超大跨徑橋梁結構健康監(jiān)測關鍵技術

1、超大跨徑橋梁結構健康監(jiān)測關鍵技術2017年度湖南省科技進步獎項目公示材料一、項目名稱：超大跨徑橋梁結構健康監(jiān)測關鍵技術二、項目簡介橋梁是公路交通的重要節(jié)點，而超大跨徑橋梁由于結構形式與結構安全的重要性，成為交通線路的重中之中。大橋在投入使用后，不可避免地會受到外界因素（自然災害、外荷載等）的影響，造成結構安全隱患，最終影響社會經濟發(fā)展和人民生命財產的安全。超大跨徑橋梁結構健康監(jiān)測關鍵技術主要以矮寨特大懸索橋（吉茶高速公路控制性工程，創(chuàng)造了最大峽谷跨徑、塔梁完全分離結構設計、軌索滑移法架梁以及巖錨吊索結構四項世界第一）為工程依托，在課題組累積的前期研究基礎之上，從監(jiān)測系統(tǒng)整體效能優(yōu)化設計、健康監(jiān)

2、測元器件開發(fā)、結構損傷分析與評估等方面開展了深入系統(tǒng)的研究，主要內容及創(chuàng)新點包括：（ 1）針對橋梁健康監(jiān)測與評估系統(tǒng)功能劃分不明確、系統(tǒng)框架不完全等問題，結合現(xiàn)代計算機通信技術，提出了基于網(wǎng)格的超大跨徑橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)。對橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)中評估分析模塊效率低、系統(tǒng)間存在信息孤島等問題進行了優(yōu)化，最終實現(xiàn)健康監(jiān)測系統(tǒng)評估功能共享。（ 2）針對超大跨徑橋梁監(jiān)測任務點繁多，數(shù)據(jù)量大等問題，以K-L信息距離為理論基礎，提出了K-L信息距離準則。利用該準則研究了超大跨徑橋梁傳感器優(yōu)化布置方法，達到用最少測點監(jiān)測橋梁全面狀態(tài)的目的。（ 3）研究了超大跨徑橋梁有限元模型修正方法，提出了基于徑向基函數(shù)

3、的橋梁有限元模型修正方法，避免了傳統(tǒng)的矩陣型和參數(shù)型模型修正中修正目標眾多、監(jiān)測自由度與有限元模型自由度不匹配的問題。（ 4）根據(jù)橋梁的損傷機理與車勻速過橋時與橋梁的耦合特性，提出了基于動能能量比和小波包能量比邊緣算子的橋梁結構損傷識別方法。（ 5）提出了基于健康監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁拉索疲勞壽命預測方法，研發(fā)了低功耗便攜式索力在線監(jiān)測設備等橋梁結構監(jiān)測元器件。（ 6）研發(fā)了超大跨徑橋梁結構健康監(jiān)測綜合系統(tǒng)，編制了湖南省橋梁隧道結構健康監(jiān)測與服務技術規(guī)程?；诒卷椖康难芯?，在國內外核心期刊發(fā)表論文16篇(SCI收錄6篇)；已獲得國家發(fā)明專利3項、實用新型專利2項，軟件著作權1項，并有多項專利正在申報；

4、培養(yǎng)碩士研究生16名，博士研究生6名。項目研究成果經以院士為組長的專家組鑒定為國際領先水平?，F(xiàn)已在吉茶高速公路矮寨大橋、洞庭湖大橋、溫州東甌大橋、溫州77省道公路橋梁等國內數(shù)十座橋梁得到成功應用，成果轉化的產值達3000余萬，為應用單位節(jié)省橋梁管養(yǎng)經費1700余萬，產生了顯著的社會經濟效益。并且能繼續(xù)推動我省乃至全國橋梁結構健康監(jiān)測技術研究與應用的持續(xù)發(fā)展，進一步促進科研隊伍的發(fā)展與壯大，促進相關產業(yè)的發(fā)展。三、客觀評價（ 1)項目鑒定情況2015年1月17日，湖南省交通運輸廳在長沙組織召開了吉茶高速公路矮寨大橋橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)研究及開發(fā)成果鑒定會，以奧地利科學院、中國工程院兩院院士楊永斌

