橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測與預(yù)警[詳細(xì)]

1、橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測與預(yù)警,孫利民，淡丹輝，閔志華，聶功武 同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實驗室 2011年5月27日，重慶,主要內(nèi)容,引言 橋梁安全運(yùn)營養(yǎng)護(hù)管理技術(shù) 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與預(yù)警技術(shù) 工程實例介紹 結(jié)語,橋梁結(jié)構(gòu)安全的重要意義,公路網(wǎng)是保障國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和民生的重要社會基礎(chǔ)設(shè)施。橋梁是這一生命線工程的重要組成部分。 橋梁結(jié)構(gòu)在服役過程中受到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、施工質(zhì)量、材料退化、交通負(fù)荷、極端荷載和偶然事故等各種內(nèi)外因素的作用和影響，其結(jié)構(gòu)安全性如不能得到完全保障，將危機(jī)人民生命財產(chǎn)安全國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)。,我國公路橋梁的發(fā)展,截止至2010年底 我國公路橋梁總數(shù)到達(dá)65萬座 公路橋梁總里程達(dá)到210萬

2、延米 超過美國成為世界上最大的公路橋梁國家 經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展期的基礎(chǔ)建設(shè)量大、集中、質(zhì)低的特點(diǎn)給結(jié)構(gòu)安全管理帶來諸多難題,橋梁養(yǎng)護(hù)管理需求,橋梁使用超過25年即進(jìn)入性能加速退化期 美日等過在20-30年間建設(shè)橋梁占到總橋梁數(shù)的70%，在其后的20-30年迎來巨大的橋梁養(yǎng)護(hù)工作 我國橋梁中的40%屬于“老齡”橋梁 2004年全國普查出危橋1萬3千余座，總長47萬延米 橋梁結(jié)構(gòu)維修、加固和重建費(fèi)用巨大且逐年增加,橋梁養(yǎng)護(hù)管理需求,美國總計約7萬多座橋梁退化為缺損橋梁，每年維修資金30億美元 法國、德國和挪威，缺損橋梁比例分別達(dá)到39%、37%和26% 歐洲各國用于橋梁維修費(fèi)用占橋梁重建費(fèi)用的0.5%1

3、%，而在美國紐約，這個比例高達(dá)8.5%,橋梁養(yǎng)護(hù)管理：橋梁結(jié)構(gòu)作為重大社會基礎(chǔ)設(shè)施，其服役期甚至超過經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展持續(xù)期。采用先進(jìn)技術(shù)、高效合理地規(guī)劃利用有限資源，對基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行養(yǎng)護(hù)管理以保障結(jié)構(gòu)在壽命期內(nèi)的安全成為重要的社會需求,橋梁結(jié)構(gòu)安全的重要意義,我國橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工技術(shù)隨著設(shè)計規(guī)范、分析計算、施工機(jī)械、施工工藝、施工監(jiān)控等技術(shù)的進(jìn)步而得到了較快的提升，可以適應(yīng)橋梁安全的基本需求 但由于我國普遍存在“重建設(shè)，輕管養(yǎng)”的傾向，國內(nèi)近年來在橋梁安全管養(yǎng)技術(shù)方面的發(fā)展和進(jìn)步，遠(yuǎn)不能適應(yīng)我國橋梁全壽命安全管養(yǎng)的實際需求,橋梁結(jié)構(gòu)安全保障技術(shù)：廣義上包括在橋梁整個生命期內(nèi)與安全性相關(guān)的規(guī)劃、設(shè)

4、計、施工、管養(yǎng)和拆除等技術(shù),保障橋梁結(jié)構(gòu)全壽命安全,加強(qiáng)研究考慮橋梁規(guī)劃、設(shè)計、施工、運(yùn)營和拆除等各階段不同因素影響下的橋梁全壽命安全設(shè)計理論體系和方法 加強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)安全關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，包括： 針對典型結(jié)構(gòu)、重要結(jié)構(gòu)及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行實時監(jiān)測和預(yù)警的技術(shù)； 結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測出現(xiàn)警報或到達(dá)規(guī)定檢測年限時的檢測和安全評估技術(shù)； 結(jié)構(gòu)安全性不能滿足要求時需要采用的維修加固技術(shù) 建立國家橋梁數(shù)據(jù)庫和安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)體系，為制定國家橋梁結(jié)構(gòu)安全策略提供依據(jù),主要內(nèi)容,引言 橋梁安全運(yùn)營養(yǎng)護(hù)管理技術(shù) 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與預(yù)警技術(shù) 工程實例介紹 結(jié)語,橋梁運(yùn)營中面臨的問題,國內(nèi)“重建設(shè)、輕管養(yǎng)”的現(xiàn)象十分普遍 橋梁

