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第55期 桥梁结构健康监测技术应用、瓶颈与突破

2019-10-9 16:31

52监测网,监测专家报告分享第52期,报告来源,在役长大桥梁安全与健康国家重点实验室、江苏省长大桥梁健康监测数据中心张宇峰主任在2019桥梁结构安全监测与检测技术交流会作的《桥梁结构健康监测技术应用、瓶颈与突 ...


52监测网专家报告分享-第55期

桥梁结构健康监测技术应用、瓶颈与突破
张宇峰 江苏省长大桥梁健康监测数据中心主任
编前语

以下文章来源于检师学社,检师学社(微信号:jianshixueshe)为检测工程师提供基础设施养护管理相关的先进理念、知识、技术、软件以及检测设备等信息,为推动行业科技进步贡献力量。


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专家简介

张宇峰,博士,研究员级高级工程师,在役长大桥梁安全与健康国家重点实验室主任,国务院政府特殊津贴专家,交通运输部优秀科技人才,交通运输部卓越创新团队带头人。

内容简介

专家观点解读

张宇峰主任的报告共分为三部分:
(1)为什么要做健康监测?
(2)什么是桥梁健康监测?
(3)当前发展状态及主要问题是什么?

其中第三部分中围绕目前桥梁健康监测系统的几个关键问题来展开:
(1)从发展曲线来看,当前处于何处?
(2)面临哪些主要技术瓶颈?已取得了哪些突破?
(3)监测系统为什么用不长久就坏?
(4)特大桥系统能否简单照搬到常规桥?
(5)如何让健康监测系统发挥作用?

一、为什么要做健康监测?

根据我国桥梁建设的成就以及目前的形式,报告从我国桥梁发展的成就、桥梁安全的严峻形势、在役桥梁老龄化的加速到来以及人工检查存在的缺点等方面介绍了“为什么要做桥梁健康监测”

1、桥梁发展成就巨大

我国桥梁近20年的桥梁建设成就斐然,建设了以港珠澳大桥、苏通长江公路大桥、西堠门大桥、杭州湾大桥、北盘江大桥以及卢浦大桥等一大批创造世界纪录的大桥。

图1港珠澳大桥

我国已经迈入了桥梁建设的强国,桥梁规模已经位居世界第一主要体现在:(1)从1990年~2018年,中国新增桥梁总数占全世界47%;(2)从2009年~2018年,年均新增公路桥梁2.57万座;(3)截止到2018年底,我国公路桥梁超过852000座,铁路桥梁超过200000座。

2、桥梁安全形势依然严峻

(1)桥梁垮塌事故时有发生
全国已有统计数据桥梁垮塌案例的桥梁447座,桥梁垮塌事故的原因各异。中国184座有公开资料标明确定事故成因的桥梁垮塌事故,其主要事故成因见图2。

图2桥梁垮塌事故成因统计

(2)桥梁失效年限统计
对我国100座运营期间桥梁垮塌的桥梁进行统计,平均服役年限超过50年的为15%,100座桥梁平均服役年限为29.36年。

西南交大学者对世界范围内181起桥梁事故(其中美国55起、欧洲44起、中国70起)进行了分析:从开通到出现事故的平均时间为29年;中国发生事故桥梁平均桥龄仅为25年。

3、在役桥梁老龄化加速到来

我国在役桥梁老龄化主要体现在以下几个方面:
(1)我国经济高速发展期建成的桥梁其特点:总量大、周期短、隐患多;
(2)桥梁使用超过25年后,进入病害加速发展期;
(3)对比中美30年桥龄的桥梁占比可以发现,美国从18%增长到60%,用了约60年的时间,而中国只要不到30年(见图3)。

图3中美桥梁30年桥龄发展对比

4、传统检测方法的缺点

传统检查方法存在诸多缺点和不足主要体现在以下几个方面:
(1)需要大量人力、物力和财力并有诸多检查盲点;
(2)主观性强,难于量化;
(3)缺少整体性;
(4)影响正常交通运行;
(5)周期长,实时性差。

基于传统检测方法的缺点和不足,对于大型桥梁在运营期通过桥梁结构的健康监测系统能有效对关键参数进行监测,对于桥梁的结构的安全运营提供科学的依据。对于桥梁检测和桥梁结构的健康监测都是确保桥梁安全运营的重要手段,未来在大数据的基础上可以进行有机的融合,为最终实现智慧桥梁管理养护提供有力的支撑。

二、什么是桥梁健康监测?

