大跨径连续刚构桥实用健康监测系统及安全性评价标准研究.docx
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大跨径连续刚构桥实用健康监测系统及安全性评价标准研究
分类号U448单位代码10618
密级学号1090B022
硕士学位论文
论文题目：
大跨径连续刚构桥实用健康监测系统及
安全性评价标准研究
StudyonPracticalHealthMonitoringSystemand
SafetyEvaluationStandardofLong-spanContinuous
Rigid-frameBridge
研究生姓名：
黄友帮
导师姓名、职称：
吴海军副教授
申请学位门类：
工学硕士学位
专业名称：
建筑与土木工程
论文答辩日期：
年月日
学位授予单位：
重庆交通大学
答辩委员会主席：
陈斌
评阅人：
杨炳成
彭建新
2012年6月
重庆交通大学学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：
日期：
年月日
重庆交通大学学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并进行信息服务（包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等），同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。
学位论文作者签名：
指导教师签名：
日期：
年月日日期：
年月日
………………………………………………………………………………………
本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊（光盘版）电子杂志社CNKI系列数据库中全文发布，并按《中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程》规定享受相关权益。
学位论文作者签名：
指导教师签名：
日期：
年月日日期：
年月日
摘要
当前世界范围内大量桥梁相继进入老化阶段，在现有的以人工养护为主的桥梁管理体系下，不可避免地出现桥梁安全事故频发。
为了确保大桥的长期安全运营，安装桥梁健康监控系统对桥梁进行长期的健康监测是有必要的。
长期的桥梁健康监测，实时获知桥梁的结构损伤情况，以便及时采取积极措施，更好的保障桥梁的安全健康的运营。
本文以重庆交通科技项目的“重庆市江津长江大桥监测实用技术研究”为依托，结合相关规范分析研究大跨径连续刚构桥长期健康监测技术以及桥梁安全性评价。
本文主要研究内容如下：
①对国内外现有的桥梁健康监测方法特点和适用性进行比较分析，总结归纳出合适大跨径连续刚构桥的长期健康监测的方法。
对大跨径刚构桥梁的主要病害进行分析，为健康监测子系统的监测方法和仪器的选择提供依据。
在充分比较分析现有桥梁监测方法的基础上，提出适用于大跨径连续刚构桥的实用、经济、有效的健康监测技术，为桥梁安全性的评估提供数据基础。
②对本桥及类似的大跨度连续刚构桥进行下挠问题的敏感因素识别，找出主要的影响因素，为掌握桥梁实际受力状态和工作状态奠定基础，并为构建安全性评价标准做必要的准备。
③安全性评估标准研究是论文的核心。
通过对实测数据的分析识别出“零”活载点，找到在真实活载及温度影响下的应力和变形，并找到相关的方法和限值对其进行分析和安全性评判。
在此基础上结合规范和理论分析，分别提出单活载、活载+温度、恒载+活载+（温度）工况下桥梁健康监测预警指标（安全性评价）。
关键词：
连续刚构;安全性评价；桥梁健康监测；数据分析
ABSTRACT
ThecurrentworldwidelargeBridgesareaging,whichinevitablyleadstobridgesafetyaccidentfrequentlymainlyduetoartificiallybridgemaintenancemanagement.Inordertoensurethesafeoperationofthebridge,itisnecessarytoinstallbridgehealthmonitoringsystemtomonitortheoccurrenceanddevelopmentofcrack,deflection,strainandlong-termhealthmonitoringatthemid-spansectionthemainofthebridge.
