淡丹輝--大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)踐與展望

1、內(nèi)容摘要n重大基礎(chǔ)設(shè)施健康監(jiān)測研究的沿革的簡單回顧n大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的基本考慮n東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)n東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐q案例一:2007-1-2船撞事件的快速評估q案例二:2008年5-12汶川大地震后上海東海大橋的地震預(yù)警n討論和展望重大基礎(chǔ)設(shè)施健康監(jiān)測研究的沿革n最近一些重大的國內(nèi)外基礎(chǔ)設(shè)施的安全事故：2007年年8月月1日美國日美國明尼蘇達(dá)州大橋坍明尼蘇達(dá)州大橋坍塌塌 2007年年8月月13日，日，鳳凰堤溪大橋倒鳳凰堤溪大橋倒塌塌2007年年6月月15日廣東佛山九日廣東佛山九江大橋船撞倒江大橋船撞倒塌事件。塌事件。2008年年3月月27日日寧波金塘大橋?qū)幉ń鹛链髽?/p>

2、 2007-09-10印度海印度海得拉巴立交橋坍塌得拉巴立交橋坍塌 2008年年5月月12日日汶川地震中的橋汶川地震中的橋梁倒塌梁倒塌 重大基礎(chǔ)設(shè)施健康監(jiān)測研究的沿革n保障重大基礎(chǔ)設(shè)施（橋梁、道路、涵洞、大壩）的安全、健康的發(fā)揮功能，是一件極其重要的事情。n橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)就是用現(xiàn)代高科技的手段來保障橋梁在運(yùn)營期安全、為橋梁的管理養(yǎng)護(hù)服務(wù)的n它將傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、通訊技術(shù)與土木工程技術(shù)相結(jié)合，可以極大地滿足對橋梁安全及管理養(yǎng)護(hù)的需要。重大基礎(chǔ)設(shè)施健康監(jiān)測研究的沿革n最初概念的提出：上個世紀(jì)八十年代。n1987年，英國在總長522m的三跨變高度連續(xù)鋼箱梁橋Foyle橋上布設(shè)傳感器。n此

3、后，挪威、美國、丹麥、墨西哥、日本和韓國均在其國內(nèi)發(fā)展了規(guī)模不等的數(shù)十個橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。甚至泰國也在其Rama橋上安設(shè)了橋梁監(jiān)測系統(tǒng)（由同濟(jì)大學(xué)負(fù)責(zé)為其設(shè)計(jì)）。n我國（包括港澳地區(qū)）在這一領(lǐng)域的起步稍晚，但進(jìn)步很快，從早期香港的青馬大橋，我國內(nèi)地的虎門大橋、徐浦大橋、江陰長江大橋，蘇通大橋、洞庭湖大橋，到目前的東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)，短短十?dāng)?shù)年，我國已經(jīng)在此新興領(lǐng)域走在了世界前列。n筆者作為主要人員，全程參與了東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)科研、設(shè)計(jì)、實(shí)施及其運(yùn)行后的分析、二次開發(fā)工作。 大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的基本考慮n東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的基本考慮 東海大橋是上海深水港的物流輸送動脈，橋梁總長31

4、公里，是我國第一座長距離跨海大橋。作為我國的生命線工程，在其結(jié)構(gòu)建成后，在上述惡劣環(huán)境下，其安全性、耐久性如何將成為很重要的問題。大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的基本考慮n東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的基本考慮q概念設(shè)計(jì)理論框架 大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的基本考慮n東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的基本考慮q概念設(shè)計(jì)理論框架 提供準(zhǔn)則提供指導(dǎo)提供演化模型行為行為行為行為預(yù)測預(yù)測預(yù)測預(yù)測性能演變、損傷發(fā)性能演變、損傷發(fā)性能演變、損傷發(fā)性能演變、損傷發(fā)生及其演變的預(yù)測生及其演變的預(yù)測生及其演變的預(yù)測生及其演變的預(yù)測分析特性、行為及分析特性、行為及分析特性、行為及分析特性、行為及損傷歷程相互作用損傷歷程相互作用損傷歷程相互作

