桥梁结构安全监测与预警

桥梁结构安全监测与预警孙利民，淡丹辉，闵志华，聂功武同济大学土木工程防灾国家重点实验室2011年5月27日，重庆桥梁船撞学术研讨会重庆，2011主要内容引言桥梁安全运营养护管理技术桥梁结构健康监测与预警技术工程实例介绍结语桥梁船撞学术研讨会重庆，2011桥梁结构安全的重要意义公路网是保障国家经济建设和民生的重要社会基础设施。桥梁是这一生命线工程的重要组成部分。桥梁结构在服役过程中受到设计标准、施工质量、材料退化、交通负荷、极端荷载和偶然事故等各种内外因素的作用和影响，其结构安全性如不能得到完全保障，将危机人民生命财产安全国家经济建设。桥梁船撞学术研讨会重庆，2011我国公路桥梁的发展截止至2010年底我国公路桥梁总数到达65万座公路桥梁总里程达到210万延米超过美国成为世界上最大的公路桥梁国家经济高速发展期的基础建设量大、集中、质低的特点给结构安全管理带来诸多难题桥梁船撞学术研讨会重庆，2011桥梁养护管理需求桥梁使用超过25年即进入性能加速退化期美日等过在20-30年间建设桥梁占到总桥梁数的70%，在其后的20-30年迎来巨大的桥梁养护工作我国桥梁中的40%属于“老龄”桥梁2004年全国普查出危桥1万3千余座，总长47万延米桥梁结构维修、加固和重建费用巨大且逐年增加桥梁船撞学术研讨会重庆，2011桥梁养护管理需求美国总计约7万多座桥梁退化为缺损桥梁，每年维修资金30亿美元法国、德国和挪威，缺损桥梁比例分别达到39%、37%和26%欧洲各国用于桥梁维修费用占桥梁重建费用的0.5%~1%，而在美国纽约，这个比例高达8.5%：桥梁结构作为重大社会基础设施，其服役期甚至超过经济高速发展持续期。采用先进技术、高效合理地规划利用有限资源，对基础设施进行养护管理以保障结构在寿命期内的安全成为重要的社会需求桥梁船撞学术研讨会重庆，2011桥梁结构安全的重要意义我国桥梁结构的设计、施工技术随着设计规范、分析计算、施工机械、施工工艺、施工监控等技术的进步而得到了较快的提升，可以适应桥梁安全的基本需求但由于我国普遍存在“重建设，轻管养”的倾向，国内近年来在桥梁安全管养技术方面的发展和进步，远不能适应我国桥梁全寿命安全管养的实际需求：广义上包括在桥梁整个生命期内与安全性相关的规划、设计、施工、管养和拆除等技术桥梁船撞学术研讨会重庆，2011保障桥梁结构全寿命安全加强研究考虑桥梁规划、设计、施工、运营和拆除等各阶段不同因素影响下的桥梁全寿命安全设计理论体系和方法加强桥梁结构安全关键技术研发，包括：针对典型结构、重要结构及复杂结构的安全性进行实时监测和预警的技术；结构安全监测出现警报或到达规定检测年限时的检测和安全评估技术；结构安全性不能满足要求时需要采用的维修加固技术建立国家桥梁数据库和安全监控网络体系，为制定国家桥梁结构安全策略提供依据桥梁船撞学术研讨会重庆，2011主要内容引言桥梁安全运营养护管理技术桥梁结构健康监测与预警技术工程实例介绍结语桥梁船撞学术研讨会重庆，2011桥梁运营中面临的问题国内“重建设、轻管养”的现象十分普遍桥梁的管理模式和维护措施方面存在诸多问题桥梁船撞学术研讨会重庆，2011经验与教训2004年辽宁庄台大桥因汽车超载落梁2007年广州九江大桥6•15船撞事故桥梁船撞学术研讨会重庆，2011面临的问题超载问题耐久性问题（钢筋腐蚀、冻融循环、碱骨料反应等）疲劳问题突发事件（车船撞击、地震、飓风等）养护资金紧缺、缺乏有效的管理因此，需对桥梁采取有效的检测与评估、监测与预警、维修与管理等技术措施，以降低运营成本、延长桥梁结构的使用寿命、保障交通通畅桥梁船撞学术研讨会重庆，2011主要内容引言桥梁安全运营养护管理技术桥梁结构健康监测与预警技术工程实例介绍结语桥梁船撞学术研讨会重庆，2011桥梁管理系统与巡检养护：关于桥梁基本数据、桥梁检测、桥梁状况评估、桥梁结构退化预测、桥梁养护维护策略和管理计划及经济分析的计算机信息系统。