Longbridgehealthmonitoringwhichmakeiteasytounderstandofthebridgehealth,accessthedamageofthebridgetimely,soactivemeasurescanbetakentoensurethesafetyofthebridgehealth.RelayingonChongqingscienceandtechnologyprojectoftraffic"chongqingjiangjinchangjiangriverbridgemonitoringpracticaltechnologyresearch",andcombinedwiththepracticalengineeringanddataanalysistoresearchlong-spancontinuousrigidframehealthmonitoringtechnology,thispapermainlystudiesthecontentsasfollows:
①Afterthecharacteristicsandapplicabilitythecurrentdomesticandforeignbridgehealthmonitoringmethodareanalyzedandcompared,amethodappliedtomonitorlongspancontinuousrigidframebridgeforthelong-termhealthispresented.Long-spanrigid-framedbridgedefectsareanalyzed,whichprovidesevidenceformonitoringsubsystemsmethodandfortheselectionofinstrument.Basedonthefullcomparisonandanalysisoftheexistingbridgemonitoringmethodpresented,thepracticalandeconomicalsafetymonitoringsystemappliedtotypicalrepresentativelong-spancontinuousrigidframebridgearePutforward.Practicalsafetymonitoringsystemisdesignedandappliedinlong-spanrigid-framedbridge,afterassessingtheresultsofmonitoring.
②Themaininfluencefactorsareidentifiedrelyingonengineering,andtheactualstressstateismastered,whichmakeiteasytoidentifyandanalyzesensitivefactorforthesimilarlargespanbridge;meanwhiletheactualstressstateandbridgeworkingconditionaremastered,whichlaidthefoundationforsafetyevaluationofthemeasureddataoftheimplementation.
③Basedonreal-timemonitoringdata,securityassessmentstandardresearchisthecoreofthepaper,whichrecognizestressanddeformationthroughtherecognition'zero'pointundertheinfluenceofliveloadandtemperature,andfindrelevantmethodandthelimittoanalyzeandevaluatesafety.Onthisbasis,combiningwiththemeasureddata,bridgehealthmonitoringwarningindexisputforwardtoevaluatesingleliveload,temperature,deadload+liveload+（temperature）.
