中小跨径桥梁结构健康监测技术107

中小跨径桥梁结构健康监测技术主讲人：王润建单位：交通运输部公路科学研究院北京公科固桥技术有限公司目录Contents01中小跨径桥梁健康监测的必要性02中小跨径桥梁健康监测的现状及存在问题03中小跨径桥梁健康监测从方案设计到数据分析的过程与实例展示04桥梁结构健康监测未来展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事故统计分析大跨度桥梁和中小跨径桥梁在养护管理方面的区别01中小跨径桥梁健康监测的必要性我国公路桥梁的现状分析—总体规模2.7万座/年2015年各类数量占比中小桥大桥特大桥89.3%10.2%0.5%2015年各类桥梁长度占比中小桥大桥特大桥1841.5万米，40.10%2060.85万米，44.87%690.42万米，15.03%2015年交通运输行业发展统计公报，全国公路桥梁77.92万座、4592.77万米，比上年末增加2.20万座、334.88万米。其中，特大桥梁3894座、690.42万米，大桥79512座、2060.85万米，中桥17.5万座、952.4万米，小桥52.033万座，889.09万米。我国公路桥梁的现状分析—总体规模从我国公路桥梁的数量统计比例分析表明：中小跨径桥梁占主导地位。我国公路桥梁的现状分析—桥梁老龄化加速到来我国公路桥梁的现状分析—桥梁老龄化加速到来大规模建设时期90%投资用于旧桥维护改造我国公路桥梁的现状分析—桥梁老龄化加速到来对比中美30年桥龄的桥梁占比发现，美国从18%到60%，用了60年时间，而中国只用了30年，中国桥梁老龄化将加速到来。我国公路桥梁的现状分析—技术状况我国公路桥梁的现状分析—技术状况上世纪八八十年代代以前修修建的桥桥梁，设设计荷载载等级偏偏低公路桥梁梁设计荷荷载标准准进行5次修订，，设计规规范修订订3次不同时期期修建的的桥梁，，设计荷荷载标准准存在较较大的差差异急剧增长长的交通通量和运运输车辆辆的大型型化，对对桥梁设设计荷载载标准提提出了挑挑战80年代以前前修建的的桥梁，，技术状状况总体体偏差早期修建建的低配配筋率桥桥梁，对对现行部分桥梁结构存在先天不足，造成突发安全事故桥梁疲劳损伤日益显现，耐久性问题突出。我国公路路桥梁的的现状分分析—中小跨径径桥梁现现状技术状况设计荷载载本节引用用了西南南交通大大学l李亚东教教授的《桥梁事故故-分析与思思考》相关数据据。通过书籍籍、文献献、网络络等渠道道收集到到国内外外一部分分桥梁事事故700例（国内内138起，国外外562起）。对事故的具体原因大致进行了分类（14大类），对事故进行统计分析的目的，在于了解总体情况，不具有统计学意义分析要素发生时间事故类型区域分布结构类型使用时长桥梁事故故统计分分析桥梁事故故统计分分析-全寿命期期间潜在在的分析析·指正常设设计、施施工、养养护条件件下、采采用悬臂臂施工的的单座桥桥梁的潜潜在风风险分析析·倾斜的澡澡盆曲曲线？？以指一个个国家、、地区桥桥梁总体体的发展展变化情情况，中中国目前前的情况况，大体体在新建建与管养养并重阶阶段。各类桥梁梁事故，，通常在在“新建建与管养养并重阶阶段出现现，在””以管养养为主的的阶段““表现更更为突出出；若多多发生在在新建为为主的阶阶段，则则不正常常。桥梁事故故统计分分析-桥梁建设设的三阶阶段经济发达达和经济济高速发发展的区区域和国国家，桥桥梁基数数大，桥桥梁事故故的次数数相对也也较多多桥梁事故故统计分分析-事故发生生的区域域桥梁事故故统计分分析-事故发生生的阶段段桥梁事故故统计分分析-事故发生生的具体体原因桥梁事故故统计分分析-事故发生生的具体体原因（（中国138座）桥梁事故故统计分分析-事故分类类中小跨度度的常规规桥梁，，形成了了事故的的主体大跨度桥桥梁出现现整体垮垮塌的个个案相对对较少桥梁事故故统计分分析-事故发生生的桥梁梁结构类类型·美、欧桥桥梁事故故从20世纪60年代起开开始增多多·20世纪80年代以前前，中国国桥梁事事故的信信息相对对欠缺中国桥梁梁事故从从20世纪90年代起开开始猛增增，尤其其是在最最近10多年内桥梁事故故统计分分析-同时考察察事故发发生的时时段和区区段较为完备备的技术术法规体体系专门配备备了养护护设备及及技术力力量。案例：大约260座，，安安装装了了桥桥梁梁健健康康监监测测系系统统，，占占中中小小桥桥数数量量的的0.004%。主管管部部门门重重视视程程度度不不够够，，技技术术力力量量和和资资金金投投入入严严重重不不足足。。