2022年醫(yī)學專題-淡丹輝-大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的實踐與展望

內容摘要重大(zhòngdà)基礎設施健康監(jiān)測研究的沿革的簡單回顧大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)建設的基本考慮東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的運行實踐案例一:2007-1-2船撞事件的快速評估案例二:2008年‘5-12汶川大地震’后上海東海大橋的地震預警討論和展望第一頁，共二十五頁。重大基礎設施(jīchǔshèshī)健康監(jiān)測研究的沿革最近一些重大(zhòngdà)的國內外基礎設施的安全事故：2007年8月1日美國明尼蘇達州大橋(dàqiáo)坍塌2007年8月13日，鳳凰堤溪大橋倒塌2007年6月15日廣東佛山九江大橋船撞倒塌事件。2008年3月27日寧波金塘大橋

2007-09-10印度海得拉巴立交橋坍塌2008年5月12日汶川地震中的橋梁倒塌

第二頁，共二十五頁。重大基礎設施健康監(jiān)測研究(yánjiū)的沿革保障重大基礎設施（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。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營期安全、為橋梁的管理養(yǎng)護服務的它將傳感技術、計算機軟硬件技術、通訊(tōngxùn)技術與土木工程技術相結合，可以極大地滿足對橋梁安全及管理養(yǎng)護的需要。第三頁，共二十五頁。重大基礎設施健康監(jiān)測研究(yánjiū)的沿革最初概念的提出：上個世紀八十年代。1987年，英國在總長522m的三跨變高度連續(xù)鋼箱梁橋Foyle橋上布設傳感器。此后，挪威、美國、丹麥、墨西哥、日本和韓國均在其國內發(fā)展了規(guī)模不等的數(shù)十個橋梁健康(jiànkāng)監(jiān)測系統(tǒng)。甚至泰國也在其Rama橋上安設了橋梁監(jiān)測系統(tǒng)（由同濟大學負責為其設計）。我國（包括港澳地區(qū)）在這一領域的起步稍晚，但進步很快，從早期香港的青馬大橋，我國內地的虎門大橋、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)，短短十數(shù)年，我國已經(jīng)在此新興領域走在了世界前列。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、設計、實施及其運行后的分析、二次開發(fā)工作。第四頁，共二十五頁。大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)建設的基本(jīběn)考慮東海大橋健康(jiànkāng)監(jiān)測系統(tǒng)建設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，在其結構建成后，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。第五頁，共二十五頁。大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)建設的基本(jīběn)考慮東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)建設的基本考慮(kǎolǜ)概念設計理論框架第六頁，共二十五頁。大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)(xìtǒng)建設的基本考慮東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(jiànshè)的基本考慮概念設計理論框架第七頁，共二十五頁。大橋健康監(jiān)測(jiāncè)系統(tǒng)建設的基本考慮東海大橋損傷及性能(xìngnéng)演變分析(a)不均勻沉降下連續(xù)梁橋的頻率變化(b)收縮徐變和預應力損失下連續(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)實測風場下主航道橋的幾何變形第八頁，共二十五頁。東海大橋健康(jiànkāng)監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

在概念設計的基礎上，項目組于2005年完成系統(tǒng)(xìtǒng)的技術設計和施工圖設計，并于2006年５月工程實施完成，2006年６月正式運行，至今已經(jīng)平穩(wěn)地了運行將近兩年。圖６給出系統(tǒng)照片。其中，可以從以下網(wǎng)址訪問系統(tǒng)：（

）。(a)加速度傳感器(c)GPS接收器(b)FBG應變傳感器(d)B/S架構的系統(tǒng)軟件界面第九頁，共二十五頁。東海(dōnɡhǎi)大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)由實時監(jiān)測和人工檢測兩部分組成，其實時監(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)。系統(tǒng)已經(jīng)實現(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)的邏輯組內信息融合、邏輯組間相關性分析，更重要的是，實現(xiàn)了基于多層次模糊推理橋梁的在線狀態(tài)評估。和同期國內外其他橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)精心設計、功能較為完備、先進，初步解決了數(shù)據(jù)海量堆積而無力處理的難題，而且將其它(qítā)一些系統(tǒng)需要離線處理的問題在線予以實現(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)護問題。第十頁，共二十五頁。東海大橋(dàqiáo)健康監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)走到了世界的前列

筆者曾于2007年九月代表東海大橋健康監(jiān)測項目組在美國斯坦福大學參加有關結構健康監(jiān)測技術的國際學術會議，也曾受邀訪問對美國新澤西州里大學、里海大學。從交流情況來看，目前西方國家和日韓在此領域上多處于學術論證和工程試驗階段(jiēduàn)。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)復雜程度、實時程度、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。

第十一頁，共二十五頁。東海大橋健康監(jiān)測(jiāncè)系統(tǒng)的運行實踐自東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)運行近兩年來，該系統(tǒng)成功地為東海大橋的管理養(yǎng)護發(fā)揮了重要作用。同濟大學也利用該系統(tǒng)進行(jìnxíng)了大量的科研工作，為保障大海大橋的運營安全和保障上海洋山港的繁忙的運輸暢通發(fā)揮了作用。下面給出兩個實例，說明該系統(tǒng)在保障基礎設施安全性方面的重要作用。第十二頁，共二十五頁。東海大橋健康監(jiān)測(jiāncè)系統(tǒng)的運行實踐案例一:2007-1-2船撞事件的快速評估