5、的管理模式和維護(hù)措施方面存在諸多問題,經(jīng)驗與教訓(xùn),2004年 遼寧莊臺大橋因汽車超載落梁,2007年 廣州九江大橋615船撞事故,面臨的問題,超載問題 耐久性問題（鋼筋腐蝕、凍融循環(huán)、堿骨料反應(yīng)等） 疲勞問題 突發(fā)事件（車船撞擊、地震、颶風(fēng)等） 養(yǎng)護(hù)資金緊缺、缺乏有效的管理,因此，需對橋梁采取有效的檢測與評估、監(jiān)測與預(yù)警、維修與管理等技術(shù)措施，以降低運(yùn)營成本、延長橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命、保障交通通暢,主要內(nèi)容,引言 橋梁安全運(yùn)營養(yǎng)護(hù)管理技術(shù) 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與預(yù)警技術(shù) 工程實例介紹 結(jié)語,橋梁管理系統(tǒng)與巡檢養(yǎng)護(hù),橋梁養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)：關(guān)于橋梁基本數(shù)據(jù)、橋梁檢測、橋梁狀況評估、橋梁結(jié)構(gòu)退化預(yù)測、橋梁養(yǎng)護(hù)

6、維護(hù)策略和管理計劃及經(jīng)濟(jì)分析的計算機(jī)信息系統(tǒng)。,橋梁管理系統(tǒng)的發(fā)展,橋梁管理系統(tǒng)的發(fā)展,國內(nèi)橋梁養(yǎng)護(hù)現(xiàn)狀,對橋梁養(yǎng)護(hù)維修知識不足 近年道路建設(shè)規(guī)模大、管養(yǎng)資金緊張 目前，橋梁養(yǎng)護(hù)管理工作基本上還停留在建立技術(shù)檔案、清掃橋梁、疏通泄水管、修復(fù)損壞的欄桿和橋面鋪裝 即使進(jìn)行檢查，主要也是人工目測或借助儀器檢測等巡檢養(yǎng)護(hù)措施。,傳統(tǒng)的橋梁管養(yǎng)系統(tǒng)存在的問題,橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng),結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)：基于傳感、信息、結(jié)構(gòu)分析技術(shù)的自動監(jiān)測與評估系統(tǒng)。從營運(yùn)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)中獲取并處理數(shù)據(jù)，以評價結(jié)構(gòu)的主要性能指標(biāo)的有效方法。它結(jié)合了無損檢測和結(jié)構(gòu)特性分析，可以診斷結(jié)構(gòu)中的損傷發(fā)生及其位置，估計損傷的程度及其對

7、結(jié)構(gòu)造成的影響,首個橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng) 1987年，英國在總長522 m的3跨變高度連續(xù)鋼梁Foyle橋上布設(shè)傳感器，以監(jiān)測在荷載作用下大橋運(yùn)營階段的動力響應(yīng),橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展,橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)在我國的應(yīng)用,我國在這一領(lǐng)域的研究雖然起步稍晚，但進(jìn)步很快 從早期香港的青馬大橋，再到內(nèi)地的虎門大橋、江陰長江大橋、東海大橋、蘇通大橋等，短短數(shù)十年，我國已安裝規(guī)模不等的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的各類橋梁已達(dá)140余座 這些先后建成的健康監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)過若干年的運(yùn)行已積累了大量的寶貴數(shù)據(jù)，如何有效利用這些數(shù)據(jù)是今后需要研究的重要課題,橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評估方法,基于外觀調(diào)查的方法 應(yīng)用于公路及城市橋梁養(yǎng)護(hù)