健康康监监测测系系统统大跨跨度度桥梁梁中小小跨跨径径桥梁梁基层层管管养养单单位位力力量量薄薄弱弱。。巡查查、、养养护护手手段段落落后后。。信息息传传递递不不畅畅。。.监管管特特点点普遍遍应应用用：：2015年，，统统计计结结果果300m以上上跨跨径径的的斜斜拉拉桥桥、、悬悬索索桥桥有有208座，，大大约约140座大大跨跨度度桥桥梁梁安安装装了了健健康康监监测测系系统统，，占占斜斜拉拉桥桥、、悬悬索索桥桥总总数数的的67%，费费用用占占到到桥桥梁梁造造价价的的2%左右右。。桥梁梁养养护护组组织织保保障障体体系系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专门门的的养养护护管管理理中中心心。。日常常巡巡查查、、养养护护维维修修及及时时、、到到位位。。突发发事事故故应应急急抢抢险险和和处处理理机机制制完完善善。。桥梁梁养养护护管管理理人人员员专专业业素素质质较较高高。。02中小小跨跨径径桥桥梁梁健康康监监测测系系统统现状状及及存存在在的的问题题12制约约中中小小跨跨径径桥桥梁梁结结构构健健康康监监测测系系统统发发展展的的因因素素大桥、中小跨跨径桥梁结构构健康监测系系统的区别制约中小跨径径桥梁健康监监测系统发展展的因素1健康监测系统统造价国内健康监测测系统通常大大而全，且由由于由此带来来的高额费用用而只能在特特大跨径的桥桥梁工程中应应用，而未能能重视针对单单一问题建立立简单监测系系统并在中小小跨径桥梁中中予以应用拓拓展。2标准体系《公路桥梁结构构安全监测系系统技术规程程》(JT/T1037-2016)，《结构健康监测测系统设计标标准》（CECS333:2012）标志着大跨径桥梁监测系统统设计技术从从总体上而言言已经趋于成成熟和规范。。而对于中小型型桥梁健康监监测与预警系系统的设计缺缺乏整体性，，规范性的指指导原则，还还没有建立科科学、统一的的设计标准。。3传感器的优化化布置算法还还有待于进一一步研发。中小型桥梁健健康监测与预预警系统的传传感器先行分分布设计仍然然处于探索阶阶段，对已经经出现破损情情况的桥梁如如何加配传感感器还不明确确等。4新技术的及时时应用和更新新还处于滞后后阶段。采样频率fs:表示每秒钟采采集的数据点点数。时间分辨率：：两个数据点点之间的时间间间隔，为采采样频率的倒倒数。例子：单频信信号：频率10Hz，幅值1V。大桥、中小跨跨径桥梁健康康监测系统的的区别—采样频率采样频率荷载响应大桥对采样频频率的要求较较低，小桥要要求较高。频域采样定理理：Fs=2.56Fm，时域至少10倍以上《桥梁健康监测测》（赫尔穆特.文策尔著）书书中，对采样样频率的最低低要求100Hz，国国外外的的研研究究成成果果表表明明，，较较高高的的采采样样率率，，会会提提高高数数据据的的准准确确性性。。如如果果数数据据的的存存储储和和传传输输不不是是问问题题，，建建议议使使用用200Hz或者者500Hz的采采样样率率，，低低采采样样率率下下得得到到的的记记录录长长度度会会对对结结构构评评级级造造成成负负面面影影响响。。大桥桥健健康康监监测测系系统统不不适适用用于于中中小小跨跨径径结论论大桥桥、、中中小小跨跨径径桥桥梁梁健健康康监监测测系系统统的的区区别别—采样频率率桥梁照片片桥梁横断断面桥梁信息息为分析中小小跨径挠挠度感知知特点，选择桥桥梁结构为一一跨径12m的钢筋混混凝土简简支T梁桥，桥桥面纵向向为平坡坡，横向向为1.5%双向横坡坡；桥面面宽度为为：行车车道9m、两侧侧各设设人行行道0.85m。大桥、、中小小跨径径桥梁梁健康康监测测系统统的区区别—采样频频率位移传传感器器布置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、、中小小跨径径桥梁梁健康康监测测系统统的区区别—采样频频率电子百分表挠度沉降测试仪测试结果LVDT-1LVDT-2大桥、、中小小跨径径桥梁梁健康康监测测系统统的区区别—采样频频率用固定定支架架的LVTD传感器器测试试结果果和以以张力力线为为基准准结果果基本本一致致，其其中最最大值值和最最小值值的相相对偏偏差分分别为为2.11%和4.04%，均在在5%之内。。挠度沉沉降仪仪和机机电百百分表表相对对于以以固定定支架架为支支点的的LVDT测试结结果偏偏差均均非常常大，，主要要原因因在于于，二二者的的响应应频率率较低低，测测试结结果不不能反反映正正常运运营下下桥梁梁结构构的动动态挠挠度变变化。。