桥梁船撞学术研讨会重庆，2011桥梁管理系统的发展1967年美国Silver桥事故1968年，美国“国家桥梁档案”（NBI）美国：PONTIS、BRIDGIT法国：Edouard英国：NATS日本：道路共用桥梁管理系统韩国：SHBMS中国：交通部的CBMS2000系统……桥梁船撞学术研讨会重庆，2011桥梁管理系统的发展初期•用简单的电子数据库来代替复杂的桥梁管理资料其后•除桥梁数据库外，还包括桥梁检测、养护及维修信息，涵盖各桥梁构件的检测细节和详细的等级划分以及维修历史等近期•增添了维护决策功能，即制定维护策略、进行维护优化等桥梁船撞学术研讨会重庆，2011国内桥梁养护现状对桥梁养护维修知识不足近年道路建设规模大、管养资金紧张目前，桥梁养护管理工作基本上还停留在建立技术档案、清扫桥梁、疏通泄水管、修复损坏的栏杆和桥面铺装即使进行检查，主要也是人工目测或借助仪器检测等巡检养护措施。桥梁船撞学术研讨会重庆，2011传统的桥梁管养系统存在的问题需要大量人力、物力并有诸多检查盲点主观性强，难于量化乏缺整体性影响正常交通运行周期长、实时性差难以适应超大型桥梁检测养护需要桥梁船撞学术研讨会重庆，2011桥梁结构健康监测系统：基于传感、信息、结构分析技术的自动监测与评估系统。从营运状态的结构中获取并处理数据，以评价结构的主要性能指标的有效方法。它结合了无损检测和结构特性分析，可以诊断结构中的损伤发生及其位置，估计损伤的程度及其对结构造成的影响1987年，英国在总长522m的3跨变高度连续钢梁Foyle桥上布设传感器，以监测在荷载作用下大桥运营阶段的动力响应桥梁船撞学术研讨会重庆，2011桥梁结构健康监测系统的发展第一代•早期单项健康监测系统，传感器种类有限，采集设备不安全，间歇性监测第二代•集成监测系统，传感器种类大大丰富，采集系统完善，连续采集，有数据库管理软件对数据经行管理第三代•集成监测诊断系统，在第二代的基础上，强调对数据的处理，并利用数据进行结构监测状态的在线评估、在线预警，并为深入地离线评估提供便利桥梁船撞学术研讨会重庆，2011桥梁结构健康监测系统在我国的应用我国在这一领域的研究虽然起步稍晚，但进步很快从早期香港的青马大桥，再到内地的虎门大桥、江阴长江大桥、东海大桥、苏通大桥等，短短数十年，我国已安装规模不等的结构健康监测系统的各类桥梁已达140余座这些先后建成的健康监测系统经过若干年的运行已积累了大量的宝贵数据，如何有效利用这些数据是今后需要研究的重要课题桥梁船撞学术研讨会重庆，2011桥梁结构安全状态评估方法基于外观调查的方法应用于公路及城市桥梁养护规范的评定方法、美国的LFR和LRFR体系其评定结果过度依赖评估工程师的经验，受主观因素的影响以分析计算为主的方法通过桥梁结构进行计算分析对桥梁的技术等级进行评定，更具有科学性难以准确建立在役桥梁的计算模型，评定结果可能与实桥情况有较大出入荷载试验法评估桥梁安全状态特别是承载能力的最有效、最直接方法但其直接费用高，且实施过程中需要中断交通桥梁船撞学术研讨会重庆，2011基于健康监测的桥梁安全评定基于健康监测的桥梁安全评定的基本思路：首先根据桥梁监测数据对桥梁结构的损伤进行识别，然后，在此基础上再对桥梁的安全状态做出评定结构损伤识别理论方法：动力指纹分析方法、模型修正方法、人工智能方法、以及近年来提出的小波变换和希黄变换等新的数据分析方法等结构安全评定方法：可靠度理论、层次分析法、以及结合经验的专家系统等方法桥梁船撞学术研讨会重庆，2011结构健康监测系统中评估子系统在线评估系统可以根据监测数据对桥梁的状态进行实时的在线评定，在有必要时发出不同级别的结构安全预警相关理论还不够成熟，在线评估结果的准确性和可靠性还不能令人满意离线评估系统不仅依据结构健康监测系统的数据，同时还要结合人工检测等其他渠道的信息，可以得到更高质量的结构安全评定结果。