中小跨径桥梁结构健康监测技术107

中小小跨跨径径桥桥梁梁结结构构健健康康监监测测技技术术主讲讲人人：：王王润润建建单位位：：交交通通运运输输部部公公路路科科学学研研究究院院北京京公公科科固固桥桥技技术术有有限限公公司司目录录Contents01中小小跨跨径径桥桥梁梁健康康监监测测的的必要要性性02中小小跨跨径径桥桥梁梁健康康监监测测的的现现状及及存存在在问问题题03中小小跨跨径径桥桥梁梁健健康监监测测从从方方案案设设计到到数数据据分分析析的的过程程与与实实例例展展示示04桥梁梁结结构构健健康康监测测未未来来展展望望我国公路桥梁的现状分析一二三健康监测的必要性桥梁梁事事故故统统计计分分析析大跨跨度度桥桥梁梁和和中中小小跨跨径径桥桥梁梁在在养养护护管管理理方方面面的的区区别别01中小小跨跨径径桥桥梁梁健康康监监测测的必必要要性性我国国公公路路桥桥梁梁的的现现状状分分析析—总体体规规模模2.7万座座/年2015年各各类类数数量量占占比比中小小桥桥大桥桥特大大桥桥89.3%10.2%0.5%2015年各各类类桥桥梁梁长长度度占占比比中小小桥桥大桥桥特大大桥桥1841.5万米米，，40.10%2060.85万米米，，44.87%690.42万米米，，15.03%2015年交交通通运运输输行行业业发发展展统统计计公公报报，，全全国国公公路路桥桥梁梁77.92万座座、、4592.77万米米，，比比上上年年末末增增加加2.20万座座、、334.88万米米。。其其中中，，特特大大桥桥梁梁3894座、、690.42万米米，，大大桥桥79512座、、2060.85万米米，，中中桥桥17.5万座座、、952.4万米米，，小小桥桥52.033万座座，，889.09万米米。。我国国公公路路桥桥梁梁的的现现状状分分析析—总体体规规模模从我我国国公公路路桥桥梁梁的的数数量量统统计计比比例例分分析析表表明明：：中中小小跨跨径径桥桥梁梁占占主主导导地地位位。。我国国公公路路桥桥梁梁的的现现状状分分析析—桥梁梁老老龄龄化化加加速速到到来来我国国公公路路桥桥梁梁的的现现状状分分析析—桥梁梁老老龄龄化化加加速速到到来来大规规模模建建设设时时期期90%投资资用用于于旧桥桥维维护护改改造造我国国公公路路桥桥梁梁的的现现状状分分析析—桥梁梁老老龄龄化化加加速速到到来来对比比中中美美30年桥桥龄龄的的桥桥梁梁占占比比发发现现，，美美国国从从18%到60%，用用了了60年时时间间，，而而中中国国只只用用了了30年，，中中国国桥桥梁梁老老龄龄化化将将加加速速到到来来。。我国国公公路路桥桥梁梁的的现现状状分分析析—技术术状状况况我国国公公路路桥桥梁梁的的现现状状分分析析—技术术状状况况上世世纪纪八八十十年年代代以以前前修修建建的的桥桥梁梁，，设设计计荷荷载载等等级级偏偏低低公路路桥桥梁梁设设计计荷荷载载标标准准进进行行5次修修订订，，设设计计规规范范修修订订3次不同同时时期期修修建建的的桥桥梁梁，，设设计计荷荷载载标标准准存存在在较较大大的的差差异异急剧剧增增长长的的交交通通量量和和运运输输车车辆辆的的大大型型化化，，对对桥桥梁梁设设计计荷荷载载标标准准提提出出了了挑挑战战80年代代以以前前修修建建的的桥桥梁梁，，技技术术状状况况总总体体偏偏差差早期期修修建建的的低低配配筋筋率率桥桥梁梁，，对对现现行行交交通通荷荷载载的的适适应应性性差差部分分桥桥梁梁结结构构存存在在先先天天不不足足，，造造成成突突发发安安全全事事故故桥梁梁疲疲劳劳损损伤伤日日益益显显现现，，耐耐久久性性问问题题突突出出。。我国国公公路路桥桥梁梁的的现现状状分分析析—中小小跨跨径径桥桥梁梁现现状状技术术状况况设计计荷荷载载本节节引引用用了了西西南南交交通通大大学学l李亚亚东东教教授授的的《桥梁梁事事故故-分析析与与思思考考》相关关数数据据。。通过过书书籍籍、、文文献献、、网网络络等等渠渠道道收收集集到到国国内内外外一一部部分分桥桥梁梁事事故故700例（（国国内内138起，，国国外外562起））。。对事事故故的的具具体体原原因因大大致致进进行行了了分分类类（（14大类类）），，对对事事故故进进行行统统计计分分析析的的目目的的，，在在于于了了解解总总体体情情况况，，不不具具有有统统计计学学意意义义分析析要要素素发生生时时间间事故故类类型型区域域分分布布结构构类类型型使用用时时长长桥梁梁事事故故统统计计分分析析桥梁梁事事故故统统计计分分析析-全寿寿命命期期间间潜潜在在的的分分析析·指正正常常设设计计、、施施工工、、养养护护条条件件下下、、采采用用悬悬臂臂施施工工的的单单座座桥桥梁梁的的潜潜在在风风险险分分析析·倾斜斜的的澡澡盆盆曲曲线线？？以指指一一个个国国家家、、地地区区桥桥梁梁总总体体的的发发展展变变化化情情况况，，中中国国目目前前的的情情况况，，大大体体在在新新建建与与管管养养并并重重阶阶段段。。各类类桥桥梁梁事事故故，，通通常常在在““新新建建与与管管养养并并重重阶阶段段出出现现，，在在””以以管管养养为为主主的的阶阶段段““表表现现更更为为突突出出；；若若多多发发生生在在新新建建为为主主的的阶阶段段，，则则不不正正常常。。