大型桥梁健康监测概念与设计.pdf

大型桥梁健康监测概念与设计 一、桥梁健康监测系统与理论发展简况 1．监测系统 80 年代中后期开始建立各种规模的桥梁健康监测系统。例如，英国在总 长 522m的三跨变高度连续钢箱梁桥 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、 挠度和应变等响应， 同时监测环境风和结构温 度场。该系统是最早安装的较为完整的监测系统之一， 它实现了实时监测、 实时 分析和数据网络共享。建立健康监测系统的典型桥梁还有挪威的 Skarnsundet 斜拉桥（主跨 530m）、美国主跨 440m的 Sunshine Skyway Bridge 斜拉桥、丹 麦主跨 1624m的 Great Belt East 悬索桥、英国主跨 194m的 Flintshire 独塔斜 拉桥以及加拿大的 Confederatiot Bridge 桥。我国自 90 年代起也在一些大型重 要桥梁上建立了不同规模的结构监测系统， 如香港的青马大桥、 汲水门大桥和汀 九大桥，内地的上海徐浦大桥以及江阴长江大桥等。 从已经建立的监测系统的监测目标、功能以及系统运行等方面看，这 些监测系统具有以下一些共同特点： （1）通常测量结构各种响应的传感装置获取反映结构行为的各种记录； （2 ）除监测结构本身的状态和行为以外，还强度对结构环境条件（如 风、车辆荷载等）的监测和记录分析；同时，试图通过桥梁在正常车辆与风载下 的动力响应来建立结构的 “指纹”，并藉此开发实时的结构整体性与安全性评估 技术； （3 ）在通车运营后连续或间断地监测结构状态，力求获取的大桥结构 信息连续而完整。 某些桥梁监测传感器在桥梁施工阶段即开始工作并用于监控施 工质量； （4 ）监测系统具有快速大容量的信息采集、通讯与处理能力，并实现 数据的网络共享。 这些特点使得大跨度桥梁健康监测区别于传统的桥梁检测过程。 另外需 要指出的是， 桥梁健康监测的对象已不再局限于结构本身： 一些重要辅助设施的 工作状态也已纳入长期监测的范围（如斜拉索振动控制装置等）。 2 ．理论研究 十多年来，桥梁健康监测理论的研究主要集中于结构整体性评估和损伤 识别。由于基于振动信息的整体性评估技术在航天、 机械等领域的深入研究和运 用，这类技术被用于土木结构中除无损检测技术以外的最重要的整体性评估方法 并得到广泛的研究。 人们致力于基于振动测量值的整体性评估方法研究的另一个 原因是，结构振动信息可以在桥梁运营过程中利用环境振动法获得， 因此这一方 法具有实时监测的潜力。 结构整体性评估方法可以归结为模式识别法、 系统识别法以及神经网络 方法三大类。 结构模态参数常被用作结构的指纹特征， 也是系统识别方法和神经 网络法的主要输入信息。 另外，基于结构应变模态、 应变曲率以及其他静力响应 的评估方法也在不同程度上显示了各自的检伤能力。 然而，尽管某些整体性评估 技术已在一些简单结构上有成功的例子， 但还不能可靠地应用于复杂结构。 阻碍 这一技术进入实用的原因主要包括： ①结构与环境中的不确定性和非结构因素影 响；②测量信息不完备； ③测量精度不足和测量信号噪声； ④桥梁结构赘余度大 并且测量信号对结构局部损伤不敏感。 另外，从评估方法上，