城市桥梁健康监测系统设计研究——以天津市为例

第1章绪论

1.1课题背景
桥梁运营期间，桥梁结构随着运营时间的增长，钢结构、混凝土结构等材料的老化，疲劳效应加剧，各种环境荷载，腐蚀效应的影响，损伤部分将不断的积累，这样很容易导致突发事故的发生；因此对桥梁的运行状况进行健康监测，不仅可以确保桥梁设施及使用者的安全，还可分析桥梁健康状况、使用寿命、损伤程度等，这样可以有效预防事故的发生、减少财产损失、避免人员伤亡。
近年来，国内发生的几起桥梁事故，究其原因多数是桥梁结构疲劳，桥梁状况监测、养护措施实施不完善，从而严重影响桥梁结构的承载能力和使用期限，由此可见，建立桥梁健康监测系统具有十分重要的意义。随着我国基础交通设施建设的高速发展，大跨度桥梁的建设也进入空前发展期；现代大型桥梁结构类型多样，给桥梁建设、管理以及科研工作都带来极大地挑战，桥梁的安全性已成为桥梁管理者十分关注的问题。发展桥梁的长期健康监测系统，是我国桥梁技术研究中的重要一环，是桥梁结构响应、桥梁工作环境等科学研究的基础。利用监测系统所采集的数据可以分析桥梁结构的健康状态、评定桥梁结构的安全性、可靠性，为桥梁的运营管理、维修养护等提供科学依据。
早期的桥梁检测手段，要工作人员定期或不定期选择性的对大桥的某一部分的结构区域进行短期检测，并将检测数据进行分析后，得出结论。一方面这种检测不连续，检测过程中须有人值守，另一方面检测结果反映的只是桥梁在某个具体时间段、某个具体构件的技术状况，它不能全面实时的反映整座桥梁的整体健康状态，且耗费了量的人力、物力、财力。桥梁进行健康监测的目的是获得在不同结构部位的重要信息，综合反映桥梁结构的健康状况，于是，须在桥梁多个重要受力部位安装不同类型的传感器以获得桥梁多参数、多点位的准确信息.影响桥梁结构安全的因素有很多，如桥梁关键部位的应力参数，结构动力特性参数等。桥梁健康监测就是通过建立健康监测系统对影响桥梁结构的主要因素进行实时监测，分析评估桥梁的安全性与可靠性，监测过程中及时发出预警信息，提醒桥梁养护管理人员对桥梁异常现象进行维护，从而延长桥梁的剩余寿命，尽量减少重大事故的发生，减产财产和人员的损失，保证桥梁投资的收益。对于重要桥梁结构而言，如果不及时对桥梁结构的健康状态进行长期实时监测，养管人员就难以准确发现桥梁结构的安全隐患，一旦桥梁结构局部失效或整体承受能力不足，势必将影响桥梁结构的正常使用，并带来重大事故。桥梁健康监测系统不仅能实时监测桥梁运行状况，还能通过对采集数据的处理分析评估桥梁的健康状态，保证桥梁正常运行的同时，提醒桥梁管理者采取适当的桥梁养护措施以提高桥梁的服务水平及使用寿命。
在桥梁健康监测系统建设、维护过程中，数据分析与处理，关系着整个监测系统评估结果的准确性，因此，完备的健康监测系统应能从监测数据中准确查找出异常数值，并可以对异常数据进行可靠性分析并初步判断其产生的原因，针对不同的原因做出相应的操作提示，从而捕捉到桥梁病害的发生、发展等情况，为做出合理的评价奠定基础；桥梁健康监测方法，具有传感器种类多、数量大、信号传输与存储的实时性要求高的特点，这使得它对数据采集和处理系统的软件方面提出了很高的要求。

1.2桥梁在线健康监测的意义
建立桥梁健康监测系统具有以下三个方面的意义：
⑴桥梁技术状况监测、损伤识别及安全评估
桥梁健康监测系统，利用现代传感和通信技术，实时或近实时监测桥梁结构正常运营期间的结构响应和行为，获得结构所处的环境状况及健康状况，当桥梁出现病害时，可有针对性地分析病害的成因及对结构的影响程度，为桥梁管理和养护提供科学决策依据，一方面，确保桥梁安全运营；另一方面，早期发现桥梁损伤可以节约桥梁的维修费用，避免因桥梁大修而关闭交通带来的重大损失；由于监测数据的连续，提高了桥梁评价的准确性和及时性，为桥梁的管理与维护提供科学的依据；在遇到突发情况时，监测系统能够进行报警，有利于管理人员及时采取有效措施，避免出现桥梁垮塌等安全事故。
⑵节约人员、检测费用、维修费用的投入
桥梁健康监测系统采用现代化传感、光电通讯及智能评估技术，实时监测桥梁的运行状况，与传统的检测相比，健康监测的项目更为丰富，尤其对大型特殊结构桥梁，健康监测系统能够实现常规检测不易完成的检测项目，这就大大减少了现场人员和检测费用的投入；健康监测系统有助于管理者发现桥梁的早期病害，及时采取有效措施确保桥梁的安全使用，并在恰当的时机进行维修加固，达到适当延长桥梁的使用寿命及节省成本的目的，使桥梁在整个生命周期内成本最小。
⑶设计验证及模型修正
桥梁设计参数多是依赖于理论分析，并通过一系列的模拟试验推算桥梁的动、静力性能。而理论分析是基于有限元离散模型和很多设计规定的假定条件为前提的，模拟试验也可能与真实环境不完全相符；通过对桥梁结构建立健康监测系统，积累大量的监测数据，可验证桥梁的理论模型和计算假定，修正设计规定的假设及参数，并重新应用于桥梁运营状况下的结构行为。桥梁健康监测系统的正常运营，可实时提供桥梁结构行为与环境规律的真实信息，可以通过桥梁健康监测所获得的实际结构的行为来验证桥梁的理论模型、计算假定和设计方法的合理性，根据监测系统的反馈信息，为改进桥梁结构设计方法和相应的规范标准提供有利的数据基础。
综上所述，桥梁健康监测系统的实施保障桥梁结构的安全运营，提高了桥梁智能化管理水平，符合我国提倡的建设信息化社会的时代主流。

1.3桥梁健康监测系统研究与应用现状
1.3.1国外发展状况
桥梁的安全检测，始于20世纪50年代，1967年12月，俄亥俄河上的一座桥梁倒塌事故，导致46人丧生，这个事故促使美国于1971年制定了国家桥梁检测标准（NBIs），用于全面指导桥梁检测的各个环节；20世纪80年代后，国外已有大量桥梁建立了较为完备的健康监测系统。佛罗里达州Sunshine Skyway斜拉桥上安装有一套综合设备，用来测量桥梁的应变、位移和温度，可通过离线或实时的方式采集数据，可通过分析测量