桥梁梁事事故故统统计计分分析析-桥梁梁建建设设的的三三阶阶段段经济济发发达达和和经经济济高高速速发发展展的的区区域域和和国国家家，，桥桥梁梁基基数数大大，，桥桥梁梁事事故故的的次次数数相相对对也也较较多多桥梁梁事事故故统统计计分分析析-事故故发发生生的的区区域域桥梁梁事事故故统统计计分分析析-事故故发发生生的的阶阶段段桥梁梁事事故故统统计计分分析析-事故故发发生生的的具具体体原原因因桥梁梁事事故故统统计计分分析析-事故故发发生生的的具具体体原原因因（（中中国国138座））桥梁梁事事故故统统计计分分析析-事故故分分类类中小小跨跨度度的的常常规规桥桥梁梁，，形形成成了了事事故故的的主主体体大跨度桥梁梁出现整体体垮塌的个个案相对较较少桥梁事故统统计分析-事故发生的的桥梁结构构类型·美、欧桥梁梁事故从20世纪60年代起开始始增多·20世纪80年代以前，，中国桥梁梁事故的信信息相对欠欠缺中国桥梁事事故从20世纪90年代起开始始猛增，尤尤其是在最最近10多年内桥梁事故统统计分析-同时考察事事故发生的的时段和区区段较为完备的的技术法规规体系专门配备了了养护设备备及技术力力量。案例：大约260座，安装了了桥梁健康康监测系统统，占中小小桥数量的的0.004%。主管部门重重视程度不不够，技术术力量和资资金投入严严重不足。。健康监测系系统大跨度桥梁中小跨径桥梁基层管养单单位力量薄薄弱。巡查、养护护手段落后后。信息传递不不畅。.监管特点普遍应用：：2015年，统计结结果300m以上跨径的的斜拉桥、、悬索桥有有208座，大约140座大跨度桥桥梁安装了了健康监测测系统，占占斜拉桥、、悬索桥总总数的67%，费用占到到桥梁造价价的2%左右。桥梁养护组组织保障体体系大跨度桥梁梁和中小跨跨径桥梁在在养护管理理方面的区区别专门的养护护管理中心心。日常巡查、、养护维修修及时、到到位。突发事故应应急抢险和和处理机制制完善。桥梁养护管管理人员专专业素质较较高。02中小跨径桥桥梁健康监测系系统现状及存在在的问题12制约中小跨跨径桥梁结结构健康监监测系统发发展的因素素大桥、中小小跨径桥梁梁结构健康康监测系统统的区别制约中小跨跨径桥梁健健康监测系系统发展的的因素1健康监测系系统造价国内健康监监测系统通通常大而全全，且由于于由此带来来的高额费费用而只能能在特大跨跨径的桥梁梁工程中应应用，而未未能重视针针对单一问问题建立简简单监测系系统并在中中小跨径桥桥梁中予以以应用拓展展。2标准体系《公路桥梁结结构安全监监测系统技技术规程》(JT/T1037-2016)，《结构健康监监测系统设设计标准》（CECS333:2012）标志着大跨径桥梁监测系系统设计技技术从总体体上而言已已经趋于成成熟和规范范。而对于中小小型桥梁健健康监测与与预警系统统的设计缺缺乏整体性性，规范性性的指导原原则，还没没有建立科科学、统一一的设计标标准。3传感器的优优化布置算算法还有待待于进一步步研发。中小型桥梁梁健康监测测与预警系系统的传感感器先行分分布设计仍仍然处于探探索阶段，，对已经出出现破损情情况的桥梁梁如何加配配传感器还还不明确等等。4新技术的及及时应用和和更新还处处于滞后阶阶段。采样频率fs:表示每秒钟钟采集的数数据点数。。时间分辨率率：两个数数据点之间间的时间间间隔，为采采样频率的的倒数。例子：单频频信号：频频率10Hz，幅值1V。大桥、中小小跨径桥梁梁健康监测测系统的区区别—采样频率采样频率荷载响应大桥对采样样频率的要要求较低，，小桥要求求较高。频域采样定定理：Fs=2.56Fm，时域至少少10倍以上《桥梁健康监监测》（赫尔穆特特.文策尔著））书中，对对采样频率率的最低要要求100Hz，国外的研研究成果表表明，较高高的采样率率，会提高高数据的准准确性。如如果数据的的存储和传传输不是问问题，建议议使用200Hz或者500Hz的采样率，，低采样率率下得到的的记录长度度会对结构构评级造成成负面影响响。大桥健康监监测系统不不适用于中中小跨径桥桥梁，中小小跨径桥梁梁对传感器器的采样频频率要求更更高。结论大桥、中小小跨径桥梁梁健康监测测系统的区区别—采样频率桥梁照片桥梁横断面面桥梁信息为分析中小跨跨径挠度感感知特点，选择桥梁梁结构为一跨跨径12m的钢筋混凝凝土简支T梁桥，桥面面纵向为平平坡，横向向为1.5%双向横坡；；桥面宽度度为：行车车道9m、两侧各设设人行道0.85m。大桥、中小小跨径桥梁梁健康监测测系统的区区别—采样频率位移传感器器布置图设备类型采样频率LVDT-1以支架为基准100HZLVDT-2以张力线为基准挠度沉降仪10HZ电子百分表1HZ大桥、中小小跨径桥梁梁健康监测测系统的区区别—采样频率电子百分表挠度沉降测试仪测试结果LVDT-1LVDT-2大桥、中小小跨径桥梁梁健康监测测系统的区区别—采样频率用固定支架架的LVTD传感器测试试结果和以以张力线为为基准结果果基本一致致，其中最最大值和最最小值的相相对偏差分分别为2.11%和4.04%，均在5%之内。挠度沉降仪仪和机电百百分表相对对于以固定定支架为支支点的LVDT测试结果偏偏差均非常常大，主要要原因在于于，二者的的响应频率率较低，测测试结果不不能反映正正常运营下下桥梁结构构的动态挠挠度变化。。其中机电电百分表测测试的最大大值和最小小值的相对对LVTD-1测试结果偏偏差分别为为83.7%和38.6%。