1、定义

结构健康监测(structuralhealthmonitoring,SHM)指利用现场的传感设备获取相关数据,通过对包括结构响应在内的结构系统特性分析,达到监测、检测结构损伤或退化的目的。

2、其功能定位

(1)对桥梁总体和担心出现的损伤部位,其类似于“神经系统”;
桥梁结构的健康监测系统功能类似于人的神经系统:传感器相当于“神经系统”的末梢,用于感知结构的响应;传输网络相当于“神经网络”的神经中枢,其功能是在传感器和控制系统之间进行信息传输和控制;结构的状态评估类似于“神经网路”的大脑,其功能是对紫铜的采集数据进行处理和分析,并对结构的状态进行评估。
(2)对已发现的损伤部位,其类似于“心电图背包”。
健康监测对于已经发现损伤的部位通过实时的监测数据的分析,能对损伤的发展变化以及损伤对结构的影响进行评估,其功能类似于对病人进行“心电图”监测。

3、监测系统的作用

(1)对突发性损伤,起作用是能提高发现速度;
(2)对累积性损伤,使趋势推演成为可能;
(3)对隐蔽部位,能够实现观察;
(4)对桥梁的设计进行验证,并能对今后的设计起指导作用。

4、系统的组成

桥梁健康监测系统的组成包括感知层、传输层、数据层和应用层四个层级,其分别对应传感器子系统、数据采集与传输子系统、数据存储与处理子系统、损伤识别与状态评估子系统四个子系统。系统组成框架见图4,典型桥梁健康监测组成图见图5。

图4桥梁健康监测系统的组成图

图5香港某桥健康监测系统

5、系统监测参数

系统监测的参数包括结构的响应、自身特性、环境参数三大类,其对应的监测指标和设备见图6。

图6监测指标和监测设备

三、当前发展状态及主要问题是什么?

当前的发展状态

1、技术成熟度曲线

桥梁健康监测系统的发展大致要经历了五个阶段,详见技术成熟度曲线(图7):

图7桥梁健康监测系统成熟度曲线图

(1)技术萌芽期
20世纪90年代,桥梁结构健康监测开始在中国得到应用。例如:青马大桥、江阴长江公路大桥和虎门大桥等。

(2)期望膨胀期
2005年前后,大家对健康监测技术所能发挥作用的期望非常高,所建的桥梁健康监测系统的规模也普遍较大,通常单个系统规模都超过了3,000,000美金。

(3)泡沫化的低谷期
但是,大家很快地发现,桥梁健康监测技术还并不成熟,尚不能发挥预期的全部作用。所以,在2010年前后,桥梁结构健康监测技术就落到了泡沫化的谷底。

(4)稳步爬升的光明期
近年来,随着传感、采集、通讯、存储,特别是计算机分析与人工智能的快速发展,健康监测技术在中国又重新得到认可,并取得了较快发展。
这是目前我国桥梁健康监测系统发展正经历的阶段,随着技术的发展桥梁健康监测系统除了在大型桥梁上的成熟应用,其在中小桥梁的应用也在逐步开展。

(5)实质生产的高峰期
这是桥梁健康监测系统未来要经历的阶段,随着人工智能、大数据、5G技术的发展,未来桥梁健康监测系统的发展将出现高峰期,将进一步推动智慧桥梁管理的实现。

2、政策层面

2013年交通运输部发布了《关于进一步加强公路桥梁养护管理的若干意见》提出:特大、特殊结构和特别重要桥梁的养管单位,要利用现代信息技术,建立符合自身特点的养护管理系统和健康监测系统。
2016年发布的《十三五公路养护管理发展纲要》中指出,高速公路运行实时监测覆盖率东、中部达到100%,西部地区重点路段达到100%。加强长大桥隧健康监测和动态运行监管,完善桥梁隧道运行监管制度。

2018年发布的《公路长大桥隧养护管理和安全运行若干规定》提出:长大桥隧经营管理单位应逐步建立长大桥隧结构监测体系,设置专人或委托专业机构对桥隧的结构状态和各类外部荷载作用下的响应情况进行监测,及时掌握长大桥隧的结构运行状况。

3、标准层面

目前我国已发布和在编写的桥梁健康监测系统相关的国家、学会以及地方标准有10多项,将进一步推动和规范桥梁健康监测系统的发展。

图8健康检测系统相关的标准、规范

4、应用层面

(1)健康检测系统的应用

1)实施桥梁健康监测系统的桥梁
据不完全统计,目前我国已实施桥梁健康监测系统的桥梁超过466座,其中桥梁主跨在300m以上的桥梁147座。

2)苏交科实施桥梁健康监测系统
苏交科集团主持完成包括13座长江大桥在内的70余座桥梁健康监测项目,其中:跨径>1000m的6座;跨径在300m~1000m的26座;跨径在100m~300m的25座。
江苏省建立了中国首个区域性桥梁群健康监测数据中心,管理着世界上规模最大的桥梁结构健康监测群。

图9江苏省长大桥梁健康监测数据中心

3)所发挥的作用—累积性损伤趋势推演

a)伸缩缝损伤发现与成因分析
江阴大桥于1999年通车,2003年发现桥梁伸缩缝出现损坏。该桥伸缩缝设计寿命为40年,而其使用4年后就出现损坏。对于伸缩缝采用梁端布设标尺采用定期人工检查的方式,无法发现其损坏的原因。通过梁端安装位移计对伸缩缝的运动形态进行动态监测,并对其进行分析,发现其损伤的原因。江阴大桥、润扬大桥和苏通大桥伸缩缝位移动态监测分析,见图10。

