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交通运输厅科技项目研究大纲项目名称：在役中小跨径混凝土梁式桥结构监测系统开发与应用研究编制单位名称：浙江省交通科学研究所（公章）编报日期：2012年7月8日1.项目概要浙江省地处我国东部沿海地区，境内河网密布，桥梁众多。目前，我省已拥有各种形式桥梁超过4万座，占全国桥梁总数的十分之一。桥梁和其他的土木建筑结构一样，在风雨侵蚀和严寒酷暑交相侵袭以及超载车辆的荷载加速作用下，随着桥龄的增长和材料的老化，会不可避免的产生某些不安全因素，经历一个建成使用、渐趋老化直至消亡的“生老病死”过程。桥梁作为交通的咽喉，其安全状况不仅直接影响到整个交通路网的正常运营，而且因为桥梁的特殊性，一旦发生桥毁人亡的事件，社会影响力巨大。由于历史局限性或人为因素影响，桥梁可能会出现设计不周、施工不良、管理不当等情况，随着运营年限的增长，已有不少桥梁出现了不同程度的病害。为了避免灾难性事故的发生以保证人民生命财产的安全，必须确保这些缺陷或隐患能够被及时发现、补救和消除！目前，部分结构复杂、社会影响力重大的大跨径桥梁已经配备了较完善的结构健康监测系统，虽然此类系统可以较为实时准确地获取桥梁结构的自身受力状态和周边环境的变化情况等信息，但一方面费用高昂，如舟山连岛西堠门大桥和金塘大桥的监测系统耗资数千万元；另一方面，海量监测数据的分析处理也是个不小的工作量，非常繁杂，往往浪费了大量人力物力在一些非关键性的内容上。可见，将复杂结构的大跨径桥梁结构监测系统照搬到大量中小跨径桥梁既不经济也无实际可操作性。复杂结构的大跨径桥梁的数量还不到我省桥梁总数的1%，而对于占桥梁总数超过99%的中小跨径混凝土桥梁，其结构状态的获知，目前主要通过定期的人工检测或借助荷载试验加以实现。当桥梁结构出现病害需要加固维修或改建时，申报、立项、批复到正式实施往往需要一个较长的周期，短则数月，长则数年。桥梁在这段“真空期”内出现重大安全问题的可能性比较高，大家都非常关注，桥梁管理部门不得不采取不断提高人工检测频率的方法获取桥梁结构的病害最新发展状况，这样做将大大提高桥梁日常养护的成本，随着时间的推移当越来越多的桥梁出现不同程度的病害后，会导致桥梁管理部门和检测单位疲于应付桥梁的日常养护工作。而且，人工检测前后可比性较差，也不能实时发现问题。因此，本项目针对目前我省中小跨径混凝土梁式桥在日常养护管理中存在的问题，拟开发一套专门针对在役中小跨径混凝土梁式桥的经济合理的结构监测系统，服务于我省中小跨径梁式桥（特别是存在不同程度病害和安全隐患的中小跨径梁式桥）的工作状态跟踪监测，以便实时、准确地掌握桥梁工作状况，采取切实有效的措施，保证中小跨径混凝土梁式桥在剩余使用寿命期内的安全运营。本项目的主要研究思路为：首先，确定中小跨径混凝土梁式桥需要进行实时监测的关键位置和关键结构响应参数，在较全面、准确地掌握结构受力状态的前提下尽可能减少结构上的监测点数量；其次，广泛调研和收集关键结构响应参数的实时监测方法和监测设备（包括数据的采集和传输过程中所用的各种设备，如：传感器、数据采集站、数据调理器等），在保证必要工程精度的前提下选用价格更加经济的监测设备，同时力争较好地解决监测设备在稳定性方面存在的种种问题，如应变计存在的数据长期监测漂移问题等，并改善监测设备的可替换性；再次，根据业主单位技术人员的实际需求，建立数据显示和分析后处理系统（软件），该系统建立的原则是：界面简洁明了、层次分明、便于操作，此外，在分析后处理部分需重点解决的问题是：如何确定数据采集的样本条件，如何构建安全预警子系统，以及如何利用分析结果为业主单位制定决策提供技术支持等；最后，将建立的结构实时监测系统在1-2个依托工程上予以实施，发现并解决实际应用中存在的各种问题，完善整套监测系统。2.项目前期研究及工作基础我国是桥梁大国，现有桥梁约60余万座，其中40%的桥梁使用年限在20年以上，三、四类桥大约占30%。