5、用損傷歷程相互作用分析損傷和響應(yīng)分析損傷和響應(yīng)分析損傷和響應(yīng)分析損傷和響應(yīng)間的關(guān)系間的關(guān)系間的關(guān)系間的關(guān)系預(yù)評估路線預(yù)評估路線預(yù)評估路線預(yù)評估路線在線評估路線在線評估路線在線評估路線在線評估路線監(jiān)測監(jiān)測監(jiān)測監(jiān)測信息信息信息信息監(jiān)測信息監(jiān)測信息監(jiān)測信息監(jiān)測信息再現(xiàn)再現(xiàn)再現(xiàn)再現(xiàn)挖掘隱藏的響應(yīng)挖掘隱藏的響應(yīng)挖掘隱藏的響應(yīng)挖掘隱藏的響應(yīng)或特性信息或特性信息或特性信息或特性信息利用利用利用利用SD&PEASD&PEA評估結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀評估結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀評估結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀評估結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀兩種常規(guī)兩種常規(guī)兩種常規(guī)兩種常規(guī)路線路線路線路線提供準(zhǔn)則提供指導(dǎo)提供演化模型行為行為行為行為預(yù)測預(yù)測預(yù)測預(yù)測性能演變、損傷發(fā)性

6、能演變、損傷發(fā)性能演變、損傷發(fā)性能演變、損傷發(fā)生及其演變的預(yù)測生及其演變的預(yù)測生及其演變的預(yù)測生及其演變的預(yù)測分析特性、行為及分析特性、行為及分析特性、行為及分析特性、行為及損傷歷程相互作用損傷歷程相互作用損傷歷程相互作用損傷歷程相互作用分析損傷和響應(yīng)分析損傷和響應(yīng)分析損傷和響應(yīng)分析損傷和響應(yīng)間的關(guān)系間的關(guān)系間的關(guān)系間的關(guān)系預(yù)評估路線預(yù)評估路線預(yù)評估路線預(yù)評估路線在線評估路線在線評估路線在線評估路線在線評估路線監(jiān)測監(jiān)測監(jiān)測監(jiān)測信息信息信息信息監(jiān)測信息監(jiān)測信息監(jiān)測信息監(jiān)測信息再現(xiàn)再現(xiàn)再現(xiàn)再現(xiàn)挖掘隱藏的響應(yīng)挖掘隱藏的響應(yīng)挖掘隱藏的響應(yīng)挖掘隱藏的響應(yīng)或特性信息或特性信息或特性信息或特性信息利用利用利

7、用利用SD&PEASD&PEA評估結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀評估結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀評估結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀評估結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀兩種常規(guī)兩種常規(guī)兩種常規(guī)兩種常規(guī)路線路線路線路線 交通流荷載交通流荷載交通流荷載交通流荷載風(fēng)荷載風(fēng)荷載風(fēng)荷載風(fēng)荷載溫度作用溫度作用溫度作用溫度作用不均勻沉降不均勻沉降不均勻沉降不均勻沉降支座變位支座變位支座變位支座變位鋪裝層不平整鋪裝層不平整鋪裝層不平整鋪裝層不平整預(yù)應(yīng)力損失預(yù)應(yīng)力損失預(yù)應(yīng)力損失預(yù)應(yīng)力損失耐久性退化耐久性退化耐久性退化耐久性退化( (銹蝕、老化等銹蝕、老化等銹蝕、老化等銹蝕、老化等) )地震荷載地震荷載地震荷載地震荷載偶然事件偶然事件偶然事件偶然事件. .預(yù)評估路線預(yù)評估路線預(yù)評估路線

8、預(yù)評估路線 荷載和行為的監(jiān)測數(shù)據(jù)荷載和行為的監(jiān)測數(shù)據(jù)荷載和行為的監(jiān)測數(shù)據(jù)荷載和行為的監(jiān)測數(shù)據(jù): :交通、風(fēng)、溫度交通、風(fēng)、溫度交通、風(fēng)、溫度交通、風(fēng)、溫度沉降、支座變位、鋪裝層不平整沉降、支座變位、鋪裝層不平整沉降、支座變位、鋪裝層不平整沉降、支座變位、鋪裝層不平整耐久性退化耐久性退化耐久性退化耐久性退化地震荷載、偶然事件地震荷載、偶然事件地震荷載、偶然事件地震荷載、偶然事件健康監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)響健康監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)響健康監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)響健康監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)測量應(yīng)測量應(yīng)測量應(yīng)測量: :力、靜應(yīng)變、位移力、靜應(yīng)變、位移力、靜應(yīng)變、位移力、靜應(yīng)變、位移動應(yīng)變、動位移動應(yīng)變、動位移動應(yīng)變、動位移動應(yīng)變