序号仪器设备挠度最大值(mm)挠度最小值(mm)备注1LVDT-11.944-2.896以支架为基准2LVDT-21.985-3.013以张力线为基准3挠度沉降仪0.440-1.982以张力线为基准4电子百分表0.316-1.779以支架为基准四个传感设设备测试的的挠度幅值值大桥、中小小跨径桥梁梁健康监测测系统的区区别—采样频率LVDT传感器的响响应频带较较宽，且其其峰值频率率对应的响响应频率分分别均处于于桥梁一阶阶竖向自振振频率(9.29Hz)附近以及一一阶自振频频率的倍频频范围内。。由此可知知LVDT传感器可测测定正常运运营下桥梁梁结构的静静动态挠度度响应。LVDT-1测试数据幅幅值谱LVDT-1测试数据功功率谱测试数据分分析大桥、中小小跨径桥梁梁健康监测测系统的区区别—采样频率对比LVDT1测定的梁体体的挠度信信号幅值谱谱和功率谱谱，可以看看出试验采采用的挠度度沉降仪由由于其响应应频率较低低，只能测测定9.6Hz以下的梁体体结构挠度度变形。。挠度沉降仪仪测试数据据功率谱挠度沉降仪仪测试数据据功率谱测试数据分分析大桥、中小小跨径桥梁梁健康监测测系统的区区别—采样频率中小跨径大桥大桥结构变变形监测对对仪器精度度要求较低低，中小跨跨径要求较较高。结论大桥、中小小跨径桥梁梁健康监测测系统的区区别—仪器精度03中小跨径桥桥梁健康监测从设设计到数据分析的的过程与实例展示示132结构健康监监测概念健康监测系系统各子系系统介绍结构健康监监测的应用用举例跨学科综合合性技术+荷载响应+损伤识别+结构的长期期退化系统结构图图专业解释：：结构健康监监测(StructureHealthMonitoring，简称SHM)，通过分析析定期采集集的结构布布置的传感感器阵列的的动力响应应数据来观观察体系随随时间推移移产生的变变化，损伤伤敏感特征征值的提取取并通过数数据分析来来确定结构构的健康状状态。通俗解释：：结构健康监监测是通过过对结构的的物理力学学性能进行行无损监测测，实时监监控结构的的整体行为为，对结构构的损伤位位置和程度度进行诊断断，对结构构的服役情情况、可靠靠性、耐久久性和承载载能力进行行智能评估估，为结构构在突发事事件下或结结构使用状状况严重异异常时触发发预警信号号，为结构构的维修、、养护与管管理决策提提供依据和和指导。结构健康康监测系系统的概概念监测期间间应进行行巡视检检查和系系统维护护，监测测前应根根据各方方的监测测要求与与设计文文件明明确监测测目的，，结合工工程结构构特点、、现场及及周边环环境条件件等因素素，制定定监测方方案。桥桥梁结构构监测应应设定监监测预警警值，监监测预警警值应满满足工程程设计及及被监测测对象的的控制要要求。监监测期间间，监测测结果应应与结构构分析结结果进行行适时对对比，当当监测数数据异常常时，应应及时对对监测对对象与监监测系统统进行核核查，当当监测值值超过预预警值时时应立即即报警。。下列工工程结构构的监测测方案应应进行专专门论证证：①特特大及结结构形式式复杂的的桥梁结结构；②发生严重重事故，，经检测测、处理理与评估估后恢复复施工或或使用的的工程结结构；③监测方案案复杂或或其他需需要论证证的工程程结构。。桥梁结构构健康监监测系统统—一般规定定及流程程桥梁结构构健康监监测系统统—方案设计计原则经济实用用在确定监监测方法法时,要根据结结构的特特点,选择适当当的监测测方法,尽量经济济实用。。统筹规划划测点选择择多方案比比选在选择监监测仪器器时,不能片面面追求精精、高、、多、大大、全。。应根据据监测内内容所需需要的精精度、可可靠度等等要求统统筹考虑虑,既要能满满足监测测要求,又要满足足经济性性原则。。测点要选选择结构构的关键键部位布布置。a、应力依依据内力力最大、、应力最最大原则则,综合考虑虑结构受受力分析析结果进进行选择择。b、变形测测点选择择原则:根据构件件烧度最最大原则则选则。。c、动力(加速度)测点选取取原则:根据理论论振型选选择测点点。根据实际际情况,定制几套套不同的的监测方方案,有条件的的话同一一测点可可用不同同的监测测方法进进行校对对。针对对不同的的监测方方案,要进行方方案的比比较和验验证工作作,,特别要避避免单方方面追求求高精度度、多参参数,脱离实际需要要的监测方案案。方案设计原则则架构传感器子系统统数据采集与处处理子系统数据传输子系系统数据存储子系系统结构损伤识别别与安全评估估子系统用户界面子系系统存在的问题成本高后期维护使用用复杂建设周期长桥梁结构健康康监测系统—系统组成桥梁结构健康康监测系统—系统总体框架架传感器子系统统由用于结构构长期监测的的各类传感器器组成,主要包括各种种智能传感元元件,通过各智能传传感元件感知知和采集各种种环境或监测测对象的信息息,主要完成各种种监测信号的的拾取和转换换。传感器作作为监测系统统的基本组成成部分,在整个系统中中起着举足轻轻重的作用。。根据不同的的监测需要,主要有应变传传感器、位移移传感器、加加速度传感器器、速度传感感器、温度传传感器、摄像像机等。传感感器主要是将将待测的物理理量转变为电电信号或光信信号。