基于健康监测系统下乌兰木伦桥状况分析硕士学位论文Word文件下载.docx

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关键词：

鄂尔多斯；

乌兰木伦大桥；

桥梁健康监测

Abstract

Throughtotheordosulamwoodenbridgebridgehealthmonitoring,andgetthewindload,airtemperatureandhumidity,thestructuretemperaturemonitoring,girdervibrationmonitoring,stressandstrainmonitoring,suspensioncableforcemonitoringdata.Throughtheanalysisofthedataandimagemonitoringandmeasurementtostudy,mainlyhasthefollowingconclusion:

（1）throughtheyeardataofstructuralhealthmonitoringsystemandimageanalysis,thewholezautraawoodenbridgestructuralhealthmonitoringsystemworkingproperly,thehardwareandsoftware,monitoringdataiscorrect;

（2）inthesystemloadmonitoring:

windload,airtemperatureandhumidity,thestructuretemperaturemonitoringvaluesarewithinthescopeofthedesignofthebridge,thebridgesafetyofusabilityandcomponentswithoutharm;

（3）dynamicstructureresponsesofbridgemonitoring:

maingirdervibrationmonitoring,stressandstrainmonitoring,cableforceofcable-stayedbridgemonitoringdatawithinthescopeofthedesignvalue,noabnormalitiesarefound;

（4）thebridgemustbeanorganiccombinationofadvancedmanualinspectionandhealthmonitoringsystem,inordertoeffectivelyeliminatethedeficienciesoftheexistingtestmethods;

（5）atthebeginningofthebridgeinuse,lessmaintenancework,focusoncombiningobservationandmonitoringsystemofinformation,establishapreciseandreliablestructuremodel,preparethewayforlong-terminspectionmaintenanceplans;

（6）toadvisethemaintenanceofthesensorhealthmonitoringsystemontheoutsideofthestructure.

Keywords:

Ordos;

ZautraawoodenBridge;

healthmonitoringofbridge

目　　录

第一章绪论…………………………………………………………………………………

1.1桥梁健康监测概述

1.1.1桥梁健康监测系统

1.1.2桥梁健康监测系统的作用

1.1.3桥梁健康监测应用概况

1.2选题依据与研究意义

第二章桥梁基本资料

2.1桥位自然环境

2.2桥梁概况

2.2.1桥梁主要结构

2.2.3技术标准

第三章乌兰木伦大桥健康监测系统

3.1乌兰木伦大桥健康监测系统概述

3.2软件系统组成

3.2.1功能概述

3.2.2功能模块

3.3系统操作

3.3.1软件结构

3.3.2各模块间关系

第四章风荷载监测

4.1风荷载监测设计

4.1.1桥址区风特性和设计风参数

4.1.2风速风向仪测点布置

4.2风载荷监测结果

第五章温湿度监测

5.1空气温湿度监测设计

5.2空气温湿度监测结果

5.3结构温度监测设计

5.4结构温度监测结果

第六章主梁振动监测

6.1主梁振动监测设计

6.2主梁振动监测结果

第七章应力应变监测

7.1应力应变监测设计

7.2应力应变监测结果

第八章斜拉索索力监测

8.1斜拉索索力监测设计

8.2斜拉索索力监测结果

第九章结论与展望

9.1主要结论

9.2研究展望

参考文献

第一章绪论

　近100年来桥梁工程领域的成就不仅体现在预应力技术的发展和大跨度索支承桥梁的建造以及对超大跨度桥梁的探索，而且反映了人们对桥梁结构实施智能控制和智能监测的设想与努力。