9、、動位移速度、加速度速度、加速度速度、加速度速度、加速度在線評估路線在線評估路線在線評估路線在線評估路線 交通流荷載交通流荷載交通流荷載交通流荷載風(fēng)荷載風(fēng)荷載風(fēng)荷載風(fēng)荷載溫度作用溫度作用溫度作用溫度作用不均勻沉降不均勻沉降不均勻沉降不均勻沉降支座變位支座變位支座變位支座變位鋪裝層不平整鋪裝層不平整鋪裝層不平整鋪裝層不平整預(yù)應(yīng)力損失預(yù)應(yīng)力損失預(yù)應(yīng)力損失預(yù)應(yīng)力損失耐久性退化耐久性退化耐久性退化耐久性退化( (銹蝕、老化等銹蝕、老化等銹蝕、老化等銹蝕、老化等) )地震荷載地震荷載地震荷載地震荷載偶然事件偶然事件偶然事件偶然事件. .預(yù)評估路線預(yù)評估路線預(yù)評估路線預(yù)評估路線 交通流荷載交通流荷載交通流

10、荷載交通流荷載風(fēng)荷載風(fēng)荷載風(fēng)荷載風(fēng)荷載溫度作用溫度作用溫度作用溫度作用不均勻沉降不均勻沉降不均勻沉降不均勻沉降支座變位支座變位支座變位支座變位鋪裝層不平整鋪裝層不平整鋪裝層不平整鋪裝層不平整預(yù)應(yīng)力損失預(yù)應(yīng)力損失預(yù)應(yīng)力損失預(yù)應(yīng)力損失耐久性退化耐久性退化耐久性退化耐久性退化( (銹蝕、老化等銹蝕、老化等銹蝕、老化等銹蝕、老化等) )地震荷載地震荷載地震荷載地震荷載偶然事件偶然事件偶然事件偶然事件. .預(yù)評估路線預(yù)評估路線預(yù)評估路線預(yù)評估路線 荷載和行為的監(jiān)測數(shù)據(jù)荷載和行為的監(jiān)測數(shù)據(jù)荷載和行為的監(jiān)測數(shù)據(jù)荷載和行為的監(jiān)測數(shù)據(jù): :交通、風(fēng)、溫度交通、風(fēng)、溫度交通、風(fēng)、溫度交通、風(fēng)、溫度沉降、支座變位、

11、鋪裝層不平整沉降、支座變位、鋪裝層不平整沉降、支座變位、鋪裝層不平整沉降、支座變位、鋪裝層不平整耐久性退化耐久性退化耐久性退化耐久性退化地震荷載、偶然事件地震荷載、偶然事件地震荷載、偶然事件地震荷載、偶然事件健康監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)響健康監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)響健康監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)響健康監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)測量應(yīng)測量應(yīng)測量應(yīng)測量: :力、靜應(yīng)變、位移力、靜應(yīng)變、位移力、靜應(yīng)變、位移力、靜應(yīng)變、位移動應(yīng)變、動位移動應(yīng)變、動位移動應(yīng)變、動位移動應(yīng)變、動位移速度、加速度速度、加速度速度、加速度速度、加速度在線評估路線在線評估路線在線評估路線在線評估路線 荷載和行為的監(jiān)測數(shù)據(jù)荷載和行為的監(jiān)測數(shù)據(jù)荷載和行為的監(jiān)測數(shù)據(jù)荷載

12、和行為的監(jiān)測數(shù)據(jù): :交通、風(fēng)、溫度交通、風(fēng)、溫度交通、風(fēng)、溫度交通、風(fēng)、溫度沉降、支座變位、鋪裝層不平整沉降、支座變位、鋪裝層不平整沉降、支座變位、鋪裝層不平整沉降、支座變位、鋪裝層不平整耐久性退化耐久性退化耐久性退化耐久性退化地震荷載、偶然事件地震荷載、偶然事件地震荷載、偶然事件地震荷載、偶然事件健康監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)響健康監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)響健康監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)響健康監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)測量應(yīng)測量應(yīng)測量應(yīng)測量: :力、靜應(yīng)變、位移力、靜應(yīng)變、位移力、靜應(yīng)變、位移力、靜應(yīng)變、位移動應(yīng)變、動位移動應(yīng)變、動位移動應(yīng)變、動位移動應(yīng)變、動位移速度、加速度速度、加速度速度、加速度速度、加速度在線評估路線在線評估