2007年１月２日凌晨一點到兩點間，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砂船的撞擊，東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)忠實記錄了此次撞擊事故，事故發(fā)生后，本文作者應管理部位的要求(yāoqiú)，對數(shù)據(jù)進行了分析，并據(jù)此提出了船撞事故的預警及事后結構評估方案。第十三頁，共二十五頁。東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的運行(yùnxíng)實踐案例(ànlì)一:2007-1-2船撞事件的快速評估(a)船撞前后MAC(1,1)的比較(b)船撞前后MAC(2,2)的比較(a)船撞前后模態(tài)頻率的比較(b)船撞前后模態(tài)阻尼比的比較第十四頁，共二十五頁。東海(dōnɡhǎi)大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的運行實踐案例一:2007-1-2船撞事件的快速評估快速評估得到如下結論：并據(jù)此得出撞擊對橋的正常運營影響不大的初步結論，橋在當日正常使用。模態(tài)參數(shù)在船撞前后無明顯變化，這反映了結構的安全性。在船撞后的模態(tài)保證因子有明顯的下降，這說明，由船撞事件對結構的振動特性還是造成了一定的影響。分析原因，結論是撞擊對梁和墩間的支座有少許影響，從而(cóngér)使結構的邊界條件有所改變。第十五頁，共二十五頁。東海大橋(dàqiáo)健康監(jiān)測系統(tǒng)的運行實踐案例二:2008年‘5-12汶川大地震(dìzhèn)’后上海東海大橋的地震預警

第十六頁，共二十五頁。東海大橋健康(jiànkāng)監(jiān)測系統(tǒng)的運行實踐案例二:2008年‘5-12汶川大地震’后上海東海(dōnɡhǎi)大橋的地震預警

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)預警信息；該警報是根據(jù)布設于主航道橋和顆珠山橋橋塔承臺處的強震儀加速度響應值來進行預警的。本次預警發(fā)生在2008年5月12日14:36~14:39，持續(xù)時間約為3分鐘，警報級別為一般。經(jīng)分析并結合當天下午四川省汶川發(fā)生的8.0級地震，本次預警針對的是汶川地震影響上海時東海大橋的結構響應。第十七頁，共二十五頁。東海大橋健康監(jiān)測(jiāncè)系統(tǒng)的運行實踐案例二:2008年‘5-12汶川大地震’后上海東海大橋(dàqiáo)的地震預警第十八頁，共二十五頁。東海大橋健康(jiànkāng)監(jiān)測系統(tǒng)的運行實踐案例二:2008年‘5-12汶川大地震’后上海東海大橋的地震動(zhèndòng)信號的快速分析和評估第十九頁，共二十五頁。東海大橋健康監(jiān)測(jiāncè)系統(tǒng)的運行實踐案例二:2008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(fēnxī)和評估第二十頁，共二十五頁。東海(dōnɡhǎi)大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的運行實踐案例二:2008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論：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構安全和正常使用不構成任何威脅，大橋可以繼續(xù)使用。本次預警事件表明：人類對重大災變事件來臨后對重大基礎設施實現(xiàn)安全預警的夢想是完全(wánquán)可以實現(xiàn)的。東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)是世界上首次實現(xiàn)對地震的預警的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，這反映了我國在此領域已經(jīng)走在了世界前列。第二十一頁，共二十五頁。討論(tǎolùn)和展望

縱覽國內外已有的橋梁健康監(jiān)測(jiāncè)系統(tǒng)，可以將它們大致劃分為三代：第一代為早期單項監(jiān)測系統(tǒng)，傳感器種類有限，采集設備不安裝，間歇性監(jiān)測。第二代為集成監(jiān)測系統(tǒng)，傳感器種類大大豐富，采集系統(tǒng)完善，連續(xù)采集，有數(shù)據(jù)庫管理軟件對數(shù)據(jù)進行管理。第三代為集成監(jiān)測診斷系統(tǒng)，在第二代的基礎上，強調對數(shù)據(jù)的處理，并利用數(shù)據(jù)進行結構健康狀態(tài)的在線評估、在線預警，并為深入地離線評估提供便利；功能更加豐富，無線、internet等技術被用于系統(tǒng)之中；結合檢測和監(jiān)測，綜合系統(tǒng)。目前國內外多數(shù)系統(tǒng)屬于第一到二代，而東海大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)屬于第三代的代表。第二十二頁，共二十五頁。討論(tǎolùn)和展望第四代的健康監(jiān)測系統(tǒng)尚處于概念之中，可以稱之為智能化橋梁健康監(jiān)測及診斷系統(tǒng)，主要的特征將是：采用具有特征抽取計算能力和身份辨識的智能型傳感器和主動型傳感器構成信息源，采用有線和無線混合型組網(wǎng)技術；系統(tǒng)實現(xiàn)模塊化和智能化；中央處理中心將免于負擔低層例行性的數(shù)據(jù)處理計算負荷，只需專注于邏輯型計算、力學層次的分析計算，實現(xiàn)智能化的在線的健康狀態(tài)評估及安全預警功能。這些概念的實現(xiàn)，需要投入大量的前期研究投入。目前，在東海大橋健康監(jiān)測取得寶貴敬仰(jìngyǎng)的基礎上，我國將有機會在未來的幾座跨海、跨江大橋中部分實現(xiàn)第四代橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，這些著名工程包括,青島海灣大橋，港珠澳連接工程，上海幾座復雜的雙層斜拉橋閔浦大橋、閔浦二橋等。第二十三頁，共二十五頁。討論(tǎolùn)和展望

總之，筆者認為，發(fā)展(fāzhǎn)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是很有必要的。目前最大的兩個問題是：由于缺乏對基本問題的統(tǒng)一認識，因而容易產(chǎn)生對橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)過分樂觀期待或過分負面看法；對一些設計理論、關鍵技術缺乏研究，現(xiàn)有的研究難以指導系統(tǒng)設計。

對這些問題的解決，需要業(yè)界人士共同努力，加大科研投入，在國家層面上給與