8、規(guī)范的評定方法、美國的LFR和LRFR體系 其評定結(jié)果過度依賴評估工程師的經(jīng)驗，受主觀因素的影響 以分析計算為主的方法 通過橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析對橋梁的技術(shù)等級進(jìn)行評定，更具有科學(xué)性 難以準(zhǔn)確建立在役橋梁的計算模型，評定結(jié)果可能與實橋情況有較大出入 荷載試驗法 評估橋梁安全狀態(tài)特別是承載能力的最有效、最直接方法 但其直接費(fèi)用高，且實施過程中需要中斷交通,基于健康監(jiān)測的橋梁安全評定,基于健康監(jiān)測的橋梁安全評定的基本思路：首先根據(jù)橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)對橋梁結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)行識別，然后，在此基礎(chǔ)上再對橋梁的安全狀態(tài)做出評定 結(jié)構(gòu)損傷識別理論方法：動力指紋分析方法、模型修正方法、人工智能方法、以及近年來提出的小波

9、變換和希黃變換等新的數(shù)據(jù)分析方法等 結(jié)構(gòu)安全評定方法：可靠度理論、層次分析法、以及結(jié)合經(jīng)驗的專家系統(tǒng)等方法,結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中評估子系統(tǒng),在線評估系統(tǒng) 可以根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對橋梁的狀態(tài)進(jìn)行實時的在線評定，在有必要時發(fā)出不同級別的結(jié)構(gòu)安全預(yù)警 相關(guān)理論還不夠成熟，在線評估結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性還不能令人滿意 離線評估系統(tǒng) 不僅依據(jù)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，同時還要結(jié)合人工檢測等其他渠道的信息，可以得到更高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)安全評定結(jié)果。及時采用最新的分析方法和技術(shù) 難以做到實時評估，只能給出中長期的結(jié)構(gòu)安全預(yù)警或趨勢判斷。需要強(qiáng)有的技術(shù)團(tuán)隊支持,橋梁健康監(jiān)測技術(shù)所面臨的問題,主要內(nèi)容,引言 橋梁安全運(yùn)營養(yǎng)護(hù)管理

10、技術(shù) 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與預(yù)警技術(shù) 工程實例介紹 結(jié)語,健康監(jiān)測系統(tǒng)與巡檢養(yǎng)護(hù)的融合,已有的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中，多數(shù)為獨(dú)立建立的系統(tǒng)，沒有綜合考慮橋梁養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)。 由于系統(tǒng)規(guī)模以及傳感器布設(shè)等方面的限制，僅依靠實時監(jiān)測系統(tǒng)本身采集的數(shù)據(jù)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估是不完整的，同時對橋梁結(jié)構(gòu)在復(fù)雜環(huán)境及荷載作用下的響應(yīng)的認(rèn)識和經(jīng)驗的不足，難以給出準(zhǔn)確有效的預(yù)警模式。 因此必須將傳統(tǒng)的巡檢養(yǎng)護(hù)措施與先進(jìn)的健康監(jiān)測系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，以期消除現(xiàn)存檢測、監(jiān)測方法中的諸多不足，綜合傳統(tǒng)巡檢養(yǎng)護(hù)方法與先進(jìn)的健康監(jiān)測技術(shù)的長處。,南京長江第三大橋,南京長江第三大橋的養(yǎng)護(hù)管理采用“結(jié)構(gòu)健康安全監(jiān)測及綜合管理系統(tǒng)”。橋梁結(jié)構(gòu)安

11、全監(jiān)測及綜合管理系統(tǒng)主要包括安全監(jiān)測系統(tǒng)與橋梁日常養(yǎng)護(hù)管理兩部分：,結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測對象為主體受力結(jié)構(gòu)，監(jiān)測目的是保障結(jié)構(gòu)安全承載 日常管理養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)監(jiān)測對象為橋梁上的非結(jié)構(gòu)物或附屬結(jié)構(gòu)，監(jiān)測目標(biāo)是保障非結(jié)構(gòu)物及附屬構(gòu)造能夠得到合理的維護(hù),南京長江第三大橋,橋梁日常養(yǎng)護(hù)管理由電子化巡警管理子系統(tǒng)完成，采用Aditam公司的ScanPrint 其余子系統(tǒng)則組成一個典型的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，用于連續(xù)實時地監(jiān)測橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài),存在的不足,ScanPrint為單機(jī)版程序，其數(shù)據(jù)庫無法與安全健康監(jiān)測系統(tǒng)共享，僅為避免數(shù)據(jù)冗余而根據(jù)需求分配兩個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲內(nèi)容。 因此雖然橋梁的日常養(yǎng)護(hù)管理采用

