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技术专访第十五期 | 桥梁健康监测技术的发展与应用-孙利民教授 ... ... ...

2019-1-17 15:08

人物简介孙利民,同济大学教授、博士生导师、教育部“长江学者奖励计划”首批特聘教授。现任同济大学桥梁工程系主任 、土木工程防灾国家重点实验室副主任。主要从事桥梁健康监测、振动控制、桥梁地震响应分析教学、 ...

人物简介

孙利民,同济大学教授、博士生导师、教育部“长江学者奖励计划”首批特聘教授。现任同济大学桥梁工程系主任 、土木工程防灾国家重点实验室副主任。主要从事桥梁健康监测、振动控制、桥梁地震响应分析教学、科研等工作。

1985年毕业于清华大学土木系。1986年10月作为日本文部省资助留学生赴日本东京大学深造,师从日本著名桥梁专家伊藤学教授和藤野阳三教授。1989年获东京大学土木系硕士学位。1991年获东京大学土木系博士学位。1991年至1992年任东京大学研究员,1992年至2000年任日本大林组技术研究所研究员,1997年取得美国职业土木工程师执照。1999年入选教育部"长江学者奖励计划"首批特聘教授。2000年回国任同济大学桥梁工程系教授。

主持完成国家自然科学基金重点项目3项,863计划课题1项,科技支撑计划项目1项,交通部西部项目1项等,主持完成重大工程项目20多项。授权国际发明专利4项,国内发明专利5项,参编中华人民共和国标准《城市轨道交通结构抗震设计规范》。出版专著和教材4部,发表国内外学术期刊论文200多篇、学术会议论文100多篇。

主要学术兼职:国际桥梁及结构工程协会(IABSE)副主席,中国振动工程学会结构抗振控制专业委员会及国际结构控制与监测学会中国分会副主任委员,中国土木工程学会桥梁与结构工程分会常务理事等。国际期刊《ASCE Journal of Bridge Engineering》副主编等。

Q1:请您简单介绍一下国内桥梁安全运营养护管理现状。

公路网是保障国家经济建设和民生的重要社会基础设施。桥梁是这一生命线工程的重要组成部分。桥梁结构在服役过程中受到设计标准、施工质量、材料退化、交通负荷、极端荷载和偶然事故等各种内外因素的作用和影响,其结构安全性如不能得到完全保障,将危机人民生命财产安全国家经济建设。

桥梁结构作为重大社会基础设施,其服役期甚至超过经济高速发展持续期。采用先进技术、高效合理地规划利用有限资源,对基础设施进行养护管理以保障结构在寿命期内的安全成为重要的社会需求。

我国桥梁结构的设计、施工技术随着设计规范、分析计算、施工机械、施工工艺、施工监控等技术的进步而得到了较快的提升,可以适应桥梁安全的基本需求。但由于我国普遍存在“重建设,轻管养”的倾向,国内近年来在桥梁安全管养技术方面的发展和进步,远不能适应我国桥梁全寿命安全管养的实际需求。

因此需要加强研究考虑桥梁规划、设计、施工、运营和拆除等各阶段不同因素影响下的桥梁全寿命安全设计理论体系和方法,加强桥梁结构安全关键技术研发,包括:针对典型结构、重要结构及复杂结构的安全性进行实时监测和预警的技术;结构安全监测出现警报或到达规定检测年限时的检测和安全评估技术;结构安全性不能满足要求时需要采用的维修加固技术建立国家桥梁数据库和安全监控网络体系,为制定国家桥梁结构安全策略提供依据。

国内“重建设、轻管养”的现象十分普遍,桥梁的管理模式和维护措施方面存在诸多问题,主要面临的问题有超载问题\耐久性问题(钢筋腐蚀、冻融循环、碱骨料反应等)、疲劳问题、突发事件(车船撞击、地震、飓风等)、养护资金紧缺、缺乏有效的管理。因此,需对桥梁采取有效的检测与评估、监测与预警、维修与管理等技术措施,以降低运营成本、延长桥梁结构的使用寿命、保障交通通畅。

桥梁养护管理系统:关于桥梁基本数据、桥梁检测、桥梁状况评估、桥梁结构退化预测、桥梁养护维护策略和管理计划及经济分析的计算机信息系统。


传统的桥梁管养系统存在的问题有需要大量人力、物力;并有诸多检查盲点;主观性强,难于量化;乏缺整体性;影响正常交通运行;周期长、实时性差;难以适应超大型桥梁检测养护需要。因此需要对桥梁建立结构健康监测系统。

Q2:您能介绍一下刚刚提到的结构健康监测系统么?