其中中机电电百分分表测测试的的最大大值和和最小小值的的相对对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测定的梁梁体的挠挠度信号号幅值谱谱和功率率谱，可可以看出出试验采采用的挠挠度沉降降仪由于于其响应应频率较较低，只只能测定定9.6Hz以下的梁梁体结构构挠度变变形。。挠度沉降降仪测试试数据功功率谱挠度沉降降仪测试试数据功功率谱测试数据据分析大桥、中中小跨径径桥梁健健康监测测系统的的区别—采样频率率中小跨径大桥大桥结构构变形监监测对仪仪器精度度要求较较低，中中小跨径径要求较较高。结论大桥、中中小跨径径桥梁健健康监测测系统的的区别—仪器精度度03中小跨径径桥梁健健康监测从从设计到到数据分析析的过程程与实例展展示132结构健康康监测概概念健康监测测系统各各子系统统介绍结构健康康监测的的应用举举例跨学科综综合性技技术+荷载响应应+损伤识别别+结构的长长期退化化系统结构构图专业解释释：结构健康康监测(StructureHealthMonitoring，简称SHM)，通过分分析定期期采集的的结构布布置的传传感器阵阵列的动动力响应应数据来来观察体体系随时时间推移移产生的的变化，，损伤敏敏感特征征值的提提取并通通过数据据分析来来确定结结构的健健康状态态。通俗解释释：结构健康康监测是是通过对对结构的的物理力力学性能能进行无无损监测测，实时时监控结结构的整整体行为为，对结结构的损损伤位置置和程度度进行诊诊断，对对结构的的服役情情况、可可靠性、、耐久性性和承载载能力进进行智能能评估，，为结构构在突发发事件下下或结构构使用状状况严重重异常时时触发预预警信号号，为结结构的维维修、养养护与管管理决策策提供依依据和指指导。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,脱离实际际需要的的监测方方案。方案设计计原则架构传感器子子系统数据采集集与处理理子系统统数据传输输子系统统数据存储储子系统统结构损伤伤识别与与安全评评估子系系统用户界面面子系统统存在的问问题成本高后期维护护使用复复杂建设周期期长桥梁结构构健康监监测系统统—系统组成成桥梁结构构健康监监测系统统—系统传感感器器子子系系统统由由用用于于结结构构长长期期监监测测的的各各类类传传感感器器组组成成,主要要包包括括各各种种智智能能传传感感元元件件,通过过各各智智能能传传感感元元件件感感知知和和采采集集各各种种环环境境或或监监测测对对象象的的信信息息,主要要完完成成各各种种监监测测信信号号的的拾拾取取和和转转换换。。传传感感器器作作为为监监测测系系统统的的基基本本组组成成部部分分,在整整个个系系统统中中起起着着举举足足轻轻重重的的作作用用。。根根据据不不同同的的监监测测需需要要,主要要有有应应变变传传感感器器、、位位移移传传感感器器、、加加速速度度传传感感器器、、速速度度传传感感器器、、温温度度传传感感器器、、摄摄像像机机等等。。传传感感器器主主要要是是将将待待测测的的物物理理量量转转变变为为电电信信号号或或光光信信号号。。传感感器器子子系系统统桥梁梁结结构构健健康康监监测测系系统统—传感感器器子子系系统统主梁梁挠挠度度监监测测支座座变变形形监监测测墩台台沉沉降降监监测测主梁梁应应力力监监测测裂缝缝监监测测体外外预预应应力力监监测测主梁梁温温度度监监测测环境境温温度度监监测测车辆辆荷荷载载监监测测现场场监测测主梁梁振振型型监监测测频率率、、阻阻尼尼比比监监测测传感感器器子子系系统统—监测测参参数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传感感器器选选型型原原则则传感器器子系系统—传感器器选型型原则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。监测方方式分分类桥梁变变形的的分类类静态变变形：：通常常指变变形观观测的的结果果只表表示某某一期期间内内的变变形值值，例例如：：墩台台变形形。动态变变形：：指在在外力力影响响下而而产生生的变变形，，它是是以外外力为为函数数表示示的对对于时时间的的变化化，其其观测测结果果是表表示桥桥梁某某个时时刻的的瞬时时变形形，例例如：：桥梁梁结构构的挠挠度变变形。。