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大型结构健康监测与安全评估技术研究现状与发展趋势报告人：苏木标1.大型结构的特点2.结构健康监测的目的和意义3.目前国内外的研究现状4.今后的发展趋势5.工程应用实例报告的主要内容土木工程结构发展的趋势：大型化轻柔化复杂化多功能大型结构事故的危害：经济损失大人员伤亡大社会影响大1.大型结构的特点2008年8月29日竣工（建设投资高达83亿元）大型基础设施的结构特点荷载作用性能退化人为因素环境荷载：地震、风、雪、浪、流、冰、温度、…使用荷载：静力荷载、动力荷载疲劳效应腐蚀效应材料老化战争恐怖主义决策错误…结构损伤破坏｝｝逐渐发生变化2.结构健康监测的目的和意义2.结构健康监测的目的和意义2.1问题提出（仅以桥梁结构为例）目前我国桥梁的状况：我国现在已建桥梁100余万座，但是由于主客观原因，桥梁垮塌事件屡有发生，造成人民生命和国家财产的重大损失（如綦江大桥整体垮塌，造成40人死亡；仅以广东省为例，全省有4万余座桥梁，4千余座有不同程度损伤，370座列为危桥）。发达国家的桥梁建设期早，问题更为严重。桥梁垮塌频发，例如：美国塔科马大桥垮塌的情景加拿大魁北克大桥整体垮塌（19000吨钢材和86名建桥工人落入水中，只有11人生还）帕劳共和国预应力混凝土连续刚构垮塌前后MississippiRiveBridge2007/8/2，collapse6peoplelostlivesMorethan40peoplelostlives辽宁盘锦田庄台大桥（2004年6月10日晨）发生垮塌2007年8月13日在建沱江大桥坍塌(64人死亡）凤凰县堤溪沱江大桥立面图2011年7月14日早8点50分许，福建武夷山公馆大桥北端突然断裂，一辆旅游大巴车坠入桥下，当场造成1人死亡22人受伤。公馆大桥桥龄仅11年余。2.结构健康监测的目的和意义2.1问题提出（仅以桥梁结构为例）据交通部统计，中国目前有6000多座公路危桥。由此可见，大型结构的运营安全是各国政府亟待解决的重大问题。如何及时发现结构在运营过程中存在的安全隐患，保证结构的运营安全，这是当前国际学术界和工程界面临的重大技术难题。2.结构健康监测的目的和意义2.1问题提出（仅以桥梁结构为例）传统测试手段的局限性：对大型桥梁结构进行长期监测测试内容多、测点分布广、外部干扰大、野外运行环境恶劣，而传统的仪器设备和测试方法只能用于短期或临时人工检测，无法直接用于长期健康监测，不能直接预报桥梁结构的健康状态。保证桥梁结构安全运营的有效办法，就是要建立桥梁结构长期健康监测系统。结构健康监测结构灾变作用荷载作用损伤积累抗力衰减安全度指标下降损伤识别安全评价报警控制损伤修复结构健康监测已成为世界各国工程界研究的热点2.结构健康监测的目的和意义2.2健康监测的目的获取结构的工作环境信息，实时了解包括环境温度、风荷载和车辆荷载的变化；获取结构的响应特征信息，实时掌握结构的工作状况和健康状况（包括结构的整体性能和关键部位的局部损伤情况）。2.结构健康监测的目的和意义2.3健康监测的意义为评价结构（大型桥梁结构）承受动、静载的能力和结构的可靠性（即健康状态）提供实测数据；为验证结构设计理论与方法，修改设计规范提供科学依据；为实现对结构的科学管理、养护、维修及运营决策，确保运营安全提供依据。2.结构健康监测的目的和意义桥梁健康监测系统环境监测结构性能监测环境温度、温差、风荷载交通荷载、地震荷载船撞荷载静动态响应监测变形、应力、振动结构特性分析养护、维修、管理决策实施荷载及结构响应是否异常模态特性疲劳特性健康状态评估结构是否损伤超限报警现场检查常规检查详细检查特殊检查是否局部开裂、屈曲、腐蚀、退化大桥养护、维修、管理决策示意图3.