7.桥梁结构健康监测技术-发展与挑战——江苏省交通科学研究院股份有限公司 副总工程师 张宇峰

苏通大桥
崇启大桥
南京四桥
2. 健康监测技术及其发展
技术政策
交通运输部对桥梁健康监测已有制度要求 •《公路桥梁养护管理工作制度》：对特别重要的特大桥，应建立符合自 身特点的养护管理系统和健康监测系统 •《十二五公路养护管理发展纲要》：重点加强桥隧养护管理工作，强化 健康监测和实施监控系统建设……
400
500
600
更准确进行苏通大桥等大桥在强/台风作用下的影响分析与可能损伤分析； 对今后类似大桥的抗风设计具有指导意义
3. 应用案例
案例3：崇启大桥TMD设计与抑振作用分析——指导与验证设计
六跨钢连续梁桥
102m+4*185m+102m=944m
主跨
安装TMD前后（2012年5月 VS 2013年8月）
3. 应用案例
案例4：伸缩缝监测——找出常规检测无法发现的病因
钢梁被拉开
不锈钢滑板 伸缩梁与承载箱相碰
滑动支座
•江阴大桥主桥伸缩缝病害
1999年建成，2003年出现伸缩缝病害，2006年更换
设计寿命40年
3. 应用案例
案例4：伸缩缝监测——找出常规检测无法发现的病因
装置下部
装置上部
磨损情况
磨损情况
支座病害
突 发 事 件
船只碰撞
列车冲击
地震破坏
货车超载
1. 健康监测系统应用的必要性
疾病
检查
诊断
治疗
监测
检查
诊断
维修
1. 健康监测系统应用的必要性
健康监测——为桥梁构建神经系统
大脑 神经中 枢
状态评估

传输网 神经末 梢 传感器
人体神经系统
结构健康监测系统
2. 健康监测技术及其发展
工程应用
多个城市对桥梁健康监测提出明确要求 • 天津市市政管理局发布《关于加强市政公路路桥梁设施运行安全管理 工作意见的通知 》：“凡新建设的重要（特殊）市政公路桥梁设施，必 须同步建设桥梁健康监测系统；在用的重要（特殊）市政公路桥梁设施， 要加装并完善桥梁健康监测系统”
2. 健康监测技术及其发展
技术发展
3. 应用案例
案例1：江阴大桥结构健康监测系统升级改造——细节决定成败
3. 应用案例
案例2：台风影响分析——指导今后桥梁设计 首次建立了基于长期实测的华东沿海地区强/台风谱模型。
台风实测
2005: 麦莎、泰利、 卡努台风 2006: 桑美台风 2007: 圣帕、韦帕、 罗莎台风 2008：海鸥、凤凰 森拉克台风 2009：莫拉克台风 2010: 圆规台风 2011：梅花台风 2012：海葵、达维
一、建设背景
在役桥梁安全与健康形势严峻 一、建设背景
大量桥梁未老先衰
• 经济高速发展期建成桥梁： 总量大、周期短、隐患多 • 桥梁经过20年后，进入病害多发期
美国主要桥梁垮塌事故成因
桥梁事故频发
2002年到2011年在役桥梁倒塌统计
重庆綦江彩虹桥垮塌 （40人死）
河南栾川汤营伊河大桥 （67人死）
应用数量：已在国内外超过300座桥梁上应用（不完全统计） 应用范围：逐步从特大跨径桥梁向常规桥梁拓展 应用功能：与电子化人工巡检系统和养护管理系统系统逐步融合
WIM
Anemometer Accelerometer & Seismometer Temperature Sensor Strain Gauge GPS Rover Station Displacement Transducer Barometer, Rain Gauge, Hygrometer Corrosion Sensor Digital Video Camera WIM Weigh-In-Motion System
65.8 65.4 65 64.6 64.2 63.8 63.4 63 62.6 62.2 61.8 61.4 -5 -4 -3 -2 -1 0 高程(m) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
—— —— —— ——
提高发现速度 使趋势推演成为可能 实现观察 验证、指导今后
10
5
0 0 位移 累积值（m） 6 12 18 时间(h) 24
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 1
累计位移(m)
2006年3月 2007年3月 2008年3月
时间（天） 6 11 16 21 26 31
解决方案
江阴大桥、润扬大桥： 纵向阻尼器+高耐磨滑块 +限位装置