传感器子系统统桥梁结构健康康监测系统—传感器子系统统主梁挠度监测测支座变形监测测墩台沉降监测测主梁应力监测测裂缝监测体外预应力监监测主梁温度监测测环境温度监测测车辆荷载监测测现场监测主梁振型监测测频率、阻尼比比监测传感器子系统统—监测参数频响特性精度稳定性测量对象及环境灵敏度线性范围613254传感器选型原原则传感器子系统统—传感器选型原原则人工监测利用简单的仪器,定期用人工监测。这种方法简单,成本低。但费时,费力,监测的误差比较大自动化监测采用各类传感器及数据采集系统对结构进行在线实时监测,这种方法自动化程度高,准确性高,但成本较大。联合监测将人工监测和自动监测结合起来,利用一些小型的自动化程度较高的监测设备,配合人工监测。这种方法适用于一般常规的结构,是目前比较常用的一种监测方法。监测方式分类类桥梁变形的分分类静态变形：通通常指变形观观测的结果只只表示某一期期间内的变形形值，例如：：墩台变形。。动态变形：指指在外力影响响下而产生的的变形，它是是以外力为函函数表示的对对于时间的变变化，其观测测结果是表示示桥梁某个时时刻的瞬时变变形，例如：：桥梁结构的的挠度变形。。传感器子系统统—桥梁变形的分分类及监测方方式自动化监测人工监测人工监测精密水准测量量全站仪坐标法法酌情选取自动化监测北斗/GPS监测测量机器人监监测静力水准仪监监测LVDT位移传感器监监测桥梁挠度沉降降仪监测变形监测手段段随着科技的的发展和现场场的需要不断断地向前发展展和革新。每每一种手段技技术都有它的的优势和不足足，监测范围围和精度有差差异，适用性性也不同。在在不同的监测测目标下，综综合考虑监测测成本和监测测精度，采用用不同的技术术手段，监测测效果和效率率会有所不同同。将两种甚甚至更多技术术融合起来，，功能可以互互补起来，将将会起到更好好的效果，这这也将是以后后发展的趋势势。总结中小跨径传感器子系统统—桥梁变形的分分类及监测方方式测试原理：根据安装在桥桥梁各处连通通管内液面高高度的变化获获得桥梁挠度度的变化。当当桥梁梁体发发生变形时，，固定在梁体体上的水管也也将随之移动动，此时，各各竖直水管内内的液面将与与基准点处的的液面保持在在同一水平面面，但各测点点处的竖直水水管液面却发发生了大小不不等的相对移移动，测得的的相对位移量量即是该被测测点的挠度值值。结构变形监测测方法—静力水准仪工作原理：在在使用中，多多个静力水准准仪的容器用用通液管联接接，每一容器器的液位由传传感器测出，，传感器的浮浮子位置随液液位的变化而而同步变化，，由此可测出出各测点的液液位变化量。。静力水准仪磁致伸缩式静静力水准仪光栅光纤式静静力水准仪电容式静力水水准仪振弦式静力水水准仪CCD式静力水准仪仪电感式静力水水准仪结构变形监测测方法—静力水准仪测测量方法液体材料的影响静力水准仪主要是通过对容器中的液体液面高度进行观测，从而达到测量高差的目的，因此液体的选择是一个关键。通常的液体有水，玻璃水等。延迟效应的影响温度的影响静力水准系统统中的连通介介质是液体，，而液体极易易受到外界温温度的影响从从而改变它的的物理形态，，即热胀冷缩缩特性，甚至至气化或凝结结，导致容器器的液面高度度产生不同程程度的升高或或者降低，严严重影响了测测量的精度。。以水为例，，20℃时相对于4℃的线膨胀系系数时，温度度在20℃附近每变化化1℃，液面高度度变化在0.04mm。容器中液体变变化趋势相对对于温度变化化趋势有一定定的滞后性。。这是由于容容器中盛纳的的液体较多，，当外界温度度发生变化时时，液体吸热热或者放热需需要花费一定定时间，导致致液体温度与与外界温度不不同步。影响因素分析析结构变形监测测方法—静力水准仪测测量方法静力水准仪的优点比较多多，比如：测测量精度高、、稳定性强、、不受低温影影响等。主要要是通过液位位高低的测量量来确定被测测体的垂直沉沉降。主要使使用在地铁、、隧道、桥梁梁、建筑物基基础等的沉降观测。缺点呢，主主要是由于液液体的粘滞作作用，静力水准仪管路内部的液液体需要时间间才能流动并并且平衡，那那么，在这段段时间内，就就无法实现高高速测量沉降降变化量。结构变形监测测方法—静力水准仪测测量方法测试原理：用两端以恒力力牵引并固定定于被测体外外不变位的静静止物上的Ф0.3~0.6㎜细钢丝作为为静止参考基基准，沉降仪仪固定于被测测结构体上，，用沉降仪与与静止参考基基准之间的相相对位移变化化来测得被测测结构体的沉沉降、挠度值值。安装方式箱外安装箱内安装无线挠度沉降降仪结构变形监测测方法—桥梁挠度沉降降仪工作原理：LVDT(Linear.Variable.Differential.Transformer)是线性可变差差动变压器缩缩写。工作原原理简单地说说是铁芯可动动变压器。它它由一个初级级线圈，两个个次级线圈，，铁芯，线圈圈骨架，外壳壳等部件组成成。当铁芯由由中间向两边边移动时，次次级两个线圈圈输出电压之之差与铁芯移移动成线性关关系。结构变形监测测方法—LVDT位移传感器LVDT的可动铁芯和线圈之间通常没有实体接触，也就是说LVDT是没有摩擦的部件，其机械寿命，理论上是无限长的。无摩擦测量，无限的机械寿命无限的分辨率输入/输出隔离坚固耐用、环境适应性强零位可重复性径向不敏感LVDT构造对称，零位可回复。可用于高速在线检测，进行自动测量，自动控制。LVDT对于铁芯的轴向运动非常敏感，径向运动相对迟钝。线圈气密封，不再需要对运动构件进行动态密封，采用不锈钢外壳，可以置于腐蚀性液体或气体中。