30多年来桥梁抗风、抗震领域的研究成果以及新材料新工艺的开发推动了大跨度桥梁的发展[1]；

同时,随着交通建设事业的蓬勃发展，一些大跨度和超大跨度桥梁的相继建成。

多年来,桥梁结构的安全状况一直是政府有关部门和公众特别关心的问题。

目前国内外许多桥梁都存在不同程度的安全隐患。

比如西方发达国家在经济腾飞时期建造的大批桥梁面临剩余寿命的评估问题,其中美国的69万座公路桥梁中有一半以上的使用年限已超过50年；

三分之一以上的桥梁使用效率很低或干脆荒废,每年用在桥梁维修上的费用超过50亿美元。

在国内,由于质量控制滞后于桥梁的建设速度致使桥梁倒塌事故逐年增加。

1999年1月重庆的彩虹大桥倒塌,导致41人死亡、14人受伤的悲剧。

1996年12月广东韶关特大桥梁坍塌,32人死亡,59人受伤[2]。

另外近几年的铁路提速,对于那些设计最大时速仅有

120公里/小时的大批铁路桥梁来说也面临严峻的考验。

2002年6月,洪水冲垮了陇海铁路西安段的一座铁路桥梁,使得铁路停止运营数日,造成了重大的经济损失。

造成这些事故的原因很复杂,抛开设计与施工方面的原因不谈,这些桥梁长期处于超负荷运营状态,致使许多构件的疲劳损伤加剧,是导致倒塌的重要原因。

如果能在灾难来临之前进行预测,对桥梁的疲劳损伤进行监测,从而对桥梁的健康状况给出评估,那就会大大减少这些惨剧的发生[3]。

由于桥梁监测数据可以为验证结构分析模型、计算假定和设计方法提供反馈信息,并可用于深入研究大跨度桥梁结构及其环境中的未知或不确定性问题,此外桥梁设计理论的验证以及对桥梁结构和结构环境未知问题的调查与研究扩充了桥梁健康监测的内涵[4]。

因此，这项课题日益成为国内外桥梁学术界和工程界的研究热点，对于不同类型的桥梁建立了各种规模的桥梁健康监测系统。

1.1桥梁健康监测概述

桥梁健康监测就是通过对桥梁结构进行无损检测，实时监控结构的整体行为，对结构的损伤位置和程度进行诊断，对桥梁的服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行智能评估，为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，为桥梁的维修、养护与管理决策提供依据和指导[4]。

一般桥梁健康监测系统包括以下几个方面的内容：

（1）桥梁结构在正常车辆荷载及风载作用下的结构响应和力学状态。

（2）桥梁结构在突发事件（如地震、意外大风或其它严重事故等）之后的损伤情况。

（3）桥梁结构构件的耐久性，主要是提供构件疲劳状况的真实情况。

（4）桥梁重要非结构构件（如支）和附属设施（如斜拉桥振动控制装置）的工作状态。

（5）大桥所处的环境条件，如风速、温度、地面运动等。

由前所诉可知桥梁健康监测不只是传统的桥梁检测技术的简单改进，而是运用现代化传感设备与光电通信及计算机技术，实时监测桥梁运营阶段在各种环境条件下的结构响应和行为，获取反映结构状况和环境因素的信息，由此分析结构健康状态的可靠性，为桥梁的管理与维护提供科学依据。

大型桥梁健康监测力求对桥梁结构进行整体行为的实时监控和结构状态的智能化评估。

在结构经过长期使用或遭遇突发灾害之后，通过测定其关键性能指标，获取反映结构状况的信息，分析其是否受到损伤。

如果受到损伤，还要分析其可否继续使用以及剩余寿命等。

这对确保桥梁的运营安全，及早发现桥梁病害，延长桥梁的使用寿命起着积极的作用。

此外，由于大型桥梁（尤其是斜拉桥、悬索桥）的力学特性和结构特点以及所处的特定环境，在大桥设计阶段完全掌握和预测结构的力学特性和行为是非常困难的。

大跨度索支承桥梁的设计依赖于理论分析，并通过风洞、振动台模拟试验，预测桥梁的动力性能并验证其动力安全性。

然而，结构理论分析常基于理想化的有限元模型，并以很多假定条件为前提，在进行风洞或振动台试验时，对大桥的风环境和地面运动的模拟可能与真实桥位的环境不完全相符。

因此，通过桥梁健康监测所获得的实际结构动静力行为，可以验证大桥结构分析模型、计算假定和设计方法的合理性。

尤其重要的是,监测所得的数据和分析结论可用于深入研究大跨度桥梁及其环境中的未知和不确定性问题，为以后的设计和建造工作提供依据。

桥梁健康监测信息反馈于结构设计的更深远的意义在于，结构设计方法与相应的规范标准等可能得以改进[1]。

国外从20世纪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3跨变高度连续钢箱梁Foyle桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风荷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[5]；

加拿大在全长1219km、建于海上的45跨预应力混凝土箱梁Confedration桥上实施了一套综合的监测系统，对桥梁在冰荷载作用下的性能、长短期变形、温度应力以及在车辆荷载、荷载组合、风和地震荷载作用下的动力响应和环境对桥梁的侵蚀进行研究[6]。