13、路線在線評估路線在線評估路線大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的基本考慮q東海大橋損傷及性能演變分析(a) 不均勻沉降下連續(xù)梁橋的頻率變化(b) 收縮徐變和預(yù)應(yīng)力損失下連續(xù)梁橋的頻率變化(c) 單位溫度作用下主塔不同位置的水平位移(d) 移動重車下主航道橋的幾何變形(e) 實(shí)測風(fēng)場下主航道橋的幾何變形東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) n在概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目組于2005年完成系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)，并于2006年月工程實(shí)施完成，2006年月正式運(yùn)行，至今已經(jīng)平穩(wěn)地了運(yùn)行將近兩年。圖給出系統(tǒng)照片。其中，可以從以下網(wǎng)址訪問系統(tǒng)：（http:/health.donghai- ）。(a)

14、加速度傳感器(c) GPS接收器(b) FBG應(yīng)變傳感器(d) B/S架構(gòu)的系統(tǒng)軟件界面東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)n東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)由實(shí)時監(jiān)測和人工檢測兩部分組成，其實(shí)時監(jiān)測部分由11個采集工作站、478個傳感器組成的分布式監(jiān)測系統(tǒng)。n系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了功能的多級跳，既東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)不僅是一個數(shù)據(jù)采集、存儲、管理系統(tǒng)，而且實(shí)現(xiàn)了采樣控制、數(shù)據(jù)的在線初步處理、數(shù)據(jù)的邏輯組內(nèi)信息融合、邏輯組間相關(guān)性分析，更重要的是，實(shí)現(xiàn)了基于多層次模糊推理橋梁的在線狀態(tài)評估。 n和同期國內(nèi)外其他橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)精心設(shè)計(jì)、功能較為完備、先進(jìn)，初步解決了數(shù)據(jù)海量堆積而無力處

15、理的難題，而且將其它一些系統(tǒng)需要離線處理的問題在線予以實(shí)現(xiàn)，初步解決了監(jiān)測數(shù)據(jù)如何用于橋梁的日常評估養(yǎng)護(hù)問題。東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)n東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)走到了世界的前列q 筆者曾于2007年九月代表東海大橋健康監(jiān)測項(xiàng)目組在美國斯坦福大學(xué)參加有關(guān)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的國際學(xué)術(shù)會議，也曾受邀訪問對美國新澤西州里大學(xué)、里海大學(xué)。q從交流情況來看，目前西方國家和日韓在此領(lǐng)域上多處于學(xué)術(shù)論證和工程試驗(yàn)階段。q東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)無論就其傳感器數(shù)目和種類、系統(tǒng)復(fù)雜程度、實(shí)時程度、穩(wěn)定程度，還是對數(shù)據(jù)的處理深度和評估利用程度，均給與會的世界各國人員留下深刻印象。 東海大橋健康

16、監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐n自東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行近兩年來，該系統(tǒng)成功地為東海大橋的管理養(yǎng)護(hù)發(fā)揮了重要作用。n同濟(jì)大學(xué)也利用該系統(tǒng)進(jìn)行了大量的科研工作，為保障大海大橋的運(yùn)營安全和保障上海洋山港的繁忙的運(yùn)輸暢通發(fā)揮了作用。 下面給出兩個實(shí)例，說明該系統(tǒng)在保障基礎(chǔ)設(shè)施安全性方面的重要作用。東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐q案例一:2007-1-2船撞事件的快速評估 2007年月日凌晨一點(diǎn)到兩點(diǎn)間，東海大橋的顆珠山斜拉橋PM473墩遭到一只大約兩千噸級的運(yùn)砂船的撞擊，東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)忠實(shí)記錄了此次撞擊事故，事故發(fā)生后，本文作者應(yīng)管理部位的要求，對數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，并據(jù)此提出了船撞事故的預(yù)警及事后結(jié)構(gòu)評估

