斜拉桥，主跨）、（斜拉桥，主跨）、（自浙江业人学硕：学位论文（）第二章桥梁红线健康；【测系统的研究现状及发展趋势锚式悬索桥，主跨）、（组合梁斜拉桥，主跨）等几座大型桥梁上安装了结构健康监测系统，对桥梁结构运营状态的安全性进行实时监控。从年开始，、等很多人都在文献中对香港青马大桥（，悬索桥）、汲水门大桥（，斜拉桥）、汀九大桥（，斜拉桥）三座大型桥梁的结构健康监测系统进行了详细介纠。为了监测这三座大型桥梁的安全运行状况，香港特区政府在三座大桥上永久性地安装了风与结构健康监测系统（，）。该系统南多个各种不同类型的传感器和相关的数据采集与管理设备组成，具备了远程、实时、在线、可视化等功能，是目前世界上规模相对较大、较为完善的桥梁健康监测系统之一。监测系统的丁作内容丰要包括六大方面：风载及其响应的监测（）；温度载荷及其响应的监测（）：交通载荷及其响应的监测（）；几何线形的监测（）：应力应变的监测（）：整体动力特性的监测（）。年，李爱群等人对润扬长江大桥的结构健康监测系统进行了综合评述，并介绍了该监测系统的构成和日标、主要子系统的功能、传感器的布设考虑、监测仪器的选择、桥梁结构状态识别、桥梁安全性评估方法等方面的内容。润扬长江大桥足由悬索桥和斜拉桥组合而成的特大型缆索支撑体系的桥梁，其中斜拉桥是主跨的双塔双索面钢箱梁桥，悬索桥则为单跨双铰筒支钢箱梁桥，主跨。年，、等人介绍了重庆大佛寺长江大桥（）的远程结构健康监测系统。重庆大佛寺长江大桥于年建成通车，是一座主跨双塔双索面的组合梁斜拉桥。该桥的健康监测系统可以分为两大主要部分，一个是测试数据采集系统，另一个是数据控制及处理系统。测试数据采集系统主要由光纤应变传感器、位移计、温度传感器、动力测试四个部分组成，而数据控制及处理系统则分为现场计算机系统、传输系统、服务器系统三大部分。各种传感器采集的数据经过现场计算机系统的预处理后由网络传输给管理中心的服务器进行最终的分析处理。该健康监测系统已经实现了实时、在线、长期监测浙江工业入学硕：学位论文（）第章桥梁在线健康监测系统的研究现状及发展趋势的目的。年，浙江大学等人针对杭州文晖大桥，通过传感、通讯、结构测试、结构分析与计算机软件开发相融合和集成，研究开发建立了大跨预应力混凝土斜拉桥健康监测与评估管理系统。通过研究，得出如下结论：对大跨预应力混凝土桥梁的损伤识别方法进行了探索性研究，提出了基于结构静动力响应的分阶段损伤识别策略，即根据结构的自振频率和模态来确定损伤有无及损伤程度，根据结构的静力响应来识别损伤程度；通过对评价指标的无量纲化处理，将结构检测、表观调查等不同类型的数据进行综合，最终建立了基于层次分析法的大跨预应力混凝土斜拉桥状态变权综合评估方法和理论；采用不同的理论进行分析对比研究，建立了文晖大桥主跨斜拉桥空问静动力分析的精确有限元模型和平面分析有限元模型，解决了大跨预应力混凝土斜拉桥静动力分析的基准有限元模型问题；建立了文晖大桥预应力混凝土斜拉桥索力、应力、动力特性、塔顶偏位、主梁挠度等非在线的检测系统，实现了桥梁健康检测、监测、管理的集成化并开发了相关专业软件，为大跨预应力混凝土斜拉桥的健康豁测与评估管理开拓了一条新的途径【。年，浙江大学等人对钱江四桥的桥梁实时预警系统进行了研究。钱江四桥是一座城市道路与轨道交通两用的双层钢管混凝土拱桥，其巾桥梁主跨，是下承式系杆拱桥和中承式拱桥的组合结构。根据钱江四桥的结构特点，实时健康预警系统主要包括：桥梁工作环境监测，即车辆载荷、桥址处风速风向监测及温度的监测：几何监测，即桥面挠度、桥墩变位监测等；静力监测，即拱脚截面钢管表面应力监测、拱脚截面混凝上应力监测、吊杆拉力监测及系梁预应力索拉力监测；动力监测，即桥梁竖向加速度监测和桥梁横向加速度监测【。年，等人对年开放交通的两座大桥山东滨州黄河大桥和哈尔滨松花江斜拉大桥的结构健康监测系统做了综合介绍。山东滨州黄河大桥是座三塔斜拉桥，两个主跨长，该桥的结构健康监测系统由将近个不同类型的传感器组成，其中在主梁、桥塔、桥面板中共埋入了个光纤应变传感器和温度传感器，个加速度传感器分别安装在桥面板、桥塔和斜拉索上，由于塔顶和桥面板的风速相差较大，在塔顶和桥而板上各安装了一个风速仪，另外还有个接收点。