某大桥结构健康监测程序探讨分析

1.1桥梁健康监测研究旳重要性和紧迫性
1.1.1概述
随着我国综合国力的增长，国家在基础建设中的投入越来越大，近几年我国公路、铁路得到了跨越式的发展，投入运营的桥梁越来越多，桥梁结构理论、建筑材料和施工技术的迅速发展，也推动我国桥梁向大型化、轻柔化、多功能和美观环保的发展。不论是数量、规模还是技术水平，我国都已成为名副其实的桥梁大国，如通车不久的高低双塔不对称钢混组合梁主跨度世界第一的荆岳长江公路大桥、世界最长的杭州湾跨海大桥、钢箱梁悬索长度世界第一的浙江西埃门大桥、世界跨度排名第三的润扬长江大桥、载重世界排名第一的武汉天兴洲公铁两用长江大桥、著名的武汉长江大桥、江苏的苏通长江大桥、江阴长江大桥、上海的杨浦大桥和南浦大桥、港澳地区的虎门大桥和青马大桥等等。桥梁以及其它土木建筑都有一个生命周期，建成以后，受到长期的恒载、活载、事故和环境因素的影响，材料会逐渐腐烛老化，结构损伤积累，桥梁的健康状况和承载能力随着时间的增加而逐渐降低，产生各种各样的病害，如果维护管理不当，不仅影响行车安全，而且会大幅度降低桥梁的设计使用寿命。因此，对影响桥梁结构健康的相关因子进行监测，建立桥梁长期健康监测系统，实时了解桥梁的健康状况，并在此基础上对其安全性能进行评估，即是桥梁运营管理的要求，也是保障桥梁安全运营的需要。
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1.2国内外研究现状
由于桥梁安全事故的不断发生和事故后果的严重性，例如：1962年美国Kings钢桥因疲劳而倒塌，1967年美国俄亥俄河上的一座桥梁倒塌，造成46人丧生。工程技术人员对桥梁健康监测展幵了积极的研究和探索，1997年，在美国Stanford召开了每两年一届的国际结构健康监测会议，2002年幵始，欧洲也每两年举行一次欧洲结构健康监测与控制分会，2005年我国在深圳召开了第二届国际智能结构健康监测学术会议，但是，由于桥梁结构及其所处环境的复杂性和不确定性，加上桥梁结构监测是一个涉及到多学科、跨行业的难点课题，使得国内外的研究目前还处于探索和试用阶段。
1.2.1国外研究现状
桥梁的损伤检测问题在20世纪50年代就已提出，以人工检测为特征的桥梁检测标准在一些国家开始施行，主要通过定期对桥梁结构进行例检以维持长期的监测[7]，1967年美国银桥跨塌事件后，桥梁工程领域就提出了桥梁健康监测的概念，1971年美国的国家桥梁监测标准（NBIS)规定：成桥或桥梁结构性态改变需进行验收检测。随后，各国相继开始在桥梁上安装各种传感器件和监测系统，幵展桥梁健康监测的探索和研究[8_9]。1987年，英国在总长522米的Foyle桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风载作用下主梁的振动、烧度和应变响应，以及周围环境的实时监测、实时分析和数据共享，该系统是最早安装的较为完整的健康监测系统之一。1997年，加拿大建于海上的45跨预应力混凝土箱梁Confedration桥建成，全长12.9公里，桥上实施了一套综合的监测系统[iG]，对桥梁在冰荷载作用下的性能、长短期变形、温度应力，以及在车辆荷载、风和地震荷载作用下的动力响应和环境对桥梁的侵蚀进行分析。1998年，跨度世界第一的日本明石海峡（Akashi Kaikyo)大桥建成，主跨1991米，该桥上安装了地震仪、风速计、加速度计、速度计、GPS (全球卫星定位系统）位移计和温度计，验证在强风和地震时的设计假设和有关参数。
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2.荆岳大桥结构健康监测系统构架

在研究荆岳大桥结构特点的基础上，从桥梁结构健康监测的需要出发，构架了大桥结构健康监测系统，实时在线监测桥梁动态，为桥梁安全运营、维护管理提供决策依据。系统划分为三个层面：一是桥梁健康和安全信息的获取；二是信息的分析处理评判；三是信息的应用。

2.1大桥工程概况
荆岳长江公路大桥位于湖北、湖南两省交界处，是湖北省“六纵五横一环”骨架公路网中，随州至岳阳高速公路跨越长江的特大型桥梁工程，上游距离荆州长江大桥256km,下游距离武汉军山长江大桥189km。荆岳大桥北起湖北省监利县白螺镇王李村，跨跃长江后止于湖南省岳阳市云溪区道仁肌镇大鼓山，总建设里程5419.6m，其中大桥总长4302.5m。图2-1为新建成的荆岳大桥。


荆岳大桥主体工程主要为跨南汊深视主桥和跨北汊滩桥。主桥为主跨816米双塔双索面不对称混合梁斜拉桥，跨度布置为(100+298)+816+(80+2><75)m，南塔高224.5m，北塔高267m,桥塔为H型，高低塔斜拉跨度世界第一；滩桥为100+5xl54+100m七孔预应力混凝土连续梁桥，全长970m。
作为沟通湖北、湖南两省的特大型桥梁工程，荆岳大桥工程建设条件极为复杂，桥位所在是长江中游防洪最敏感区域的城陵肌至螺山河段，通航限制条件复杂。桥位场区存在有揉皱破碎、断层裂隙、溶岩、层间剪切等多种复杂不良地质现象。荆岳大桥作为世界级的超大跨度的斜拉桥，其综合建造技术具有国际先进水平。

2.2监测系统设计原则
荆岳大桥结构健康监测系统是一个集结构计算分析、计算机技术、通信技术、网络技术、传感技术以及信息分析处理评判等高新技术于一体的综合系统工程。为了使监测系统能够真正满足大桥运营期安全运营和维护管理的需要，整个健康监测系统严格遵循可靠性、先进性、可操作性、易维护性、完整性和开放性原则，并特别强调系统的实用性。
1、可靠性原则
桥梁结构健康监测系统的首要原则是系统的长期可靠性，要求设计时选择的检测技术和测试手段都是国内外成熟的技术和产品，以保证系统长期运行的可靠性要求。
2、先进性原则
荆岳大桥作为世界级的斜拉桥，其综合建造技术具有国际先进水平，设计先进，技术含量高，其结构健康监测系统釆用的技术不仅要与大桥的重要性相呼应，而且更要体现当前结构监测系统的发展，使监测系统的技术达到当前的国际先进水平。
3、完整性原则
结合桥梁危险性分析结果和结构健康监测的整体功能需要，首先，结构健康监测系统采集的相关信息应完整，能够满足监测系统对桥梁状况评估的需要，体现信息的完整性。其次是监测过程的完整性，涵盖桥梁的设计、施工和运营各个阶段，内容完整逻辑严密。同时，随着监测技术的进步和桥梁评价理论的发展，系统还需具备很好的扩展性，实时补充需要的监测信息。
4、实用性原则
系统实现的功能、人机界面以及操作方式要友好，所有监测结论应通俗易懂便于理解。系统各功能层次、各环节重点突出可操作性和可行性，满足桥梁日常养护和安全管理的需要。