5、為組長的鑒定委員會專家聽取了項目組的匯報，通過評審之后一致認為該項目研究具有創(chuàng)新性，尤其是基于網(wǎng)格的橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)以及超大跨徑橋梁模型修正、傳感器布置優(yōu)化方法為首次提出。研究成果總體上達到了國際領先水平。（ 2)項目依托工程：矮寨大橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)運行用戶意見本項目的主要依托工程一一吉茶高速公路矮寨大橋橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)于2012年11月完成調試并進行正常運行階段。到目前為止，該系統(tǒng)各軟、硬件運行正常、穩(wěn)定，均能滿足設計要求，監(jiān)測系統(tǒng)也為橋梁運營提供了必要的技術支持，證明了本項目成果的適用性和先進性。（ 3)科技查新結論通過在國內外各類文獻數(shù)據(jù)庫、專利數(shù)據(jù)庫和成果數(shù)據(jù)庫中對相關內容的

6、檢索表明，本項目研究成果與國內外同類研究相比，具備以下特點：（ 1)項目組提出的基于網(wǎng)格的橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)國內外沒有相關文獻報道，該成果的應用優(yōu)化了結構健康監(jiān)測系統(tǒng)中評估分析模塊效率低等問題。（ 2）國內外有基于人工智能算法的多目標優(yōu)化算法等橋梁模型修正技術方法的研究，但沒有基于徑向基函數(shù)響應面法的模型修正技術的相關報道，采用徑向基函數(shù)響應面法修正模型具有更高的精度和準確性。（ 3）國內外有基于遺傳算法和退火算法的橋梁布點優(yōu)化研究，但沒有基于K-L信息距離準則的懸索橋傳感器布點優(yōu)化研究的相關報道。（ 4）針對橋梁結構損傷識別技術的研究當中，基于動能能量比和小波包邊緣算子的結構損傷診斷方法，

7、是基于車過橋振動響應信號的基礎上所提出的。能夠精確識別結構損傷的發(fā)生、損傷位置及損傷程度。（ 5）提出了基于健康監(jiān)測系統(tǒng)的拉索疲勞壽命預測方法，研發(fā)了低功耗便攜式索力在線監(jiān)測設備。四、推廣應用情況本項目立足于當前橋梁結構健康監(jiān)測技術亟待解決的問題，將網(wǎng)格技術、傳感器優(yōu)化布設技術、模型修正技術、基于移動荷載的結構損傷診斷技術以及基于自動監(jiān)測與人工檢測相結合策略的監(jiān)測策略應用到超大跨徑橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究與開發(fā)中。研究成果應用可行性強，具有較高的成熟度，能夠實現(xiàn)橋梁的按需維護，避免維護不當造成的浪費，還能夠保障橋梁的及時科學維護避免重大事故的發(fā)生。目前，技術成果已在矮寨大橋、洞庭湖大橋等國內

8、多座橋梁得到應用，創(chuàng)造了顯著的經濟效益。序號應用單位名稱應用技術應用起止時間應用單位聯(lián)系人/電話1矮寨大橋橋隧管理所矮寨大橋橋梁結構健康監(jiān)測綜合系統(tǒng)至今張永健2現(xiàn)代投資股份有限公司長沙分公司基于網(wǎng)格的橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)（瀏陽河大橋）至今張蓉3現(xiàn)代投資股份有限公司長沙分公司基于網(wǎng)格的橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)（新屋天橋）至今張蓉4現(xiàn)代投資股份有限公司長沙分公司潭耒分公司洙水大橋橋梁結構健康監(jiān)測綜合系統(tǒng)至今黃寧5岳陽市洞庭湖大橋管理局基于網(wǎng)格的橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)、結構損傷識別技術至今伏曉寧6湘西土家族苗族自治州公路管理局古女王村大橋橋梁結構健康監(jiān)測綜合系統(tǒng)至今彭華7邵陽市公用事業(yè)基礎設施建設有限公司

