桥梁安全受控与预警系统研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 5 4 3.17MB 94 页 15积分

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摘要

大型桥梁健康监测、预警系统在业界的普遍推广存在难度的主要原因是其

成本效率不高。问题的症结在于：相对于现有监测和评价的技术手段而言，桥

梁材料并非理想的材料、桥梁结构并非理想的结构、桥梁所处的环境并非理想

的环境，使得健康监测系统获取的海量数据在评价桥梁安全性的作用受到限制。

如何按照安全必要性、经济实用性、技术可行性三位一体相协调的原则确定大、

中型桥梁运行全过程安全受控体系、受控模式，进而建立桥梁安全预警系统的

应用技术，是应对桥梁工程界面临的上述严峻现实的有效途径。

针对以上问题，本文研究了桥梁健康监测、预警系统发展战略，分析了桥

梁应用环境、应用技术方面现存的关键问题，确立了实时监测与常态管理相结

合的桥梁安全管理模式，采取桥梁动态特性全程监测与桥梁健康检测相结合的

技术方案，进而设计了实时监测与桥梁安全评估相结合的 RAHES(Real-time

Alarm &Healthy Evaluate System)桥梁预测预警系统，在实验室实体模型试验的

基础上，提出了预测预警系统的适用技术。本文主要工作如下：

一、分析了桥梁健康监测、预警系统发展战略和应用技术方面现存的关键

问题，本着继承与发展相结合的原则，提出了实时监测与定期检测评估相结合

的RAHE 桥梁运营期全过程安全受控模式。以实时监测桥梁的动态特性显著变

化或突变作为桥梁安全异常的预警措施，而采用常规的桥梁健康检测评估手段

评定桥梁的安全承载能力。

二、为了研究桥梁动态特性实时监测作为桥梁安全预警措施的可靠性，设

计制作了斜拉桥实体模型，分别采用车辆激励、环境激励、锤击激励三种激励

模式，按稀布传感器和密布传感器两种传感器布设方式进行桥梁模型动态特性

测试，通过曲率模态、柔度矩阵、模态应变能、小波包能量、虚拟激励响应函

数等多种技术手段，采用多种尺度研究了动态特性监测作为桥梁安全预警措施

的可靠性。并确定了桥梁预警系统的核心预警指标。

三、鉴于桥梁监测数据中同时存在的随机不确定性和模糊不确定性，提出

了基于随机—模糊统计理论的桥梁检测、监测数据的处理方法，为充分发挥实

时监测海量数据在桥梁安全预警中的作用提供了一条有效途径。

四、基于上述思路和研究成果，开发了基于网络的桥梁预测预警原型系统。

关键词：桥梁安全受控模式桥梁预警技术损伤识别小波包虚拟激

励响应函数原型系统

ABSTRACT

The main cause of the difficulty that exists in popularizing health monitoring

and alarm system for Large bridge to the industry is the low level of their cost

efficiency. The crux of the problem lies in:relative to the existing monitoring and

evaluation technology,bridge materials are not ideal materials, bridge structure is not

ideal structure, bridge surroundings is not ideal environment.This limited the effect

of the evaluating bridge security by the mass data that gained by the health

monitoring system.How to set the safety control system of the big, medium-sized

bridge during the operation process in accordance with necessity,economic and

practical and technical feasibility trinity in coordination, and to set up the bridge

security warning system of applied technology is an effective way to cope with the

severe reality that the bridge engineering faced.

In view of the above question, this paper studies the development strategy of

bridge health monitoring and alarm system , analyzed the bridge application

environment,existing key problems of applied technology aspects , established the

Real time monitoring and normal management combining safety management mode,

adopted the bridge whole process dynamic characteristics monitoring combined with

bridge health evaluate technical solutions, and then design a RAHES (Real-time

Alarm &Healthy Evaluate System) bridge forecasting and alarm system, based on

the laboratory test of physical model, the suitable techniques of bridge amarm system

is presented. This paper's mainly work are as follows:

1.analyzed existing key problems of the bridge health monitoring and alarming

systems development strategy and application technology.In line with the inheritance

and development of combining the principles,This pater advanced the RAHE bridge

safety control mode that combining the real-time monitoring and regular health

inspection evaluate.Consider monitoring significant change of dynamic characteristic

as the main alarm measurement.Use the regular bridge healthy test evaluation tools

to judge the safe carrying capacity of the bridge.