桥梁结构健康监测技术
——发展与挑战
报告人：张宇峰
在役长大桥梁安全与健康国家重点实验室 长大桥梁健康检测与诊断技术交通行业重点实验室 江苏省长大桥梁健康监测数据中心 贵阳．2016. 04
汇报提纲
一 二
健康监测技术的必要性
健康监测技术及其发展
三
应用案例
1. 健康监测系统应用的必要性
在役桥梁老龄化加速到来
•润扬大桥主桥伸缩缝病害
主桥伸缩缝更换
老缝拆除
3. 应用案例
案例4：伸缩缝监测——找出常规检测无法发现的病因
Jingjiang Jiangyin
336.5
1385
309
Temp OFS1-1 OFS2-2 OFS3-3 OFS4-4 OFS5-5 OFS6-6 OFS7-7 OFS8-8
8X173.125
3
硬件结构存在问题
4
5 6
外站硬盘长期在线 工作问题
软件的封闭性 系统缺少必要维护
系统中采用大容量电子盘作为本地数据记录的缓冲器，从而减少了 硬盘在线运行时间，增加其可靠性和寿命。
软件开发采用工控领域的前沿技术——“虚拟仪器”系统实现 建立定期检查及维护制度，保证系统的正常运行
3. 应用案例
案例1：江阴大桥健康监测系统升级改造——细节决定成败 2004年进行升级改造，目 前已良好运行10年
10 0.03
-2
0.1
nz/U（Hz）
1
4
1.5
静风和脉动风导致的竖向位移响应 静风，脉动风和自激力导致的竖向位移响应 静风和脉动风导致的侧向位移响应
Displacement response (m)
1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 0 100 200 300
Time (sec)
每小时平均位移：3890mm;每天平均累积位移：93.36m,每年累计位移：34.08km
苏通大桥
每小时平均位移：308mm;每天平均累积位移：7.38m,每年累计位移：2.69km
3. 应用案例
案例4：伸缩缝监测——找出常规检测无法发现的病因
20 05.9.15与06.9.15位移累积值对比图 05.09.15通道7 05.09.15通道8 06.09.15通道7 06.09.15通道8 15
4E 3E 2E 1E East Tower
Number of sensors >1200
WIM
1W 2W 3W 4W
West Tower
Sensors on the Stonecutters Bridge
2、主要技术成果
2、主要技术成果
灌河大桥
淮安大桥
泰州大桥
南京二桥 夹江大桥 润扬大桥 南京三桥 江阴大桥
Temp OFS9-9
3. 应用案例
案例4：伸缩缝监测——找出常规检测无法发现的病因
22 Temperature Displacement 20
120
100
18
80
16
60
150 100
D=10.859T-250.325
Longitudinal displacement (mm)
50 0 -50 -100 -150 -200 -250 -300 -350 -5 0 5 10 15 Effective temperature ( o C) 20 25 30
数据存储与传输 - 技术瓶颈已基本被突破
传感器方面
- 精度与长期稳定性已有较大提高 技术标准方面
- 正在形成体系（ISHMII、CECS、天津、上海、江苏）
结构评估方法 - 理论上成立，实验室可行，但现场应用瓶颈尤存
2. 健康监测技术及其发展
所起作用 突发性损伤 累积性损伤 隐蔽部位 桥梁设计
江阴大桥健康监测系统升级改造细节决定成败序号原系统故障分析升级改造技术对策外展散热条件不足开发了具有智能控温功能的仪器仓房对外站仪器设备进行温度的自动调节系统雷电防护不足在传感器输入回路中增加高压隔离模块在电源系统中增加隔离保护环节在外站硬件中加入看门狗watchdog等技术防止感应雷电造成对系统损坏硬件结构存在问题外站数据采集单元dart系统采用标准工业控制计算机采集卡采用ni公司生产的工业级数据采集模块以保证硬件可靠性外站硬盘长期在线工作问题系统中采用大容量电子盘作为本地数据记录的缓冲器从而减少了硬盘在线运行时间增加其可靠性和寿命
世界第一桥梁大国
公路桥梁超过75万座
城市桥梁约10万座 铁路桥梁约7万座。
大规模建设期 90%投资用于 旧桥维护改造
桥梁老龄化将加速到来
对比中美30年桥龄的桥梁占比可以
美国桥梁30年桥龄以上占比（%）
