润扬长江大桥结构健康监测系统研究_李爱群

第33卷第5期2003年9月

东南大学学报(

自然科学版)

JO UR NAL OF SOUTHEA ST UNIVER SITY (Natural Science Edition)

Vol 133No 15Sept.2003

润扬长江大桥结构健康监测系统研究

李爱群1

缪长青1

李兆霞1

韩晓林1

吴胜东2

吉 林2

杨玉冬

2

(1东南大学土木工程学院,南京210096)

(2江苏省长江公路大桥建设指挥部,镇江212002)

摘要:介绍了国家重点工程)))润扬长江大桥结构健康监测系统研究的主要成果,综合评述了大跨桥梁健康监测研究的主要进展和关键问题.主要内容包括:系统的构成、目标和主要子系统的功能、监测项目的确定和布点策略、监测仪器的选择与检测技术分析、桥梁结构状态识别与安全性评估的方法与策略等.文中较为系统地论述了目前大跨桥梁健康监测系统建立与研究中的主要问题,指出了结构健康监测技术、状态识别和可靠性评估的可能技术途径,阐述了大跨桥梁健康监测系统的发展方向.

关键词:大跨桥梁;健康监测;安全评估

中图分类号:TU311.2 文献标识码:A 文章编号:1001-0505(2003)05-0544-05

Health monitoring system for the Runyang Yangtse River Bridge

Li Aiqun 1

Miao Changqing 1

Li Zhaoxia 1

Han Xiaolin

1

Wu Shengdong 2

Ji Lin 2

Yang Yudong

2

(1College of Civi l Engi neering,Southeas t Universi ty,Nanji ng 210096,China)

(2Cons truction Commanding Department,Jiangsu Provincial Yangtze Ri ver Hi ghway Bridge,Zhenjiang 212002,China)

Abstract : The principal achieve ments in the health monitoring system for the Runyang Yangtse River Bridge investigated are introduced.The main progress and problems that existed in the establishment and study of the health monitoring system for long -span bridges are systematically discussed with respect to the composition and objective of the system,functions of main sub -systems,determination of the monitoring items,selection of monitoring instruments,analysis of the inspection technology,status identification and safety evaluation of the bridge.Potential technical approaches to the monitoring technology,status identif-i

cation and reliability evaluation of structural health monitoring are presented.The development of the health monitoring system for long -span bridges is discussed in detail.Key words : long -span bridge;health monitoring;safe ty evaluation 收稿日期:2003-05-15.

作者简介:李爱群(1963)),男,博士,教授,博士生导师,aiqunli

@.

桥梁在长期的使用过程中难免会发生各种结构损伤,损伤的原因可能是使用、维护不当、车祸事故等人为因素,也可能是环境腐蚀、地震、风暴等自然灾害所致.此外,某些要道上交通量以大大高于预测流量的速度猛增也加剧了桥梁结构的自然老化.这些因素均导致了桥梁承载能力和耐久性的降低,甚至影响到运营的安全.目前开展的采用现代

光学、超声波、电磁等技术检测工具对大型结构进行力学性能和工作性能检测的工作,只能提供结构

局部的检测和诊断信息,而不能提供整体和全面的全桥结构健康检测和评估信息.

近年来,随着大跨桥梁设计的轻柔化以及结构形式与功能的日趋复杂化,为了把握桥梁结构在营运期间的承载能力、营运状态、安全性和耐久性,需要建立桥梁结构健康监测系统[1]

.

润扬长江大桥是由悬索桥和斜拉桥组合而成的特大型缆索支承型桥梁.其中,斜拉桥为三跨

(176m+406m+176m)双塔双索面型钢箱梁桥;悬索桥为单跨双铰简支钢箱梁桥,主跨1490m,为中国第一,世界第三.研究和建立润扬长江大桥结构健康监测系统无疑将具有重要的学术价值和现实意义.