KEYWORDS:
Continuousrigidframebridge;Securityevaluation;Bridgehealthmonitoring;Dataanalysis
第一章绪论
1.1大跨径连续刚构桥实用健康监测系统的目的和意义
桥梁作为现代交通的咽喉，在其使用期间，由于环境、超载、以及自然因素或人为的破坏，使得桥梁结构受到损伤。
近几十年，由于交通量的不断增加，超载的问题日益严重加剧了桥梁结构的功能的退化[1]。
除此之外，桥梁在自然环境的作用下如：
地震、暴风等自然灾害，这些自然因素会导致桥梁承载能力和耐久性的降低，使桥梁的运行状态不能满足规定的要求，甚至影响到运营的安全。
近几十年来，这种趋势日益明显，既有桥梁使用性能差及使用寿命短的问题已越来越普遍，对其进行检测、承载能力及使用状态的评估已引起世界性关注。
有关资料显示，在侵蚀环境下，阿拉伯海湾地区大部分钢筋混凝土结构在使10～15年后就出现了严重的破坏。
图1.1钢筋锈蚀图1.2桥梁混凝土开裂
Fig1.1SteelcorrosionFig1.2Concretecracking
当前世界范围内大量桥梁相继进入老化阶段，在现有以人工为主的桥梁养护管理体系下，不可避免地出现桥梁安全事故频发。
由于我国底子薄，需求大，传统的桥梁设计往往注重对经济指标的追求，安全储备较低，更为严重的是施工队伍的素质通常较差，桥梁难免存在不同程度的质量问题，加之对桥梁的后期维护监测又未能得到足够的重视，造成我国为数不少的已建桥梁的早期劣化比国外更加严重，甚至发生多起在建桥梁的垮塌事故。
仅近年内垮塌桥梁即达几十座。
根据我国桥梁建、管、养的实际状况，目前我国桥梁事故发生还没有达到的高峰期。
根据20世纪90年代末的统计，我国有40%的桥梁使用年限在25年以上。
依据美英德等国经验，设计寿命平均为75年的桥梁实际使用寿命平均为40年左右。
这意味着，我国目前大量桥梁已经存在损伤，如不加以有效控制，在桥梁的使用过程中将会面临严重的安全风险。
图1.3PC刚构连续梁跨中下挠（75m+125m+75m）
Fig1.3DeflectionofPCrigidframecontinuousbeambridgemid-span
桥梁是投资巨大且使用期长的重要基础设施，桥梁使用的安全性对国民经济有着举足轻重的影响，因此桥梁的安全状态是社会各界关注的重大问题。
为了确保大桥的安全运营，安装桥梁健康监控系统实施对该桥主跨跨中段的裂纹、挠度及应变的发生和发展情况进行长期健康监测是有必要的。
长期的桥梁健康监测，可以及时了解桥梁的健康情况，及时获知桥梁的结构损伤情况，以便及时采取积极措施，更好的保障桥梁安全健康的运营。
由于长期以来人们对预应力混凝土桥梁收缩徐变特性及预应力损失的认识，特别是在连续刚构桥梁的施工监控过程中，关于施工预拱度的设置多依靠经验来确定。
由于随意性较大，一直存在两种情况：
当向上预拱度设置太大，在桥梁的长期徐变及预应力损失发生完后，桥梁主梁将长期存在不平顺的上拱，严重影响行车的舒适性、安全性并加大车辆对桥梁的冲击；而预拱度设置太小，又会导致长期使用期间桥面出现下挠、开裂等病害，也会影响行车的舒适性、安全性和加大车辆对桥梁的冲击；而且主梁下挠开裂后，刚度下降，这又会进一步增大桥梁的下挠及开裂，从而形成新循环，并加重桥梁的病害，降低其使用性能及寿命。
这不仅仅是对于长期挠度发展规律缺乏认识导致的后果，实际上更缺乏深刻认识类似现象还包括连续刚构桥梁在使用期间内力及应力重分布等问题。
由于连续刚构桥梁属于典型的内部和外部超静定结构体系，结构长期变形及应力重分布受到多个因素的影响，各种因素之间又互相影响，因此，科学识别结构性能变化与影响因素之间的定性和定量关系就成为非常复杂的课题。
而认识和识别各个性能变化与影响因素之间的关系，是我们有针对性解决目前存在问题的根本要求，对于这种关系认识不清，就可能导致处置措施失当、效率底下等问题，更可能延误问题的解决或加剧病害的发展。
建立经济、耐久的连续刚构桥的健康监测系统，明确导致和加速桥性能退化的主要因素，及各项因素的影响程度，为桥梁设计、施工及养护阶段采取有针对性的措施提供理论和实践基础，明显提高桥梁的建设水平及结构的长期使用性能。