该监测系统可以连续进行数据采集并通过无线网络进行浙江工业人学硕二：学位论文（）第二章桥梁在线健康监测系统的研究现状及发展趋势信息传输，实现了实时、在线、自动采集的功能。哈尔滨松花江斜拉大桥是座主跨的双塔双索面斜拉桥，该桥结构健康监测系统的设计重点考虑了桥梁结构所处的恶劣环境，监测系统由多个不同类型的传感器组成，只能定期地对结构进行监测，即在每年的冬、夏两季分别进行天的健康监测和数据采集，而数据的分析处理则是离线进行的。年，。等人对正在建造中的苏通长江大桥的结构健康监测系统进行了研究设计。主跨的苏通长江大桥是目前世界上跨度最大的斜拉桥，为了确保桥梁结构在运营期间的工作性能和健康状态，同时也为了方便桥梁结构的管理维护，山香港理工大学和江苏省交通科学研究院联合对该桥研究设计了一套结构健康监测和安全评价系统（。）。该监测系统包括了风速计、温度计、加速度传感器、位移计、等种不同类型的传感器，而传感器的总数日则达到了多个。另外，这个长期健康监测系统中还将融入个用来监测地基稳定性和施工安全的埋入式传感剁。此外，我国还对江阴长江大桥（主跨，悬索桥）的结构健康监测系统进行了升级研究与设计，并在芜湖长江大桥、南京长江第二大桥、郑州黄河大桥等多庳桥梁卜建立了各种侧重点不同的桥梁结构健康监测系统。理论研究的现状系统参数识别和结构损伤识别研究当前大多数结构的健康监测研究主要是利用结构的动力响应来进行损伤识别和定位，由于这是一种整体识别方法，因而能够对大型结构系统进行快速监测。在系统参数识别方面目前普遍采用以下几种方法：（）空间域法空问域法利用质量、阻尼和刚度矩阵的变化来进行损伤识别和定位。（）模态域法模态域法利用结构的自振频率、模态阻尼比及振型的变化来进行损伤识别。（）频域法频域法利用所施加的激励和此得到的响应，经过分析得到频响函数，然后采用诸如多项式拟合的方法得到模态参数，由于可以采用多次平均来消除随浙江工业大学硕士学位论文（）第章桥梁在线健康监测系统的研究现状及发展趋势机误差对频响函数的影响，采用频域识别方法的精度有一定的保证，不过也存在只能识别具有经典阻尼的结构实模态以及诸如泄漏等偏度误差对参数识别的影响的缺点。（）时域法世纪年代后期出现的时域识别方法，弥补了频域法的不足，可以用随机或自由响应数据来识别模态参数。它们不必进行分析，从而消除分析带来的误差。尤其是它还可以从未知随机激励的响应信号中得到随机减量特征，因此该方法成为能依据在线信号对系统进行识别的唯一方法。但它运用了所测信号的全部信息，而不是截取有效的频率，因此信号中噪声的影响较大。目前排除噪声的方法主要有扩展识别和最小乘法。当结构系统的参数在外荷载作用下随时间发牛变化时，就非常有必要利用时域的方法来确定系统的动态特性，并且可以利用模型独立（）法或模型参考（）法通过上述四种方法中的动力响应来进行损伤识别。有资料表明，模型参考法无需大量的计算便能识别出损伤的存在，而且需要传感器的数量也比用模型独立法要少，但需要准确地建模且计算量相当火。尽管时域法利片环境随机振动测量设备所测得的原始时域数据，但它们需要有某种结构信息和大量的计算。频域法和模态域法使用了处理后的数据，其中就包含了由处理数据引起的误差和噪声。对于空间域法中的建模及质量和刚度矩阵的修正还存在很大的问题，很难达到精确。在结构损伤识别及检测定位方面，目前主要采用如下一些方法：（）模型修正法主要有基于的有限元模型修正的主要方法有模态柔度法、最优矩阵修正法、基于灵敏度的矩阵修正法、特征结构分配法、测量刚度的变化、及综合模态参数法等，修正结构参数通过修正结构的设计参数弹性模量、截面面积等米对有限元模型进行修正。（）指纹分析法指纹分析方法即寻找与结构动力特性有关的动力指纹，通过这些指纹的变化来判断结构的真实情况。（）神经网络法神经网络是一种能模拟高度非线性系统的数学方法，利用有限的几种结构损浙江丁业大学硕士学位论文（）第章桥梁在线健康监测系统的研究现状及发展趋势伤模式数据训练神经网络，使之能够识别出未知的损伤模式。