2.In order to study the reliability of the dynamic characteristics that are used as

the measurement of the real-time monitoring bridge alarm system. A cable-stayed

bridge entity model are made for the dynamic test.Hammer excitation ,environmental

excitation and vehicle excitation are used in both spars and dense sensor plan

conditions to proceed dynamic test carried on the bridge model.By means of modal

curvature,flexibility matrix,modal strain energy and wavelet packet energy ,virtual

excitation response function,studied the reliability of using dynamic behavior as the

bridge safety alarm measurement.Finally determing the core alarm index of the

bridge alarm system.

3.In view of the random uncertainties and fuzzy uncertainties of the bridge

monitoring data.The processing method based on random-fuzzy theory is presented

to processing bridge monitoring data.An effective way to make the mass date into

full play in bridge alarming is provided.

4.Based on the idea and research achievements, The bridge alarm prototype

system that worked through the Internet is developed.

Keywords: bridge safety controlled mode,bridge alarm

technique ,damage identification, wavelet packet, virtual excitation

response function, prototype system

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .............................................................................................................. 1

§1.1 课题背景 ............................................................................................................ 1

§1.2 研究现状 ............................................................................................................ 2

§1.3 本文内容 ............................................................................................................ 4

§1.4 文章组织 ............................................................................................................ 6

第二章基于预警系统的桥梁安全受控模式研究.................................................... 7

§2.1 桥梁健康监测与预警系统发展现状综述 ...................................................... 7

§2.1.1 桥梁健康监测与预警系统主要研究方向 ............................................. 7

§2.1.2 桥梁健康检测技术 ................................................................................... 7

§2.1.3 桥梁安全监测系统 ................................................................................... 9

§2.1.4 桥梁安全评价理论及技术 .................................................................... 10

§2.1.5 国内外桥梁健康监测与预警系统演变及概况 ................................... 11

§2.1.6 桥梁健康监测与预警系统现状评述.................................................... 11

§2.2 桥梁预测预警系统面临的基础环境约束 .................................................... 12

§2.2.1 技术环境约束 ......................................................................................... 13

§2.2.2 工程环境约束 ......................................................................................... 14

§2.2.3 经济环境约束 ......................................................................................... 14

§2.2.4 认识环境约束 ......................................................................................... 15

§2.3 桥梁预测预警系统的定位 ............................................................................. 15

§2.4 桥梁预测预警系统技术方案 ........................................................................ 15

§2.5 基于预测预警系统的 RAHE 桥梁运营全过程安全受控与管理模式 ....... 16

§2.6 本章小结 .......................................................................................................... 16

第三章桥梁动态预警技术研究 ............................................................................... 17

§3.1 现有损伤预警指标介绍 ................................................................................. 17

§3.1.1 曲率模态指标 .......................................................................................... 17

§3.1.2 柔度矩阵指标 ......................................................................................... 18

§3.1.3 模态应变能法指标 ................................................................................. 18

§3.1.4 小波包能量法指标 .................................................................................. 20

§3.2 动态特性的研究模型 ..................................................................................... 22

§3.2.1 斜拉桥模型简介 ...................................................................................... 22

§3.2.2 模型试验的激励与响应 ........................................................................ 23

§3.3 基于模态指标的预警方法 ............................................................................. 26

§3.3.1 平均曲率模态法损伤预警 .................................................................... 26

§3.3.2 柔度矩阵法损伤预警............................................................................. 28

§3.3.3 模态应变能法损伤预警 ........................................................................ 32

§3.4 基于小波包能量分解指标的预警方法 ........................................................ 35

§3.4.1 小波包能量变异累积法损伤预警 ........................................................ 35

§3.4.2 小波包能量变异累积损伤指标计算.................................................... 36

§3.4.3 基于虚拟激励响应函数和小波包能量的损伤预警........................... 40

§3.5 基于随机—模糊统计理论的桥梁检测监测数据预处理技术 .................. 49

§3.5.1 随机—模糊统计公式推导 .................................................................... 49

§3.5.2 随机—模糊统计理论在桥梁检测数据预处理中应用 ...................... 52

§3.6 本章小结 .......................................................................................................... 56

第四章网络环境下桥梁预测预警原型系统设计.................................................. 58

§4.1 桥梁预测预警原型系统设计 ........................................................................ 58

§4.1.1 常用系统划分原则 ................................................................................. 58