结构健康监测系统:基于传感、信息、结构分析技术的自动监测与评估系统。从营运状态的结构中获取并处理数据,以评价结构的主要性能指标的有效方法。它结合了无损检测和结构特性分析,可以诊断结构中的损伤发生及其位置,估计损伤的程度及其对结构造成的影响。

首个桥梁健康监测系统,1987年,英国在总长522 m的3跨变高度连续钢梁Foyle桥上布设传感器,以监测在荷载作用下大桥运营阶段的动力响应。桥梁结构健康监测系统早期是单项健康监测系统,传感器种类有限,采集设备不安全,间歇性监测。后期发展成集成监测系统,传感器种类大大丰富,采集系统完善,连续采集,有数据库管理软件对数据经行管理,在此基础上增加了评估系统,强调对数据的处理,并利用数据进行结构监测状态的在线评估、在线预警,并为深入地离线评估提供便利。

我国在桥梁结构健康监测领域的研究虽然起步稍晚,但进步很快,从早期香港的青马大桥,再到内地的虎门大桥、江阴长江大桥、东海大桥、苏通大桥等,短短数十年,我国已安装规模不等的结构健康监测系统的各类桥梁已达140余座,这些先后建成的健康监测系统经过若干年的运行已积累了大量的宝贵数据,如何有效利用这些数据是今后需要研究的重要课题。(2011年数据)

桥梁结构安全状态评估方法

Ø基于外观调查的方法
应用于公路及城市桥梁养护规范的评定方法、美国的LFR和LRFR体系,其评定结果过度依赖评估工程师的经验,受主观因素的影响
Ø以分析计算为主的方法
通过桥梁结构进行计算分析对桥梁的技术等级进行评定,更具有科学性。但难以准确建立在役桥梁的计算模型,评定结果可能与实桥情况有较大出入。
Ø荷载试验法
评估桥梁安全状态特别是承载能力的最有效、最直接方法。但其直接费用高,且实施过程中需要中断交通。

基于健康监测的桥梁安全评定

Ø基于健康监测的桥梁安全评定的基本思路:
首先根据桥梁监测数据对桥梁结构的损伤进行识别, 然后,在此基础上再对桥梁的安全状态做出评定。
Ø结构损伤识别理论方法:
动力指纹分析方法、模型修正方法、人工智能方法、以及近年来提出的小波变换和希黄变换等新的数据分析方法等。
Ø结构安全评定方法:
可靠度理论、层次分析法、以及结合经验的专家系统等方法。

结构健康监测系统中评估子系统

Ø在线评估系统
可以根据监测数据对桥梁的状态进行实时的在线评定,在有必要时发出不同级别的结构安全预警,相关理论还不够成熟,在线评估结果的准确性和可靠性还不能令人满意
Ø离线评估系统
不仅依据结构健康监测系统的数据,同时还要结合人工检测等其他渠道的信息,可以得到更高质量的结构安全评定结果。但难以做到实时评估,只能给出中长期的结构安全预警或趋势判断。需要强有的技术团队支持。

Q3:那桥梁健康监测技术面临哪些问题呢?

•有限传感器的优化布置以及合理确定系统的规模
•桥梁结构性能的变化对结构指纹的不敏感,损伤识别尚处于理论研究阶段
•因系统规模决定的测量数据的不完整性以及因系统的稳定性造成的不连续性
•对大量原始数据的实时处理和分析研究滞后,所获取信息不能满足工程需求
•结构健康状况评价方法尚不完善,难以给出合理结论及解释
•结构安全预警参数和阈值仅靠理论分析难以合理确定,需要在实践中不断调整优化
•系统本身的稳定性、抗干扰性和耐久性不足,使用寿命难以得到保证
•桥梁结构健康监测尚无统一的标准和规范,系统差异性太大
•如何与其它相关系统特别是与传统的巡检养护系统的有效结合

目前已有的桥梁结构健康监测系统中,多数为独立建立的系统,没有综合考虑桥梁养护管理系统。同时由于系统规模以及传感器布设等方面的限制,仅依靠实时监测系统本身采集的数据对结构进行评估是不完整的,同时对桥梁结构在复杂环境及荷载作用下的响应的认识和经验的不足,难以给出准确有效的预警模式。因此必须将传统的巡检养护措施与先进的健康监测系统有机结合,以期消除现存检测、监测方法中的诸多不足,综合传统巡检养护方法与先进的健康监测技术的长处。

Q4:您能举几个应用桥梁健康监测技术的工程实例么?

