淡丹辉--大型桥梁健康监测系统的实践与展望
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交通流荷载 风荷载 温度作用
>
不均匀沉降 支座变位 铺装层不平整
>
预应力损 耐久性退化 耐久性退 (锈蚀、老化
大桥健康监测系统建设的基本考虑
东海大桥损伤及性能演变分析
沉降历程中频率变化图 5
频率变化百分比（%）
4 3 2 1 0 -1 1 2 3 4 5 6 7 沉降历程阶段
(a) 不均匀沉降下连续梁桥的频率变化
1500 2000 2500 3000 Time (min) 2007-01-03 02:35:00
0
500
1000
2007-01-01 00:00:00
1500 2000 2500 3000 Time (min) 2007-01-03 02:35:00
(a) 船撞前后MAC(1,1)的比较
(b) 船撞前后MAC(2,2)的比较
概念设计理论框架
两种常规 路线
预评估路线 性能演变、损伤发 行为 生及其演变的预测 预测 提供演化模型… 在线评估路线 监测信息 监测 再现 信息
分析特性、行为及 损伤历程相互作用 提供指导… 挖掘隐藏的响应 或特性信息
分析损伤和响应 间的关系 提供准则… 利 用 SD&PEA 评估结构现状
预评估路线
大桥健康监测系统建设的基本考虑
东海大桥健康监测系统建设的基本考虑
东海大桥是上海深水港的物流输送动脉，桥梁总长31公里，是 我国第一座长距离跨海大桥。作为我国的生命线工程，在其结构 建成后，在上述恶劣环境下，其安全性、耐久性如何将成为很重 要的问题。
大桥健康监测系统建设的基本考虑
东海大桥健康监测系统建设的基本考虑
内容摘要
重大基础设施健康监测研究的沿革的简单回 顾 大桥健康监测系统建设的基本考虑 东海大桥健康监测系统的实现 东海大桥健康监测系统的运行实践
案例一:2007-1-2船撞事件的快速评估 案例二:2008年‘5-12汶川大地震’后上海东海大 桥的地震预警
讨论和展望
重大基础设施健康监测研究的沿革
概念设计理论框架
桥梁健康监测系统设计及研究的一般化流程
总体结构特点分析 环境特点分析及预测 荷载特点分析及预测
耐久性失效分析 基于安全性目的
概念设计及研究 SD&PEA
地震荷载作用下的结构易损性分析 交通流荷载作用下的结构易损性分 析 风荷载作用下的结构易损性分析 温度作用下的结构易损性分析 沉降作用下的结构易损性分析 结构疲劳分析 局部开裂分析 腐蚀分析 材质劣化分析 正常使用条件下通行舒适度分析 （结构振动水平） 极端条件下的通行安全度分析 （风、雨、振动，车桥耦合振动等） 长期效应下的路面变形及平顺度分析 (沉降、预应力损失导致的挠度变化等) 内力（索力）、反力 变形 应变 温度 振动（加速度） 耐久性(环境、疲劳)
东海大桥健康监测系统是世界上首次实现对地震的预警的 桥梁健康监测系统，这反映了我国在此领域已经走在了世 界前列。
讨论和展望
纵览国内外已有的桥梁健康监测系统，可以将它们大致划分为三代： 第一代为早期单项监测系统，传感器种类有限，采集设备不安装，间 歇性监测。 第二代为集成监测系统，传感器种类大大丰富，采集系统完善，连续 采集，有数据库管理软件对数据进行管理。 第三代为集成监测诊断系统，在第二代的基础上，强调对数据的处理， 并利用数据进行结构健康状态的在线评估、在线预警，并为深入地离 线评估提供便利；功能更加丰富，无线、internet等技术被用于系统 之中；结合检测和监测，综合系统。
Modal damping ratio
0.02 0.015 0.01 0.005 0
mode4 before mode4 after
Frequency
0
500 Time (min)
1000
1500
2007-01-01 00:00:00 2007-01-02 01:35:00
2007-01-02 00:50:00 2007-01-03 02:35:00
结构损伤及性能演变 分析(SD&PEA)
(基于SD&PEA和LCC的)
结构管养对策的制订 (确保结构管养对策的) 健康监测系统的总体 框架设计和功能规划