此外建立健康监测系统的典型桥梁还有丹麦主跨1624m的GreatBeltEast悬索桥[7]、挪威主跨530m的Skarnsunder斜拉桥[8]、英国主跨194m的Flintshire独塔斜拉桥[9]等。

我国自20世纪90年代起也在一些大型重要桥梁上安装了不同规模的健康监测系统。

如在香港的青马桥、汲水门桥和汀九桥上安装的保证桥梁运营阶段安全的“风和结构健康监测系统（WASHMS）”[10-11]，监测作用在桥梁上的外部荷载（包括环境荷载、车辆荷载等）与桥梁的响应；

在上海徐浦大桥上安装的带有研究性质的结构状态监测系统，其目的是为了摸索大型桥梁健康监测的经验，监测内容包括车辆荷载、中跨主梁的标高和自振特性，以及跨中截面的温度和应变、斜拉索的索力和振动水平；

在江阴长江公路大桥上安装的健康监测系统，主要监测加劲梁的位移、吊索索力、锚跨主缆索股索力以及主缆、加劲梁、吊索的振动加速度等[12]。

在南京长江大桥上安装的健康监测系统，主要进行温度、风速风向、地震及船舶撞击、墩位沉降，以及恒载几何线形、结构振动、主桁杆件应力、支座位移等方面的监测[13-15]。

乌兰木伦桥位于鄂尔多斯康巴什新区乌兰木伦湖区。

鄂尔多斯市地处内蒙古自治区西南部，市域总面积8.7万平方公里,总人口约151万。

北部以黄河为界，紧邻呼和浩特、包头和巴彦淖尔市，南部与晋、陕、宁省区接壤，市域境内煤炭、石油、天然气、建材等矿产资源储量丰富。

2007年全市地区生产总值1150.9亿元，财政收入200.8亿元。

鄂尔多斯市的中心城市由东胜区、康巴什新区和伊旗阿镇三部分组成，中心城市现状人口近60万。

康巴什新区是鄂尔多斯市“一市三区”城市组团的核心；

是鄂尔多斯未来的行政、金融和文化中心，是科研教育中心和技术产业基地。

城市发展坚持舒展、生态、和谐、宜居，体现地域文化、民族特点，突出城市风貌的“唯一性”。

随着康巴新区建设的快速发展和鄂尔多斯市新一轮总体规划的调整，康巴什新区的城市建设用地跨越乌兰木伦河向南发展。

乌兰木伦河将成为城市内部重要的景观河流，同时成为鄂尔多斯市的一个标志性旅游节点。

按照规划，城市主轴线南端对应的乌兰木伦河结合河道改造治理，部分拓展成为湖区。

湖区由两级落水三个标高的湖面组成，三个湖面分别称为上湖区、中湖区和下湖区，其面积分别为0.25平方公里、1.09平方公里和1.68平方公里。

近期建设中湖区和下湖区。

乌兰木伦大桥位于下湖区，是近期建设的重点工程之一。

景观大桥工程对于鄂尔多斯市康巴什新区的发展有至关重要的意义，它北连新区的政治文化中心区域，密切与中心城区的联系，南连东红海子风景旅游区，从而促进康巴什新区发展成为以现代服务业和生态旅游业为主导，集休闲度假、体育运动、娱乐健身、商住会议、教育科研于一体，与自然融合、生态宜居的北方水上旅游城市。

为保证康巴什新城的开发建设进程，打造下湖区景观工程，而乌兰木伦大桥是其中一个重要组成部分，也是城市与乌兰木伦湖生态走廊节点上重要的标志性建筑物，因此对其进行桥梁健康监测十分必要和迫切的。

以期通过对鄂尔多斯乌兰木伦大桥进行健康监测系统的建立，获取反映大桥关键部件的环境激励和结构响应状态的相关信息，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。