9、西湖大橋橋梁結構健康監(jiān)測綜合系統(tǒng)至今曾國洪五、主要知識產權證明目錄知識產權類別知識產權具體名稱國家（地區(qū)）授權號授權日期證書編號權利人發(fā)明人發(fā)明專利功效狀態(tài)發(fā)明專利權可拆卸式剛性轉柔性光纖傳感器及其布設方法中國2013年01月30日1130748大連理工年周智；黃明華；何建平；歐進萍啟效專利發(fā)明專利權一種纖維增強塑料智能錨桿中國2013年01月30日1130436大連理工年周智；黃明華；何建平；歐進萍啟效專利實用新型專利權一種基于電壓補償?shù)膽儾杉到y(tǒng)中國2012年11月28日2530144湖南省交通科學研究院胡柏學；楊春林；歐建平；曾威；黃浩；羅陽青；周斌啟效專利實用新型專利權低功耗便在線監(jiān)

10、測設備中國2014年10月15日3857631哈爾濱工F帆智慧信息技術有限公司李宏偉；石勝飛啟效專利計算機軟件著作權無線動態(tài)采集系統(tǒng)嵌入式軟件中國2012SR0253592012年03月31日0393395湖南省交通科學研究院胡柏學；曾威；歐建平；黃浩；羅陽青啟效專利六、主要完成人情況姓名排名行政職務技術職稱工作單位完成單位對本項目技術創(chuàng)造性貢獻胡柏學1院副總工研究員級湖南省交通科學研究院有限公司湖南省交通科學研究院有限公司項目總負責人，提出總方案并組織實施，同時負責協(xié)調項目承擔單位和項目參與單位之間技術成果的溝通與組織協(xié)調。在技術研發(fā)工作中投入的工作量占工作總量的50%為項目創(chuàng)新點4、5和6

11、的完成作出了突出貢獻。提出將項目研究成果融入到矮寨大橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的思路。于德介2校長助理教授湖用大學湖用大學在技術研發(fā)工作中投入的工作量占工作總量的40%為項目創(chuàng)新點1和4的完成作出了突出貢獻。提出了基于網(wǎng)格的橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的構架，對健康監(jiān)測系統(tǒng)中評估分析模塊效率低、各系統(tǒng)相對孤立等問題進行了優(yōu)化。同時，針對超大跨徑橋梁在運營期間可能出現(xiàn)的結構損傷，研究了新的損傷診斷、識別方法。賀淑龍3總監(jiān)教授級高工湖南省高速公路建設開發(fā)總公司湖南省高速公路建設開發(fā)總公司為項目主要依托工程矮寨特大懸索橋成果應用現(xiàn)場指揮，在技術研發(fā)工作中投入的工作量占工作總量的50%為項目創(chuàng)新點5和6的完成作出了突

12、出貢獻。主要負責了技術成果現(xiàn)場實施協(xié)調與結構健康監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化設計，提出了專門針對橋梁結構構件表觀損傷進行檢查和評估的管理子系統(tǒng)。周智4室主任教授大連理工大學大連理工大學在技術研發(fā)工作中投入的工作量占工作總量的40%為項目創(chuàng)新點2、3和5的完成作出了突出貢獻，提出了基于K-L信息矩陣的橋梁傳感器優(yōu)化布設方法，以及基于徑向基響應面法的超大跨徑橋梁有限兀模型修正方法，同時作為主要技術人員負責了橋梁結構健康監(jiān)測設備的研發(fā)工作。曾威5無工程師湖南省交通科學研究院有限公司湖南省交通科學研究院有限公司在技術研發(fā)工作中投入的工作量占工作總量的40%為項目創(chuàng)新點1和4的完成作出了突出貢獻，主要負責基于網(wǎng)格的超大

13、跨徑橋梁結構健康監(jiān)測技術的研究與開發(fā)，參與了橋梁結構損傷識別方法的研究，同時在健康監(jiān)測設備軟件的開發(fā)工作中提出了關鍵思路。李宏偉6董事長高級工程師寧波杉工結構監(jiān)測與控制工程中心有限公司寧波杉工結構監(jiān)測與控制工程中心有限公司在技術研發(fā)工作中投入的工作量占工作總量的40%為項目創(chuàng)新點5的完成作出了突出貢獻。作為本項目儀器、設備開發(fā)的主要單位負責人承擔了橋梁拉索監(jiān)測系統(tǒng)的主要研發(fā)工作，問時也參與了矮寨大橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計工作，為設備、系統(tǒng)的現(xiàn)場安裝和優(yōu)化提供了技術支持。黃浩7無工程師湖南省交通科學研究院有限公司湖南省交通科學研究院有限公司在技術研發(fā)工作中投入的工作量占工作總量的40%為項目創(chuàng)新