目前国内外的研究现状3.1结构健康监测系统的构成传感器系统（包括温度、应变、位移、振动、挠度、风速等传感器，监测环境条件、结构性能）数据采集与传输系统（包括信号调理仪、数据采集仪及通信网络等）数据处理与控制系统（包括数据处理、采集控制、数据库管理与查询等）健康状态评估系统（包括损伤识别、健康状态评估及管理决策建议等）3.目前国内外的研究现状3.2结构健康监测技术研究内容桥梁健康监测技术综合了现代传感技术、网络通信技术、计算机技术、信号分析与处理技术、数据采集与控制技术、数据库管理技术、数据挖掘技术、预测技术、结构分析理论、结构损伤识别与状态评估理论及管理决策理论等多学科领域的知识，是一门新兴的交叉学科。近年来，随着相关学科的发展，桥梁健康监测技术已成为国内外工程界和学术界研究的热点。3.目前国内外的研究现状3.2结构健康监测技术研究内容研究内容主要包括：新型传感器及数采设备的研制与开发；数据无线传输技术研究；信号分析、处理及数据挖掘技术研究；传感器的优化布设研究；结构损伤识别理论研究；结构健康状态评估技术研究结构网络化运营管理及养修决策技术研究。3.目前国内外的研究现状3.3理论研究状况涌现了大量的研究论文，研究内容包括：智能传感器、多功能采集仪、传感器的优化布置、信号无线传输技术、结构损伤识别方法、健康状态评估及桥梁生命周期管理养护等。举办了许多以结构健康监测为主题的国际会议，比如：国际健康监测研讨会（InternationalWorkshoponStructuralHealthMonitoring)；欧洲健康监测研讨会（EuropeanWorkshoponStructuralHealthMonitoring)；新型结构健康监测研讨会（InternationalWorkshoponStructuralHealthMonitoringofInnovativeStructure)；智能结构与健康监测会议（InternationalConferenceonStructuralHealthMonitoringandIntelligentInfrastructure)。3.目前国内外的研究现状3.3理论研究状况另外，其它会议也有桥梁健康监测技术专题，如：国际模态会议（InternationalModalAnalysisConference)；欧洲智能结构与材料会议（EuropeanConferenceonSmartStructures&Materials)；国际结构控制会议（WorldConferenceonStructuralControl).国内也举办过多次有关的会议。3.目前国内外的研究现状3.4工程应用情况日本明石海峡大桥日本南备赞濑户大桥（公铁两用）丹麦大贝尔特桥江阴长江大桥南京长江大桥芜湖长江大桥郑州黄河大桥山东滨州黄河大桥重庆大佛寺长江大桥润扬大桥杭州钱塘江四桥苏通大桥（斜拉桥主孔跨度1088米）武汉长江大桥香港昂船洲大桥（主跨1018米）将要建立的桥梁健康监测系统：南京大胜关长江大桥桥身全长9.273km，主跨336m，名列世界同类高速铁路桥之首，“工程量大、跨度大、荷载大、速度高”，世界第一座6线铁路桥。武汉天兴洲长江大桥正桥全长4657米，主跨504米，大桥路面铺设4条铁路线，是我国首座四线公路铁路两用斜拉桥，创下了跨度、荷载、速度、宽度4项世界第一。九江长江大桥河北省宣大高速公路海尔洼大桥（跨径138m）京张高速公路官厅湖桥（65＋10×110＋65m）4.今后的发展趋势4.1目前桥梁健康监测系统存在的问题①监测系统设计缺乏统一的标准和规范；②传感器选型及优化布设的合理性有待商榷；③监测系统本身软硬件的耐久性、长期稳定性难以保证；④环境影响和测量噪声难以消除；⑤测量数据的不完备性，给数据分析带来困难；⑥海量监测数据的处理困难，容易淹没真实有用的信息；⑦结构损伤识别方法还处在理论研究和实验室应用阶段；⑧结构健康状态评价理论尚不完善；⑨相关子系统的有机结合和协调统一有待加强。4.