大跨桥梁健康监测与评估 1 目录 1引言2大型桥梁健康监测系统概述3润扬长江大桥实例4结语 2 1引言 自20世纪50年代以来 桥梁健康监测的重要性就逐渐被认识 但受检测 监测手段比较落后的限制 在应用上一直未得到推广和重视 近年来随着大跨径桥梁的轻柔化及形式与功能的复杂化 这项技术成为国内外学术界 工程界的研究热点 许多国家都在一些已建和在建的大跨桥梁上进行了有益的尝试 丹麦曾对总长1726m的Faroe跨海斜拉桥进行施工阶段及通车首年的监测 另 3 外 他们在主跨1624m的GreatBeltEast悬索桥上也开始了相关的尝试 泰国与韩国目前也已开始在重要桥梁上安装永久性的实时结构整体与安全性报警设备 香港的青马大桥 内地的虎门大桥 徐浦大桥 江阴大桥等在施工阶段也已开始传感器的安装 以备将来运营期间的实时监测 这种技术的成功开发与应用将起到确保桥梁安全运营 延长桥梁使用寿命的作用 同时通过早期桥梁病害的发现能大大节约桥梁的维修费用 可以避免最终频繁大修关闭交通所引起的重大损失 4 近年来 国内发生的几起大桥坍塌或局部破坏事故在很大程度上是由于构件疲劳加之监测养护措施跟不上 从而严重影响构件的承重能力和结构的使用 因此 对桥梁结构健康监测非常必要和迫切 5 2大型桥梁健康监测系统概述 2 1组成部分大型桥梁健康监测系统一般应包括以下内容 1 传感系统 由传感器 二次仪表及高可靠性的工控机等部分组成 2 信号采集与处理系统 实现多种信息源 不同物理信号的采集与预处理 并根据系统功能要求对数据进行分解 变换以获取所需要的参数 以一定的形式存储起来 6 3 通信系统 将处理过的数据传输到监控中心 4 监控中心 利用可实现诊断功能的各种软硬件对接收到的数据进行诊断 包括结构是否受到损伤以及损伤位置 损伤程度等 传感器监测到的实时信号 经过采集与处理 由通信系统传送到监控中心进行分析和判断 从而对结构的健康状况作出评估 7 8 2 2监控内容一般大型桥梁健康监测系统对以下几方面进行监控 结构的固定模态及其相对应的结构阻尼 桥梁在正常车辆荷载及风载作用下的结构响应和力学状态 桥梁在突发事件 如强烈地震 意外大风或其它严重事故等 之后的损伤情况 桥梁结构构件的真实疲劳状况 桥梁重要非结构构件 如支座 和附属设施的工作状态 大桥所处的环境条件 如风速 温度 地面运动等 9 2 3监控系统功能大型桥梁因其桥型 重要性 使用年限等因素的不同 其健康监测系统的预期目标也有所不同 以润扬长江大桥为例 该桥健康监测系统主要包括如下几个方面的功能 报告大桥在各种工作环境下的结构载荷变化 设定日常信道报警系统用于桥梁的日常运营管理 报告大桥各主要构件的实际工作状况 为结构维护提供依据 报告大桥主要构件有否任何损坏或者累积性的损伤并设立报警系统 对大桥主要构件有否潜在损坏及其主要构件的剩余使用寿命进行评估 对大桥结构的健康状况 结构安全可靠性进行评估 10 3润扬长江大桥实例 工程简介 润扬长江大桥即镇江 扬州长江公路大桥 润扬长江大桥于2000年10月20日开工建设 她跨江连岛 北起扬州 南接镇江 全长35 66公里 主线采用双向6车道高速公路标准 设计时速100公里 工程总投资约53亿元 工期5年 2005年10月1日前建成通车 润扬大桥连接京沪 宁沪 宁杭三条高速公路 并使这三条高速公路和312国道 同三国道主干线 上海至成都国道主干线互连互通 成为长江三角地区又一重要的路网枢纽 该项目主要由南汊悬索桥和北汊斜拉桥组成 南汊桥主桥 11 是钢箱梁悬索桥 索塔高209 9m 两根主缆直径为0 868m 跨径布置为470m 1490m 470m 北汊桥是主双塔双索面钢箱梁斜拉桥 跨径布置为175 4m 406m 175 4m 倒Y型索塔高146 9m 钢绞线斜拉索 钢箱梁桥面宽 该桥主跨径1385m比江阴长江大桥长105m 12 13 14 15 3 1主梁线形的测量 关于主梁线形 竖向 横向 纵向的位移 的监测 目前常用的方法是光电测距 EDM 和GPS方法 润扬大桥所处的江面较宽 时常出现大风 大雾和雨雪等天气 这些因素会严重影响测量 而采用GPS技术进行主梁线形的监测可以避免以上问题 对于润扬长江大桥南汊桥在主跨中间和四分点处的两侧共设6个测点 GPS接收机用特制的密封盒固定在箱梁外侧底板边缘处 斜拉桥亦采用GPS技术进行线形测量 在斜拉桥上分别设8个测点 主跨跨中和四分点处共6个测点 索塔各一个测点 16 3 2大桥钢索索力的监测大桥钢索索力状态 悬索桥主缆 吊索 斜拉索等 是衡量大桥是否处于正常运行状态的一个重要标志 目前 可采用光纤传感器 电阻应变仪 钢丝振弦应变仪 