传感器器子系系统—桥梁变变形的的分类类及监监测方方式自动化化监测测人工监监测人工监监测精密水准测测量全站仪坐标标法酌情选取自动化监测测北斗/GPS监测测量机器人人监测静力水准仪仪监测LVDT位移传感器器监测桥梁挠度沉沉降仪监测测变形监测手手段随着科科技的发展展和现场的的需要不断断地向前发发展和革新新。每一种种手段技术术都有它的的优势和不不足，监测测范围和精精度有差异异，适用性性也不同。。在不同的的监测目标标下，综合合考虑监测测成本和监监测精度，，采用不同同的技术手手段，监测测效果和效效率会有所所不同。将将两种甚至至更多技术术融合起来来，功能可可以互补起起来，将会会起到更好好的效果，，这也将是是以后发展展的趋势。。总结中小跨径传感器子系系统—桥梁变形的的分类及监监测方式测试原理：：根据安装在在桥梁各处处连通管内内液面高度度的变化获获得桥梁挠挠度的变化化。当桥梁梁梁体发生生变形时，，固定在梁梁体上的水水管也将随随之移动，，此时，各各竖直水管管内的液面面将与基准准点处的液液面保持在在同一水平平面，但各各测点处的的竖直水管管液面却发发生了大小小不等的相相对移动，，测得的相相对位移量量即是该被被测点的挠挠度值。结构变形监监测方法—静力水准仪仪工作原理：：在使用中中，多个静静力水准仪仪的容器用用通液管联联接，每一一容器的液液位由传感感器测出，，传感器的的浮子位置置随液位的的变化而同同步变化，，由此可测测出各测点点的液位变变化量。静力水准仪磁致伸缩式式静力水准准仪光栅光纤式式静力水准准仪电容式静力力水准仪振弦式静力力水准仪CCD式静力水准准仪电感式静力力水准仪结构变形监监测方法—静力水准仪仪测量方法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准系统中中的连通通介质是是液体，，而液体体极易受受到外界界温度的的影响从从而改变变它的物物理形态态，即热热胀冷缩缩特性，，甚至气气化或凝凝结，导导致容器器的液面面高度产产生不同同程度的的升高或或者降低低，严重重影响了了测量的的精度。。以水为为例，20℃时相对对于4℃的线膨膨胀系数数时，温温度在20℃附近每每变化1℃，液面面高度变变化在0.04mm。容器中液液体变化化趋势相相对于温温度变化化趋势有有一定的的滞后性性。这是是由于容容器中盛盛纳的液液体较多多，当外外界温度度发生变变化时，，液体吸吸热或者者放热需需要花费费一定时时间，导导致液体体温度与与外界温温度不同同步。影响因素素分析结构变形形监测方方法—静力水准准仪测量量方法静力水准准仪的优点比比较多，，比如：：测量精精度高、、稳定性性强、不不受低温温影响等等。主要要是通过过液位高高低的测测量来确确定被测测体的垂垂直沉降降。主要要使用在在地铁、、隧道、、桥梁、、建筑物物基础等等的沉降观测测。缺点呢呢，主要要是由于于液体的的粘滞作作用，静力水准准仪管路内部部的液体体需要时时间才能能流动并并且平衡衡，那么么，在这这段时间间内，就就无法实实现高速速测量沉沉降变化化量。结构变形形监测方方法—静力水准准仪测量量方法测试原理理：用两端以以恒力牵牵引并固固定于被被测体外外不变位位的静止止物上的的Ф0.3~0.6㎜细钢丝丝作为静静止参考考基准，，沉降仪仪固定于于被测结结构体上上，用沉沉降仪与与静止参参考基准准之间的的相对位位移变化化来测得得被测结结构体的的沉降、、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构变变形形监监测测方方法法—桥梁梁挠挠度度沉沉降降仪仪工作作原原理理：：LVDT(Linear.Variable.Differential.Transformer)是线线性性可可变变差差动动变变压压器器缩缩写写。。工工作作原原理理简简单单地地说说是是铁铁芯芯可可动动变变压压器器。。它它由由一一个个初初级级线线圈圈，，两两个个次次级级线线圈圈，，铁铁芯芯，，线线圈圈骨骨架架，，外外壳壳等等部部件件组组成成。。当当铁铁芯芯由由中中间间向向两两边边移移动动时时，，次次级级两两个个线线圈圈输输出出电电压压之之差差与与铁铁芯芯移移动动成成线线性性关关系系。。结构变形形监测方方法—LVDT位移传感感器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。