及时采用最新的分析方法和技术难以做到实时评估，只能给出中长期的结构安全预警或趋势判断。需要强有的技术团队支持桥梁船撞学术研讨会重庆，2011桥梁健康监测技术所面临的问题有限传感器的优化布置以及合理确定系统的规模桥梁结构性能的变化对结构指纹的不敏感，损伤识别尚处于理论研究阶段因系统规模决定的测量数据的不完整性以及因系统的稳定性造成的不连续性对大量原始数据的实时处理和分析研究滞后，所获取信息不能满足工程需求结构健康状况评价方法尚不完善，难以给出合理结论及解释结构安全预警参数和阈值仅靠理论分析难以合理确定，需要在实践中不断调整优化系统本身的稳定性、抗干扰性和耐久性不足，使用寿命难以得到保证桥梁结构健康监测尚无统一的标准和规范，系统差异性太大如何与其它相关系统特别是与传统的巡检养护系统的有效结合桥梁船撞学术研讨会重庆，2011主要内容引言桥梁安全运营养护管理技术桥梁结构健康监测与预警技术工程实例介绍结语桥梁船撞学术研讨会重庆，2011健康监测系统与巡检养护的融合已有的桥梁结构健康监测系统中，多数为独立建立的系统，没有综合考虑桥梁养护管理系统。由于系统规模以及传感器布设等方面的限制，仅依靠实时监测系统本身采集的数据对结构进行评估是不完整的，同时对桥梁结构在复杂环境及荷载作用下的响应的认识和经验的不足，难以给出准确有效的预警模式。因此必须将传统的巡检养护措施与先进的健康监测系统有机结合，以期消除现存检测、监测方法中的诸多不足，综合传统巡检养护方法与先进的健康监测技术的长处。桥梁船撞学术研讨会重庆，2011南京长江第三大桥南京长江第三大桥的养护管理采用“结构健康安全监测及综合管理系统”。桥梁结构安全监测及综合管理系统主要包括安全监测系统与桥梁日常养护管理两部分：结构安全监测系统的监测对象为主体受力结构，监测目的是保障结构安全承载日常管理养护管理系统监测对象为桥梁上的非结构物或附属结构，监测目标是保障非结构物及附属构造能够得到合理的维护桥梁船撞学术研讨会重庆，2011南京长江第三大桥桥梁日常养护管理由电子化巡警管理子系统完成，采用Aditam公司的ScanPrint其余子系统则组成一个典型的桥梁结构健康监测系统，用于连续实时地监测桥梁的结构状态桥梁船撞学术研讨会重庆，2011存在的不足ScanPrint为单机版程序，其数据库无法与安全健康监测系统共享，仅为避免数据冗余而根据需求分配两个系统的数据存储内容。因此虽然桥梁的日常养护管理采用了先进的电子化巡警养护系统，有利于巡检结果的量化与系统管理。然而由于系统本身的限制，巡检养护系统无法根据需要进行扩展与监测系统进行交互，监测系统无法利用巡检养护系统的数据，从而使得日常养护管理与实时监测系统实际上完全独立，并没有达到最初融合两个系统的设想桥梁船撞学术研讨会重庆，2011东海大桥东海大桥跨径长、规模庞大且组成复杂，传统的依靠人工的巡检养护系统难以满足桥梁的运营管理要求。采用了基于人工巡检的传统养护以及基于监测系统的桥梁养护相结合的养护策略，将实时监测、定期检测以及人工检查相结合，系统全面地掌握大桥的工作状态。利用监测系统获得的实时数据，并结合巡检养护系统的监测结果，对桥梁的局部与整体的工作状态做出合理评估，为大桥的养护和管理提供科学依据，以保证大桥的安全运营桥梁船撞学术研讨会重庆，2011东海大桥传感器系统1.加速度传感器2.应变传感器3.位移传感器……数据采集系统1.信号调理2.数据采集3.数据通信数据处理与控制系统1.数据通信2.数据处理3.数据显示4.在线评估巡检养护系统1.经常性检查2.定期检测3.特殊检测结构健康状态评估系统1.正常使用状态评估2.突发事件状态评估桥梁船撞学术研讨会重庆，2011存在的不足然而由于人工巡检的结果被表达为对构件健康状况的描述，检测周期相对于实时监测过长且不具规律性，因此难以与监测系统的实时量化数据融合，因此东海大桥结构健康监测系统的数据库仅存储了人工巡检结果报表，而并未将这些结果应用