磁致弹性测力仪 振动方法等进行缆索拉力的测量或监测 主缆采用磁致弹性测力仪的直接方法进行连续监测 同时采用振动方法进行间接检测 确保检测可靠性 监测点设在4个锚室内 分别在每个锚室的上端 下端 左侧 右侧 中间索股进行主缆内力监测 17 3 3振动监测桥梁结构的受损和安全性降低主要是由于桥梁主要构件和结构的疲劳损伤的累积结果 而桥梁结构疲劳损伤主要是由于动荷载作用下的交变应力作用的结果 对于悬吊支承结构的桥梁 其悬吊体系 悬索桥的主缆和吊索 斜拉桥的斜拉索 不仅影响主梁结构的动力特性和受力特性 而且其本身在交变应力与环境腐蚀的相互作用下是导致疲劳和锈蚀损伤扩展的重要原因之一 18 振动特性的监测可采用加速度传感器来实现 但是由于索塔 钢箱梁 主缆 吊索 斜拉索各自的固有振动特性不同 因此在选择传感器时要充分考虑传感器的技术性能 频率范围 灵敏度 采样特性等 19 3 4主梁应力监测监测主梁应力的目的在于通过对主梁结构的控制部位和重点部位内力的监测 研究主梁结构的内力分布 局部结构及连结处在各种载荷下的响应 为结构损伤识别 疲劳损伤寿命评估和结构状态评估提供依据 同时 通过控制点上的应力和应变状态的变异 检查结构是否有损坏或潜在损坏的状态 一般的应力应变监测采用电阻应变传感器 但电阻式应变仪的零漂 接触电阻变化以及温漂等给系统带来一定的误差 且电阻式应变传感器的寿命较短 故从长期监测和信号传输等方面考虑 20 宜采用 或部分采用 适合长期监测用的光纤传感器 润扬长江大桥结构健康监测系统设计中采用了光纤传感器与电测方法相结合的应力应变监测方法 21 3 5温度监测通过对桥梁温度场分布状况的监测 可为桥梁设计中温度影响的计算分析提供原始依据 对不同温度状态下桥梁的工作状态变化 如桥梁变形 应力变化等进行比较和定量分析 对于桥梁设计理论的验证和完善均有积极意义 温度传感器在桥梁上沿主梁横断面布置 在系统中采用数字式温度传感器 构成的单线多点温度测量系统进行桥梁结构温度分布状况的监测 各温度传感器以并联方式与网络节点连接 通过网络总线实现与计算机进行通信 对温度的自动远程监测 22 3 6润扬大桥斜拉桥和悬索桥结构健康监测系统测点布置图 23 24 4结语 4 1利用振动模态测试分析技术和系统识别理论 结合大型桥梁结构自身的特点 探索适用于大型土木工程结构的模型修正方法 4 2寻求通用的损伤量化指标 在基于振动的故障诊断和预测中 要求不论信号的来源和频段 经过信号处理后 即可根据识别出的信号来判断结构是否处于损伤状态 因此 应该设计一种损伤尺度 将结构损伤程度进行分级量化 25 4 3新型传感器和激振器的研制 新型传感器的使用 使得原本没有生命的桥梁被赋予了自感知和自诊断的能力 其中包括光纤传感器 压电传感器 形状记忆合金传感器以及微型激振器等 4 4传感器的最优布置技术 结构模型试验和在线监测都需要对传感器的最优布置技术进行研究 26 可以相信 随着大型结构健康监测和安全评估的理论和技术水平的不断完善与提高 大跨桥梁结构健康监测系统必将为大跨桥梁的正常运营和维护提供可靠 先进的技术手段 从而确保大跨桥梁的安全性和耐久性 27 参考文献 1 杨玉成 多层砖房的地震破坏和抗裂抗倒设计 M 北京 地震出版社 1981 2 沙安 建筑抗震设计规范 GB50011 2001 问答 4 J 工程抗震 2002 4 43 45 3 常业军 合肥市多层砌体结构房屋震害预测 J 建筑技术 2003 11 841 842 4 建筑抗震设计规范 GB50011 2001 5 北京 中国建筑工业出版社 2001 5 WangHao LiAi qun MiaoChang qing FEModelandModelUpdatingofRunyangSuspensionBridge The2ndInterna2tionalConferenceonStructuralHealthMonitoringofIntelligentInfrastructure Shenzhen P R ofChina 2005 6 GuoTong LiAi qun MiaoChang qing Combinednu2mericalsimulationmethodanditsapplicationinprobabilityanalysisofRunyangbridge The2ndInternationalConferenceonStructuralHealthMonitoringofIntelligentInfrastructure Shenzhen P R ofChina 2005 7 赵国藩 金伟良 贡金鑫 结 28 谢谢 29