近几年来，桥梁事故频发，2011年7月，9天内就有4座桥梁垮塌1座桥梁倾斜，表1列出了近五年来垮塌的部分桥梁。如此密集的桥梁事故，引起了社会各界的高度关注。依据美英德等国经验，设计平均寿命为75年的桥梁实际使用寿命为40年左右。可以预见在未来的10到20年内，我国必将迎来大范围的桥梁老化现象，如不加控制，大部分桥梁将提前达到使用寿命。另一方面，我国桥梁设计标准较低，桥梁的设计承载能力分别为美英的68%和60%，桥梁需承受荷载效应规范设计值比美英规范设计值低40%和59%，施工时质量控制较弱，长期存在“重建轻养”问题，造成结构老化情况比国外更加严重。此外，由于施工质量、巡检、养护等方面的原因，使得中小跨径桥梁的安全系数要低于大型桥梁。特别需要指出的是，超载对中小跨径桥梁的影响要远远大于对大型桥梁的影响。我们知道，桥梁的设计荷载是按照跨径、标准载荷等加以计算的。对于跨径较大的桥梁，其设计载荷也较大，因此即使有少量的超载货车，由于其它车辆的分均、其载荷率（实际荷载/设计荷载）也不会太高。但对于中小跨径桥梁，由于其设计荷载较低，1~2辆超载货车就可能超过桥梁的设计承载力。表1近五年来垮塌的桥梁事故桥梁桥龄事故桥梁桥龄沱江大桥0年（2007年在建时出事）海南万宁太阳河大桥16年（1995-2011）合肥一在建高架桥0年（2011年在建时出事）江苏滨海县通榆河大桥17年（1994-2011）汶川彻底关大桥1年（2008-2009）广东九江大桥20年（1987-2007）重庆涪陵红泥桥12年（1998-2010）河南栾川汤营伊河大桥22年（1988-2010）福建武夷山公馆大桥12年（1999-2011）吉林长春荣光大桥22年（1989-2011）新疆库尔勒孔雀河大桥13年（1998-2011）北京宝山寺白河桥24年（1987-2011）湖南株洲高架桥14年（1995-2009）伊春铁力市西大桥26年（1973-2009）杭州钱江三桥引桥桥面14年（1997-2011）吉林锦江大桥不详（1970年代-2010）近年来，随着桥梁安全日益受到关注，再加上桥梁技术、现代传感、通讯和网络技术的不断发展，桥梁健康实时监测及性能评估系统已成为学术界、工程界的研究热点。目前世界各国在桥梁健康监测领域的研究取得了很大的进展，许多国家在一些已落成的或正在修建的桥梁上进行这一领域的探索工作，如英国的Foyle桥、丹麦的GreatBeltEast桥、加拿大的Confederation桥、韩国的Namhae大桥、日本的明石海峡大桥、中国大陆的杭州湾大桥和舟山跨海大桥等。从目前已建立的监测系统的系统构成、监测方法以及实现的功能来看，这些监测具有如下一些共同特点：（1）桥梁监测系统由硬件系统与软件系统组成，硬件系统一般由传感器系统、数据采集与传输系统以及数据分析与处理系统构成，软件系统主要实现对结构状态的识别和安全性评估；（2）通过布设在桥梁上的传感器获取反映桥梁结构行为的记录，并且重视对桥梁环境条件如温度、风、交通荷载等的监测；（3）由于测试技术和通讯技术的发展，使得监测系统采集的信息更加准确与完备，并且可以实现系统的大容量和网络化共享；（4）重视对大桥监测系统的研究与实践，而忽视对中小桥自身特点的监测系统的研究。参考文献[1]卞钧霈.大跨径桥梁健康与安全监测系统的构建[J].公路，2005（11）：56-57.[2]刘志强，李娜，冯良平，张革军.西堠门大桥结构监测系统的设计与实现（I）：系统设计[J].中国工程科学，2012（7）：96-100.[3]张启伟.大型桥梁健康监测概念与监测系统设计[J].同济大学学报（自然科学版），2001（1）：65-67.[4]陶祥林，雷震.中小桥梁健康监测系统研究现状与发展对策[J].交通纵横，2010（20）：38-40.[5]王文俊，潘静，吴佳晔.中小型桥梁广域健康监测系统的研究[J].四川理工学院学报（自然科学版），2011（5）：571-574.[6]秦世强，蒲黔辉，施洲.高速铁路桥梁健康监测数据采集系统设计研究[J].