§4.1.2 桥梁预测预警原型系统设计原则 ......................................................... 59

§4.1.3 预测预警系统结构图............................................................................. 59

§4.2 数据库系统设计 ............................................................................................. 60

§4.2.1 基本信息数据库 ...................................................................................... 61

§4.2.2 监测数据库 .............................................................................................. 62

§4.2.3 检测数据库 .............................................................................................. 64

§4.2.4 状态评估数据库 ..................................................................................... 65

§4.3 本章小结 .......................................................................................................... 66

第五章 RAHES 桥梁预测预警原型系统的实现 .................................................. 67

§5.1 基于 B/S 结构的桥梁检测信息采集与数据传输系统设计 ...................... 67

§5.1.1 B/S 结构简介 ............................................................................................ 67

§5.1.2 系统功能及处理流程............................................................................. 67

§5.1.3 系统模块简介 ......................................................................................... 68

§5.2 基于 C/S 结构的桥梁预测预警系统设计 .................................................... 72

§5.2.1 C/S 结构简介 ............................................................................................ 72

§5.2.2 系统处理流程 .......................................................................................... 72

§5.2.3 系统模块分析 .......................................................................................... 73

§5.3 本章小结 .......................................................................................................... 81

第六章结论与展望.................................................................................................... 82

§6.1 结论 .................................................................................................................. 82

§6.2 展望 .................................................................................................................. 82

参考文献 ........................................................................................................................ 84

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ......................................... 89

致谢............................................................................................................................. 90