使用性失效分析
管养对策分析 （管养所需） 监测对策分析
技术设计及研究 系统实施及运营
大桥健康监测系统建设的基本考虑
Fra Baidu bibliotek
东海大桥健康监测系统建设的基本考虑
MAC(2,2) before MAC(2,2) after
0.99 0.985 0.98 0.975 0 500 1000 2007-01-01 00:00:00
2007-01-02 00:50:00~2007-01-02 01:35:00
0.98 0.97 0.96 0.95
2007-01-02 00:50:00~2007-01-02 01:35:00
20
40
60
80
100
120
140
160
180
(d) 移动重车下主航道桥的几何变形
(c) 单位温度作用下主塔不同位置的水平位移
东海大桥健康监测系统的实现
在概念设计的基础上，项目组于2005年完成系统的技术设计和施工图 设计，并于2006年５月工程实施完成，2006年６月正式运行，至今 已经平稳地了运行将近两年。图６给出系统照片。其中，可以从以下 网址访问系统：（http://health.donghai-bridge.com.cn ）。
重大基础设施健康监测研究的沿革
最初概念的提出：上个世纪八十年代。 1987年，英国在总长522m的三跨变高度连续钢箱梁桥Foyle桥上 布设传感器。 此后，挪威、美国、丹麦、墨西哥、日本和韩国均在其国内发展 了规模不等的数十个桥梁健康监测系统。甚至泰国也在其Rama桥 上安设了桥梁监测系统（由同济大学负责为其设计）。 我国（包括港澳地区）在这一领域的起步稍晚，但进步很快，从 早期香港的青马大桥，我国内地的虎门大桥、徐浦大桥、江阴长 江大桥，苏通大桥、洞庭湖大桥，到目前的东海大桥健康监测系 统，短短十数年，我国已经在此新兴领域走在了世界前列。 笔者作为主要人员，全程参与了东海大桥健康监测系统科研、设 计、实施及其运行后的分析、二次开发工作。
东海大桥健康监测系统的运行实践
案例一:2007-1-2船撞事件的快速评估
快速评估得到如下结论： 并据此得出撞击对桥的正常运营影响不大的初步结论， 桥在当日正常使用。 模态参数在船撞前后无明显变化，这反映了结构的安 全性。 在船撞后的模态保证因子有明显的下降，这说明，由 船撞事件对结构的振动特性还是造成了一定的影响。 分析原因，结论是撞击对梁和墩间的支座有少许影响， 从而使结构的边界条件有所改变。
(a) 加速度传感器
(b) FBG应变传感器
(c) GPS接收器
(d) B/S架构的系统软件界面
东海大桥健康监测系统的实现
东海大桥健康监测系统由实时监测和人工检测两部分组成， 其实时监测部分由11个采集工作站、478个传感器组成的 分布式监测系统。 系统已经实现了功能的‘多级跳’，既东海大桥健康监测 系统不仅是一个数据采集、存储、管理系统，而且实现了 采样控制、数据的在线初步处理、数据的逻辑组内信息融 合、逻辑组间相关性分析，更重要的是，实现了基于多层 次模糊推理桥梁的在线状态评估。 和同期国内外其他桥梁健康监测系统相比，该系统精心设 计、功能较为完备、先进，初步解决了数据海量堆积而无 力处理的难题，而且将其它一些系统需要离线处理的问题 在线予以实现，初步解决了监测数据如何用于桥梁的日常 评估养护问题。
东海大桥健康监测系统的实现
东海大桥健康监测系统已经走到了世界的前列 笔者曾于2007年九月代表东海大桥健康监测项目组在 美国斯坦福大学参加有关结构健康监测技术的国际学术 会议，也曾受邀访问对美国新泽西州里大学、里海大学。 从交流情况来看，目前西方国家和日韩在此领域上多处 于学术论证和工程试验阶段。 东海大桥健康监测系统无论就其传感器数目和种类、系 统复杂程度、实时程度、稳定程度，还是对数据的处理 深度和评估利用程度，均给与会的世界各国人员留下深 刻印象。
东海大桥健康监测系统的运行实践
案例二:2008年‘5-12汶川大地震’后上海东海大 桥的地震预警
东海大桥健康监测系统的运行实践
案例二:2008年‘5-12汶川大地震’后上海东海大 桥的地震预警