1234567LVDT被认为是变压器的一种，因为它的励磁输入（初级）和输出（次级）是完全隔离的。LVDT无需缓冲放大器，可以认为它是一种有效的模拟信号元件。动态特性好LVDT的无摩擦运作及其感应原理使它具有真正的无限分辨率,可以对铁芯最微小的运动作出响应。结构变形监测测方法—LVDT位移传感器安装示意图结构变形监测测方法—LVDT位移传感器钢丝自由端固固定方式传感器现场安安装方式结构变形监测测方法—LVDT位移传感器HY-65DJB3000B应变传感器振弦式传感器器，使用一年年左右数据精精准程度较高高，价格低廉廉，监测中应应变测试使用用较为广泛光纤光栅传感感器，寿命多多达数年，数数据采集频率率高，准确度度高，还具有有较多的技术术优势，应用用于监测要求求高的桥梁HY-65DJB3000B应变传感器，，便于安装携携带，数据采采集简洁准确确，使用周期期较短，广泛泛应用于桥梁梁荷载试验特点分辨度：0.1με精度：2.00%稳定性：一般般需2次仪表支持：：需要连线方式：每每个传感器都都需要单独的的线和2次仪表连接环境适应性：：好光纤光栅式应变传感器分辨度：0.1με精度：0.2%~1.0%稳定性：好需2次仪表支持：：需要连线方式：所所有传感器可可以串接到一一根线上环境适应性：：较好分辨度：0.1με精度：1.0%稳定性：好需2次仪表支持：：不需要连线方式：所所有传感器可可以串接到一一根线上或采采用无线接收收环境适应性：：好振弦式应变传感器结构应力监测测—应变测量方法法工作原理：当当被测结构物物内部的应力力发生变化时时，应变计同同步感受变形形，变形通过过前、后端座座传递给振弦弦转变成振弦弦应力的变化化，从而改变变振弦的振动动频率。电磁磁线圈激振振振弦并测量其其振动频率，，频率信号经经电缆传输至至读数装置，，即可测出被被测结构物内内部的应变量量。同时可同同步测出埋设设点的温度值值。结构应力监测测方法—振弦传感器优点缺点反应速度慢，，不适宜动态态监测钢弦在长期荷荷载作用下易易产生松弛，，不适宜长期期监测钢弦应变计内内部的钢弦一一般是通过螺螺钉紧固在传传感器基座上上，长期使用用中会逐渐松松弛而导致失失效稳定性好，零零漂小、能同同时测量温度度；抗干扰能力强强、测值可靠靠精度高Descriptionofthecontents振弦传感器是是机械结构式式的，钢弦为为转换元件，，存在滞后性性，只适用于于静态和不大大于10Hz的动态测试。。结构应力监测测方法—振弦传感器工作原理：当光栅光纤所处处环境的温度度、应力、应应变或其它物物理量发生变变化时，光栅栅的周期或纤纤芯折射率将将发生变化，，从而使反射射光的波长发发生变化，通通过测量物理理量变化前后后反射光波长长的变化，就就可以获得待待测物理量的的变化情况。。结构应力监测测方法—光珊光纤应变变传感器精度高大量程高分辨率实时动态抗干扰能力强寿命长易于实现测量量及数据的自自动化处理优点电绝缘且抗电电磁干扰能力力强;经初步加速老老化试验证明明,暴露环境和退退火条件下的的光纤光栅,工作作周周期期大大于于25年也也没没有有明明显显的的性性能能退退化化。。结构构应应力力监监测测方方法法—光珊珊光光纤纤应应变变传传感感器器缺点点需要要专专业业人员员施施工工造价价高高封装装质质量影影响响结构构应应力力监监测测方方法法—光珊珊光光纤纤应应变变传传感感器器工作作原原理理：：应应变变传传感感器器的的宝宝石石测测头头与与微微动动测测头头在在接接受受到到结结构构体体表表面面变变形形时时，，其其变变形形被被传传递递到到宝宝石石测测头头，，宝宝石石测测头头带带动动内内置置钐钐钴钴合合金金材材料料移移动动，，霍霍尔尔芯芯片片在在永永久久磁磁场场中中移移动动产产生生电电压压信信号号。。此此电电压压信信号号通通过过内内致致16位单单片片机机经经过过非非线线性性编编码码调调制制成成RS485标准准数数字字信信号号输输出出。。A/D转换换在在传传感感器器内内部部完完成成，，从从传传感感器器出出来来的的数数字字信信号号通通过过电电脑脑中中的的采采样样分分析析软软件件自自动动记记录录、、显显示示和和存存储储。。安装装方方式式短期期长期期HY-65DJB3000B应变变传传感感器器结构构应应力力监监测测方方法法—HY-65DJB3000B应变变传传感感器器加速速度度传传感感器器桥梁梁振振动动监监测测—动力力性性能能监监测测振动动监监测测应应包包括括振振动动响响应应监监测测和和振振动动激激励励监监测测，，监监测测参参数数可可为为加加速速度度、、速速度度、、位位移移及及应应变变。。桥桥梁梁动动力力特特性性参参数数的的变变化化(频率率、、振振型型、、模模态态阻阻尼尼系系数数)是桥桥梁梁构构件件性性能能改改变变的的标标志志。。桥桥梁梁的的振振动动水水平平(振动动幅幅值值)反映映桥桥梁梁的的安安全全运运营营状状态态。。桥桥梁梁自自振振频频率率的的降降低低、、桥桥梁梁局局部部振振型型的的改改变变可可能能预预示示着着结结构构的的刚刚度度降降低低和和局局部部破破坏坏，，是是进进行行结结构构损损伤伤评评估估的的重重要要依依据据。。