桥梁结构健康监测与损伤识别技术

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,桥梁结构健康安全监测与损伤识别技术,Bridge Structural Health & Safety Monitoring and Damage Identification,李乔 单德山 唐亮,内容,桥梁事故,结构健康监测（,SHM,）的基本涵义,SHM,基本架构,SHM,系统设计,SHM,实例,西南交通大学,BSHM,的解决方案,SHM,的发展趋势,谢谢各位领导、专家,Questions?,谢谢大家！,桥梁事故,近年来，桥梁垮塌事故时有发生；,桥毁人亡的灾难性安全事故，使人民生命财产蒙受巨大损失，也造成恶劣的社会影响；,在,GOOGLE,中搜索“桥梁,&,事故”，有,1,430,000,项之多符合搜索结果；,桥梁事故,1999,年,1,月,4,日，重庆市纂江县彩虹桥整体垮塌；死亡,40,余人,桥梁事故,2000,年,8,月,27,日，台湾省高屏大桥突然拦腰断裂；导致,17,辆汽车坠落高屏溪，,22,人受伤。,桥梁事故,2001,年,11,月,7,日，四川宜宾小南门金沙江大桥两端先后发生断裂,桥梁事故,2004,年,6,月,10,日，辽宁田庄台辽河大桥整跨断裂,桥梁事故,2006,年,12,月,09,日，位于北京顺义城北潮白河支流减河上的悬索桥，在荷载试验时全桥坍塌,桥梁事故,2007,年,10,月,23,日，包头市民族东路至丹,(,东,),拉,(,萨,),高速公路包头出口的高架桥发生倾斜坍塌。,桥梁事故,美国,：北京时间,2007,年,8,月,2,日,7,时,10,分,),，美国明尼苏达州明尼阿波利斯市的一座桥梁发生坍塌。,至少,7,人死亡，数十人受伤,桥梁事故,2009,年,6,月,29,日凌晨,2,时,34,分左右，铁力市西大桥发生垮塌，至少有,6,辆货车坠入呼兰河，,7,人死亡。,垮塌的大桥建于,1973,年，,1997,年曾进行安全维修。,桥梁事故,2009,年,7,月,15,日,1,时,33,分，津晋高速公路港塘收费站,800,米外匝道桥坍塌，,5,辆载货车坠落，造成,6,人死亡，,4,人受伤。,问题的提出,上述桥梁垮塌实例均在正常运营过程中发生,桥梁垮塌不仅国家造成了巨大的经济损失，而且给人们带来的恐惧的回忆，更给遇难者亲属带来难以磨灭的疤痕,这不得不引起社会对这些事故的深思,问题的提出,桥梁作为客观存在有它特有的生命周期过程，它的“生老病死”如同人类一样，是客观自然规律。,如果能在灾难来临之前进行预测，对桥梁的损伤进行监测，从而对桥梁的健康状况给出评估，那将会大大减少事故的发生的几率。,再过,1015,年，中国将进入桥梁结构的维修高峰。,交通部前总工工程师风懋润于,2005,年,中美桥梁论坛,SHM,的基本涵义,基本涵义,类比人看病,系统的组成,测试分类,过程,好处,SHM,的基本涵义,使用各种测控技术来评估结构的使用性能,南京长江第三大桥的健康监测系统。该系统是目前国内外大型桥梁健康监测中最为完善的系统之一。,SHM,的基本涵义,1,自动化数据采集,2,实时性自我诊断,3,及时的状态评估,智能化,自动化、网络化的数据采集与处理,基于结构力学、物理等性能的损伤识别,结构可靠性分析、强度贮备分析,SHM,的基本涵义,结构健康监测的出现是以下因素导致的,需求的增加,新材料和创新设计的监测,既有结构的更好管理,科技支持和发展,新型传感器,数据采集,网络技术,数据传输、集中、归档和提取系统,数据库技术,数据处理与事件识别,SHM,的基本涵义,传感器系统,数采与传输,信号分析处理,评估方法,现场的无损评估,安全性,使用性,损伤识别,动力,静力,有反演,无反演,结构健康监测,SHM,安全性、强度、整体、性能,类比：,SHM,与人看病,医生,监控病人的健康,使用医疗设备检查病人的整体健康情况,如有需要，开出处方进行治疗,SHM,工程师,监控结构的状态,使用传感器检查结构的整体情况,如果应力超限、变形过大，报警并处理,SHM,系统的组成,状态评估子系统,损伤识别子系统,数据处理与控制系统,数据采集与传输系统,桥梁结构,智能健康监测系统,传感器子系统,实时性 自动化 集成化 网络化,SHM,系统的组成,SHM,的测试分类,现场静力测试,行为试验,诊断试验,验证试验,周期性监测,包括现场测试,确定结构是否发生变化的试验,现场动力测试,动应变,环境振动测试,动力放大系数测试,跳车试验,连续监测,主动监控,被动监控,SHM,的过程,Level IV,Level III,Level II,Level I,处理方案（治病措施）,损伤程度（病的程度）,损伤定位（生病的部位？）