桥梁健康监测系统调研报告

20 132
振 140 8 弦 式 应 变
40
√
仪
光8 纤 传 感 器
磁 感 应 传 感 器
水 平 仪
车2 轴 车 速 仪
GPS 10
EM 测 力
倾 10 角 仪
全 站 仪
电 子 测 距
95 266
14+2 6
760 12
96
7 12 42
6
√
2√
7 7+1 14
5 8 12 5
24 36
√
6√
12+2
图1 桥梁健康监测构架图
三、健康监测系统研究现状
桥梁结构健康监测与安全评价系统涉及的研究范围包括：传感器
优化布设与系统集成研究，数据采集、处理、显示及存储研究，结构状 态评估研究。
传感器的优化布设(传感器类型，位置和数量)对监测结果起决定作 用。由于客观因素的制约，传感器的数量总是有限的，如何布设有限数 量的传感器从噪声信号中实现对结构状态改变信息的最优采集，是大跨 度桥梁健康监测的关键技术之一。系统集成是将系统内不同功能的子系 统在物理上、逻辑上和功能上连接在一起，以实现信息综合分析和管 理。系统集成是桥梁监测系统智能化程度的重要标志，旨在实现资源共 享和信息综合，其发展方向是“一体化集成”和开放的分布式网络结构 系统，与外部各种通信网络互联，构成信息高速公路的一个节点或广义 的“信息点”。数据采集、处理、存储及提取是桥梁监测系统的重要内 容。应向满足多媒体、同步化、宽带化、高速率、大容量等信息传输的 要求方向发展，保证系统进行连续、同步的实时数据采集，及时有效地 处理、分析、存储和管理庞大的数据流。
全钢拱桥 蝴蝶拱桥 钢桁架桥
连续梁 连续刚构
257+648+257 448
180+312+180 108+66+36 406/1490
1388 888 1280 455+1375+300 960+1991+960 274+1100+274 535+1624+535 128+404+128 505 102+420+88
风 24 7 6 2 7 速 仪
2 482
温 488 118 115 224 83 26 度 计
40 32 137 64 93
振 60 66 17 6 45 动 传 感 器
8 12 30 28 173 56
位 4 4 2 22 移 计
8 12 √ 38
应 320 156 110 30 128 24 64 18 变 计
挪威
Rama IX
斜拉桥
166+450+166
泰国
Jindo
斜拉桥
70+344+70
韩国
New Haeng Ju
斜拉桥
160+120+100
韩国
柜石岛桥
斜拉桥
700
日本
多多罗桥
斜拉桥
890
日本
Normandie桥
斜拉桥
856
法国
大佛寺桥
斜拉桥
198+450+198
中国
南京三桥
斜拉桥
杭州湾跨海桥
斜拉桥
（iii）缺少整体性。人工检查以单一构件为对象，而用于现代机 械、光学、超声波和电磁波等技术的检测工具，都只能提供局部的检测 和诊断信息，而不能提供整体全面的结构健康检测和评估信息；
（iv）影响正常交通运行。对于较大型的桥梁通常需要搭设观察平 台或用观测车辆，无可避免需要实施交通控制；
（v）周期长，时效性差。大型桥梁的检查周期可达经年。在有重 大事故或严重自然灾害的情况下，不能向决策者和公众提供即时信息。
表1 安装健康监测系统的部分桥梁
桥梁名称
结构类型
跨度（米）
位置
昂船洲桥
斜拉桥
1018
中国香港
西部通道
斜拉桥
210
中国香港
汀九桥
斜拉桥
127+448+475+127 中国香港
பைடு நூலகம்
汲水门桥
斜拉桥
160+430+160
中国香港
南京二桥
斜拉桥
628
中国
徐浦大桥
斜拉桥
590
中国
Skarsundet
斜拉桥
240+530+240
1/16
摄 16 2 √ 像 仪
腐 162 24 蚀
气23 压 计
伤发生后检查损伤的存在并采取维修加固的手段，因此，桥梁结构健康 监测与安全评价系统的概念具有革命性的变革。
通过对传感器的革新和自动远程监控技术的更新换代，桥梁结构 健康监测与安全评价系统正向简单易装、经济可行、持久可靠的方向发 展，并已在世界许多大桥得到应用。表1列出了世界上安装监测系统的 部分桥梁，其中阳逻长江大桥、北京清河桥以及南宁大桥为我院承接， 表2、表3为传感器装备情况，表4为健康监测系统投资情况。
2190+789
550 300 501
17+24+17 330