电容容式式加加速速传传感感器器伺服服式式加加速速度度传传感感器器压阻阻式式加加速速度度传传感感器器压电电式式加加速速度度传传感感器器加速度传感器第一一层层：：工工业业现现场场总总线线，，使使用用RS485总线线或或无无线线作作为为通通信信通通道道第二二层层：：光光纤纤网网，，使使用用光光缆缆作作为为通通信信线线路路第三三层层：：监监控控中中心心局局域域网网，，使使用用超超五五类类网网线线第四四层层：：Internet网，，4G、WiFi等信信号号网络络传传输输模模式式设设计计远程程管管理理中中心心和和管管理理人人员员通通过过Internet网随随时时随随地地查查看看监监测测数数据据，，了了解解桥桥梁梁的的健健康康状状态态数据据采采集集与与传传输输系系统统—无线线传传输输模模块块现场场采采集集设设备备光栅栅光光纤纤解解调调仪仪无线线采采集集+AD转换换模模块块数据据采采集集与与传传输输系系统统—无线线传传输输模模块块短距距离离WiFiUHF无线线数数传传Zigbee中距距离离长距距离离微波波通通信信GPRSGSM3G4G5G物联联卡卡一米~几百米几百千米几百米~几千米按距距离离分分类类数据据采采集集与与传传输输系系统统—无线线传传输输模模块块ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低低功耗局局域网协议。根据国国际标准准规定，，ZigBee技术是一一种短距距离、低低功耗的的无线通信信技术。这这一名称称（又称称紫蜂协协议）来来源于蜜蜜蜂的八八字舞，，由于蜜蜜蜂(bee)是靠飞翔翔和“嗡嗡嗡”(zig)地抖动翅翅膀的““舞蹈””来与同同伴传递递花粉所所在方位位信息，，也就是是说蜜蜂蜂依靠这这样的方方式构成成了群体体中的通通信网络络。其特特点是近近距离、、低复杂杂度、自自组织、、低功耗耗、低数数据速率率。主要要适合用用于自动动控制和和远程控控制领域域，可以以嵌入各各种设备备。简而而言之，，ZigBee就是一种种便宜的的，低功功耗的近近距离无无线组网网通讯技术术。ZigBee是一种低低速短距距离传输输的无线网络络协议。ZigBee协议从下下到上分分别为物理层(PHY)、媒体访访问控制制层(MAC)、传输层层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。数据采集集与传输输系统—ZIgBee例1：通过蓝色色打字突突出，并并实现突突出各项预警警指标值黄色预警警阈值橙色预警警阈值黄色预警警增加监测测频次橙色预警警结构全面面评估返回正常常监测各项指标标均未未超过过阈值某项指标标超超过黄色色阈值某项指标标超过橙橙色阈值值，或多次超超过黄色色阈值，，或多项指指标同时时超过黄黄色阈值值，或发发生极端端突发事事件结构安全全预警模模块—实时在线线预警流流程的设设计结构安全全预警模模块—预警阈值值的设定定原则1历史数据据统计值值基于历史史监测数数据得到到各个预预警指标标的统计计规律，，并取具具有95%保证率的的预警指指标分位位值作为为黄色预预警阈值值。随着着桥梁运运营年限限的增加加，历史史监测数数据积累累越来越越多，可可将其反反馈到结结构预警警体系中中，定期期更新预预警阈值值。2最不利工工况响应应值考虑正常常使用极极限状态态下设计计荷载的的组合情情况，取取各荷载载组合下下的最不不利工况况响应值值作为红红色预警警阈值。。随着桥桥梁运营营年限的的增加，，需根据据定期更更新的荷荷载模型型和结构构模型，，对最不不利工况况响应值值作出相相应调整整。3规范限值值规范限值值。采用用国家或或地方颁颁布的相相关规范范与规程程规定的的限值作作为预警警阈值。。由于规规范限值值原则上上是不允允许突破破的，因因此规范范限值通通常用作作红色预预警阈值值。根据55吨车荷载载下测量量的实际际挠度值值推算出出结构开开裂后的的刚度，，修正有限限元模型型，根据开裂裂后刚度度计算在在设计荷荷载下的的理论位位移值，，当实测测位移或或变形大大于该计计算值的的0.80倍时，进进行黄色色预警；；实测位位移或变变形大于于理论位位移值或或一个月月内发现现10次以上黄黄色预警警时，进进行橙色预警。。00.801正常监测测预警报警、安安全评估估、维修管理理预警线报警线σm/σSLS’σSLS’正常运营营极限值值σm运营状态态监测结结果结构安全全预警模模块—预警阈值值的设定定原则诸永高速速怀鲁立立交桥健健康监测测项目实实时在线线预警阈阈值设定定原则基本安全安全存在一定安全隐患结构安全全预警模模块—预警阈值值的设定定原则安全基本安全全存在一定定安全隐隐患存在严重重安全隐隐患00.801正常监测测预警报警、安安全评估估、维修管理理预警线报警线σm/σSLS’σSLS’正常运营营极限值值σm运营状态态监测结结果结构安全全预警模模块—预警级别别安全1存在严重重安全隐隐患515基本安全全存在严重重安全隐隐患存在一定定安全隐患患。预警级别划分标准混凝土结结构跨中中下挠导致混凝凝土梁出出现比预预期值更更大的主主跨跨中中下挠的的主要因因素有两两个：一一是结构构刚度的的降低，，二是结结构的受受力状态态发生变变化，这这两种因因素也会会产生耦耦合影响响，大多多数情况况下，导导致主跨跨跨中出出现比预预期值更更大的主主跨下挠挠现象，，往往是是这两种种因素共共同作用用的结果果。