,出现损伤（是否生病？）,SHM,的好处,加深现场结构的理解,早期损伤诊断,确保结构的强度与使用性,减少巡检和维修的次数,建立合理的维护,/,管理策略,提高维修资金的合理分配,促进新材料和新桥型的使用,SHM,的基本架构,理想的,SHM,系统：,提供结构健康相关的信息,出现损伤时报警,SHM,是多学科、多方向的交叉,计算机,材料,通讯,智能处理,传感,数据采集,数据库,损伤诊断,结构工程,SHM,的基本架构,采集,传输,处理,储存,诊断,查询,数据采集,采集关心的结构原始数据,应变、变形、加速度、温度、湿度水平、声发射、外荷载等等,传感器的选择,合适的传感器,长期或短期的监测,结构的哪些特征需要监测？,数据采集,传感器布置与安装,不能改变结构的力学行为,采集系统附属设备的安装与布置,采集箱、电源、布线等等,数据采集,现场数据集中方法,有线传输,传感器与数采系统间采用物理连接,经济、采用比较普遍,在某些特大型结构中实现较为困难,连接线过长会增加信号“噪声”,无线传输,比较贵,信号传输速度和准确性难以保证,数据采集,需考虑的因素,传感器本身的类型与采样频率,现场数据存储的分类,有可能出现海量的数据,需要有效的数据采样和存储策略,数据采集,数据采集,监测的内容与使用的传感器,荷载,变形,应变,温度,加速度,风速与风压（环境参数）,声发射,索、预应力钢筋,监控录像,数据传输,将现场数采系统采集的数据传输到远程控制室,实现远程监测,数据的智能处理,数据储存之前进行处理，以利后期使用分析,目的：,去掉噪声、温度或其他不需要的测试因素的影响,又称为：数据清理,要求：,简单,快速,准确,数据的储存,数据的长期保存,数据查询的可理解性,数据不能损坏,足够的存储空间,数据归档的重要性,确保以后的查询,一般来说，仅重点保存清理后的数据,原始数据仅仅存档备查,原始数据的再分析困难,诊断,分布式光纤测裂缝裂缝,混凝土老化性能监测,力学特性,物理特性,化学特性,静力识别方法,动力识别方法,静动力联合反演识别方法,诊断,十分重要的部分,将抽象的数据信号转换为表征结构响应和状态的有用信息,目前还没有统一的标准方法,方法选择的依据,结构类型,传感器的类型和安装位置,监测的目的,所关心的结构响应,数据查询,在数据存储时，为以后数据查询方便,数据含义必须明确,分析中的置信度,目的是：为合理的、基于人工智能的工程决策提供详细的物理数据,SHM,系统设计,损伤或退化的机理,退化引起力学响应分类,结构的理论和数值模型,建立关键参数的特征响应,不同退化水平的敏感性分析,参数选择并确定性能指标,不同退化水平的响应的相关变化,系统设计,传感器选择、数据采集与管理,数据解释,安装并标定,SHM,系统,确定系统的起点,分析现场测试数据并在需要时调整系统,I40-Bridge,在美国，,有,2500,座,与,I-40,桥,完全,一样的桥,I-40,桥梁对美国桥梁健康监测起到非常大的促进作用,结构类型：混凝土桥面板,+,钢板梁,跨径组成：,39.9+ 49.9+ 39.9m,SHM,时间,: 2001,年,9,月,传感器数量,: 26,Z24 Bridge,该桥位于瑞士，,14+30+14,三跨连续梁桥,基于动力特性变化识别桥梁结构的,Benchmark,SHM,时间,: 1998,年,89,月,传感器数量,: (15+2) x 9,可动测点,+ 3,参考测点,COMMODORE BARRY BRIDGE,美国新泽西州，跨越,Delaware,河,结构类型,:,大跨度钢桁桥,跨径,: 822 ft + 1,644 ft + 822 ft.,SHM,时间,: 1998,传感器数量,: 97,Huntingdon Railway Viaduct,位于英国剑桥郡,结构类型：连续梁桥，最大跨度,64.3m,SHM,时间,: 1998,传感器数量,: 36,SoundPrint,预应力筋断丝检测系统,Oresund,Bridge,连接瑞典和丹麦,结构类型：斜拉桥,跨径组成：,49,跨引桥,(7,跨,120 m, 42,跨,140 m),，主桥为,160+490+141,结构体系：双层桥面，上层为,4,车道公路，下层为双线铁路,SHM,时间：,2000,年,6,月,传感器数量：,55,New,Svinesund,Bridge,连接瑞典与挪威,结构类型：单肋拱桥,跨度：主拱跨度,247 m,结构体系：桥面板为,2,个钢箱梁，悬吊在单肋混凝土拱圈上,SHM,时间：,2003,年,6,月,传感器数量：施工阶段,58/,成桥阶段,68,台中桥,结构类型：斜拉桥,跨度,89.5+89.5m,系统由奥地利,VCE,设计,SHM,时间：,2003,年,12,月,传感器数量：,15,青马大桥,结构类型：悬索桥,主跨：,1377 