1.桥梁健康监测技术发展与应用 报告人：张宇峰

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
1. 健康监测系统应用的必要性
突发性损伤 累积性损伤 隐蔽部位 桥梁设计
—— —— —— ——
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
•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
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
3 4 5 6
硬件结构存在问题 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
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
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。
坑蚀
混 凝 土 桥
桥梁投资大、服役周期长、工作环境恶劣、病害普遍 危桥数量呈现出边治边增的趋势 最大宽度2.4mm 桥梁养护加固已成为一项重要（乃至主要）的工作
长期变形过大 混凝土开裂 钢筋锈蚀 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
国内外桥梁事故的经验教训表明：
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。
4E 3E 2E 1E East Tower
Number of sensors >1200
WIM
1W 2W 3W 4W
West Tower
Sensors on the Stonecutters Bridge
1.江苏省大型桥梁健康监测系统建设现状 悬索桥, , 斜拉桥
主跨1088m 648m 628m 2*1088m 1385m 1490m 斜拉桥, 主跨406m
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
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
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
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
温度(℃)
2. 健康监测技术及其发展
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5：船舶撞击桥梁的监测—从“不行”到“行”
伸缩缝位移计对船撞事件的响应原理
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)
400
500
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 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 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
2001年，葡萄牙杜罗河公 路桥坍塌，70余人落水失 踪。
2007年，美国明尼苏达州大 桥坍塌，100多人伤亡。
2011年，我国福建武夷山 公馆大桥垮塌（1死，22伤）
2012年，我国哈尔滨阳明滩大 桥引桥断裂（3死，5伤）
桥梁安全已成为国际桥梁界的关注热点
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
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
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
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
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
当桥梁使用十至二十年左右时，设计和施工时的缺陷将完全暴露出来， 同时，因长期使用而累积的结构损伤和疲劳也有危及桥梁基本安全的可 能，但是，此时桥梁损伤的外在表征又往往表现不够明显，因此最易发 生安全事故。 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。 （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； （iii）缺少整体性； （iv）影响正常交通运行； （v）周期长，实时性差。 美国联邦公路委员会：由人工检查做出的评估结果有56%是不恰当的。
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4：船舶撞击桥梁的监测—从“不行”到“行”
船撞主梁更多造成局部损 伤，若不及时发现
存在结构安全隐患
增加车辆通行风险 增加索赔难度
困难：样本过少
指标A：梁端水平转角幅值：2e 指标B：报警启动后首周期峰谷值 指标C：横桥1阶自功率谱密度幅值
船撞导致主梁局部构件变形
3. 应用案例
案例5：船舶撞击桥梁的监测—从“不行”到“行”
报警主要信号来源选取
加速度：激振信号超限信号经常性出现，计算量大、信号分离难度大、自动识别困难 伸缩缝位移计：测量值相对比较平稳，对车激振动敏感性较低，信噪比高，处理容易
位移计信号平稳
江阴大桥主梁AD5CL横向加速度传感器信号 （2005年6月2日20：00~21：00）
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
10 0.03
-2
0.1
桥梁结构健康监测技术
——发展与应用
报告人：张宇峰
长大桥梁健康检测与诊断技术交通行业重点实验室 江苏省公路桥梁工程技术研究中心 江苏省长大桥梁健康监测数据中心 江苏省交通科学研究院股份有限公司 南京．2015. 01.16
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
Hale Waihona Puke Baidu
三
应用案例
1. 健康监测系统应用的必要性
淮安大桥 润扬大桥
崇启大桥 南京二桥
南京三桥
泰州大桥 江阴大桥 苏通大桥
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……
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
工程应用
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
桥梁 : 交通枢纽、生命线工程、地方经济发展的推动力
突飞猛进、规模空前
20世纪90年代以来，我国新建桥梁占全世界的47% 公路桥梁73.53万座（世界第一） 每年造桥数量过万座
1. 健康监测系统应用的必要性
1994年韩国汉城圣 水大桥断塌，死亡 32人。
1996年，帕劳共和国的 Koror-Babeldaob桥倒塌，6 人伤亡。