图10三座大桥伸缩缝监测数据分析图

对比分析结果显示:对比厂家给出的伸缩缝滑块允许磨耗距离,对比江阴大桥实测数据,就会将滑块磨坏;对江阴大桥实测位移值做二次微分可以发现,车辆也带来了较大梁体加速度,这意味着较大的纵向冲击力。因此悬索桥和斜拉桥纵向运动形态有很大不同,较大的纵向累积行程和较大的纵向运动加速度是造成江阴大桥伸缩缝损坏的主要原因。
处理措施:对江阴大桥伸缩缝处理措施:纵向阻尼器+高耐磨滑块;对润扬大桥伸缩缝处理:限位装置+高耐磨滑块。
伸缩缝累计损伤趋势推演作用:构造设计优化、实测行程特征、及时更换滑块和伸缩缝寿命预测。

b)异常事件/突发性损伤报警
撞船事件及时发现和报警,见图11。

图11撞船事件的发现和报警

故障发现,如发现崇启大桥TMD阻尼器抑振效果异常,见图12。
代替部分人工检测——例:桥面温度监测直接指导养护(高温时洒水降温,低温雨雪时预撒融雪剂)。
验证指导设计——例:风场分析及风谱模型建立,见图13。

图12故障发现示例

图13台风谱模型

4)应用范围
健康监测技术近年来正逐步从特大跨径桥梁向常规桥梁拓展。
目前江苏、武汉以及云南昆明等地区已经在中小跨径桥梁实施桥梁健康监测系统,并逐步实现桥梁健康监测集群化。

5)应用功能
健康监测技术近年来正与BIM、电子化人工巡检系统和养护管理系统逐步融合。

三、健康监测系统主要问题

根据桥梁健康监测系统的现状,其技术、瓶颈以及未来突破方向总结见图14。

图14桥梁健康监测技术瓶颈、突破

1、问什么很多健康监测系统用不长久就坏?

当前桥梁健康监测系统实施过程中存在的主要认识误区,导致系统出现经常坏、不管用的情况。监测系统经常坏的主要运营是系统在实施时重总体轻细节、重设计轻施工、重传感轻后端、重实施轻维护。出现系统不管用的主要原因是重硬件轻软件、重数据轻分析。

2、特大桥系统能否简单照搬到常规桥?

(1)顶层设计
特大桥系统和常规桥梁系统特点不同,因此常规桥梁应考虑降费、增效,在顶层设计时考虑建立轻型桥梁监测系统。
1)特大跨桥梁的健康监测系统的特点
特大跨桥梁的健康监测系统的特点:单桥系统规模大、基础条件好(供电、通讯…)、变形量值大、后期维护集中,难度较小。
2)常规桥梁的健康监测系统的特点
常规桥梁的健康监测系统的特点:单桥系统规模小、基础条件差、变形量值大、后期维护分散,难度较大。
2)硬件
硬件在顶层设计时应根据特点考虑其构建系统的原则、思路以及系统组成,见图15。

图15常规桥梁系统硬件设计

3)软件
软件:适于常规桥梁安全监测系统特点的预警方法。
如考虑预制空心板桥铰缝工作性能评价指标等。

(2)功能设计
大型结构桥梁监测系统与常规桥梁监测系统在功能设计时的区别见图16。

图16两种系统功能设计对比

(3)传感手段
传感手段应考虑低成本、高精度、一专多能以及新型监测传感器技术手段。

(4)数据采集
对于数据采集传统方式为传感器+工控机,其存在主要问题是系统复杂、成本太高和工控机使用效率低等。对于常规桥梁数据采集研发方向是采用嵌入式系统,如振弦式应力传感器数据采集仪多路扩展器、多路热敏电阻信号调理器、新型数字温度传感器测温系统等。

(5)数据传输
数据传输传统的方式是有线传输,其存在问题多点分散,难以适用常规桥梁。对于常规桥梁数据传输解决思路:桥位有线+短途无线+公网或专网传输的方式,见图17。

图17常规桥梁监测数据传输网络

(6)标准系统与简化系统测量参数对比
标准系统与简化系统测量参数不同,其对比见图18。

图18两种系统测量参数对比

3、如何让健康监测系统发挥作用?

(1)保证系统的稳定运行;

(2)高度重视异常信号的甄别与剔除;
异常信号的甄别与剔除的方法有:深度神经网络的异常数据自动探测、基于机器学习的监测数据预测与异常识别。

(3)有一套功能强大的可视化分析软件,见图19;

图19典型系统可视化软件

(4)建立合理可行的报警指标与阈值并与养护动作挂钩,见图20;

图20报警指标与阈值与养护管理关系

(5)通过统计分析发现异常,结合有限元仿真寻找异常产生原因;

(6)检测与监测相配合。
监测与检测相结合今后分步骤研究的方向见图21。

图21监测与检测研究方向

监测与检测一体化系统架构包括:数据存储的一体化、软件功能的一体化、界面设计的一体化以及数据交换的一体化。


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桥梁结构健康监测技术应用、瓶颈与突破

张宇峰 江苏省长大桥梁健康监测数据中心主任



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