结构健康监测

工程结构健康监测与诊断

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指 导教 师： 学 号： 专 业：

沈 圣

170527005

建筑与土木工程

琅岐大桥结构健康监测系统初步设计方案

目录

1 桥梁健康监测的必要性 (3)

2琅岐闽江大桥工程概况 (5)

3系统设计原则与功能目标 (9)

3.1 系统设计依据 (9)

3.2 系统设计原则 (10)

3.3 功能目标 (11)

4 健康监测系统方案设计 (11)

4.1 传感器子系统 (11)

4.1.1 环境监测 (12)

4.1.2 视频监测系统 (12)

4.1.3 结构变形监测 (13)

4.1.4 应变(应力)及温度场监测 (14)

4.1.5 斜拉索索力监测 (15)

4.1.6 结构动力性能监测 (15)

4.1.7 监测传感器统计 (16)

4.2 数据采集系统 (17)

4.2.1 数据采集系统设计 (17)

4.2.2 数据采集系统硬件系统 (18)

4.3 数据传输系统 (19)

4.4 监测数据分析与结构安全评定及预警子系统 (19)

4.5 健康监测网络化集成技术和用户界面子系统 (21)

4.6 中心数据库子系统 (21)

4.7 系统后期维护、升级和服务等要求 (21)

4.8 施工注意事项 (22)

4.9 其它 (22)

1桥梁健康监测的必要性

由于气候、环境等自然因素的作用和日益增加的交通流量及重车、超重车过桥数量的不断增加，大跨度桥梁结构随着桥龄的不断增长，结构的安全性和使用性能必然发生退化。自1940年美国Tacoma悬索桥发生风毁事故以后，桥梁结构安全监测的重要性就引起人们的注意。但是受科技水平的限制和人们对自然认识的局限性，早期的监测手段比较落后，在工程应用上一直没有得到很好的发展。20世纪80年代以来，在北美、欧洲和亚洲的一些国家和地区，相继发生了桥梁结构的突然性断裂事件，这些灾难性事故不仅引起了公众舆论的严重关注，也造成国家财产的严重损失，威胁到人民生命安全。国外从20世纪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米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荷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。国外建立

健康监测的典型桥梁还有英国主跨194m米的Flintshire独塔斜拉桥、日本主跨为1991m米的明石海峡大桥和主跨1100m的南备赞濑户大桥、丹麦主跨1624m的Great Belt East悬索桥、挪威主跨为530m的Skarnsunder斜拉桥、美国主跨为440m 的Sunshine Skyway Bridge斜拉桥以及加拿大的Confederatio Bridge桥。中国自20世纪90年代起也在一些大型重要桥梁上建立了不同规模的长期监测系统，如香港的Lantau Fixed Crossing和青马大桥、内地的虎门大桥、徐浦大桥，江阴长江大桥等在施工阶段已安装健康监测用的传感设备，以备运营期间的实时监测。

导致桥梁结构发生破坏和功能退化的原因是多方面的，有些桥梁的破坏是人为因素造成的，但大多数桥梁的破坏和功能退化是自然因素造成的。自然原因中，循环荷载作用下的裂缝失稳扩展是造成许多桥梁结构发生灾难性事故的主要原因。近年来，国内发生的几起大桥坍塌或局部破坏事故在很大程度上是由于构件疲劳和监测养护措施不足，从而严重影响构件的承重能力和结构的使用，进而发生事故。理论研究和经验都表明，成桥后的结构状态识别和桥梁运营过程中的损伤检测，预警及适时维修，有助于从根本上消除隐患及避免灾难性事故的发生。

现代大跨桥梁设计方向是更长、更轻柔化、结构形式和功能日趋复杂化。虽然在设计阶段已经进行了结构性能模拟试验等科研工作，然而由于大型桥梁的力学和结构特点以及所处的特定气候环境，要在设计阶段完全掌握和预测结构在各种复杂环境和运营条件下的结构特性和行为是非常困难的。为确保桥梁结构的结构安全、实施经济合理的维修计划、实现安全经济的运行及查明不可接受的响应原因，建立大跨桥梁结构健康监测系统是非常必要的。通过健康监测发现桥梁早期的病害，能大大节约桥梁的维修费用，避免出现因频繁大修而关闭交通所引起的重大经济损失。

桥梁健康监测就是通过对桥梁结构进行无损检测，实时监控结构的整体行为，对结构的损伤位置和程度进行诊断，对桥梁的服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行智能评估，为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，为桥梁的维修、养护与管理决策提供依据和指导。安装结构健康监测系统是提高桥梁的养护管理水平，保证桥梁安全运营的高效技术手段。

特别值得一提的是，桥梁的健康监测和施工监控系统均是通过检测和监测

手段，测试桥梁结构的内力、变形、环境和荷载，因此，它们在传感器系统、数据传输系统和数据采集系统都具有很大的共享性和重复性。此外，两个阶段在时间顺序上具有衔接性，施工监控阶段的监测数据是健康监测阶段的基础。为了节约资源、降低工程造价，应充分发挥两个系统的共享性，对上述两个系统进行统筹规划和实施，即采取统一设计、统一施工和统一管理的方式，以实现海河大桥的健康监测和施工监控两位一体的工程实施。

2琅岐闽江大桥工程概况

福州琅岐闽江大桥见图1。该桥为双塔七跨连续半漂浮体系钢箱梁斜拉桥，主桥全长1280m，主跨680m ，起止里程K3+023.000 ～K4+303.000，跨径布置为（60＋90＋150＋680＋150＋90＋60）m，墩号0～7 号，除亭江侧0～2 号桥墩位于岸上外，其余各墩均位于水中。

该桥在两岸各设引桥一座。琅歧侧引桥由水中引桥与岸上引桥两部分组成。水中引桥为60m跨径的等高度预应力混凝土连续梁桥，整幅布置，共一联9孔，全长540m。岸上引桥为45m跨径的等高度预应力混凝土连续梁桥，整幅布置，共两联11（＝6+5）孔，全长495m。引桥桥面宽25.5m，设双向2％横坡。主梁采用等高度预应力混凝土连续箱梁，单箱双室结构，梁高 2.6m；墩身为空心板式结构，基础采用钻孔灌注桩。各墩顶竖向均设有隔震支座。

该桥设计基准期100 年，大桥主线按双向四车道一级公路同时兼具城市I 级主干道标准进行设计，桥梁横断面两侧各布置3.5米紧急停车带（远期可以改为双向六车道），主桥的桥面宽28.7米，引桥桥面宽25.5米。设计行车速度60 公里/小时,设计荷载等级为公路—Ⅰ级，工程场地50 年超越概率10%、4%和100 年超越概率10%、4%的基岩水平峰值加速度分别为34gal、66gal 和93gal、138gal；而100年超越概率4%的地表面水平峰值加速度为152gal。