大跨缆索承重桥的结构性能监测

大跨缆索承重桥的结构性能监测第1页/共47页1.研究背景

桥梁结构易受到自然灾害及人为灾害的影响而遭致破坏地震灾害风灾第2页/共47页1.研究背景交通引起的破坏人致灾害第3页/共47页1.研究背景目前，世界各地有许多已建或在建的大跨度缆索承重桥

苏通大桥(1088m),中国 昂船洲大桥(1018m),香港 明石海峡大桥(1991m),日本第4页/共47页1.研究背景

因此，大跨度桥梁结构的安全性、适用性及耐久性问题受到了社会的广泛关注。

近年发展的结构长期性能监测技术是一种监测结构安全性及适用性的前沿技术。

第5页/共47页2.结构性能监测系统(SPMS)第6页/共47页传感器系统数据采集及转换系统数据处理与分析系统结构健康评价系统数据管理系统决策及管理72.结构性能监测系统第7页/共47页2.结构性能监测系统监测并确定桥梁荷载与环境检验现有的结构设计方法验证新的分析方法与计算机模拟的有效性检测结构损伤及评价结构性能辅助检修工作帮助决策层在紧急情况下作出迅速正确的决策最终目标为保证结构的安全性、适用性及耐久性结构性能监测的主要功能第8页/共47页3.SPMS在重要桥梁中的应用3.1青马大桥的结构性能监测系统3.2昂船洲大桥的结构性能监测系统第9页/共47页3.1青马大桥的结构性能监测系统香港青马大桥主跨达1377m，是全球最长的公路铁路双用悬索桥。第10页/共47页

1997年，香港路政署设计并安装了青马大桥的风-结性能监测系统（WASPMS）。风速仪(6)加速度计(19)温度传感器(115)应变仪(110)GPS流动站(14)位移计(2)水准测站(10)数据采集分站(3)动态称重系统(7)3.1青马大桥的结构性能监测系统（图片授权：香港路政署）第11页/共47页3.1青马大桥的结构性能监测系统第12页/共47页

风速仪及加速度计的布置3.1青马大桥的结构性能监测系统第13页/共47页3.2昂船洲大桥的结构性能监测系统香港昂船洲大桥主跨1018m，是世界第三长的斜拉桥。（2009年开通）第14页/共47页昂船洲大桥的传感器布置3.2昂船洲大桥的结构性能监测系统（图片授权：香港路政署）

青衣塔昂船洲塔固定伺服加速度仪（58）风速仪（24）温度传感器（388）动态应变仪（678）静态应变仪（158）GPS（20）缓冲传感器（18）承载传感器（12）电磁传感器（32）气压计、降雨计、湿度计（28）腐蚀电池（33）数码摄像机（18）动态测重站（4）位移计（34）传感器总计：1505第15页/共47页

昂船洲大桥SPM系统3.2昂船洲大桥的结构性能监测系统图片授权：香港路政署结构健康监测系统结构健康评价系统结构健康评分系统结构健康监测数据管理系统对比监测参数对比评价参数报告压力过高或损坏的构件桥梁检修组输入监测因子输入评价因子未超过未超过超过超过检修结果第16页/共47页4.卓越领域研究项目已取得一定成果，但仍然有许多关键问题尚待解决。香港率先将结构性能监测技术应用于大跨度桥梁。应该引领此技术的进一步发展。香港有大量的高层建筑与大跨度桥梁，政府在未来十年要大力发展基础设施建设。香港理工大学在传感技术、空间信息技术、计算科学及土木与结构工程方面有非常优秀的专家团队。第17页/共47页4.卓越领域研究项目4.1主要研究人员4.2四个主题4.3十个项目4.4研究里程碑大型土木工程结构性能监测第18页/共47页4.1主要研究人员姓名系专业特长领域YLXuCEE结构动力学，结构健康监测，风工程YQChenLSGIGPS技术，建筑结构监测XLDingLSGIGPS技术，建筑结构监测，干涉合成技术HYTamEE光导纤维传感器，光感传感网络，光纤通信JNCaoCOMP无线传感器，计算网络，并行与分布式计算SSLawCEE结构动力学，结构损伤检测，系统识别YQNiCEE结构动力学，传感技术，结构健康监测YXiaCEE结构损伤检测，结构健康监测SZhuCEE结构评估，结构控制TommyChanQUT结构动力学，结构损伤检测，系统识别第19页/共47页4.2四个主题序号主题1SPM系统特有传感技术2基于性能目标的SPM系统设计3结构损伤实时检测方法及结构评价系统4实时荷载测量,模拟及结构性能评估第20页/共47页4.3十个项目任务序号项目序号项目名称11SPM系统中光纤Bragg光栅传感网络12SPM系统中GPS技术13SPM系统中无线传感网络24基于性能目标的SPM系统设计25高级数据采集、转换及管理系统36创新模拟技术及模型修正方法37考虑不确定性的创新损伤监测算法38基于SPM技术的桥梁评价系统49基于SPM技术的全寿命损伤模型410极端荷载下的结构性能模拟与评估第21页/共47页4.4研究里程碑编号研究里程碑1建立了青马大桥的桥梁评估系统2发展了结构健康诊断工具及昂船洲大桥状况评估系统3建立了广州塔的结构性能监测系统4建立了上海塔的结构性能监测系统第22页/共47页4.4研究里程碑2006年，香港路政署请研究团队为青马大桥建立一个基于SPM的桥梁评估系统。2010年，该项目完成，合共提交12份报告予路政署。研究团队分析了大量数据，发展了数据分析方法，并建立了一个新的评估系统。第23页/共47页4.4研究里程碑该桥的全三维有限元模型主要风荷载主要温度荷载主要公路荷载主要铁路荷载重要性及易损性分析现在的桥梁评估方法基于SPM的桥梁评估系统第24页/共47页MaWanApproachSpanMainSpanTsingYiApproachSpan建立了该桥以结构健康监测为导向的全三维有限元模型，可以直接计算主要结构构件的应力。4.4研究里程碑第25页/共47页4.4研究里程碑第26页/共47页