2008年5月12日下午14:40，东海大桥主航道桥地震监测组及颗 珠山桥地震监测组均出现预警信息 ； 该警报是根据布设于主航道桥和颗珠山桥桥塔承台处的强震仪 加速度响应值来进行预警的。 本次预警发生在2008年5月12日 14:36~14:39，持续时间约为3 分钟，警报级别为一般。经分析并结合当天下午四川省汶川发生 的8.0级地震，本次预警针对的是汶川地震影响上海时东海大桥的 结构响应。
东海大桥健康监测系统的运行实践
案例一:2007-1-2船撞事件的快速评估
0.025
(Hz)
0.55 0.5 0.45 0.4 0 2007-01-01 00:00:00 2007-01-02 01:35:00 500 Time (min) 2007-01-02 00:50:00 2007-01-03 02:35:00 1000 1500 mode1 before mode1 after mode2 before mode2 aftere
重大基础设施健康监测研究的沿革
保障重大基础设施（桥梁、道路、涵洞、大坝） 的安全、健康的发挥功能，是一件极其重要的 事情。 桥梁健康监测系统就是用现代高科技的手段来 保障桥梁在运营期安全、为桥梁的管理养护服 务的 它将传感技术、计算机软硬件技术、通讯技术 与土木工程技术相结合，可以极大地满足对桥 梁安全及管理养护的需要。
东海大桥健康监测系统的运行实践
案例二:2008年‘5-12汶川大地震’后上海东海大 桥的地震预警
东海大桥健康监测系统的运行实践
案例二:2008年‘5-12汶川大地震’后上海东海大桥的地 震动信号的快速分析和评估
东海大桥健康监测系统的运行实践
案例二:2008年‘5-12汶川大地震’后上海东海大桥的地 震动信号的快速分析和评估
(a) 船撞前后模态频率的比较
A comparison between before and after collision 1 0.995
MAC
(b) 船撞前后模态阻尼比的比较
A comparison between before and after collision 1 0.99
MAC
MAC(1,1) before MAC(1,1) after
最近一些重大的国内外基础设施的安全事故：
2007年6月15 日广东佛山九 江大桥船撞倒 塌事件。
2007年8月13日， 凤凰堤溪大桥倒 塌
2007年8月1日美国 明尼苏达州大桥坍 塌
2008年3月27日 宁波金塘大桥
2007-09-10印度海 得拉巴立交桥坍塌
2008年5月12日 汶川地震中的桥 梁倒塌
东海大桥健康监测系统的运行实践
自东海大桥健康监测系统运行近两年来，该系统成功地为 东海大桥的管理养护发挥了重要作用。 同济大学也利用该系统进行了大量的科研工作，为保障大 海大桥的运营安全和保障上海洋山港的繁忙的运输畅通发 挥了作用。
下面给出两个实例，说明该系统在保障基础设施安全性方面的重要作用。
东海大桥健康监测系统的运行实践
案例二:2008年‘5-12汶川大地震’后上海东海大桥的地震动 信号的快速分析和评估 结论： 1. 汶川大地震对数千公里外的上海东海大桥产生了明显的震动影 响 2. 由于地震能量经过长距离传播和衰减，本次地震对东海大桥结 构安全和正常使用不构成任何威胁，大桥可以继续使用。 3. 本次预警事件表明：人类对重大灾变事件来临后对重大基础设 施实现安全预警的梦想是完全可以实现的。
东海大桥健康监测系统的运行实践
案例一:2007-1-2船撞事件的快速评估
2007年１月２日凌晨一点到两点间，东海大桥的颗珠山斜拉桥 PM473墩遭到一只大约两千吨级的运砂船的撞击，东海大桥健康 监测系统忠实记录了此次撞击事故，事故发生后，本文作者应管理 部位的要求，对数据进行了分析，并据此提出了船撞事故的预警及 事后结构评估方案。
系列1 系列2 系列3 系列4 系列5 系列6 系列7 系列8 系列9 系列10
(b) 收缩徐变和预应力损失下连续梁桥的频率变化
0.003
主塔水平位移/m
0.002 0.001 0 -0.001 0 -0.002 -0.003 主塔高程/m 整体升温1℃ 索梁温差1℃ 主梁梯度(1℃)
