大型桥梁健康监测概念与设计

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1、大型桥梁健康监测概念与设计一、桥梁健康监测系统与理论发展简况1.监测系统80年代中后期开始建立各种规模的桥梁健康监测系统。例如，英国在总长522m的三跨变高度连续钢箱梁桥Foyle桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场。该系统是最早安装的较为完整的监测系统z—,它实现了实时监测、实时分析和数据网络共享。建立健康监测系统的典型桥梁述有挪威的Skarnsundet斜拉桥（主跨530m）、美国主跨440m的SunshineSkywayBridge斜拉桥、丹麦主跨1624m的GreatBeltEast悬索桥、英国主跨194

2、m的Flintshire独塔斜拉桥以及加拿大的ConfederatiotBridge桥。我国自90年代起也在一些大型重要桥梁上建立了不同规模的结构监测系统，如香港的青马大桥、汲水门人桥和汀九大桥，内地的上海徐浦大桥以及江阴长江大桥等。从已经建立的监测系统的监测目标、功能以及系统运行等方面看，这些监测系统具有以下一些共同特点：（1）通常测量结构各种响应的传感装置获取反映结构行为的各种记录;（2）除监测结构木身的状态和行为以外，还强度对结构环境条件（如风、车辆荷载等）的监测和记录分析；同时，试图通过桥梁在正常车辆与风载下的动力响应来建立结构的“指纹”，并藉此开发实时的结构整体性与安全性

3、评估技术；（3）在通车运营后连续或间断地监测结构状态，力求获取的大桥结构信息连续而完整。某些桥梁监测传感器在桥梁施工阶段即开始工作并用于监控施工质量；（4）监测系统具有快速大容量的信息采集、通讯与处理能力，并实现数据的网络共亨。这些特点使得大跨度桥梁健康监测区别于传统的桥梁检测过程。另外需要指出的是，桥梁健康监测的对象已不再局限于结构木身：一些重耍辅助设施的工作状态也已纳入长期监测的范围（如斜拉索振动控制装置等）。2.理论研究I•多年来，桥梁健康监测理论的研究主要集中于结构整体性评估和损伤识别。由于基于振动信息的整体性评估技术在航天、机械等领域的深入研究和运用，这类技术被用于土木结

4、构中除无损检测技术以外的最重耍的整体性评估方法并得到广泛的研究。人们致力于基于振动测量值的整体性评估方法研究的另一个原因是，结构振动信息可以在桥梁运营过程中利用环境振动法获得，因此这一方法具有实时监测的潜力。结构整体性评估方法可以归结为模式识别法、系统识别法以及神经网络方法三大类。结构模态参数常被用作结构的指纹特征，也是系统识别方法和神经网络法的主要输入信息。另外，基于结构应变模态、应变曲率以及其他静力响应的评估方法也在不同程度上显示了各自的检伤能力。然而，尽管某些整体性评估技术已在一些简单结构上有成功的例了，但还不能可靠地应用于复杂结构。阻碍这一技术进入实用的原因主要包括：①结构

5、与环境屮的不确定性和非结构因素影响；②测量信息不完备；③测量精度不足和测量信号噪声；④桥梁结构赘余度大并且测量信号对结构局部损伤不敏感。另外，从评估方法上，口前对大跨度桥梁的安全评估基木上仍然沿袭常规中小桥梁的定级评估方法，是i种主要围绕结构的外观状态和正常使用性能进行的定性、粗浅的安全评价。二、桥梁健康监测新概念桥梁健康监测的基木内涵即是通过对桥梁结构状态的监控与评估，为人桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，为桥梁维护潍修与管理决策提供依据和指导。为此，监测系统对以卜•几个方面进行监控：桥梁结构在正常环境与交通条件下运营的物理与力学状态；桥梁重要非结构构

6、件（加支座）和附属设施（如振动控制元件）的工作状态;结构构件耐久性;大桥所处环境条件等等。与传统的检测技术不同，大型桥梁健丿隶监测不仅要求在测试上具有快速大容量的信息采集与通讯能力，而且力求对结构整体行为的实吋监控和对结构状态的智能化评估。然而，桥梁结构健康监测不仅仅只是为了结构状态监控与评估。由于大型桥梁（尤其是斜拉桥、悬索桥）的力学和结构特点以及所处的特定环境，在大桥设计阶段完全棠握和预测结构的力学特性和行为是非常困难的。大跨度索交承桥梁的设计依赖于理论分析并过风洞、振动台模拟试验预测桥梁的动力性能并验证其动力安全性。然而，结构理论分析常基于理想化的有限兀离散模型，并且分析时常

7、以很多假定条件为前提。在进行风洞或振动台试验时对大桥的风环境和地面运动的模拟也可能与真实桥位的坏境不全相符。因此，通过桥梁健康监测所获得的实际结构的动静力行为来验证大桥的理论模型、计算假定具有重要的意义。事实上，国外一些重耍桥梁在建立健康监测系统时都强调利用监测信息验证结构的设计。桥梁健康监测信息反馈于结构设计的更深远的意义在于，结构设计方法与相应的规范标准等可能得以改进；并冃.，对桥梁在各种交通条件和自然环境下的真实行为的理解以及对坏境荷载的合理建模是将来实现桥-q