结构变形形监测方方法—LVDT位移传感感器安装示意意图结构变形形监测方方法—LVDT位移传感感器钢丝自由由端固定定方式传感器现现场安装装方式结构变形形监测方方法—LVDT位移传感感器HY-65DJB3000B应变传感器振弦式传传感器，，使用一一年左右右数据精精准程度度较高，，价格低低廉，监监测中应应变测试试使用较较为广泛泛光纤光栅栅传感器器，寿命命多达数数年，数数据采集集频率高高，准确确度高，，还具有有较多的的技术优优势，应应用于监监测要求求高的桥桥梁HY-65DJB3000B应变传感感器，便便于安装装携带，，数据采采集简洁洁准确，，使用周周期较短短，广泛泛应用于于桥梁荷荷载试验验特点分辨度：：0.1μμε精度：2.00%稳定性：：一般需2次仪表支支持：需需要连线方式式：每个个传感器器都需要要单独的的线和2次仪表连连接环境适应应性：好好光纤光栅式应变传感器分辨度：：0.1μμε精度：0.2%~1.0%稳定性：好需2次仪表支持：：需要连线方式：：所有传感感器可以串串接到一根根线上环境适应性性：较好分辨度：0.1μεε精度：1.0%稳定性：好好需2次仪表支持持：不需要要连线方式：：所有传感感器可以串串接到一根根线上或采采用无线接接收环境适应性性：好振弦式应变传感器结构应力监监测—应变测量方方法工作原理：：当被测结结构物内部部的应力发发生变化时时，应变计计同步感受受变形，变变形通过前前、后端座座传递给振振弦转变成成振弦应力力的变化，，从而改变变振弦的振振动频率。。电磁线圈圈激振振弦弦并测量其其振动频率率，频率信信号经电缆缆传输至读读数装置，，即可测出出被测结构构物内部的的应变量。。同时可同同步测出埋埋设点的温温度值。结构应力监监测方法—振弦传感器器优点缺点反应速度慢慢，不适宜宜动态监测测钢弦在长期期荷载作用用下易产生生松弛，不不适宜长期期监测钢弦应变计计内部的钢钢弦一般是是通过螺钉钉紧固在传传感器基座座上，长期期使用中会会逐渐松弛弛而导致失失效稳定性好，，零漂小、、能同时测测量温度；；抗干扰能力力强、测值值可靠精度高Descriptionofthecontents振弦传感器器是机械结结构式的，，钢弦为转转换元件，，存在滞后后性，只适适用于静态态和不大于于10Hz的动态测试试。结构应力监监测方法—振弦传感器器工作原理：：当光栅光纤所所处环境的的温度、应应力、应变变或其它物物理量发生生变化时，，光栅的周周期或纤芯芯折射率将将发生变化化，从而使使反射光的的波长发生生变化，通通过测量物物理量变化化前后反射射光波长的的变化，就就可以获得得待测物理理量的变化化情况。结构应力监监测方法—光珊光纤应应变传感器器精度高大量程高分辨率实时动态抗干扰能力强寿命命长长易于于实实现现测测量量及及数数据据的的自自动动化化处处理理优点点电绝绝缘缘且且抗抗电电磁磁干干扰扰能能力力强强;经初初步步加加速速老老化化试试验验证证明明,暴露露环环境境和和退退火火条条件件下下的的光光纤纤光光栅栅,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需要专业人员施工造价高封装质量影响结构应力监测测方法—光珊光纤应变变传感器工作原理：应应变传感器的的宝石测头与与微动测头在在接受到结构构体表面变形形时，其变形形被传递到宝宝石测头，宝宝石测头带动动内置钐钴合合金材料移动动，霍尔芯片片在永久磁场场中移动产生生电压信号。。此电压信号号通过内致16位单片机机经过非非线性编编码调制制成RS485标准数字字信号输输出。A/D转换在传传感器内内部完成成，从传传感器出出来的数数字信号号通过电电脑中的的采样分分析软件件自动记记录、显显示和存存储。安装方式式短期长期HY-65DJB3000B应变传感感器结构应力力监测方方法—HY-65DJB3000B应变传感感器加速度度传感感器桥梁振振动监监测—动力性性能监监测振动监监测应应包括括振动动响应应监测测和振振动激激励监监测，，监测测参数数可为为加速速度、、速度度、位位移及及应变变。桥桥梁动动力特特性参参数的的变化化(频率、、振型型、模模态阻阻尼系系数)是桥梁梁构件件性能能改变变的标标志。。桥梁梁的振振动水水平(振动幅幅值)反映桥桥梁的的安全全运营营状态态。桥桥梁自自振频频率的的降低低、桥桥梁局局部振振型的的改变变可能能预示示着结结构的的刚度度降低低和局局部破破坏，，是进进行结结构损损伤评评估的的重要要依据据。