(e) 实测风场下主航道桥的几何变形
>
不均匀沉降 支座变位 铺装层不平整
>
预应力损 耐久性退化 耐久性退 (锈蚀、老化
大桥健康监测系统建设的基本考虑
东海大桥损伤及性能演变分析
沉降历程中频率变化图 5
频率变化百分比（%）
4 3 2 1 0 -1 1 2 3 4 5 6 7 沉降历程阶段
(a) 不均匀沉降下连续梁桥的频率变化
1500 2000 2500 3000 Time (min) 2007-01-03 02:35:00
0
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1000
2007-01-01 00:00:00
1500 2000 2500 3000 Time (min) 2007-01-03 02:35:00
(a) 船撞前后MAC(1,1)的比较
(b) 船撞前后MAC(2,2)的比较
概念设计理论框架
两种常规 路线
预评估路线 性能演变、损伤发 行为 生及其演变的预测 预测 提供演化模型… 在线评估路线 监测信息 监测 再现 信息
分析特性、行为及 损伤历程相互作用 提供指导… 挖掘隐藏的响应 或特性信息
分析损伤和响应 间的关系 提供准则… 利 用 SD&PEA 评估结构现状
预评估路线
大桥健康监测系统建设的基本考虑
东海大桥健康监测系统建设的基本考虑
东海大桥是上海深水港的物流输送动脉，桥梁总长31公里，是 我国第一座长距离跨海大桥。作为我国的生命线工程，在其结构 建成后，在上述恶劣环境下，其安全性、耐久性如何将成为很重 要的问题。
大桥健康监测系统建设的基本考虑
东海大桥健康监测系统建设的基本考虑
内容摘要
重大基础设施健康监测研究的沿革的简单回 顾 大桥健康监测系统建设的基本考虑 东海大桥健康监测系统的实现 东海大桥健康监测系统的运行实践
案例一:2007-1-2船撞事件的快速评估 案例二:2008年‘5-12汶川大地震’后上海东海大 桥的地震预警
讨论和展望
重大基础设施健康监测研究的沿革
概念设计理论框架
桥梁健康监测系统设计及研究的一般化流程
总体结构特点分析 环境特点分析及预测 荷载特点分析及预测
耐久性失效分析 基于安全性目的
概念设计及研究 SD&PEA
地震荷载作用下的结构易损性分析 交通流荷载作用下的结构易损性分 析 风荷载作用下的结构易损性分析 温度作用下的结构易损性分析 沉降作用下的结构易损性分析 结构疲劳分析 局部开裂分析 腐蚀分析 材质劣化分析 正常使用条件下通行舒适度分析 （结构振动水平） 极端条件下的通行安全度分析 （风、雨、振动，车桥耦合振动等） 长期效应下的路面变形及平顺度分析 (沉降、预应力损失导致的挠度变化等) 内力（索力）、反力 变形 应变 温度 振动（加速度） 耐久性(环境、疲劳)
东海大桥健康监测系统是世界上首次实现对地震的预警的 桥梁健康监测系统，这反映了我国在此领域已经走在了世 界前列。
讨论和展望
纵览国内外已有的桥梁健康监测系统，可以将它们大致划分为三代： 第一代为早期单项监测系统，传感器种类有限，采集设备不安装，间 歇性监测。 第二代为集成监测系统，传感器种类大大丰富，采集系统完善，连续 采集，有数据库管理软件对数据进行管理。 第三代为集成监测诊断系统，在第二代的基础上，强调对数据的处理， 并利用数据进行结构健康状态的在线评估、在线预警，并为深入地离 线评估提供便利；功能更加丰富，无线、internet等技术被用于系统 之中；结合检测和监测，综合系统。
Modal damping ratio
0.02 0.015 0.01 0.005 0
mode4 before mode4 after
Frequency
0
500 Time (min)
1000
1500
2007-01-01 00:00:00 2007-01-02 01:35:00
2007-01-02 00:50:00 2007-01-03 02:35:00
结构损伤及性能演变 分析(SD&PEA)
(基于SD&PEA和LCC的)
结构管养对策的制订 (确保结构管养对策的) 健康监测系统的总体 框架设计和功能规划
使用性失效分析
