智能测力支座及桥梁安全预警物联系统（公路）

中国铁道科学研究院铁道建筑研究所,2011年12月12日,智能桥梁支座及 桥梁安全预警物联系统,目 录,一、 桥梁健康监测的意义、技术难点及解决方法 二、 智能测力支座系统的组成及其特点 三、 智能测力支座系统的应用 1.桥梁施工和运营安全监测及预警 2.桥梁荷载研究 四、 创新及意义,一、 桥梁健康实时监测的意义、技术难点及解决方法 1. 桥梁健康实时监测的意义、技术难点 目前桥梁设计规范中，由于没有有效测试手段，一些桥梁荷载及其分布是基于一定的假设后通过计算得出的，计算结果与实际存在一定的误差。误差过大可能造成桥梁使用不安全或安全度过大产生浪费。因此实测出上述荷载，是桥梁设计安全性和经济性的必要前提。近年来，国内外桥梁时有垮塌的恶性事故发生，这些恶性事故有些发生在桥梁施工期间，有些出现在桥梁运营若干年后，给各国人民生命财产造成巨大的损失。造成桥梁破坏的因素虽然多种多样，归其原因是各种外界因素使桥梁和地基基础承受的荷载及其分布发生变化并积累到一定程度，超过桥梁结构或地基基础的承受能力所造成的。,2000年8月27日连接台湾高雄屏东两县的重要通道高坪大桥突然拦腰断裂桥面下陷100米至少有17部车辆受困在断裂倾斜的桥面处5部车掉入河水中，22人受伤住院。,2007年10月23日23时许内蒙古自治区包头市民族东路高架桥桥面发生倾斜行驶在桥上的两辆重型货车随路面侧滑到桥底造成桥下包环，铁路专用线中断。,为保证桥梁的安全及设计的经济合理，准确测出桥梁的各种荷载、监测桥梁各阶段的受力状态和工作状态具有重大的意义和紧迫性，然而，国际上尚没有一种能够对桥梁整体的受力状态或桥梁的工作状态进行实时监测与安全性评估的可行方法。 施工阶段，目前施工监测常用的传感器主要有应变计和位移计两种。应变计用以测试桥梁局部应变，是一种间接的局部应力测试方法，难以通过应变的测试，全面了解桥梁上部结构和下部结构的整体受力状态。 运营期间，桥梁是否存在隐患，目前仅有的手段是难以及时发现的，更无法了解桥梁可能出现的劣化趋势。因此，迫切需要一种行之有效的自动化手段对大量新建的桥梁进行健康监测。,2.解决方法 桥梁支座是连接桥梁上、下部结构的关键受力构件，上部结构的荷载通过支座传给下部结构和地基基础；地基基础支承状态发生变化，将改变支座反力和上部结构内力的分布。由此可见，支座反力的分布直接反映了桥梁结构内力和地基基础的支承状态，通过监测支座反力分布状态及其变化规律，可了解桥梁结构内力的实际分布状态、地基基础的支承状态及其变化规律，据此便可对桥梁的健康状态进行分析并作出正确的判断。,分析可知，通过监测支座反力监测桥梁施工和使用安全性是桥梁健康监测的一种行之有效的办法，研制一种具有负荷传感器功能、具有实用推广价值的测力支座便成为桥梁健康监测的关键。另一方面，桥梁健康监测应是一种长期、日常化的工作，要求支座反力数据的采集与分析必需实现自动化，否则，桥梁的健康监测是一项无法完成的工作。,二、 智能测力支座系统的组成及其特点,图1所示，智能测力支座系统是一个以测力支座为核心部件、以数据自动采集模块和远程数据传输模块为辅助设备，借助现代通信网络和远程监测平台组成的桥梁健康监测物联网系统。图2为监测平台主要操作界面。,图1 系统组成,数采模块,图2 监测平台主界面图,智能测力支座系统具有如下特点： 测力支座是一种球型支座，满足桥梁支座的各种使用要求；同时也是一种单向或多向大负荷传感器，可对作用在桥梁上的各种竖向和水平方向的荷载单独或同时进行测试。 测力支座采用的传感器、数据采集与传输模块均为经过长期考验的成熟技术，测试方法可靠，精度高。 系统可根据需要，对使用该系统的所有桥梁的健康状况实现集中监测与管理，监测数据多部门分享。,系统实现数据采集与分析自动化，具有自检、预警和报警等智能化功能。 监测界面采用开放式设计，可根据不同桥式，输入不同的结构内力计算公式，界面设计人性化，使用灵活方便。 系统构成简单，安装方便。,三、 智能测力支座系统的应用 智能测力桥梁支座系统可广泛应用于铁路、轻轨、公路、市政道路各种桥梁，特别是大跨度桥梁如连续梁桥、斜拉桥、悬索桥以及各种跨大江河和跨海大桥的施工和健康监测，也可用以开展桥梁荷载的实测研究，应用前景广阔。 （1） 施工监测 常用的超静定结构桥梁如连续梁桥、斜拉桥等多数采用悬臂施工，需经历悬臂施工、合拢、体系转换、桥面铺设等过程。