第一章绪论

随着经济、社会和科学技术的不断发展，大型桥梁工程的规模越来越大，对

国民经济和社会发展的影响不断加深，保障大型桥梁工程安全成为国家安全发展

战略的一个重要组成部分。本文致力于桥梁预警系统及其主要技术手段的研究工

作。本章作为绪论主要介绍了课题背景、国内外桥梁预警技术研究现状。并概括

了本文的主要研究工作和文章其余部分的组织结构。

§1.1 课题背景

随着科学技术的进步和交通基础建设的蓬勃发展，我国近年来兴建了许多大

型桥梁。由于建桥技术日渐成熟完善，桥梁建设过程中对各种新材料、新工艺的

使用层出不穷，桥梁结构形式与功能日趋复杂。这些桥梁经过长期使用，在复杂

的服役环境中受到各种载荷作用以及突发性外在因素的影响，其结构可能发生各

种损伤，使用安全将受到威胁。

桥梁结构在使用过程中一般受到两种损伤，即累积性损伤和突发性损伤，对

于累积性损伤，微小的初始损伤不易被发现，但它会改变结构的强度和刚度。在

荷载的反复作用下，损伤会逐渐积累并引起破坏；突发性损伤是由突发事件引起

的，使桥梁结构在短期内达到一定程度的破坏。两种类型的损伤都可能导致重大

灾难性事故的发生，此类工程事故已屡见不鲜：2001 年11 月7日，位于四川宜

宾南门大桥发生钢缆吊杆及桥面部分断裂事故，桥面两端预制板同时垮塌，引起

社会各界广泛震动。2004 年9月1号中午，京杭大运河苏州横塘段的亭子桥被货

船撞塌，近一百米长的桥面随后全部坍塌，事故后发生了大规模的船只堵塞，严

重影响了大运河的交通运输。 2005 年4月7日，吴江市梅堰镇横跨申湖运河的

一座交通繁忙的大桥突然发生垮桥事故，造成人员伤亡，并对航道交通运输产生

一定影响； 2007 年6月15 日5:10，广东九江大桥遭运沙船撞击垮塌。事故造成

325 国道九江大桥约 200 米桥面坍塌，桥面 4辆汽车坠入江中，7名司乘人员以及

2名桥面巡桥工人失踪。以上部分桥梁恶性事故图片详见图 1-1。

此类桥梁事故造成了重大的财产损失和人员伤亡，引起了业内越来越多的重

视，如何对桥梁结构进行安全监测与健康检测成为了国内外学术界、工程界共同

探讨的热点问题。目前，桥梁结构检测监测的理论、方法技术的发展和运用已经

达到一定的水平。桥梁预警系统就是利用现有桥梁检测监测理论技术、通过大量

检测监测信息、运用相应系统论知识、桥梁知识、数学工具等对桥梁运营中的非

桥梁安全受控与预警系统研究

正常状态进行安全预警。并采取相应的养护管理措施，做到防微杜渐，达到避免

重大损失的目的。

图1-1 部分桥梁恶性事故图片

大型桥梁健康监测、预警系统在业界的普遍推广存在难度的主要原因是其成

本效率不高。问题的症结在于：相对于现有监测和评价的技术手段而言，桥梁材

料并非理想的材料、桥梁结构并非理想的结构、桥梁所处的环境并非理想的环境，

使得健康监测系统获取的海量数据在评价桥梁安全性的作用受到限制。如何按照

安全必要性、经济实用性、技术可行性三位一体相协调的原则确定大、中型桥梁

运行全过程安全受控体系、受控模式，进而建立桥梁安全预警系统的应用技术，

是应对桥梁工程界面临的上述严峻现实的有效途径。

§1.2研究现状

桥梁全过程安全受控与预测预警的核心是桥梁运营期的安全预警，其目标是

桥梁运营期的安全受控。国内外对桥梁安全受控的研究对象包括桥梁构件[1-7]和桥

梁结构两部分。桥梁构件是整个桥梁结构的基础，就现有文献看，桥梁构件的安

全性研究大多集中在桥面板、桩、支座等易损部件。例如，文献[1]采用无损探测方

法对高速公路的混凝土桥梁板进行了评估；文献[2]基于材料的变异性分析了 Fiber

reinforced polymer（碳纤维布，FRP）加固的桥面板的可靠性；文献[3]调查了现有

第一章绪论

钢筋混凝土桩基的受侵蚀形式，并提出了钢筋混凝土桩基的可靠性分析方法；文

献[4]采用损伤力学——有限元耦合方法对钢梁焊接构件的疲劳寿命进行了分析，并

把分析方法嵌入到 ABAQUS 软件中；文献[5]研究了钢筋混凝土桥梁构件的时变可

靠性，认为在随机恒载和平稳两项荷载过程控制下，活荷载变异系数对蜕化钢筋

混凝土梁时变失效概率的影响很大；文献[6]从橡胶支座的产品质量、支座的设计、

选用、布置、安全检查等方面对公路桥梁橡胶支座的使用寿命进行了研究。基于

构件层的研究揭示了桥梁建设、运营安全的表象，但从未从―系统‖角度揭示影响桥

梁安全受控的机理。

桥梁结构级是构件级的升华，是若干构件的组合而成为系统化。桥梁结构级

安全受控指标的选取非常复杂，尤其对于大型桥梁来说更是如此，国内外在这方

面的研究主要集中于桥梁的寿命与可靠性方面，文献[7,9]从不同角度对钢桥的寿命

和可靠性进行了研究；文献[8,10,12]研究了钢筋混凝土桥梁在不同因素作用下的可靠

性和寿命；文献[9,11]研究了大跨度桥梁的寿命与可靠性；文献[13]分别采用欧洲规范、

西班牙规范和美国规范对预应力混凝土桥梁可靠性的分析进行了比较。基于结构

级的研究揭示了影响桥梁寿命与可靠性的诸多内在因素，但没有从主动控制的角

度揭示影响桥梁建设、运行的受控策略。

桥梁安全受控的研究目前已经涉及到包括设计[14-20]、施工[21-30]、运营管理[31-57]

在内的桥梁寿命期的各个阶段。在设计阶段工程师通过合理的结构优化设计[14,15-19]、

模型实验研究[15,20]等方式保障预期工况下桥梁的安全，例如 Weon-Keun Songa[14]