m,全长：,2.2 km,大缆：直径,1.1 m,通航净空：,62 m,传感器数量, 350,汀九桥,结构类型：三塔斜拉桥,跨径组成：,127+475+448+127m,SHM,时间：,1998,年,12,月,传感器数量：,7,种,236,个,大陆桥梁健康监测系统,润扬长江大桥,舟山连岛工程,杭州湾大桥,苏通长江大桥,南京长江大桥,南京长江三桥,泸州泰安长江大桥,大胜关长江大桥,济南黄河大桥,文辉大桥,钱塘江四桥,Etc.,测试设备,完成的科研项目和实际工程,模型试验,桥梁巡检评估维修养护系统,BirMMS,B/S,架构的桥梁管理系统,BSBMS,智能桥梁系统,SmartBridge,数采示例,西南交大,BSHM,的解决方案,硬件系统,统计模式识别,分布式光纤裂缝识别,评估,硬件系统,集成了数据采集、信号处理与分析和数据远程传输与控制,自行研发了不同类型的数字调理器,现场组网，建立远程服务器，并入,Internet,网的方式实现数据远距离传输和控制,模型试验中，建立了一套完整的智能化桥梁硬件系统的原型,统计模式识别,统计模式识别,测试不完备,按正问题的方法解决问题,测试误差或噪声,1,、从多元统计的角度，应用现代数学的方法。,2,、避免反问题求解的收敛问题,统计方法,模式识别方法,损伤发生侦测,统计模式识别的过程,损伤定位,损伤程度判断,损伤识别三层次目标,统计模式识别的过程,模式识别,模式库,损伤特征,易损性分析,损伤识别结果,损伤模式库的建立,优化特征库,基本特征库,动力时程数据,高层特征,中层特征,低层特征,特征选择特征提取,时域或时频域损伤指标,简约而不简单,损伤识别结果,损伤识别结果,荷载值,传统反演方法,统计模式识别,识别出的位置,识别出的位置,70-22KN,7,、,11,9,、,10,65-20KN,6,、,7,9,、,10,55-18KN,5,、,8,9,、,10,50-15KN,7,9,、,10,45-15KN,8,、,14,9,、,10,40-15KN,6,、,14,9,、,10,损伤识别结果,荷载值,识别出的损伤程度,与实际是否相符,70-22KN,0.571,65-20KN,0.514,55-18KN,0.471,50-15KN,0.461,45-15KN,0.459,40-15KN,0.444,裂缝微弯生成机制,d,微弯变形,结构,结构,裂缝宽度,裂缝光纤夹角,传感光纤,径向相对位移,结构完好状态,裂缝开展状态,裂 缝,O,TDR,测试原理,激光光源,信号处理器,探测器,耦合器,过渡光纤,OTDR,终端,光纤传感段,初始,0,时刻记录,后向散射光,待测结构,输入光脉冲,后向散射,返回时刻记录,OTDR典型曲线及测试现象,光损曲线,拟合光损曲线,拟合光损曲线,拟合光损曲线,边,跨,测,试,数,据,分,析,(,波长,=1625nm),(,波长,=1550nm),(,波长,=1310nm),边跨跨中加载,38KN,状态测试曲线,试验情况,边,跨,测,试,数,据,分,析,(,波长,=1625nm),(,波长,=1550nm),(,波长,=1310nm),边跨跨中加载,50KN,状态测试曲线,试验情况,边,跨,测,试,数,据,分,析,(,波长,=1625nm),(,波长,=1550nm),多级荷载测试曲线发展历程,桥梁评估过程,评估计算步骤,1,比较实际荷载与设计荷载,简单的手算或线性有限元计算,2,细致的目视巡检，如脱落、裂缝宽度检查等,材料特性，如屈服强度、抗压强度等,细致分析，最好采用考虑重分布的非线性分析,3,试验室试验,荷载模型,基于可靠度的评估,长期或永久监控,精细计算,决策分析,更多信息、更花钱、更专业的技术人员,NDT,评估步骤,中级,高级,初级,目视巡检,基本的,NDT,方法,保护层厚度测试仪,温度计,回弹议,硬度测试仪,超声试验仪器,真实施工方案,是否存在损伤,NDT,扫描仪器,雷达,超声回波,冲击回波,主动脉冲热成像,X,光成像,修正分析模型,，包括动力和静力模型,不同,NDT,测试数据的数据融合,数据重构,评价数据频率或相位,更多信息、更花钱、更专业的技术人员,未来的,SHM,智能组合,埋入结构中的传感器提供结构状态的相关信息,肌肉,/,构件类比,肌肉中神经元向大脑提供肌肉工作状态的相关信息,构件中智能组合的传感器提供构件工作状态的信息,未来的,SHM,活结构,(Live Structure),展示工程设计和分析间的差异,活结构,能够感知荷载、变形和损伤,纠正并处理荷载效应,最大程度上展示既有结构现状及其性能,使用智能材料,