本研究对象乌兰木伦桥位于鄂尔多斯康巴什新区乌兰木伦湖区。

鄂尔多斯，内蒙古自治区下辖市，位于内蒙古自治区西南部，西北东三面为黄河环绕，南临古长城，毗邻晋陕宁三省区。

该盆地新生代以来持续上升运动,形成今日高原地貌景观。

目前北部为沙漠高原，地形波状起伏，切割较弱；

南部为黄土高原，地形破碎，切割强烈[16-17]。

鄂尔多斯属温带干旱半干旱大陆性气候，降水稀少，蒸发强烈，冷热巨变，风大沙多。

冬季受蒙古冷气团影响，气候干燥而寒冷。

夏季炎热而少雨。

湿润度由东向西递减。

该区多年平均气温6.2℃，日最高气温38℃，日最低气温-31.4℃。

多年平均降水348.3毫米，降水多集中于7、8、9三个月，占全年降水量的70%左右。

多年平均蒸发量2506.3毫米，为降水量的7.2倍，以5-7月份为最大。

全年多盛行西风及北偏西风，年平均风速3.6米/秒，最大风速可达22米/秒，最大风速的风压0.6千牛/平方米[17-19]。

乌兰木伦河发源于内蒙古东胜区，在王道恒塔水文站下游与勃牛川河汇合后称为窟野河，后向南流经陕西神木县注入黄河，河长138km,流域面积3065km2，多年平均径流量为1.90亿m3。

乌兰木伦河两岸地形平缓，属于黄土高原和毛乌素沙漠过渡地带。

该区是黄河流域土壤侵蚀最严重的地区和黄河粗泥沙的主要产沙区之一,对河下游河道淤积有严重影响[20-23]。

根据水文计算成果，乌兰木伦水库近期30年，百年一遇下泄洪水流量为580m3/s，柳沟百年一遇洪水流量为170m3/s，汇入后康巴什新区段河道30年，百年一遇设计洪水流量为750m3/s。

乌兰木伦大桥位于内蒙古鄂尔多斯康巴什新区，跨越乌兰木伦河下湖区，北连新区的政治文化中心区域，南连东红海子风景区，是城市主轴与乌兰木伦湖生态走廊上一个重要的标志性建筑，对于鄂尔多斯康巴什新区的发展有至关重要的意义。

根据湖区规划调整情况，乌兰木伦大桥主桥边跨内布置辅助墩，主桥为跨径（40m+42m+42m+51m）边跨+450m中跨（51m+42m+42m+40m）边跨跨径布置的双斜塔斜拉桥，桥塔向主跨方向倾斜12°

，桥塔与主梁相交位置设置支座。

桥梁全长800m，边跨设置辅助墩，设置辅助墩能有效提高斜拉桥结构刚度，有效降低在活荷载作用下主梁及主塔的弯矩。

主梁采用钢与混凝土组合结构，主跨大部分（432m）采用钢箱梁结构，边跨采用预应力混凝土箱梁结构，梁高均3m。

桥塔为A字形钢塔，总高125m，桥面以上高105m，向主跨侧倾斜12°

，主梁在塔下穿过。

同时由于两侧地形的标高相差较大，使得索塔的顶面标高不一致，高差相差约4.086m：

10号墩塔总高132.017m，11号墩塔总高127.941m；

从上层桥面至塔顶的高度为105m，相应的高跨比为1/4.3。

桥塔伸入承台上的塔靴与之固结。

斜拉索梁上锚固区位于机动车道与非机动车人行混行道之间，主跨斜拉索水平间距12m，边跨侧斜拉索水平索距由桥塔起为7*2m+2*m+7*m，主跨和边跨侧的中墩无索区均为27m。

斜拉索塔上锚固于钢塔中箱室，竖向索距2m，最低斜拉索交点距桥面58m。

南引桥为330m+3*0m预应力混凝土连续箱梁，采用斜腹板形式，梁高1.8m。

北引桥为25m预应力混凝土简支箱梁，采用斜腹板形式，梁高1.8m。

大桥双向六车道，桥宽37m；

设计时速60kN/m，人群荷载按规范取值；

设计基本风速33.7m。

主桥桥梁横断面布置为1m风嘴+0.25m栏杆+4.5m非机动车人行混行道+0.5m护栏+12m机动车道+0.5m分隔带+12m机动车道+0.5m护栏+4.5m非机动车人行混行道+0.25m栏杆+1m风嘴，全宽37m。

为减小桥塔的横桥向倾斜角度，降低工程造价，桥塔与主梁相交处占用人行道，人行道由塔柱外侧绕行[24-25]。

2.2.2主要建筑材料

2.2.2.1钢箱梁：

桥主体钢结构钢材为Q345。

人行道、护拦、栏杆、维修等辅助结构采用Q235钢材，以GB/T700-88为材料标准。

钢箱梁内U肋连接采用摩擦型高强度大六角头螺栓连接付，规格为M22。

2.2.2.2预应力钢绞线:

钢绞线应符合图纸要求及《预应力混凝土用钢绞线》（GB/T5224-2003）中的规定。

2.2.2.3预应力锚具：

应力锚具应符合"

预应力筋用锚具、夹具和连接器（GB/T14370-2007）"

的要求。

2.2.2.4普通钢筋：

计用钢筋为R235和HBR335钢筋两种，其技术标准必须符合中华人民共和国国家标准GB1499-1998有关规定。

直径大于或等于16mm的钢筋可采用等强度剥肋滚压直螺纹连接接长，其技术标准应符合JGJ107-96中的I级接头性能要求。

2.2.2.5.斜拉索：

拉索索体系采用双层HDPE护套镀锌高强度平行钢丝索。

拉索索上下端锚头均为冷铸锚。

外挤包黑色—彩色双护层高密度聚乙烯，两端加锚具，经预张拉后成圈包装而形成的成品拉索。

2.2.2.6.混凝土：

引桥梁体、主桥主梁预应力混凝土梁段、主塔与塔靴连接处采用C50混凝土，桥台、桥墩、承台、搭板采用C30混凝土。

桩基础采用C30水下混凝土。

支座垫石采用C50混凝土。

2.2.2.7.焊接材料

（1）焊接材料应通过焊接工艺评定试验进行选择，所选焊条、焊剂、焊丝均应符合相应的国家标准。

（2）选用的焊条、焊丝及焊剂与钢材焊接后，其熔敷金属的机械屈服强度、极限强度、延伸率及冲击韧性应高于母材的机械性能地基处理技术己有换填（砂砾、灰土）、予浸水、土或灰土挤密桩、强夯、高压喷射注浆（旋喷、粉喷、注浆）等多种，均系成熟技术，己纳入建筑地基处理技术规范中。

2.2.3.1设计基准期：

100年。

设计安全等级：

一级。

2.2.3.2荷载标准：

汽车荷载：

公路—I级；

人群荷载：

按规范计算。

2.2.3.3.道路等级：

城市主干道，机动车道满足双向6车道的通行，每个方向为3个车道，设计车速60公里/小时；

设置非机动车与人行混行道。

2.2.3.4.车道宽度：

机动车车道宽度为3.5m（小型车道）、3.75m（大型车道）；

非机动车与人行混行道4.5m。

2.2.3.5.桥面宽度：

主桥斜拉桥桥宽37m，含两侧各1m风嘴。

引桥桥宽35m。

2.2.3.6.道路纵断：

最大纵坡2.46%；

最小纵坡：

6.9‰。

2.2.3.7.桥面横坡：

双向1.5%。

2.2.3.8.建筑限界：

机动车道净高5m，非机动车道净高2.5m。

2.2.3.9.风荷载：

100年一遇10m高度处设计风速V10＝33.7m/s。

2.2.3.10.地震：

桥梁抗震设防烈度7度，抗震设防措施等级8。

2.2.3.11.环境类别：

工程场地环境类别为Ⅱ类，属于严寒地区大气环境。

第三章　乌兰木伦大桥桥梁健康监测系统

鄂尔多斯乌兰木伦河景观大桥结构健康监测系统是通过测量反映大桥关键部件的环境激励和结构响应状态的相关信息，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。

桥梁结构健康监测系统重点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[26-27]。

鄂尔多斯乌兰木伦河景观大桥结构健康监测系统将综合现代传感技术、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、预测技术及结构分析理论等多个领域的知识，极大地延拓桥梁检测领域，提高预测评估的可靠性。

当结构出现损伤后，结构的某些局部和整体的参量将表现出与正常状态不同的特征，通过安装传感器系统便可拾取这些信息，而对信息的差异识别则就可确定损伤的位置及相对程度；

经过对损伤敏感特征量的长期观测及分析，可掌握桥梁性能劣化的演变规律，以部署鄂尔多斯市康巴什大桥结构健康监测系统年报相应的改善措施，延长桥梁使用寿命。

当然，桥梁健康监测系统虽可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[28-30]。

此外，由于对像鄂尔多斯乌兰木伦河景观大桥这类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