对不同的拉索布置形式研究了斜拉桥的全过程倒塌机制。

对施工阶段，通过施工过程数值模拟、结合施工进度的施工控制等方式保障

桥梁施工安全，使成桥状态与设计预期吻合，例如 Pao-Hsii Wang[21]研究了面向斜

拉桥施工的悬臂施工法，文献[25]研究了节段拼装中超张拉引起的箱梁裂缝控制策

略等。

对于管理阶段的研究主要集中在桥梁安全评价理论及技术方面，主要包括：

安全评价指标体系，桥梁安全评价模型，寿命预测等。

安全指标体系方面，同济大学胡志坚[31]在综合考虑桥龄、环境因素后提出了

钢筋混凝土梁式桥梁评价指标体系层次结构；浙江大学吴小平[32]以钢筋混凝土拱

桥为例，按层次分析法的基本思想提出钢管混凝土拱桥指标体系层次图；西南交

通大学许肇峰[33]提出了斜拉桥上部结构状态评估模型；武汉理工大学朱秋红[34]根

据层次分析法的基本原理建立了黄河二桥安全状态的递阶层次结构。

安全评价模型方面，H.GMeihemt 和 Senaka Aturaliya [35]采用专家系统工具

CLIPS（C Language Integrated Production System）建立了桥梁总体评价程序，提出

桥梁安全受控与预警系统研究

了采用模糊加权向量方法；Hitoshi Furuta[36]等采用遗传算法（Genetic Algorithms）

和神经网络（Neural Networks）相结合的方法开发了桥梁损伤识别模糊专家系统；

陆亚兴[37]的“上海市公路路面——桥梁管理系统”针对中小桥的管理，提出了桥

梁缺损状况指数 BCI（Bridge Condition Index）作为桥梁状况评价；潘黎明[38]的桥

梁安全评估系统采用层次分析法、提出了钢-钢筋混凝土叠合斜拉桥的模糊综合评

判方法；胡雄[39]等应用模糊神经网络开发了拉索桥梁安全性与耐久性评估专家系

统；兰海与史家钧[40]引用灰色关联分析和变权综合的概念，提出了采用 AHP 建立

评价指标体系后，量化并确定了评价指标评语和其它层次指标评语的综合方法，

实现对大跨度斜拉桥结构安全评价；同济大学朱劲松[41]探讨了利用灰色聚类评判

法进行既有公路桥梁缺损状态分级的方法、大跨度斜拉桥斜拉索安全性分析方法，

提出了复杂结构可靠度分析的人工智能响应面法；Najib Metni[44]应用模糊群组决

策方法完成了桥梁的风险评估；文献[48]采用基于模糊理论的层次分析法对在役钢

筋混凝土桥梁进行了综合评估；文献[49] 采用综合评估的动态变刚度法研究了石拱

桥的可靠性，文献[50]应用 pushover 法分析了高架桥桥墩的抗震性能；文献[51，52]

基于可靠度理论对在役桥梁进行了评估，并在桥梁风险分级、全寿命期经济投入

等方面进行了应用，文献[53]研究了荷载和抗力均为时变参数时，钢筋混凝土梁桥

的可靠性，文献[55]集中了测试数据、不同领域的知识，设计了一个可以模拟专家

决策过程的桥梁评估专家系统，并对其可行性进行了研究，文献[56]基于黑板模型

研究了铁路钢桥的综合损伤评估方法，文献[57]以设计经验为知识研究了明石海峡

桥的可靠性。

我国从上世纪 90 年代以来，在一些大型桥梁上安装了不同规模的健康监测系

统，如为了获得大型桥梁健康监测的数据，在上海徐浦大桥安装了研究性质的桥

梁状态监测系统，监测的项目为：车辆荷载、跨中主梁的标高和主梁自振特征、

跨中截面的温度和应变、斜拉索的索力和振动、锚跨主缆索索力以及加劲梁、吊

索的振动加速度等。在南京长江大桥上安装的健康监测系统主要进行风速和风向、

地震、船舶撞击、结构振动、墩位沉降、支座位移以及温度等的监测。许多大跨

度的桥梁如润扬大桥[58]、苏通大桥[59]、东海大桥[60]等也安装了监控桥梁安全运行

的结构健康监测系统。

§1.3本文内容

本文的完成得到了上海市科学技术委员会重点资助项目《桥梁全过程安全

受控与预测预警系统的研究》，课题基金号 072105115。在对桥梁健康监测、预警

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摘要大型桥梁健康监测、预警系统在业界的普遍推广存在难度的主要原因是其成本效率不高。问题的症结在于：相对于现有监测和评价的技术手段而言，桥梁材料并非理想的材料、桥梁结构并非理想的结构、桥梁所处的环境并非理想的环境，使得健康监测系统获取的海量数据在评价桥梁安全性的作用受到限制。如何按照安全必要性、经济实用性、技术可行性三位一体相协调的原则确定大、中型桥梁运行全过程安全受控体系、受控模式，进而建立桥梁安全预警系统的应用技术，是应对桥梁工程界面临的上述严峻现实的有效途径。针对以上问题，本文研究了桥梁健康监测、预警系统发展战略，分析了桥梁应用环境、应用技术方面现存的关键问题，确立了实时监测与常态管理相结...

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