电容式式加速速传感感器伺服式式加速速度传传感器器压阻式式加速速度传传感器器压电式式加速速度传传感器器加速度传感器第一层层：工工业现现场总总线，，使用用RS485总线或或无线线作为为通信信通道道第二层层：光光纤网网，使使用光光缆作作为通通信线线路第三层：监监控中心局局域网，使使用超五类类网线第四层：Internet网，4G、WiFi等信号网络传输模模式设计远程管理中中心和管理理人员通过过Internet网随时随地地查看监测测数据，了了解桥梁的的健康状态态数据采集与与传输系统统—无线传输模模块现场采集设设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是基基于于IEEE802.15.4标准准的的低低功功耗耗局局域域网网协议议。根根据据国国际际标标准准规规定定，，ZigBee技术术是是一一种种短短距距离离、、低低功功耗耗的的无线线通通信信技术术。。这这一一名名称称（（又又称称紫紫蜂蜂协协议议））来来源源于于蜜蜜蜂蜂的的八八字字舞舞，，由由于于蜜蜜蜂蜂(bee)是靠靠飞飞翔翔和和““嗡嗡嗡嗡””(zig)地抖动翅膀的的“舞蹈”来来与同伴传递递花粉所在方方位信息，也也就是说蜜蜂蜂依靠这样的的方式构成了了群体中的通通信网络。其其特点是近距距离、低复杂杂度、自组织织、低功耗、、低数据速率率。主要适合合用于自动控控制和远程控控制领域，可可以嵌入各种种设备。简而而言之，ZigBee就是一种便宜宜的，低功耗耗的近距离无无线组网通讯技术。ZigBee是一种低速短短距离传输的的无线网络协议。ZigBee协议从下到上上分别为物理层(PHY)、媒体访问控控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。数据采集与传传输系统—ZIgBee例1：通过蓝色打字字突出，并实实现突出各项预警指标值黄色预警阈值值橙色预警阈值值黄色预警增加监测频次次橙色预警结构全面评估估返回正常监测测各项指标均未未超过阈阈值某项指标超超过黄色阈阈值某项指标超过过橙色阈值，，或多次超过黄黄色阈值，或多项指标同同时超过黄色色阈值，或发发生极端突发发事件结构安全预警警模块—实时在线预警警流程的设计计结构安全预警警模块—预警阈值的设设定原则1历史数据统计计值基于历史监测测数据得到各各个预警指标标的统计规律律，并取具有有95%保证率的预警警指标分位值值作为黄色预预警阈值。随随着桥梁运营营年限的增加加，历史监测测数据积累越越来越多，可可将其反馈到到结构预警体体系中，定期期更新预警阈阈值。2最不利工况响响应值考虑正常使用用极限状态下下设计荷载的的组合情况，，取各荷载组组合下的最不不利工况响应应值作为红色色预警阈值。。随着桥梁运运营年限的增增加，需根据据定期更新的的荷载模型和和结构模型，，对最不利工工况响应值作作出相应调整整。3规范限值规范限值。采采用国家或地地方颁布的相相关规范与规规程规定的限限值作为预警警阈值。由于于规范限值原原则上是不允允许突破的，，因此规范限限值通常用作作红色预警阈阈值。根据55吨车荷载下测测量的实际挠挠度值推算出出结构开裂后后的刚度，修正有限元模模型，根据开裂后刚刚度计算在设设计荷载下的的理论位移值值，当实测位位移或变形大大于该计算值值的0.80倍时，进行黄黄色预警；实实测位移或变变形大于理论论位移值或一一个月内发现现10次以上黄色预预警时，进行行橙色预警。00.801正常监测预警报警、安全评评估、维修管理预警线报警线σm/σSLS’σSLS’正常运营极限限值σm运营状态监测测结果结构安全预警警模块—预警阈值的设设定原则诸永高速怀鲁鲁立交桥健康康监测项目实实时在线预警警阈值设定原原则基本安全安全存在一定安全隐患结构安全预警警模块—预警阈值的设设定原则安全基本安安全存在一一定安安全隐隐患存在严严重安安全隐隐患00.801正常监监测预警报警、、安全全评估估、维修管管理预警线线报警线线σm/σSLS’σSLS’正常运运营极极限值值σm运营状状态监监测结结果结构安安全预预警模模块—预警级级别安全1存在严严重安安全隐隐患515基本安安全存在严严重安安全隐隐患存在一一定安全隐隐患。预警级别划分标准混凝土土结构构跨中中下挠挠导致混混凝土土梁出出现比比预期期值更更大的的主跨跨跨中中下挠挠的主主要因因素有有两个个：一一是结结构刚刚度的的降低低，二二是结结构的的受力力状态态发生生变化化，这这两种种因素素也会会产生生耦合合影响响，大大多数数情况况下，，导致致主跨跨跨中中出现现比预预期值值更大大的主主跨下下挠现现象，，往往往是这这两种种因素素共同同作用用的结结果。。结构安安全预预警模模块—离线预预警安装方方式短期24小时箱箱梁跨跨中挠挠度趋趋势线线采用改进的的移动动平均均值法法对数据进进行挖挖掘，可以以得到到桥梁梁上部部结构构随时时间损损伤的的曲线线，根根据结结构损损伤曲曲线，，为桥桥梁预预防性性养护护及时时提供供技术术资料料。