使用WASPMS测得的结构动力性修正桥梁的有限元模型。4.4研究里程碑第27页/共47页该桥周边的地形相当复杂，而WASPMS可以长期监测周边包括季风及台风在内的复杂风环境。4.4研究里程碑第28页/共47页4.4研究里程碑

录得的最大10分钟平均风速为22.67m/s，风向为西南向。台风中风速主要分布于10-18m/s之间。台风下的10分钟平均风速第29页/共47页

道路交通状况及公路荷载由动态称重站监测。4.4研究里程碑第30页/共47页 2006年，双向合共车流量为1730万辆。图为桥梁各道的交通量及其构成。交通车辆统计，共8种分类4.4研究里程碑第31页/共47页测得的轴向荷载谱与BS5400的参考谱对比4.4研究里程碑第32页/共47页 桥梁的火车致振动4.4研究里程碑第33页/共47页 2005年9月，月火车量统计约为12000，且90%以上为16转向架列车。年火车量统计(2000-2005)4.4研究里程碑第34页/共47页

转向架荷载分布（包括最大值及最小值）与设计转向架荷载分布的对比4.4研究里程碑DesignedfromMTRCMeasuredwithMaxMeasuredwithMeanMeasuredwithMin.8-CarTrain(16-BogieTrain)BogieNumber(fromFronttoBack)Load(Tons)2005年9月，转向架荷载分布测量值与设计值的对比(机场侧)第35页/共47页青马大桥温度传感器（115个）的布置T1(×1)T2(×5)T1(×5)

T2(×71)T2(×9)T2(×9)T2(×15)4.4研究里程碑第36页/共47页4.4研究里程碑第37页/共47页TM-MWNTM-MWSTM-TYNTM-TYSTM-02NTM-02STM-03NTM-03STM-04NTM-04STM-01NTM-01STM-05NTM-05S青马大桥GPS接收器（14个）的布置4.4研究里程碑第38页/共47页5.56mm/°C11.56mm/°C18.55mm/°C-2.88mm/°C26.11mm/°C3.58mm/°C2.94mm/°C15.50mm/°C纵向位移变化率的分布4.4研究里程碑第39页/共47页120年回归周期内的疲劳损伤演化4.4研究里程碑应力响应测量值第40页/共47页4.4研究里程碑

提出了一个新的桥梁评估系统。结构构件相关的重要因子值由基于SPMS测的数据,计算模拟及工程判断决定。Syntheticrating:RCriticalityrating:TCC1C2C3C4C5Vulnerabilityrating:TVV1V2V3VAVBVCObjectivelayerCriterionlayerIndexlayer1Indexlayer2第41页/共47页4.4研究里程碑Introduction简介Long-spanSuspensionBridges大跨度悬索桥StructuralHealthMonitoringSystems结构健康监测系统SHM-OrientedModelingSHM导向模型MonitoringofHighwayLoadingEffects公路荷载效应监测MonitoringofRailwayLoadingEffects铁路荷载效应监测MonitoringofTemperatureEffects温度效应监测MonitoringofWindEffects风效应监测MonitoringofSeismicEffects地震效应监测MonitoringofOtherEffects其他效应监测11.StructuralDamageDetection结构损伤检测12.BridgeRatingSystem桥梁评价系统13.EstablishmentofTest-beds实验系统的建立14.Epilogue:ChallengesandProspects后记：挑战与展望第42页/共47页4.4研究里程碑WindStormsandCable-SupportedBridges风暴与缆索承重桥梁WindCharacteristicsinAtmosphericBoundaryLayer大气边界层风特征MeanWindLoadandAerostaticInstability平均风荷载与静风失稳Wind-InducedVibrationandAerodynamicInstability风致振动及空气动力不稳定性Wind-InducedVibrationofStayCables斜拉索的风致振动Wind-Vehicle-BridgeInteraction风-车-桥相互作用WindTunnelStudies风洞研究ComputationalWindEngineering计算风工程WindandStructuralHealthMonitoring风与结构健康监测10.BuffetingResponsetoSkewWinds斜风的抖振响应11.MultipleLoading-InducedFatigueAnalysis多荷载疲劳分析12.Wind-InducedVibrationControl风致振动控制13.TyphoonWindFieldSimulation台风风场模拟14.ReliabilityAnalysisofWind-ExcitedBridges风激励桥梁的可靠性分析15.Non-StationaryandNon