南京长江第三大桥

南京长江第三大桥的养护管理采用“结构健康安全监测及综合管理系统”。桥梁结构安全监测及综合管理系统主要包括安全监测系统与桥梁日常养护管理两部分:

Ø结构安全监测系统的监测对象为主体受力结构,监测目的是保障结构安全承载
Ø日常管理养护管理系统监测对象为桥梁上的非结构物或附属结构,监测目标是保障非结构物及附属构造能够得到合理的维护

桥梁日常养护管理由电子化巡警管理子系统完成,采用Aditam公司的ScanPrint,其余子系统则组成一个典型的桥梁结构健康监测系统,用于连续实时地监测桥梁的结构状态。


存在的不足
ScanPrint为单机版程序,其数据库无法与安全健康监测系统共享,仅为避免数据冗余而根据需求分配两个系统的数据存储内容。
因此虽然桥梁的日常养护管理采用了先进的电子化巡警养护系统,有利于巡检结果的量化与系统管理。然而由于系统本身的限制,巡检养护系统无法根据需要进行扩展与监测系统进行交互,监测系统无法利用巡检养护系统的数据,从而使得日常养护管理与实时监测系统实际上完全独立,并没有达到最初融合两个系统的设想。

东海大桥

东海大桥跨径长、规模庞大且组成复杂,传统的依靠人工的巡检养护系统难以满足桥梁的运营管理要求。采用了基于人工巡检的传统养护以及基于监测系统的桥梁养护相结合的养护策略,将实时监测、定期检测以及人工检查相结合,系统全面地掌握大桥的工作状态。利用监测系统获得的实时数据,并结合巡检养护系统的监测结果,对桥梁的局部与整体的工作状态做出合理评估,为大桥的养护和管理提供科学依据,以保证大桥的安全运营。


存在的不足
然而由于人工巡检的结果被表达为对构件健康状况的描述,检测周期相对于实时监测过长且不具规律性,因此难以与监测系统的实时量化数据融合,因此东海大桥结构健康监测系统的数据库仅存储了人工巡检结果报表,而并未将这些结果应用到结构状态评估中。同时,当前东海大桥仍处于运营初期,各项性能指标还处于相对的安全状态,监测系统还未建立起准确有效的预警模式。

苏通大桥

苏通大桥结构健康监测和安全评估系统利用传统的巡检养护管理工作及时发现一些实时健康监测系统没有或无法监测到的结构缺陷、材料退化或裂缝。将这些人工巡检结果输入监测系统的数据库,更新结构的有限元模型(如刚度、材料特性、构件尺寸、缺陷或损伤等),以提高结构健康状态评估的准确性和科学性。


存在的问题
结构损伤识别以及健康状态评估是桥梁结构健康监测系统的核心内容,并为桥梁的养护管理提供依据。而这也是当前桥梁结构健康监测系统急需解决的核心问题。虽然可以根据日常的人工巡检结果引入健康监测系统的结构状态评估,更新结构的有限元模型,然而由于桥梁结构的复杂性和不确定性,加之难以给定准确的边界条件以及荷载模型,实时监测系统与日常的养护依然脱节,结构健康监测系统依然游离于桥梁的养护管理之外。

广东九江大桥

2007年6月15日凌晨被偏离主航道误入非通航孔的船舶撞击,导致引桥22号墩~26号墩之间4跨近200m长的桥梁上部结构梁体坍塌。九江大桥于2010年修复,修复后的九江大桥除安装了结构健康监测系统外,还特别针对船撞问题,研发了桥区防船撞监测预警系统。应用视频监测技术,实时捕捉进入危险区的船舶,及时通过光、声、广播等方式发出警告,避免撞桥事故发生。此外,还探讨了对航行船舶航迹进行预测,更主动地防范船撞桥事故的方式。


小编总结

我国已进入桥梁建设与管养并重的时期,保证已建桥梁的结构安全对国计民生至关重要。但传统技术不能满足桥梁养护的工程需求。我国桥梁健康监测系统的工程应用走在了世界前列。需加强结构损伤识别、安全评定和安全预警等方面的理论方法研究。目前单独依靠传统的养护管理技术或结构健康监测技术都难以胜任结构全寿命安全管理的使命,应注重两者的有机结合。

本文由52监测网小编依据桥梁船撞学术研讨会孙教授报告编写,侵删!

 【52监测网】桥梁结构安全监测与预警-孙利民.pdf 

孙教授其他系列报告下载:http://bbs.52jiance.cn/thread-34580-1-1.html

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