管养对策分析 （管养所需） 监测对策分析
技术设计及研究 系统实施及运营
大桥健康监测系统建设的基本考虑
Fra Baidu bibliotek
东海大桥健康监测系统建设的基本考虑
MAC(2,2) before MAC(2,2) after
0.99 0.985 0.98 0.975 0 500 1000 2007-01-01 00:00:00
2007-01-02 00:50:00~2007-01-02 01:35:00
0.98 0.97 0.96 0.95
2007-01-02 00:50:00~2007-01-02 01:35:00
20
40
60
80
100
120
140
160
180
(d) 移动重车下主航道桥的几何变形
(c) 单位温度作用下主塔不同位置的水平位移
东海大桥健康监测系统的实现
在概念设计的基础上，项目组于2005年完成系统的技术设计和施工图 设计，并于2006年５月工程实施完成，2006年６月正式运行，至今 已经平稳地了运行将近两年。图６给出系统照片。其中，可以从以下 网址访问系统：（http://health.donghai-bridge.com.cn ）。
重大基础设施健康监测研究的沿革
最初概念的提出：上个世纪八十年代。 1987年，英国在总长522m的三跨变高度连续钢箱梁桥Foyle桥上 布设传感器。 此后，挪威、美国、丹麦、墨西哥、日本和韩国均在其国内发展 了规模不等的数十个桥梁健康监测系统。甚至泰国也在其Rama桥 上安设了桥梁监测系统（由同济大学负责为其设计）。 我国（包括港澳地区）在这一领域的起步稍晚，但进步很快，从 早期香港的青马大桥，我国内地的虎门大桥、徐浦大桥、江阴长 江大桥，苏通大桥、洞庭湖大桥，到目前的东海大桥健康监测系 统，短短十数年，我国已经在此新兴领域走在了世界前列。 笔者作为主要人员，全程参与了东海大桥健康监测系统科研、设 计、实施及其运行后的分析、二次开发工作。
东海大桥健康监测系统的运行实践
案例一:2007-1-2船撞事件的快速评估
快速评估得到如下结论： 并据此得出撞击对桥的正常运营影响不大的初步结论， 桥在当日正常使用。 模态参数在船撞前后无明显变化，这反映了结构的安 全性。 在船撞后的模态保证因子有明显的下降，这说明，由 船撞事件对结构的振动特性还是造成了一定的影响。 分析原因，结论是撞击对梁和墩间的支座有少许影响， 从而使结构的边界条件有所改变。
(a) 加速度传感器
(b) FBG应变传感器
(c) GPS接收器
(d) B/S架构的系统软件界面
东海大桥健康监测系统的实现
东海大桥健康监测系统由实时监测和人工检测两部分组成， 其实时监测部分由11个采集工作站、478个传感器组成的 分布式监测系统。 系统已经实现了功能的‘多级跳’，既东海大桥健康监测 系统不仅是一个数据采集、存储、管理系统，而且实现了 采样控制、数据的在线初步处理、数据的逻辑组内信息融 合、逻辑组间相关性分析，更重要的是，实现了基于多层 次模糊推理桥梁的在线状态评估。 和同期国内外其他桥梁健康监测系统相比，该系统精心设 计、功能较为完备、先进，初步解决了数据海量堆积而无 力处理的难题，而且将其它一些系统需要离线处理的问题 在线予以实现，初步解决了监测数据如何用于桥梁的日常 评估养护问题。
东海大桥健康监测系统的实现
东海大桥健康监测系统已经走到了世界的前列 笔者曾于2007年九月代表东海大桥健康监测项目组在 美国斯坦福大学参加有关结构健康监测技术的国际学术 会议，也曾受邀访问对美国新泽西州里大学、里海大学。 从交流情况来看，目前西方国家和日韩在此领域上多处 于学术论证和工程试验阶段。 东海大桥健康监测系统无论就其传感器数目和种类、系 统复杂程度、实时程度、稳定程度，还是对数据的处理 深度和评估利用程度，均给与会的世界各国人员留下深 刻印象。
东海大桥健康监测系统的运行实践
案例二:2008年‘5-12汶川大地震’后上海东海大 桥的地震预警
东海大桥健康监测系统的运行实践
案例二:2008年‘5-12汶川大地震’后上海东海大 桥的地震预警