（）系统辨识法系统辨识就是利用系统的输入与响应数据来识别系统内部的未知参数，可应用于结构的损伤识别。（）其他方法目前出现了一些基丁静态测量数据（如慢速移动轨迹、变形等）的损伤识别方法。许多试验表明用静载比动载更为经济。只需单元刚度矩阵便可进行结构状态评估，因此静态测试和分析可能比较简单高效。有学者提出了一种可以识别静载下线弹性结构刚度参数的方法。在单元的水平上，结构刚度可以利用加载并测量位移来识别；也有人利用应变测量来估计未知刚度参数，但对于混凝土结构应变测量方法可靠度较低；由于结构白振频率、模态振型及静力响应是结构参数的函数，这些参数可以通过比较计算模型预测值和试验得到的动态及静态特性来识别。结构损伤的开展将导致结构的局部刚度降低，接着会改变一些结构响应，因此有必要临测结构静态和动态特性来进行损伤检测和评估。在这种思想指导下，有学者提出了一种识别有限元模型的改进方法，它可以提供与动、静力测试值一致的结构特性。由于用高阶模态来检测单元损伤相当困难，因此有一种解决办法是利用某种静态加载方式来模拟高阶模态并从巾获得位移数据。通过静态测试数据，有限单元法的模型修正经常被用来识别结构损伤。由于模型本身的误差可能大于损伤引起的变化量，首先必须用实测模态参数和试验值来校正有限元模型，只有当有限元模型是可靠的，有限元模型修正的结果才是有价值的。在许多文献中多次提到有关精确建模的建议，可知有限元模型本身的可靠性是相当重要的。现在发展的趋势是将两种或几种方法结合起来进行结构损伤识别。例如，有学者将静态数据与模态测试结合起来识别结构损伤。这种结合可以消除各种方法各自的缺点并可以相互检验，适合较为复杂结构的损伤识别。桥梁综合评估理论方法大型桥梁结构在运营状态的安全性和耐久性问题越来越受到人们的重视，为了给桥梁管理和决策部门提供决策依据，有必要对桥梁的工作状态进行定量化的评估。所谓评估，就是评价估计某一事物的价值或优劣。对于桥梁工程，有文献认为：桥梁评估就是“评定承载能力、确定材料强度或对结构条件的分类”。在英国浙江工业大学硕：学位论文（）第二章桥粱在线健康；测系统的研究现状及发展趋势近年颁布的桥梁评估文件中，评估的定义是“调查并依据规定的车辆荷载等级确定结构的承载能力。由于桥梁状态评估涉及的范围广、因素多，在对其内涵的理解上往往有所偏重。目前的重点放在桥梁的承载能力评估方而。一种可能较为全面的定义是：评估就是利用特定信息，分析既有桥梁的可靠性并作出工程决策的工作过程。它可分为信息资料收集和处理、计算机分析评估模型的建立与修正、分析评估和决策建议等三个主要部分。目前，桥梁健康监测系统对桥梁结构评估的内容有三个方面，即承载能力、营运状态和耐久能力。承载能力评估与结构或构件的极限强度、稳定性有关。其评估的目的是要找出桥梁结构的实际安全储备，以避免桥梁在日常使用中发生灾难性的后果。因其与人身安全和财产损失有关而成为桥梁结构评估的主要内容。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。在指定结构作条件和定期养护维修的情况下，桥梁结构营运状态评估结果是十分重要的。耐久能力的评估侧重于桥梁的损伤及其成因，以及其对材料的物理特性的影响。桥梁损伤大致可分为结构性损伤和非结构性损伤。结构件损伤对承载能力有直接影响。对混凝土结构而言，主要指开裂钢筋腐蚀和混凝土严重剥落。通常非结构性损伤只对桥梁的营运状态和耐久能力产生影响，并可能增大车辆的冲击荷载效应。对既有桥梁的评估已经引起世界性的关注。自年代起，在些工业发达国家，桥梁工程的重点已逐步转向既有桥梁的养护维修、鉴定评估和加同改造方面，并已取得长足发展。年，英国工程师协会（）发表了既有结构的评估；年，经济合作与发展组织（）召开了“关于道路桥梁维修管理国际会议”；年、年和年，在英国召开了三次国际性桥梁管理会议。另外，还有不少相关会议论文和专题研究报告。在工程实践方面，美、英、加拿大等国先后颁