14、點5和6的完成作出了突出貢獻，提出了基于橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的拉索疲勞壽命預測方法，對矮寨大橋拉索安全性進行了評估分析，同時參與了健康監(jiān)測設備軟件的開發(fā)工作以及數(shù)據(jù)采集設備的研發(fā)。廖圓圓8項目副科長工程師湖南省高速公路建設開發(fā)總公司湖南省高速公路建設開發(fā)總公司在技術研發(fā)工作中投入的工作量占工作總量的35%為項目創(chuàng)新點5和6的完成作出了突出貢獻。主要負責矮寨大橋橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)實施后的系統(tǒng)優(yōu)化和用戶體驗優(yōu)化，參與了超大跨徑橋梁傳感器優(yōu)化布設技術的研究。歐進萍9無教授大連理工大學大連理工大學項目技術負責人，把握項目研究總體方向，落實理論成果的應用。在技術研發(fā)工作中投入的工作量占工作總量的30%

15、為項目創(chuàng)新點2、3、4和5的完成作出了突出貢獻。提出了超大跨徑橋梁的傳感器優(yōu)化布設方法，在橋梁有限元模型修正技術和損傷識別技術的研究中給出了關鍵思路，同時，作為總技術負責人參與了其余創(chuàng)新點的科技攻關，負責成果的整合應用與系統(tǒng)優(yōu)化。冷志鵬10副總工程師工程師寧波杉工結構監(jiān)測與控制工程中心有限公司寧波杉工結構監(jiān)測與控制工程中心有限公司在技術研發(fā)工作中投入的工作量占工作總量的35%為項目創(chuàng)新點5的完成作出了突出貢獻，主要負責參與了橋梁拉索監(jiān)測系統(tǒng)等設備的研究開發(fā)，同時參與了現(xiàn)有的健康監(jiān)測設備軟硬件的更新優(yōu)化。羅陽青11室副主任高級工程師湖南省交通科學研究院有限公司湖南省交通科學研究院有限公司在技術研

16、發(fā)工作中投入的工作量占工作總量的30%為項目創(chuàng)新點4的完成作出了突出貢獻。參與了基于動能能量比和基于小波包能量比邊緣算子的橋梁結構損傷識別方法的研究，將研究成果應用于現(xiàn)有橋梁的結構損傷診斷當中，驗證了方法的有效性。同時也參與了健康監(jiān)測設備軟硬件的開發(fā)。杜召華12無工程師湖南省交通科學研究院有限公司湖南省交通科學研究院有限公司在技術研發(fā)工作中投入的工作量占工作總量的30%為項目創(chuàng)新點2、6的完成作出了突出貢獻，負責矮寨大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的分析，參與了吊索疲勞性能的分析，同時也參與了健康監(jiān)測設備軟硬件的開發(fā)。七、主要完成單位及創(chuàng)新推廣貢獻排名完成單位創(chuàng)新推廣貢獻本項目的承擔單位，負責編制可行

17、性研究報告，研究大綱，制定詳細的工作計劃。其王要貝獻為:參與并兀成I基于網(wǎng)格的超大跨徑橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的研允及開發(fā)，對評估分析模塊效率低、各系統(tǒng)間評估功能無法共享等問題進行了優(yōu)化；針對超大跨徑橋梁在運營期可能出現(xiàn)的結構損傷，提出了基于動能能量比的橋梁結構湖南省交損傷識別方法；聯(lián)合參與了橋梁結構健康監(jiān)測設備的研發(fā)；提出了基十健康監(jiān)測系1通科學研究院有限統(tǒng)的拉索疲勞壽命預測方法以及自動在線監(jiān)測系統(tǒng)與人工巡檢系統(tǒng)相結合的橋梁結構安全評價策略；參與完成了基于K-L信息距離準則的健康監(jiān)測系統(tǒng)傳感器布置公司優(yōu)化方法研究。在成果的推廣應用方面，將基于網(wǎng)格的橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)推廣到洞庭湖大橋、長潭高速瀏