今后的发展趋势4.2主要发展趋势①逐步建立和完善统一的桥梁健康监测系统设计标准和规范；②研制开发适合野外长期监测的硬件设备和软件系统，保证监测系统本身性能长期稳定、可靠，寿命长；③进一步完善桥梁监测信号处理技术和方法，提高监测数据的可靠性；④逐步完善结构损伤识别方法和健康状态评价理论，并使之尽快投入实际的工程应用。5.工程应用实例5.1芜湖长江大桥长期监测、安全评估及报警系统5.1.1引言芜湖长江大桥是一座公、铁两用的特大桥梁，是我国桥梁建设史上的标志性工程，它采用了28项当今桥梁工程建设的最新技术，代表了我国当代桥梁设计和建造的最高水平。为了跟踪世界科技前沿，保持芜湖长江大桥的科技领先水平，确保大桥的运营安全及结构的可靠性，为大桥的养护、维修及科学管理提供依据，并为改进和完善新型桥梁结构的设计理论、修改设计规范提供实测参考数据，经铁道部科技司批准，进行立项研究。5.1.2监测系统简介芜湖长江大桥长期健康监测系统主要由传感器、数据采集、数据传输、数据处理、安全评估和信息显示系统等组成。⑴监测系统总体目标为：获取结构特征信息，实时掌握桥梁结构的健康状态；监测桥梁结构的整体性能和关键部位的局部损伤，为结构维修提供依据；评价大桥承受动、静载的能力和结构可靠性，为运营决策与管理提供依据；验证和修正桥梁设计方法，为规范的修改提供依据。⑵监测系统（小集中分散数据采集方式）通信网络示意图数采系统传感系统桥下控制室传输光缆桥上7＃墩采集站授权用户终端交换机测站1测站2测站n数据处理与控制系统状态评价系统01234678910511121314120.00+2×144.00=408.001.001.003×144.00＝432.001.001.003×144.00＝432.001.001.00180.00+312.00+180.00=672.002×120.00=240.001.001.000.750.75斜拉桥部分10#墩（1＃测站）10－11＃墩跨中（3＃测站）11#墩（2＃测站）29#墩（轴重监测站）芜湖长江大桥长期健康监测系统拓扑结构示意图演示厅机房控制室数据库服务器数据采集监测服务器数据查询服务器示波器页面浏览器数据管理器页面浏览器示波器数据查询报警与事件日志大显示屏集线器演示电脑笔记本电脑投影仪大投影9＃墩测站（网络数采仪）8＃墩测站（网络数采仪）5＃墩测站（网络数采仪）6－7＃墩跨中测站（网络数采仪）6＃墩测站（网络数采仪）7＃墩（桥上采集总站）交换机、网络数采仪连续梁部分⑶系统的监测内容有：①桥梁工作环境信息：主要包括列车速度、轴重、轴距、轴数及列车进出桥时间、环境温度、梁体断面温度梯度及各应变测点的温度；②结构性能响应信息：主要包括关键主桁杆件及铁路纵横梁应力、梁体跨中挠度及梁端纵向位移、梁体和墩顶横向振动、竖向振动及加速度；③列车行车安全信息：主要包括脱轨系数和轮重减载率等。测点总数为219个主要包括列车荷载、速度、温度、应变、振动、挠度、位移等多种传感器及相应的信号放大与接口装置。⑷传感器车速传感器振动传感器应变传感器光纤应变传感器5.1.3监测数采系统特点1）无人值守，意外停机后自动上电、自动恢复运行。2)各项工作参数可远程设置，工作状态可远程诊断。3)数据传输迅速、准确可靠。5.1.4数采系统的设计与开发利用LabVIEW设计了一套具有自动采集、远程监测等功能的网络化监测系统。实时显示列车车况；实时显示时程曲线、最大值等；实时报警；监测数据自动入库。⑴系统实现的功能：⑵监测数采界面数采包括8项内容：列车信息上游横向动位移竖向动位移墩顶横向动位移梁端纵向位移主桁杆应力波形加速度动挠度边采边显主界面应变波形挠度波形加速度⑶边采边显主面板5.1.5数采软件的主要特色该数采软件技术起点高，源程序思路清晰、逻辑关系及流程形象直观、易读、易改、可移植性好、软件开发周期短；监测数据的显示刷新速度快，波形生动、形象、逼真，数据处理方便、快捷。5.1.6数据库查询功能能进行特征数和时程曲线的查询能对大桥健康状态进行初步判断数据查询界面进入数据查询系统后，按照已设定的查询内容和查询功能，用户根据自己要求，按逐级选择下拉菜单方式查询所