结构安安全预预警模模块—离线预预警结构安安全预预警模模块—预警结结果统统计结构安安全预预警模模块—预警结结果输输出4损伤程程度，，评估估损伤伤的严严重程程度321损伤定定位，，确定定损伤伤的位位置损伤检检测，，判断断是否否存在在损伤伤结构损损伤识识别及及评估估模块块—损伤识识别层层次寿命预预测，，预估估结构构的剩剩余寿寿命迄今为为止，，对于于不使使用结结构模模型的的基于于振动动的损损伤识识别方方法，，主要要能进进行第第①层层次和和第②②层次次的损损伤识识别。。当振振动的的方法法与结结构模模型结结合，，在某某些情情况下下可以以达到到第③③层次次的损损伤识识别。。而第第④层层次的的损伤伤识别别与预预测通通常要要与断断裂力力学，，疲劳劳寿命命分析析，结结构设设计评评估的的领域域相结结合才才可能能实现现。结构损伤识识别：:通过对结构构的关键性性能指标的的测试和分分析,判断结构是是否受到损损伤;如果结构受受到损伤,则损伤λ置、损伤大大小如何;为判断结构构能否继续续使用及其其剩余寿命命估计提供供决策依据据。结构的的损伤识别别主要包括括4个递进层次次:1级别一：整体状态———主要承承重构件（（主要通过过测量交通通负荷所引引起的整体体挠度）。。2级别二：断面状态———动态汽汽车衡重分分类系统，，采用经校准的加速速度计，在在模式识别别的基础上上，再现竖竖向悬臂的的变形。3级别三：局部状态———如桥梁梁扭转支撑撑底部和顶顶部的连接接（利用附附加的应变变计进行验验证）。每天的交通通量与由货货运交通产产生的疲劳劳度相关的的结构动态态反应两者者之间的关关系来确定定的。一个个必不可少少的需求是是以雨流计计数法来减减少永久性性监测系统统的数据量量，雨流计计数法可以以描述在不不同密度和和出现概率率时与剩余余疲劳相关关的循环反反应周期。。目前桥梁梁结构寿命命是通过损损伤累计引引起的应力力来计算的的，因此对对于通过转转换得到的的监测数据据，有必要要进行整体体与局部的的有限元分分析。结构损伤识识别及评估估模块—损伤识别级级别结构损伤识识别及评估估模块—损伤识别流流程作用激励待测结构传感器动态信息特征提取状态信息健康监测与与损伤诊断断加固维修安全性与剩剩余寿命评价结构加加固方案输出结果有损伤无损伤继续使用输出结果损伤模式损伤特征结构损伤识识别及评估估模块—损伤识别方方法指纹识别方方法（即损伤指指标方法））基于模型的的损伤识别方法时频分析方方法模式匹配方方法频域分析方方法结构损伤识识别方法模型修正方法基于固有频频率变化的的损伤识别别方法基于振型变变化的损伤伤识别方法基于刚度变变化的损伤伤识别方法法基于柔度变变化的损伤伤识别方法法基于振型曲曲率变化的的损伤识别别方法基于残余力力向量的损损伤识别检检测方法基于单元模模态应变能能变化率的的损伤识别别方法基于传递函函数(频响函数)变化的损伤伤识别方法法直接法灵敏度法神经网络法法智能优化算算法Wigner-Ville分布HUbert-Huang变换(HHT)方法小波分析方法基于小波奇奇异性检测测的方法基于损伤前前后小波变变换系数变变化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；第五联联跨度组组成为38+2×50+38，梁高为为2.5m。2012年11月，进行了修复性加加固，对超超过0.15mm的裂缝进行行灌缝注胶胶处理，腹腹板加厚在在加厚腹板板内增设预预应力，箱箱梁内增设设体外索，，进行张拉拉加固，箱箱梁底部张张贴钢板，，并将桥面面二恒凿除除后植筋后后重新铺装装，将原12.5cm的铺装层增增大为20cm。中小跨径健健康监测系系统—案例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径健健康监测系系统—案例一第五联变形监测断面第四联变形监测断面中小跨径健健康监测系系统—案例一中小跨径健健康监测系系统—案例一数据管理系系统总体框框图中小跨径健健康监测系系统—案例一应变传感器器安装桥面线形测测点现场采集仪仪现场照片中小跨径健健康监测系系统—案例一半年的运营营期时间内内，第四联联各跨挠度度均有增加加，第一跨跨跨中下挠挠1mm，第二跨跨跨中下挠2mm，第三跨跨跨中下挠4mm，第四跨跨跨中下挠5mm，第五跨下下挠2mm；根据《公公路桥梁计计算状况评评定标准》》（JTG/TH21-2011）表5.1.1-8，跨中最大大挠度5mm<计算跨径的的1/1000=27mm，桥梁结构构处于安全全状态。