12、了先進(jìn)的電子化巡警養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，有利于巡檢結(jié)果的量化與系統(tǒng)管理。然而由于系統(tǒng)本身的限制，巡檢養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)無法根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展與監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行交互，監(jiān)測系統(tǒng)無法利用巡檢養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，從而使得日常養(yǎng)護(hù)管理與實時監(jiān)測系統(tǒng)實際上完全獨(dú)立，并沒有達(dá)到最初融合兩個系統(tǒng)的設(shè)想,東海大橋,東海大橋跨徑長、規(guī)模龐大且組成復(fù)雜，傳統(tǒng)的依靠人工的巡檢養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)難以滿足橋梁的運(yùn)營管理要求。 采用了基于人工巡檢的傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)以及基于監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁養(yǎng)護(hù)相結(jié)合的養(yǎng)護(hù)策略，將實時監(jiān)測、定期檢測以及人工檢查相結(jié)合，系統(tǒng)全面地掌握大橋的工作狀態(tài)。 利用監(jiān)測系統(tǒng)獲得的實時數(shù)據(jù)，并結(jié)合巡檢養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果，對橋梁的局部與整體的工作狀態(tài)做出合理評

13、估，為大橋的養(yǎng)護(hù)和管理提供科學(xué)依據(jù)，以保證大橋的安全運(yùn)營,東海大橋,存在的不足,然而由于人工巡檢的結(jié)果被表達(dá)為對構(gòu)件健康狀況的描述，檢測周期相對于實時監(jiān)測過長且不具規(guī)律性，因此難以與監(jiān)測系統(tǒng)的實時量化數(shù)據(jù)融合，因此東海大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫僅存儲了人工巡檢結(jié)果報表，而并未將這些結(jié)果應(yīng)用到結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估中。 同時，當(dāng)前東海大橋仍處于運(yùn)營初期，各項性能指標(biāo)還處于相對的安全狀態(tài)，監(jiān)測系統(tǒng)還未建立起準(zhǔn)確有效的預(yù)警模式。,蘇通大橋,蘇通大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和安全評估系統(tǒng)利用傳統(tǒng)的巡檢養(yǎng)護(hù)管理工作及時發(fā)現(xiàn)一些實時健康監(jiān)測系統(tǒng)沒有或無法監(jiān)測到的結(jié)構(gòu)缺陷、材料退化或裂縫 將這些人工巡檢結(jié)果輸入監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫

14、，更新結(jié)構(gòu)的有限元模型（如剛度、材料特性、構(gòu)件尺寸、缺陷或損傷等），以提高結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評估的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。,蘇通大橋,存在的問題,結(jié)構(gòu)損傷識別以及健康狀態(tài)評估是橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心內(nèi)容，并為橋梁的養(yǎng)護(hù)管理提供依據(jù)。而這也是當(dāng)前橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)急需解決的核心問題。 雖然可以根據(jù)日常的人工巡檢結(jié)果引入健康監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估，更新結(jié)構(gòu)的有限元模型，然而由于橋梁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和不確定性，加之難以給定準(zhǔn)確的邊界條件以及荷載模型，實時監(jiān)測系統(tǒng)與日常的養(yǎng)護(hù)依然脫節(jié)，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)依然游離于橋梁的養(yǎng)護(hù)管理之外。,廣東九江大橋,2007年6月15日凌晨被偏離主航道誤入非通航孔的船舶撞擊，導(dǎo)致引橋22號墩26號墩之間4跨近200m長的橋梁上部結(jié)構(gòu)梁體坍塌。 九江大橋于2010年修復(fù)，修復(fù)后的九江大橋除安裝了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)外，還特別針對船撞問題，研發(fā)了橋區(qū)防船撞監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。應(yīng)用視頻監(jiān)測技術(shù)，實時捕捉進(jìn)入危險區(qū)的船舶，及時通過光、聲、廣播等方式發(fā)出警告，避免撞橋事故發(fā)生。此外，還探討了對航行船舶航跡進(jìn)行預(yù)測，更主動地防范船撞橋事故的方式,九江大橋“橋區(qū)防船撞監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)”,九江大橋“橋區(qū)防船撞監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)”,請參考明天論文介紹： 淡丹輝等“航道橋梁主動防船撞預(yù)警系統(tǒng)研究” 閔志華等“九江