铁道标准设计，2010（10）：67-71.[7]李惠，周文松，欧进萍,等.大型桥梁结构智能健康监测系统集成技术研究[J].土木工程学报，2006（2）：46-52.[8]何旭辉.南京长江大桥结构健康监测及其关键技术研究[D].长沙：中南大学，2004.[9]周文松，李惠，欧进萍,等.大型桥梁健康监测系统的数据采集子系统设计方法[J].公路交通科技，2006（3）：83-87.[10]尤启蒙.中小型桥梁健康监测系统的发展现状及对策思路[J].科技资讯，2011（6）：86.3.项目研究、开发的背景3.1研究目的一方面，特大型桥梁监测系统复杂庞大，监测项目众多，初期投资和运营成本都非常高，现在一套特大型桥梁健康监测系统报价在几百万上千万，我省某座跨海大桥的整套健康监测系统费用超过三千万，大型桥梁健康监测系统也要几十万，中小型桥梁量大面广，多数单位难以承受。另一方面，主管部门对中小型桥梁的重视程度不够，在技术力量、资金等方面的投入严重不足。因此，占我国桥梁总数99%以上的大、中、小跨径（跨度在100米以下）的桥梁几乎都没有安全监测系统，而发生的桥梁事故，全部出现在这些桥梁中。目前，我省中小型混凝土梁式桥常规的检查措施基本以人工巡测为主，包括定期检测和日常巡检。这种被动的检测方法仅能对明显的桥梁问题作出判断，很难确定桥梁整体健康状态及损伤发展。业内公认比较有效的如外加荷载试验等检测方式，不但花费大，还需阻断交通，影响桥梁的正常使用。此外荷载试验还会加深桥梁损伤，除非非常特别的情况，一般不常用。不仅如此，通过定期检查等方式仅能确定桥梁当时的健康状态，不能够有效保证此后桥梁的安全使用。例如，美国密西西比河大桥虽然于2005和2006年分别对这座大桥进行过检查，当时并没有发现任何结构性的安全隐患，还是在2007年发生了垮塌。此外，我省一些位于山区丘陵地带（如丽水地区、台州地区等）的中小跨径混凝土梁式桥被检测出可能存在重大安全隐患，需要采取相应措施保证桥梁结构安全运营。但是，从发现隐患到采取具体加固修补措施之间需要完成维修加固方案的调研、申报以及逐层审批等工作，往往要花费数月甚至一年多时间。在这段空档期内，为了确保问题桥梁的安全运营，有必要实时掌握桥梁结构的运营状态，因此需要增加定期检测的次数。但是，由于这些问题桥梁地处山区丘陵地带，很多都跨越峡谷，人工检测的难度和费用都很高。因此，有必要在这些桥梁出现病害或安全隐患后建立自动化的结构健康监测系统，实时、动态的了解问题桥梁的受力状态，并进行分析和预警。3.2市场需求前景如前所述，中小跨径混凝土桥梁占到桥梁总数的99%，而且随着桥梁结构使用年限、车辆荷载数量和载重量的不断增加，会有越来越多的中小跨径混凝土梁式桥出现不同程度的病害，届时桥梁管理部门如果仍然仅仅依赖人工检测手段来获取和掌握桥梁结构的手里状态信息，则必须要考虑不断提高人工检测的频率，这样必然会导致综合成本（包括人力、物力和财力）的大幅增加。特别是对于那些已检测出存在安全隐患的桥梁，为保证桥梁结构在从发现安全隐患到采取有效维修加固措施这段“真空期”内及时获取关键的结构响应参数等信息，有必要在这些桥梁上建立实用经济的结构健康监测系统。3.3达到的技术水平近些年来，随着越来越多的中小跨径混凝土梁式桥出现不同类型、不同程度的病害甚至垮塌等严重事故，工程界对于中小梁式桥的运营安全问题已非常重视，国内外的众多专家和工程技术人员已经普遍认识到：通过人工检测来掌握桥梁结构的受力状态仅能对明显的桥梁问题作出判断，且存在一定的主观偏差，同时需要高昂的检测费用，因此有必要在中小跨径梁式桥上建立经济实用的结构健康监测系统。但是，具体针对中小跨径梁式桥健康监测系统的研究和开发工作则较少见到报道，关注的焦点仍然集中在特大跨桥梁上。所以，本项目的研究方向和研究内容具有较高的创新性，拟达到的研究成果应该能达到国内领先甚至国际先进水平。3.4国民经济发展中的作用公路桥梁是重要的交通基础设施，也是工程技术发展的重点领域。大型特大型桥梁由