17、方案。 東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐q案例一:2007-1-2船撞事件的快速評估(a) 船撞前后MAC(1,1)的比較0500100015002000250030000.950.960.970.980.991A comparison between before and after collisionTime (min)MACMAC(2,2) beforeMAC(2,2) after2007-01-01 00:00:002007-01-03 02:35:002007-01-0200:50:002007-01-0201:35:000500100015002000250030000.9750.9

18、80.9850.990.9951Time (min)MACA comparison between before and after collisionMAC(1,1) beforeMAC(1,1) after2007-01-01 00:00:002007-01-03 02:35:002007-01-0200:50:002007-01-0201:35:00(b) 船撞前后MAC(2,2)的比較0500100015000.40.450.50.55Time (min)Frequency (Hz)mode1 beforemode1 aftermode2 beforemode2 aftere2007-

19、01-01 00:00:002007-01-02 01:35:002007-01-02 00:50:002007-01-03 02:35:0005001000150000.0050.010.0150.020.025Time (min)Modal damping ratiomode4 beforemode4 after2007-01-01 00:00:002007-01-02 01:35:002007-01-02 00:50:002007-01-03 02:35:00(a) 船撞前后模態(tài)頻率的比較(b) 船撞前后模態(tài)阻尼比的比較東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐q案例一:2007-1-2船撞事件的快

20、速評估快速評估得到如下結(jié)論：n并據(jù)此得出撞擊對橋的正常運(yùn)營影響不大的初步結(jié)論，橋在當(dāng)日正常使用。n模態(tài)參數(shù)在船撞前后無明顯變化，這反映了結(jié)構(gòu)的安全性。n在船撞后的模態(tài)保證因子有明顯的下降，這說明，由船撞事件對結(jié)構(gòu)的振動特性還是造成了一定的影響。分析原因，結(jié)論是撞擊對梁和墩間的支座有少許影響，從而使結(jié)構(gòu)的邊界條件有所改變。 東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐q案例二:2008年5-12汶川大地震后上海東海大橋的地震預(yù)警 東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐q案例二:2008年5-12汶川大地震后上海東海大橋的地震預(yù)警 2008年5月12日下午14:40，東海大橋主航道橋地震監(jiān)測組及顆珠山橋地震監(jiān)測組均出現(xiàn)

21、預(yù)警信息 ； 該警報是根據(jù)布設(shè)于主航道橋和顆珠山橋橋塔承臺處的強(qiáng)震儀加速度響應(yīng)值來進(jìn)行預(yù)警的。 本次預(yù)警發(fā)生在2008年5月12日 14:3614:39，持續(xù)時間約為3分鐘，警報級別為一般。經(jīng)分析并結(jié)合當(dāng)天下午四川省汶川發(fā)生的8.0級地震，本次預(yù)警針對的是汶川地震影響上海時東海大橋的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐q案例二:2008年5-12汶川大地震后上海東海大橋的地震預(yù)警東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐n案例二:2008年5-12汶川大地震后上海東海大橋的地震動信號的快速分析和評估東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐n案例二:2008年5-12汶川大地震后上海東海大橋的地震動信號的快速分析

22、和評估東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐n案例二:2008年5-12汶川大地震后上海東海大橋的地震動信號的快速分析和評估結(jié)論：1.汶川大地震對數(shù)千公里外的上海東海大橋產(chǎn)生了明顯的震動影響2.由于地震能量經(jīng)過長距離傳播和衰減，本次地震對東海大橋結(jié)構(gòu)安全和正常使用不構(gòu)成任何威脅，大橋可以繼續(xù)使用。3.本次預(yù)警事件表明：人類對重大災(zāi)變事件來臨后對重大基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警的夢想是完全可以實(shí)現(xiàn)的。 東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)是世界上首次實(shí)現(xiàn)對地震的預(yù)警的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，這反映了我國在此領(lǐng)域已經(jīng)走在了世界前列。討論和展望 縱覽國內(nèi)外已有的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，可以將它們大致劃分為三代：n第一代為早期單項(xiàng)監(jiān)測系統(tǒng)單項(xiàng)監(jiān)測系統(tǒng)，傳感器種類有限，采集設(shè)備不安裝，間歇性