中国 中国 中国 中国 中国 中国 中国 中国 中国香港 日本 日本 丹麦 韩国 韩国 中国 中国
中国 中国 美国
美国 中国
Taylor桥
简支梁
533
加拿大
表2 国内部分桥梁健康监测系统传感器
昂 西 青 汲 汀 虎 江 钱 南 苏 润阳 船 部 马 水 九 门 阴 江 京 通 扬逻 洲 通 大 门 大 大 大 四 三 大 大大 桥 道 桥 桥 桥 桥 桥 桥 桥 桥 桥桥
二、现代桥梁健康监测系统概述
由于人工桥梁检查程序和设施无法直接和有效地应用于大型的桥梁 检测上。因此有必要建立和发展桥梁结构健康监测与安全评估系统用以 监测和评估大桥在运营期间其结构的承载能力、运营状态和耐久能力 等。桥梁监测系统综合了现代传感技术、网络通讯技术、信号分析与处 理技术、数据管理方法、知识挖掘、预测技术及桥梁结构分析理论等多 个领域的知识，极大地延拓了桥梁检测领域，提高了预测评估的可靠 性。当桥梁结构出现损伤后，结构的某些局部和整体的参数将表现出与 正常状态不同的特征，通过安装传感器系统拾取这些信息，并识别其差 异就可确定损伤的位置及相对的程度。通过对损伤敏感特征量的长期观 测，可掌握桥梁性能劣化的演变规律，以部署相应的改善措施，延长桥 梁使用寿命。监测系统为桥梁评估提供即时客观的依据，但由于资源等 方面所限，就目前情况而言，传感器系统不可能涵盖所有构件。此外， 由于对大型桥梁在复杂环境下响应的认识与经验的限制，也会导致对某 些关键性部位监测的不足。大桥损伤大致可分为结构性损伤与非结构性 损伤两大类。用于结构性损伤检测和非结构性损伤检测的传感器种类和 布置截然不同。此外，非结构性损伤虽然不会减弱结构的承载能力与耐 久性，但对桥梁的正常运营造成隐患。大桥健康监测系统的主要功能包 括：
鉴于桥梁结构健康监测与安全评价系统已在世界上得到广泛应 用，国际桥梁协会于2003年7月在瑞士决定制订有关桥梁结构健康监测 的国际规程，以指导和推动该项技术在各国的应用。
四、健康监测系统实施现状
随着现代传感技术、计算机与通讯技术、信号分析与处理技术及 结构振动分析理论的迅速发展，大型桥梁结构健康监测与状态评估近年 来已成为国内外工程界和学术界关注的热点。桥梁结构健康监测与安全 评价系统总的目标是通过测量反映大桥环境激励和结构响应状态的某些 信息，实时监测大桥的工作性能和评价大桥的工作条件，以保证大桥的 安全运营及为大桥的养护维修提供科学依据。与传统的桥梁监测方法 (包括众多的无损检测技术)不同，桥梁结构健康监测与安全评价系统重 在诊断可能发生结构损伤或灾难的条件和环境因素，评估结构性能退化 的征兆和趋势，以便及时采取养护维修措施。而传统的检测方法重在损
芜湖桥
斜拉桥
清河桥
斜拉桥
润扬桥
斜拉桥/悬索桥
江阴桥
悬索桥
虎门桥
悬索桥
阳逻桥
悬索桥
青马桥
悬索桥
明石桥
悬索桥
南备赞濑户桥
悬索桥
Great Belt桥
悬索桥
Namhae桥
悬索桥
Yeongjing桥
悬索桥
菜园坝
钢箱系杆拱
钱江四桥
钢管拱桥
卢浦桥 南宁桥 Commodore Barry桥 HAM 42-0992 石板坡桥
随着现代传感技术、计算机与通讯技术、信号分析与处理技术及结 构振动分析理论的迅速发展， 大型桥梁结构健康监测与安全评价技 术， 近年来已成为国内外工程界和学术界关注的热点。从目前理论研
究状况来看: 近年来， 结构健康监测领域涌现了大量的研究论文， 这些 论文的研究内容包括智能传感器、传感器的优化布置、数据的无线传 输、损伤识别方法、桥梁状态评估、桥梁生命周期管理养护等。此外， 还举办了许多以结构健康监测为主题的国际会议， 如:国际健康监测研 讨会、欧洲健康监测研讨会、新型结构健康监测研讨会和智能结构和健 康监测会议。另外， 国际模态会议、SP IE 年会、欧洲智能结构和材料 会议、国际结构控制会议等都有结构健康监测和损伤识别的专题。此 外， 很多研究者正致力于研究并制定桥梁健康监测系统的设计指南和 规范， 如: L auzon 等研究者提出了一个桥梁监测系统设计建议; 美国 Dex rel大学的A k tan 教授等制定了比较详细的健康监测系统的设计指 南; 加拿大IS IS 组织的主席M uf t i 教授也主持起草了一份结构健康监测 指南。英国的研究者制定了一个指导健康监测系统设计的指南。香港理 工大学以高赞明教授为首的课题组也正致力于研究制定专门用于大跨索 桥监测系统的设计指南。