18、陽河大橋等數(shù)十座橋梁結構健康監(jiān)測當中，為橋梁管理部門節(jié)省了大量的人力和維護資金，此外，編制了湖南省橋梁隧道結構健康監(jiān)測與服務技術規(guī)程。對推動我省乃至全國橋梁結構健康監(jiān)測技術研究與應用的持續(xù)發(fā)展作出了貢獻。本項目的主要參與單位之一，主要負責項目科研成果的實施與協(xié)調工作。其主要貢湖南省高獻為：參與了超大跨徑橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)傳感器布置優(yōu)化技術以及自動在線監(jiān)2速公路建設開發(fā)總測系統(tǒng)與人工巡檢系統(tǒng)相結合的橋梁結構安全評價策略研究，同時在研究過程中提供了大量統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)以及相關依托工程，為理論研究和成果初期驗證提供了基公司礎。在矮寨大橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)試運營期間提出了相關改進措施與建議，從工程實際的角

19、度出發(fā)提高了科研成果的成熟度和可操作性。3湖用大學本項目的主要參與單位之一，與大連理工大學一起主要負責項目理論研究與系統(tǒng)優(yōu)化。其主要貢獻為:詳細論述了基于網(wǎng)格的結構監(jiān)測體系結構，主要運行機制等，參與并完成了基于網(wǎng)格的超大跨徑橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究及開發(fā)，對建立的基于網(wǎng)格的結構健康監(jiān)測系統(tǒng)進行了大量的評估測試與模擬運行，在系統(tǒng)的優(yōu)化工作方面貢獻突出。另外，提出了基于小波包能量比邊緣算子的橋梁結構損傷識別方法，對橋梁結構損傷診斷技術進行了深入研究。在成果的推廣應用方面，積極配合承擔單位將相關成果應用于矮寨大橋結構健康監(jiān)測項目當中，在系統(tǒng)的調試、運行與優(yōu)化設計中給出了重要建議。4大連理工力本項目

20、的主要參與單位之一，與湖南大學一起主要負責項目理論研究。其主要貢獻為：提出了超大跨徑橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)傳感器布置優(yōu)化方法，與項目承擔單位共同對矮寨大橋傳感器布設位置進行了分析與優(yōu)化設計，實現(xiàn)了以最少的傳感器測點，使其測量內容達到最大化的目的；另外，提出了基于徑向基響應面法的超大跨徑橋梁有限兀模型修正方法，采用該方法建立的橋梁整體模型具有更高的精度和準確性，并以此項研究成果作為基礎應用于橋梁結構損傷識別的研究與系統(tǒng)預警值設定；聯(lián)合參與了橋梁結構健康監(jiān)測設備的研發(fā)工作。在成果的推廣應用方面，積極配合承擔單位將相關成果應用于矮寨大橋結構健康監(jiān)測項目當中，在系統(tǒng)的調試、運行與優(yōu)化設計中給出了重要建議。4寧波杉工結構監(jiān)測與控制工程中心有限公司本項目的主要參與單位之一，主要負責健康監(jiān)測系統(tǒng)的安裝調試與監(jiān)測設備的研發(fā)工作。其主要貢獻為:對橋梁拉索監(jiān)測系統(tǒng)等設備進行了研發(fā)或更新，參與了矮寨大橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的安裝、設計與優(yōu)化工作。積極配合項目承擔單位，將科研成果融入到系統(tǒng)設計之中，在后期系統(tǒng)的調試、優(yōu)化中作出了突出貢獻。同時，參與了超大跨徑橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)傳感器布置優(yōu)化技術和結構損傷識別技術的研究。八、完成人合作關系說明課題承擔單位：湖南省交通科學研究院有限公司課題合作單位：湖南省高速公路建設開發(fā)有限公司、湖南大學、大連理工大學、寧波杉工結構監(jiān)測與控制工程中心有限公司合