结构安全全预警模模块—离线预警警安装方式式短期24小时箱梁梁跨中挠挠度趋势势线采用改进的移移动平均均值法对数据进行行挖掘，可以得得到桥梁梁上部结结构随时时间损伤伤的曲线线，根据据结构损损伤曲线线，为桥桥梁预防防性养护护及时提提供技术术资料。。结构安全全预警模模块—离线预警警结构安全全预警模模块—预警结果果统计结构安全全预警模模块—预警结果果输出4损伤程度度，评估估损伤的的严重程程度321损伤定位位，确定定损伤的的位置损伤检测测，判断断是否存存在损伤伤结构损伤伤识别及及评估模模块—损伤识别别层次寿命预测测，预估估结构的的剩余寿寿命迄今为止止，对于于不使用用结构模模型的基基于振动动的损伤伤识别方方法，主主要能进进行第①①层次和和第②层层次的损损伤识别别。当振振动的方方法与结结构模型型结合，，在某些些情况下下可以达达到第③③层次的的损伤识识别。而而第④层层次的损损伤识别别与预测测通常要要与断裂裂力学，，疲劳寿寿命分析析，结构构设计评评估的领领域相结结合才可可能实现现。结构损伤伤识别：：:通过对结结构的关关键性能能指标的的测试和和分析,判断结构构是否受受到损伤伤;如果结构构受到损损伤,则损伤λ置、损伤伤大小如如何;为判断结结构能否否继续使使用及其其剩余寿寿命估计计提供决决策依据据。结构构的损伤伤识别主主要包括括4个递进层层次:1级别一：整体状态态——主主要承重重构件（（主要通通过测量量交通负负荷所引引起的整整体挠度度）。2级别二：断面状态态——动动态汽车车衡重分分类系统统，采用用经校准的加加速度计计，在模模式识别别的基础础上，再再现竖向向悬臂的的变形。。3级别三：：局部状态态——如如桥梁扭扭转支撑撑底部和和顶部的的连接（（利用附附加的应应变计进进行验证证）。每天的交交通量与与由货运运交通产产生的疲疲劳度相相关的结结构动态态反应两两者之间间的关系系来确定定的。一一个必不不可少的的需求是是以雨流流计数法法来减少少永久性性监测系系统的数数据量，，雨流计计数法可可以描述述在不同同密度和和出现概概率时与与剩余疲疲劳相关关的循环环反应周周期。目目前桥梁梁结构寿寿命是通通过损伤伤累计引引起的应应力来计计算的，，因此对对于通过过转换得得到的监监测数据据，有必必要进行行整体与与局部的的有限元元分析。。结构损伤伤识别及及评估模模块—损伤识别别级别结构损伤伤识别及及评估模模块—损伤识别别流程作用激励待测结构构传感器动态信息息特征提取取状态信息息健康监测测与损伤伤诊断加固维修修安全性与与剩余寿寿命评价结构构加固方方案输出结果果有损伤无损伤继续使使用输出结结果损伤模模式损伤特征结构损损伤识识别及及评估估模块块—损伤识识别方方法指纹识识别方方法（即损损伤指指标方方法））基于模模型的的损伤伤识别方方法时频分分析方方法模式匹匹配方方法频域分分析方方法结构损损伤识识别方方法模型修修正方法基于固固有频频率变变化的的损伤伤识别别方法法基于振振型变变化的的损伤伤识别别方法基于刚刚度变变化的的损伤伤识别别方法法基于柔柔度变变化的的损伤伤识别别方法法基于振振型曲曲率变变化的的损伤伤识别别方法法基于残残余力力向量量的损损伤识识别检检测方方法基于单单元模模态应应变能能变化化率的的损伤伤识别别方法法基于传传递函函数(频响函函数)变化的的损伤伤识别别方法法直接法法灵敏度度法神经网网络法法智能优优化算算法Wigner-Ville分布HUbert-Huang变换(HHT)方法小波分分析方法基于小小波奇奇异性性检测测的方方法基于损损伤前前后小小波变变换系系数变变化的的方法法基于小小波变变换和和弹性性波传传播理理论的的方法法基于小小波变变换和和神经经网络络的方方法基于无无模型型的损损伤识别方方法关键问问题测试噪噪声及及各种种环境境不确确定性性干扰扰测试技技术及及仪器器精度度的制制约环境综综合激激励并并非理理想白白噪声声测试自自由度度及模模态不不完备备土木工工程结结构的的损伤伤识别别问题题目前前没有有真正正的解解决总结结构损损伤识识别及及评估估模块块—损伤识识别关关键问问题常用系系统组组合方方式系统组合一传感器：静力水准仪+振弦传感器+裂缝+温度采样频率：低数据传输方式：S485总线+GPSR采集方式：自动化采集系统组合二系统组合三传感器器：水水准仪仪+振弦传传感器器+裂缝+温度采样频频率：：低数据传传输方方式：：ZigBee采集方方式：：人工工+自动化化采集集传感器器：LVDT+光纤光光栅应应变传传感器器+温度采样频频率：：高数据传传输方方式：：无线线+光缆采集方方式：：自动动化采采集中小跨跨径健健康监监测系系统—系统组组合方方式监测方法及内容桥梁线形-水准仪关键截面应力-振弦传感器新老混凝土应力-振弦传感器裂缝-振弦传感器温度-温度传感器桥梁概概况桥面全全宽为为12m，横向向布置置为0.5m+11m+0.5m，上部部结构构采用用等截截面预预应力力混凝凝土连连续箱箱梁，，其中中9号桥第第四联联组成成为5×27m，梁高高1.6m；第五五联跨跨度组组成为为38+2××50+38，梁高高为2.5m。2012年11月，进行了修复复性加加固，，对超超过0.15mm的裂缝缝进行行灌缝缝注胶胶处理理，腹腹板加加厚在在加厚厚腹板板内增增设预预应力力，箱箱梁内内增设设体外外索，，进行行张拉拉加固固，箱箱梁底底部张张贴钢钢板，，并将将桥面面二恒恒凿除除后植植筋后后重新新铺装装，将将原12.5cm的铺装装层增增大为为20cm。