1 系统构成及功能

设立润扬大桥结构健康监测系统,主要是应用现代化的传感技术、测试技术、计算机技术、现代网络通讯通信技术对桥梁的工作环境、桥梁的结构状

态、桥梁在车载等各类外部荷载因素作用下的响应进行实时监测和研究

[2~7]

,及时掌握桥梁的结构状

态,全面了解桥梁的运营条件及质量退化状况,为桥梁的运营管理、养护维修、可靠性评估以及科学研究提供依据.

结构健康监测系统包括硬件和软件2个部分,其中硬件部分包括4个系统,即:传感器系统(sen -sory system);数据采集系统(data acquisition system,DAS);数据通信与传输系统(data communication and transmitting system,DC TS);数据分析和处理系统(data processing and analysis system,DPAS).各系统间通过光纤网络联系而进行运作.结构健康监测系统的构成见图

1.

图1 结构健康监测系统构成

网络结构由网络服务器、PC 机、专用工控机以及各种放大器、传感器等组成.每个网络节点往下由工控机、信号调理器、传感器等构成微型网络,以保证系统的可维护性和扩充性,以便于系统的进一步开发和监测规模的扩大.整个系统采用环状网络结构,以提高系统正常运行的可靠性.

1)传感器系统 在整个大桥安装的传感器及有关附件包括风速仪、温度传感器、几何测量系统(位移计、水平仪、倾角仪、ED M/GPS)、应变计、测

力传感器、车轴车速仪、加速度传感器,以及信号放大器、调理器等附件.

2)数据采集系统 包括安装在大桥箱梁内的数个由微电脑控制的数据采集站.每个采集站是基于PC 机的数据采集和分站.主要功能是收集由传感器传来的数据,进行读数的信号调理、采集数据的初步处理和储存,然后通过光缆传到监测中心的

数据处理和分析系统.

3)数据通信与传输系统 包括网络操作系统平台、站点的设立、安全监测局域网的网络协议、与其他局域网或主干网的连接.

4)数据处理和分析系统 用数台高性能工作站连接桥上数台DAS(根据传感器布置具体情况确定)形成一个计算机网络.工作站安装在大桥监控管理中心,并配置所需的数据显示软件.工作站分别实现采集数据处理、结构监测图形显示、系统控制管理与维护、结构分析评估及专家诊断.

润扬长江大桥结构健康监测系统主要包括如下几个方面的功能:

¹报告大桥在各种工作环境下的结构载荷变化;

º设定日常信道报警系统,用于桥梁的日常运营管理;

»报告大桥各主要构件的实际工作状况,为结构维护提供依据;

¼报告大桥主要构件有否任何损坏或者累积性的损伤并设立报警系统;

½对大桥主要构件有否潜在损坏及其主要构件的剩余使用寿命进行评估;

¾对大桥结构的健康状况、结构安全可靠性进行评估.

2 主要监测内容

对于一座大型桥梁结构,监测项目的选择应尽

可能反映桥梁运营期间的结构实际工作状态,并满足政府、桥梁管理部门、维修养护部门和科研单位的有关要求.首先需要确定系统需要获取哪些信息;其次应当结合监测费用,从实用的角度出发,由大量可选监测项目中选取适当项目实施,达到最大费用效益(cos-t benefit)比.对于某些短期测试项目,可以通过专门的检测设备获取需要的数据,需要长期进行检测的项目才有必要列入永久性的监测系统.

润扬长江大桥结构健康监测系统除了对大桥的车流量、车辆荷载状况(车载、车速及车流量)、桥址处的气候环境(风速、风向)、地动脉、索塔沉降等进行监测之外,对于南汊悬索桥和北汊斜拉桥要针对结构形式确定项目,进行连续监测.包括:¹南汊悬索桥:主跨纵向、横向、竖向位移;主跨钢箱梁的位移、截面的应力分布、温度等;锚室主缆索股拉力;部分吊索拉力;主跨箱梁和悬吊体系(主缆与吊索)的振动特性;索塔的振动特性.º北汊斜拉

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