因此，本文的研究目的是针对国内外桥梁健康监测系统使用现状的分析比较，并通过对江津长江大桥长期健康监控所获得的变形、挠度、应力等受力响应特性的实测数据分析，结合理论分析温度、混凝土收缩徐变、预应力损失等因素对于桥梁结构受力性能的影响，最后给出判断桥梁健康状态的科学的接受准则。
1.2国内外桥梁健康监测应用情况
19世纪50年代以来，人们逐渐意识到桥梁健康监测的重要性，但一直受限制于技术手段，所以在应用上不是很普遍。
随着近几十年来桥梁的发展，大跨径桥梁设计趋向复杂化和轻柔化，桥梁健康监测技术收到了国内外学术界、工程界的广泛关注。
20世纪80年代中后期，欧美一些国家明确提出了结构健康检测（StructureHealthMonitoring，简写为SHM）的新理念，并先后在许多重要的大跨度或结构体系新颖的桥梁上建立了健康检测系统。
目前，许多国家都在一些已建和在建的大跨桥梁上进行有益的尝试，其中的代表性桥梁有：
1）美国在20世纪80年代中后期，开始在多座桥梁上布设监测传感器，如佛罗里达州的SunshineSkyway斜拉桥安装了500多个各类传感器；
2）英国在20世纪80年代后期，开始研制和安装大型桥梁的检测仪器和设备，并在爱尔兰Foyle钢箱梁桥上安装了监测系统[2]；
3）泰国与韩国目前已开始在重要桥梁上安装永久性的实时结构整体与安全性报警设备。
对于桥梁健康监测系统的研究，国内外学者已经取得了一些进展，如：
采用强迫振动试验分析桥梁结构模态参数对桥梁结构局部变化的影响；在车速、车重、路面及支承对桥梁模态参数的影响方面的研究成果,证明了用环境振动法进行桥梁自动检测的可行性；对适用于桥梁监测的结构状态敏感参数积累了试验经验和理论认识；能够利用测试的数据进行计算模型的修正；开发了各种基于频率、振型、振型曲率、应变振型等改变量的损伤检测方法和定位技术等。
在进行系统设计时，要把握几个主要的原则：
系统的可靠性、先进性、可操作性、易维护性、完整性和可扩容性。
一个完整的大跨径桥梁健康监测系统包括数据测量采集系统和数据分析处理两个部分。
如图1.4所示，四个子系统组成了一个完整的桥梁康健监测结构。
硬件的设备主要包括：
PC机、网络服务器、传感器、专用工控机等。
外站作为网络节点，往下由工控机、信号调理器传感器等构成的微型网络，方便系统开发和扩容。
图1.4大型桥梁经典的安全监测系统构成
Fig1.4Safetymonitoringsystemforlarge-spanbridge
较为先进的方式主要有线光缆监测和无线监测系统。
光缆监测系统的维修难度高、费用高、机动性能不好，不适合广泛的应用尤其对于大跨径的桥梁。
无线监测系统一般都是采用网络连接到因特网，再接到健康系统的数据采集设备，这种方法复杂，难以进行长期的桥梁健康监测。
目前，桥梁健康监测常见的结构分析方法主要有：
基因算法、人工神经网络、模态识别、频率响应特性分析、系统仿真、虚拟现实等。
但是这些成果应用在桥梁监测上是初步的，距离大面积的使用还有很大的困难。
总体来说，目前我国的桥梁监测和评估系统起步较晚，很少对桥梁的工作状态进行连续安全监控。
国内外的桥梁健康监测手段虽然有了新的发展，但是需要解决的问题还很多。
1.3论文所作的工作
1.3.1论文研究背景
本论文所作工是以重庆交通科技项目的“重庆市江津长江大桥监测实用技术研究”为依托工程（江津长江公路大桥140m+240m+140m）进行的。
重庆地区现有5000余座桥梁，被誉为中国“桥都”，截止2010年重庆辖区内已建成和在建的各种过江桥梁达到6000多座，其中，长江、嘉陵江上主跨150米以上、桥长800米以上的特大桥就有40余座，仅横跨重庆主城的过江大桥就有20多座。
重庆市国省干道特大桥梁的基本情况见下表1.1所示。
表1.1重庆市国省干道特大桥梁表
Tab1.1SuperlargebridgeonprovinceandcountryroadinChongqing
序号
桥梁名称
所在路线编号
单孔最
大跨径（米）
上部构造结构形式
1
万县长江大桥
G055
420
钢管混凝土劲性骨架
箱型混凝土拱
2
江津长江大桥
S107
240
连续刚构
3
涪陵长江大桥
G319
330
PC梁斜拉桥
4
郁山特大桥
G319
170
连续刚构
5
汾水河大桥
S102
158
钢筋混凝土箱形拱
6
乌江大桥
S103
200
钢筋混凝土箱形拱
7
丰都长江大桥
S103
450
加劲钢桁架梁悬索桥
8