中小跨跨径健健康监监测系系统—案例一一监测及数据传输方式自动化监测+人工定期监测应力、裂缝、温度—自动化桥面线形—人工定期监测数据传输S485总线+GPSR采样频率桥梁线形-1次/季度关键截面应力-1次/15分钟新老混凝土应力-1次/15分钟裂缝-1次/15分钟温度-1次/15分钟第五联温度监测断面第四联温度监测断面中小跨跨径健健康监监测系系统—案例一一第五联变形监测断面第四联变形监测断面中小跨跨径健健康监监测系系统—案例一一中小跨跨径健健康监监测系系统—案例一一数据管管理系系统总总体框框图中小跨跨径健健康监监测系系统—案例一一应变传传感器器安装装桥面线线形测测点现场采采集仪仪现场照照片中小跨跨径健健康监监测系系统—案例一一半年的的运营营期时时间内内，第第四联联各跨跨挠度度均有有增加加，第第一跨跨跨中中下挠挠1mm，第二二跨跨跨中下下挠2mm，第三三跨跨跨中下下挠4mm，第四四跨跨跨中下下挠5mm，第五五跨下下挠2mm；根据据《公公路桥桥梁计计算状状况评评定标标准》》（JTG/TH21-2011）表5.1.1-8，跨中中最大大挠度度5mm<计算跨跨径的的1/1000=27mm，桥梁梁结构构处于于安全全状态态。中小跨跨径健健康监监测系系统—案例一一应变测测试断断面应变测测点布布置荷载组组合：：恒载××1.0+钢束一一次××1.0+钢束二二次××1.0+汽车荷荷载××1.0+温度正正（负负）梯梯度××1.0；断面位置A-A（G-G）C-C(F-F)E-EB-BD-D下缘下缘下缘下缘上缘上缘成桥应力-4.9-2.5-1.0-2.8-3.5-2.3应力最大值-3.2-0.41.1-1.4-2.6-1.6应力最小值-5.4-3.6-1.8-4.5-4.4-3.0中小跨跨径健健康监监测系系统—案例一一C-C断面下下缘应应力图图A-A断面下下缘应应力图图中小跨跨径健健康监监测系系统—案例二二监测方法及内容桥梁线形-LVDT位移传感器应力、温度-光纤传感器监测及数据传输方式应力、温度—光缆桥面线形—无线微波传输采样频率主梁挠度-80Hz应力、温度-100Hz中小跨跨径健健康监监测系系统—案例二二中小跨跨径健健康监监测系系统—案例二二中小跨跨径健健康监监测系系统—案例二二中小跨跨径健健康监监测系系统—案例二二中小跨跨径健健康监监测系系统—案例二二中小跨跨径健健康监监测系系统—案例二二243桥梁管管养技技术研研究方方向结构损损伤研研究与与发展展的方方向基于视视觉识识别的的结构构损伤伤识别别技术术5基于动态响响应参数的的车辆辆荷载载识别别技术术04中小跨跨径桥桥梁健健康监测测未来来发展展方向1中小跨跨径桥桥梁健健康监监测云云平台台系统统无损检检测技技术面对我我国桥桥梁工工程材材质、、损伤伤、缺缺陷和和受力力状态态的检检测需需求，，需要要研发发桥梁梁永久久荷载载下桥桥梁受受力状状态非非破损损检测测技术术及装装备，，发展展桥梁梁损伤伤和缺缺陷的的可视视化检检测诊诊断方方法及及装备备体系系，构构建服服役桥桥梁材材质状状况高高精度度量化化无损损检测测技术术体系系，以以支撑撑我国国桥梁梁养护护和安安全保保障水水平的的提升升。。评定方方法养护理理念研究总总方向向面对我我国桥桥梁长长期性性能研研究和和运营营管理理的技技术需需求，，需要要研发发高精精度、、长寿寿命、、智能能化传传感器器，发发展桥桥梁关关键状状态参参数和和性能能指标标长期期跟踪踪监测测技术术，构构建桥桥梁健健康诊诊断以以及性性能和和抗力力衰变变监测测技术术体系系与标标准，，研发发基于于BIM技术的的桥梁梁管养养系统统，以以推动动我国国公路路桥梁梁养护护管理理技术术的发发展。。健康监监测技技术面对服服役桥桥梁养养护科科学决决策的的技术术需求求，需需要进进一步步完善善和发发展桥桥梁技技术状状况评评定、、承载载能力力和减减灾防防灾能能力鉴鉴定方方法，，构建建桥梁梁安全全可靠靠性评评估和和使用用寿命命预测测等的的理论论体系系及技技术方方法，，以推推动我我国桥桥梁服服役可可靠性性的提提升和和使用用寿命命的延延长。。面对我我国服服役桥桥梁养养护管管理和和桥梁梁资产产保全全增效效的技技术需需求，，需要要转变变桥梁梁养护护理念念，发发展桥桥梁预预防性性养护护技术术，提提升桥桥梁机机械化化养护护能力力，构构建符符合我我国国国情的的桥梁梁养护护技术术及装装备体体系，，以促促进我我国桥桥梁技技术向向“建建养并并重””转型型发展展。桥梁管管养研研究方方向—改进桥桥梁养养护技技术，，全面面提升升桥梁梁服役役性能能·桥梁健健康监监测云云平台台现代信息化化架构正从从纵向“信信息孤岛””向横向整整合的“信信息云”演演进信息架架构从““烟囱型””演变为无无所不在的的“层次资资源化的云云”桥梁健康监监测云平台台，以云计算算技术为基基础，专注注桥梁检测测、监测、、养护管理理信息化建建设，面向向大中小型型各类桥梁梁，构建一一个提供信信息化管理理解决方案案的云计算算平台。云平台是集物联网、、云计算和和大数据存存储管理分分析于一体体，为用户户提供信息息化基础设设施、监测测与管理软软件及运行行平台等优优质的云计计算资源，，提供异构