中小跨径健健康监测系系统—案例一应变测试断断面应变测点布布置荷载组合：：恒载×1.0+钢束一次××1.0+钢束二次××1.0+汽车荷载××1.0+温度正（负负）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中小跨径健健康监测系系统—案例一C-C断面下缘应应力图A-A断面下缘应应力图中小跨径健健康监测系系统—案例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中小跨径健健康监测系系统—案例二中小跨径健健康监测系系统—案例二中小跨径健康康监测系统—案例二中小跨径健康康监测系统—案例二中小跨径健康康监测系统—案例二中小跨径健康康监测系统—案例二243桥梁管养技术术研究方向结构损伤研究究与发展的方方向基于视觉识别别的结构损伤伤识别技术5基于动态响应参数的车辆荷荷载识别技术术04中小跨径桥梁梁健康监测未来发发展方向1中小跨径桥梁梁健康监测云云平台系统无损检测技术术面对我国桥梁梁工程材质、、损伤、缺陷陷和受力状态态的检测需求求，需要研发发桥梁永久荷荷载下桥梁受受力状态非破破损检测技术术及装备，发发展桥梁损伤伤和缺陷的可可视化检测诊诊断方法及装装备体系，构构建服役桥梁梁材质状况高高精度量化无无损检测技术术体系，以支支撑我国桥梁梁养护和安全全保障水平的的提升。。评定方法养护理念研究总方向面对我国桥梁梁长期性能研研究和运营管管理的技术需需求，需要研研发高精度、、长寿命、智智能化传感器器，发展桥梁梁关键状态参参数和性能指指标长期跟踪踪监测技术，，构建桥梁健健康诊断以及及性能和抗力力衰变监测技技术体系与标标准，研发基基于BIM技术的桥梁管管养系统，以以推动我国公公路桥梁养护护管理技术的的发展。健康监测技术术面对服役桥梁梁养护科学决决策的技术需需求，需要进进一步完善和和发展桥梁技技术状况评定定、承载能力力和减灾防灾灾能力鉴定方方法，构建桥桥梁安全可靠靠性评估和使使用寿命预测测等的理论体体系及技术方方法，以推动动我国桥梁服服役可靠性的的提升和使用用寿命的延长长。面对我国服役役桥梁养护管管理和桥梁资资产保全增效效的技术需求求，需要转变变桥梁养护理理念，发展桥桥梁预防性养养护技术，提提升桥梁机械械化养护能力力，构建符合合我国国情的的桥梁养护技技术及装备体体系，以促进进我国桥梁技技术向“建养养并重”转型型发展。桥梁管养研究究方向—改进桥梁养护护技术，全面面提升桥梁服服役性能·桥梁健康监测测云平台现代信息化架架构正从纵向向“信息孤岛岛”向横向整整合的“信息息云”演进信信息架构从““烟囱型””演变为无所所不在的“层层次资源化的的云”桥梁健健康监监测云云平台台，以云云计算算技术术为基基础，，专注注桥梁梁检测测、监监测、、养护护管理理信息息化建建设，，面向向大中中小型型各类类桥梁梁，构构建一一个提提供信信息化化管理理解决决方案案的云云计算算平台台。云平台台是集物联联网、、云计计算和和大数数据存存储管管理分分析于于一体体，为为用户户提供供信息息化基基础设设施、、监测测与管管理软软件及及运行行平台台等优优质的的云计计算资资源，，提供供异构构数据据融合合、数数据异异地备备份容容灾、、大数数据存存储管管理分分析、、结构构监测测分析析与报报告、、综合合安全全评估估与智智能预预警等等服务务。桥梁云云平台台健康康监测测系统统—云平台台·云平台台演变变趋势势云平台优势12345成本节约：不再需要单独的机房建设与运维、聘请专业的管理人员、支付高昂的独立网络费用；只需支付较低的普通网络费用和云计算服务费用。中小型桥梁在线监测完美解决方案：精简桥梁现场在线监测设施，节省工程造价，通过集约化管理，降低在线监测系统维护工作量。安全可靠：异地数据备份容灾保障，并提供统一的监控、报警、问题处理等专业服务，提高系统稳定性，避免数据的丢失遗漏。高效的数据分析处理能力：提供优质稳定的服务器群，实现高效的大数据分析处理，减少用户在一手数据的获取及整理上的工作量。简约桥梁在线监测：简化施工过程和系统运维，让用户只需关注桥梁现场传感设备安装，提供更加全面的监测功能，真正实现桥梁在线监测简约而不简单。桥梁云云平台台健康康监测测系统统—云平台台·云计算算随需自自助服服务。。基于虚虚拟化化技术术快速速部署署资源源或资资源动动态扩扩展。。随时随地地用任何何网络设设备访问问。减少用户户终端的的处理负负担。降低了用用户对于