梅溪河桥
S103
310
钢管混凝土拱
9
北碚嘉陵江大桥
（碚东大桥）
S110
186
连续刚构
10
三号桥
S201
200
圬工拱
11
夔门长江大桥
S201
460
PC梁斜拉桥
12
泰昌大桥
S301
240
加劲钢桁架梁悬索桥
13
巫山长江大桥
S301
486
钢管混凝土拱
14
忠县长江大桥
S302
560
加劲钢桁架梁悬索桥
相对于地方县乡道路桥梁，重庆市国省干道特大桥梁技术状态复杂、工程规模大、车辆通行数量及轴重明显较大，重载和超载问题也较严重，因此国省干道特大桥梁的安全性问题较为突出，社会关注度很高。
相对于高速公路桥梁及主城区的市政桥梁，国省干道桥梁由于检查维护经费及人员技术能力限制，加上桥梁数量多，一直没能够实施有效的检查维护及监测，使得桥梁养护管理工作基本停留在建立技术档案、清扫桥面、疏通泄水管和栏杆、桥面铺装等构件的简单维修上，无法满足社会各界对于桥梁安全性的要求。
目前，桥梁检查和状态评估主要依据现有养护规范的有关规定，由于评定参数分值的确定缺乏量化、客观的依据，评定结果随机性很大，难以准确反映结构物现状，因而影响到后续养护管理措施策略的合理确定，无法满足实践需要。
1.3.2论文研究内容
本工程项目采用重庆交通大学自主研发的一套桥梁结构健康监测系统，对江津长江大桥整体和局部结构进行实时监测展开研究，主要完成的工作内容包括位移、裂缝、挠度、应变、温度监测的桥梁健康监测系统，并提出长期、远程、实时、在线对裂缝、挠度进行监测的方法。
以实测监控数据为基础的桥梁健康状态研究。
首先，对实测监控数据进行充分分析，识别影响桥梁健康状态的因素以及影响程度。
然后，总结应力与挠度随时间变化的规律，并对影响变化规律的主要影响因素进行深入分析。
最后，根据前期研究结果对桥梁健康预警阀值进行研究，并给出对实际工程有参考意义的预警阈值。
主要研究内容：
1）提出实用监测系统构成，并阐述其功能特点
2）以桥梁实测监控数据为基础的影响因素分析
该部分是论文研究的基础，首先，建立模型对影响桥梁应力挠度的各个因素进行计算分析，然后结合桥梁实测应力数据、挠度数据、温度数据、索力数据等影响因素的分析，识别这些因素对桥梁健康状态的影响程度。
3）应力与挠度随时间变化的影响因素
该部分是本论文研究的重点之一。
首先，比较桥梁建成初期阶段的变形、应力规律与后期规律的不同；其次，通过大量的数据的统计分析，结合环境等多方面综合因素考虑影响规律变化的因素，并总结规律发生的条件；最后，选择关键影响因素进行分析，观察因素的影响结果。
4）连续刚构桥的健康预警阈值的研究
该部分是论文的核心重点，基于实测数据分析，建立连续刚构桥的健康状态评估模型，最后给出桥梁健康预警阈值。
在充分分析现有桥梁监测方法的基础上，提出适用于典型代表大跨径连续刚构桥的实用、经济的关键部位安全监测系统的构成及其关键技术特点；基于监测结果进行桥梁技术状态评估，进行桥梁实用安全监测系统的设计，在大跨径刚构桥梁中得到应用。
桥梁的模拟监测系统如图1.5所示。
图1.5实用的全方位桥梁健康监测体系
Fig1.5Thebridgehealthmonitoringsystemwithfullrange
大跨径连续刚构桥的应力、跨中变形都是反应桥梁健康状态的重要指标，将这些指标放在不同的研究环境下，结合现有规范给出评定参数状态的确定性量值和客观的依据，分析出针对大跨径桥梁连续刚构桥的监测指标和预警阈值。
第二章连续刚构桥梁实用健康监测系统研究
2.1现有桥梁监测方法的特点和适用性分析
2.1.1挠度监测系统
变形是桥梁健康状况评价的重要参数之一，尤其是大跨径连续刚构桥的下挠问题更是桥梁健康监测的重要指标。
结构的变形主要分为结构部件的整体变形和局部变形两种。
桥梁结构的整体工作状态主要反应在结构整体变形，它往往是通过各个部件的分位移表现出来，是桥梁正常使用极限状态必不可少的检验内容，同时也是承载能力的一项重要评估标准。
对于桥梁变形监测方法主要有两大类:
一是常规的测量方法（即伏地测量方法与摄影测量方法）。
二是物理学传感器方法。
常规方法精度高、可靠性高，但效率低、工作量大，不利于桥梁的长期健康监测。
而传感器构成的视频成像系统，有精度高、方便、实时，并且适合长
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