发现，美国从18%增长到60%，用了约60
年的时间，而中国只要不到30年。
中国桥梁30年桥龄以上占比（%）
温度(℃)
3. 应用案例
案例1：江阴大桥健康监测系统升级改造——细节决定成败 原系统概况 系统于1999年建成 英国Jams Scott 公司设计 ，Strainstall 公司施工 造价2000万元人民币
原系统运行情况 数据管理——数据加密，仅能在专有系统中查阅 数据分析——仅有简单统计
1. 健康监测系统应用的必要性
钢 桥
疲劳开裂 失稳断裂 风致颤振 拉索腐蚀断丝 传统检查方法存在诸多缺点，限制决定了其无法直接有 效地应用于大型桥梁的健康状况检查。
坑蚀
混 凝 土 桥
（i）需要大量人力、物力和财力并有诸多检查盲点； （ii）主观性强，难于量化； 最大宽度 （iii）缺少整体性 ； 2.4mm 长期变形过大 混凝土开裂 钢筋锈蚀 （ iv）影响正常交通运行 ； （v）周期长，实时性差

陆续损坏，2004年初，全面瘫痪
3. 应用案例
案例1：江阴大桥健康监测系统升级改造——细节决定成败
主要技术措施 ：
序号 1 2 原系统故障分析 外展散热条件不足 系统雷电防护不足 升级改造技术对策 开发了具有智能控温功能的仪器仓房，对外站仪器、设备进行温度 的自动调节 在传感器输入回路中增加高压隔离模块、在电源系统中增加隔离保 护环节、在外站硬件中加入看门狗（watch dog）等技术防止感应雷 电造成对系统损坏 外站数据采集单元（DART）系统采用标准工业控制计算机，采集卡 采用NI公司生产的工业级数据采集模块，以保证硬件可靠性

推广：
估算或实测行程特征； 伸缩缝设计； 伸缩缝寿命预测； 异常监测与更换。
3. 应用案例
案例5：跨中挠度——异常事件报警 橙色报警阈值：同环境条件下按规范最不利布载下的高程值 困难：如何消除环境影响以得到“同环境条件下”
影响因素：风、温度、车辆荷载
大雾下交 通中断
堵车
3. 应用案例
案例5：跨中挠度——异常事件报警
2 0 10 11 12 13 14 风速(m/s) 15 16 17
安装TMD前后风速风向
安装TMD前后主梁加速度
TMD加速度
通过监测，确定TMD参数，安装TMD后，主梁振动明显减小。
3. 应用案例
案例4：伸缩缝监测——找出常规检测无法发现的病因
众所周知，桥梁伸缩装置 是桥梁中最易破损且难以维修 的部位。 据美国及我国的统计数据， 在部分功能失效的桥梁中，其 中问题的一半是在伸缩缝上； 日本东名高速公路通车后8年间， 伸缩缝的平均修补次数为1.6次/ 缝。
18 17 16 安装TMD之前 安装TMD之后
TMD阻尼器
16 14 12
TMD加速度(gal)
0.2
0.15
风速(m/s)
15 14 13 12 11 10 0 40 80 120 160 200 风向（度） 240 280 320 360
主梁加速度(gal)
10 8 6 4
0.1
0.05 安装TMD之前 安装TMD之后 0 10 12 14 风速(m/s) 16 18
14
40
12
0
5
10 Time (h)
15
20
20 25
Average displacement (mm)
Effective temperature (o C)
3. 应用案例
案例4：伸缩缝监测——找出常规检测无法发现的病因
润扬大桥
每小时平均位移：3373mm;每天平均累积位移：80.96m,每年累计位移：29.55km
黄色报警：每分钟挠度增长量 提高实时性的同时减少了误报率
报警等级 报警指标 黄色报警 挠度下降过快（堵车）差分δ>0.15m/min 橙色报警 剥离温度影响后的挠度值>荷载实验值 红色报警 规范或设计文件规定最大挠度值
养护管理要求 1. 加强交通疏导 1.暂时禁止车辆上桥，加强交通疏导 2.检查挠度过大原因，并做特殊事件 分析 1.静止车辆通行 2.对桥梁进行全面检查和安全评估
10
1
拟合风谱
nSu/(u*)2
实测数据
10
0
nSu (n) 29.68 f 0.7845 2 (u*) 1 200 f
10
-1
国外Kaimal谱
nSu (n) 47.64 f 0.8731 2 (u*) 1 200 f 0.8875
nSu (n) 0.743 f（0.02343*39.93-2/3） 39.93 (u*) 2 1 0.01158 f 0.02343