2008年5月12日下午14:40，东海大桥主航道桥地震监测组及颗 珠山桥地震监测组均出现预警信息 ； 该警报是根据布设于主航道桥和颗珠山桥桥塔承台处的强震仪 加速度响应值来进行预警的。 本次预警发生在2008年5月12日 14:36~14:39，持续时间约为3 分钟，警报级别为一般。经分析并结合当天下午四川省汶川发生 的8.0级地震，本次预警针对的是汶川地震影响上海时东海大桥的 结构响应。
东海大桥健康监测系统的运行实践
案例一:2007-1-2船撞事件的快速评估
0.025
(Hz)
0.55 0.5 0.45 0.4 0 2007-01-01 00:00:00 2007-01-02 01:35:00 500 Time (min) 2007-01-02 00:50:00 2007-01-03 02:35:00 1000 1500 mode1 before mode1 after mode2 before mode2 aftere
重大基础设施健康监测研究的沿革
保障重大基础设施（桥梁、道路、涵洞、大坝） 的安全、健康的发挥功能，是一件极其重要的 事情。 桥梁健康监测系统就是用现代高科技的手段来 保障桥梁在运营期安全、为桥梁的管理养护服 务的 它将传感技术、计算机软硬件技术、通讯技术 与土木工程技术相结合，可以极大地满足对桥 梁安全及管理养护的需要。
东海大桥健康监测系统的运行实践
案例二:2008年‘5-12汶川大地震’后上海东海大 桥的地震预警
东海大桥健康监测系统的运行实践
案例二:2008年‘5-12汶川大地震’后上海东海大桥的地 震动信号的快速分析和评估
东海大桥健康监测系统的运行实践
案例二:2008年‘5-12汶川大地震’后上海东海大桥的地 震动信号的快速分析和评估
(a) 船撞前后模态频率的比较
A comparison between before and after collision 1 0.995
MAC
(b) 船撞前后模态阻尼比的比较
A comparison between before and after collision 1 0.99
MAC
MAC(1,1) before MAC(1,1) after
最近一些重大的国内外基础设施的安全事故：
2007年6月15 日广东佛山九 江大桥船撞倒 塌事件。
2007年8月13日， 凤凰堤溪大桥倒 塌
2007年8月1日美国 明尼苏达州大桥坍 塌
2008年3月27日 宁波金塘大桥
2007-09-10印度海 得拉巴立交桥坍塌
2008年5月12日 汶川地震中的桥 梁倒塌
东海大桥健康监测系统的运行实践
自东海大桥健康监测系统运行近两年来，该系统成功地为 东海大桥的管理养护发挥了重要作用。 同济大学也利用该系统进行了大量的科研工作，为保障大 海大桥的运营安全和保障上海洋山港的繁忙的运输畅通发 挥了作用。
下面给出两个实例，说明该系统在保障基础设施安全性方面的重要作用。
东海大桥健康监测系统的运行实践
案例二:2008年‘5-12汶川大地震’后上海东海大桥的地震动 信号的快速分析和评估 结论： 1. 汶川大地震对数千公里外的上海东海大桥产生了明显的震动影 响 2. 由于地震能量经过长距离传播和衰减，本次地震对东海大桥结 构安全和正常使用不构成任何威胁，大桥可以继续使用。 3. 本次预警事件表明：人类对重大灾变事件来临后对重大基础设 施实现安全预警的梦想是完全可以实现的。
东海大桥健康监测系统的运行实践
案例一:2007-1-2船撞事件的快速评估
2007年１月２日凌晨一点到两点间，东海大桥的颗珠山斜拉桥 PM473墩遭到一只大约两千吨级的运砂船的撞击，东海大桥健康 监测系统忠实记录了此次撞击事故，事故发生后，本文作者应管理 部位的要求，对数据进行了分析，并据此提出了船撞事故的预警及 事后结构评估方案。
系列1 系列2 系列3 系列4 系列5 系列6 系列7 系列8 系列9 系列10
(b) 收缩徐变和预应力损失下连续梁桥的频率变化
0.003
主塔水平位移/m
0.002 0.001 0 -0.001 0 -0.002 -0.003 主塔高程/m 整体升温1℃ 索梁温差1℃ 主梁梯度(1℃)
(e) 实测风场下主航道桥的几何变形