施工各个阶段的荷载包括梁段自重、临时施工荷载、体系转换和温度变化以及收缩徐变产生的重分布荷载、二期恒载等，繁琐的施工过程和复杂的荷载可能使桥梁体系转换后的内力与设计值出现较大的偏差。,通过实测体系转换后支座反力的变化规律（对于斜拉桥，还需测出斜拉索的拉力），可计算出体系转换后实际结构内力及其变化规律，评估桥梁的安全性。 下图为可串接于拉索锚具与结构物之间的扁形压力传感器,一个承载力5000kN的该传感器,厚度仅为60mm左右，可用于对拉索承受的静、动态拉力进行测试。,（2） 超静定结构桥梁的健康监测 桥梁运营期间，基础沉降、温度变化、收缩徐变等都引起结构内力重分布，严重时可能使桥梁结构产生积累损伤。通过支座反力的监测，可分析各种荷载因数对桥梁结构内力的影响及其变化规律，达到对桥梁使用安全作出预测和评估的目的。,（3） 荷载实测研究 桥梁设计规范中，有些设计荷载的大小及其分布尚缺乏试验依据，如收缩徐变和温度变化产生的附加荷载、冲击荷载、制动力和风力等，荷载取值过高将造成浪费，估计不足则不安全。这些荷载对桥梁受力安全有较大的影响，有些甚至控制设计。因此，实测这些荷载的大小及其分布具有重大的技术和经济意义，必将推动桥梁设计和施工向安全和经济的方向发展。,智能测力支座系统可应用于： 1. 荷载横向分布的实测研究 公路桥梁荷载横向分布系数计算方法有杠杆法、偏心压力法、铰接梁法和刚接梁法，这些计算方法有各自的使用条件和计算假设，计算结果与实际存在多大的差异尚不清楚。 如果所有支座均为测力支座，则容易通过实测支座反力的方法研究荷载的实际分布情况。,2. 超静定结构混凝土徐变产生的内力重分布测试研究 混凝土的徐变计算是基于老化理论： （t , ti）=（, ti）1e-(t-ti) 影响徐变系数（t , ti）的因数很多，包括混凝土的骨料、强度等级、构件截面形状、环境温度、加载龄期等，同一结构物的不同部位，徐变系数也可能不同，因此，根据老化理论计算得出的徐变内力可能与实际情况存在一定的差异，此差异多大，至今尚不清楚。 在其它因数相同的条件下，实测连续梁支座反力由于混凝土的徐变引起的重分布可求得结构内力的重分布，通过理论值与实测值的比较分析，必要时可对理论计算进行修正。,3. 温度变化产生的附加荷载测试研究 超静定结构温度变化将产生结构内力重分布。在其它因数相同的条件下，可通过测试环境温度变化和相应支座反力的变化，研究不同的温度环境产生的结构内力重分布的状况。 4. 制动力的测试 制动力是桥梁墩、台承受弯矩作用的主要水平荷载，实测制动力的大小及其分布对墩台设计的安全性及经济性具有很大的技术经济意义。,5.大跨度桥梁风荷载的测试研究 大跨度钢桥，特别是跨海大桥对风振作用较为敏感，通过测力支座可实测风荷载的大小及其作用频率，对钢桥抗风设计具有重大意义。 6.地震荷载的长期监测 我国目前尚没有实测的地震地面运动加速度谱，实测地面运动加速度谱对结构抗震设计意义重大。 在地震区应用测力支座进行长期监测，当发生地震时，测力支座可自行提高数据采集频率，记录测力支座测得的地震力波形。,支座组装,支座组装,支座标定,（4）应用实例 智能测力支座系统已应用于成绵乐客运专线金马河两座连续梁桥，共18个测力支座，支座承载力从5000kN55000kN。,待安装的55000kN测力支座,数据采集传输模块安装,测力支座完毕,下图为金马河桥运梁车运梁和空车过桥时，远程测得的部分支座反力图。,四、创新及意义 智能测力支座系统的核心设备为球型测力支座，该测力支座创造性地将球型支座技术与传感器技术有机结合成一体，既起球型支座的作用，又是一个大负荷压力传感器。测力支座辅以成熟的数采技术，借助现代通信技术和专用的监测平台，使得以测力支座为核心技术所组成的智能测力支座系统具有自动数据采集、传输、分析、预警和报警等功能，实现桥梁监测的自动化和智能化，系统整装技术达到世界领先水平。,智能测力支座系统是中国铁道科学研究院自主创新的科研成果，属国际首创。该系统的应用大大提高桥梁健康监测的技术水平，使过去不可能做到的桥梁安全实时监测成为可能，其推广应用必将大大提高我国对桥梁结构安全、高速铁路桥梁运营安全的监测水平，极大地推动桥梁设计和监测技术的进步，对我国桥梁建设和交通事业的发展具有重大的技术经济意义和社会意义。,谢 谢！,