桥梁结构健康监测与状态评估(长大桥梁建养关键技术丛书)

本书是由“在役长大桥梁安全与健康国家重点实验室”在桥梁结构健康监测与状态评估领域的研究与工程应用成果的总结（这些成果目前已获得了包括国家科技进步二等奖1项，江苏省科技进步一等奖3项等数十项奖项，并被应用于7座长江大桥在内的国内30余座大桥的健康监测系统的设计与实施中）。 

《桥梁结构监测与状态评估》较全面、深入地介绍了桥梁结构健康监测与状态评估领域的理论、方法与应用。本书主要从：概论、结构健康监测中的传感技术、数据采集与传输技术、数据处理与控制技术、安全预警与状态评估技术等方面对健康监测在桥梁领域的研究与应用做系统阐述，其特点为大量的工程应用（系统的设计、实施、维护、损伤分析等）案例分析。

张宇峰，博士，研究员级高工，现任在役长大桥梁安全与健康国家重点实验室主任，苏交科集团股份有限公司检测研究院结构监测中心主任兼副总工程师，主要研究领域为桥梁结构检测与监测技术、状态评定。 先后技术主持了30余项重大科研项目，曾获国家科技进步二等奖1项、江苏省科技进步一等奖2项、中国公路学会科学技术特等奖1项等十余项省部级奖项，发表论文40余篇；主编著作一部，参编著作两部，主编参编地方标准8本；获授权专利11项，研究成果直接应用于苏通长江公路大桥等40余座大桥健康监测，50余座大桥的施工监控，数百座桥梁的检测、评价与维修工作。

1绪论

1.1桥梁结构健康监测概念的提出1

 

1.2桥梁结构健康监测研究与应用现状7

 

1.3健康监测系统的设计与施工9

 

1.3.1健康监测系统设计9

 

1.3.2健康监测系统施工12

 

第2章

 

13结构健康监测中的传感技术

2.1传感技术概述13

 

2.1.1传感器的基本概念13

 

2.1.2常用传感器简介16

 

2.1.3传感器输出信号20

 

2.2桥梁用传感器选型、布设及优化21

 

2.2.1设计思想和评估需求21

 

2.2.2选型原则22

 

2.2.3优化布设23

 

2.2.4监测内容25

 

2.3传感器子系统的设计与施工27

 

2.3.1一般要求27

 

2.3.2环境荷载监测28

 

2.3.3桥梁结构响应监测42

 

第3章

 

55结构健康监测中的数据采集与传输技术

3.1数据采集与传输技术发展历程55

 

3.1.1数据采集技术发展历程55

 

3.1.2数据传输技术发展历程56

 

3.1.3桥梁健康监测系统采集与传输子系统构成56

 

3.2数据采集58

 

3.2.1基本概念58

 

3.2.2数据采集系统组成59

 

3.2.3数据采集系统分类60

 

3.2.4开发案例63

 

3.3数据传输网络67

 

3.3.1通信网络67

 

3.3.2通信协议70

 

3.4无线传输技术71

 

3.4.1无线通信技术72

 

3.4.2无线传输技术的难点与不足74

 

3.5数据采集与传输子系统设计与施工75

 

3.5.1子系统设计75

 

3.5.2子系统施工77

 

 

 

目录

 

 

第4章

 

83结构健康监测中的数据存储与处理技术

4.1数据存储与处理技术概述83

 

4.1.1数据存储与处理技术的发展历程83

 

4.1.2桥梁结构健康监测中数据处理面临的问题84

 

4.2数据存储与处理子系统的构成84

 

4.2.1一般任务84

 

4.2.2数据管理85

 

4.2.3数据处理86

 

4.3数据预处理87

 

4.3.1监测系统故障诊断及数据异常处理常用方法87

 

4.3.2桥梁健康监测常见数据异常的分类92

 

4.3.3基于单传感器信号的数据异常处理方法92

 

4.3.4基于多传感器信号相关性分析的数据异常处理方法107

 

4.4数据二次预处理144

 

4.4.1风数据144

 

4.4.2温度数据145

 

4.4.3相对湿度数据146

 

4.4.4交通数据146

 

 

4.4.5地震数据147

 

4.4.6腐蚀数据147

 

4.4.7加速度数据147

 

4.4.8应变数据148

 

4.4.9整体变形数据149

 

4.4.10拉绳式位移传感器数据149

 

第5章

 

151结构健康监测中损伤识别与状态评估技术

5.1状态评估技术概述151

 

5.1.1损伤识别方法151

 

5.1.2结构状态评估157

 

5.2适用性评估——报警指标及阈值设定159

 

5.2.1报警阈值设定的一般原则与方法160

 

5.2.2风速162

 

5.2.3温度166

 

5.2.4湿度169

 

5.2.5腐蚀170

 

5.2.6车辆荷载172

 

5.2.7整体位移175

 

5.2.8梁端位移178

 

5.2.9倾斜180

 

5.2.10静应力181

 

5.2.11动应力183

 

5.2.12加速度（幅值报警）184

 

5.2.13索力185

 

5.3构件安全性评估187

 

5.3.1失效概率和安全指标188

 

5.3.2应用示例： 江阴长江公路大桥钢箱梁的安全性评价189

 

5.4疲劳性能评估192

 

5.4.1应力谱192

 

5.4.2SN曲线193

 

5.4.3损伤累积法则194

 

5.4.4疲劳寿命评估步骤194

 

5.4.5应用示例： 江阴长江公路大桥某一构造细部的疲劳

评估195

 

5.5时效风险概率评估198

 

5.5.1时效风险概率状态评估方法199

 

 

5.5.2构件评级系统构建200

 

5.5.3一般评价方法203

 

5.6相关性分析评估204

 

5.7五度指标评估207

 

5.8标准场分析评估210

 

第6章

 

213结构健康监测中的系统运营与维护

6.1系统维护组织213

 

6.2系统运营与维护的外部工作条件215

 

6.3系统维护周期与一般要求215

 

6.4设备常见故障判断与修复219

 

6.4.1故障分类与设备常见故障判断219

 

6.4.2各类设备常见故障判断与修复220

 

第7章

 

223工程应用案例

7.1江阴长江公路大桥结构健康监测系统升级改造

223

 

7.1.1桥况介绍223

 

7.1.2原监测系统介绍224

 

7.1.3系统升级改造介绍226

 

7.2苏通长江公路大桥结构健康监测系统研究与

设计230

 

7.2.1桥况介绍230

 

7.2.2结构健康监测系统总体构成231

 

7.2.3传感器子系统232

 

7.2.4数据采集与传输子系统233

 

7.2.5数据处理与控制子系统235

 

7.2.6结构健康评估子系统236

 

7.3扬州S237省道三座桥梁简易型健康监测系统

设计与实施237

 

7.3.1桥况介绍237

 

7.3.2系统构建总体考虑238

 

7.3.3依托项目背景239

 

7.3.4系统设计240

 

7.3.5系统实施242

 

7.3.6系统功能及新技术效果试验验证244

 

7.4基于健康监测的大跨悬索桥伸缩缝状态评定与

维修处理246

 

7.4.1桥况介绍246

 

7.4.2基于健康监测实测数据的伸缩缝状态评估的一般方法

247

 

7.4.3悬索桥伸缩缝状态评估248

 

7.4.4悬索桥和斜拉桥运动特性对比分析249

 

7.4.5伸缩缝处理措施250

 

7.5长大桥梁船舶撞击实时报警252

 

7.5.1桥况介绍252

 

7.5.2报警指标选取253

 

7.5.3实测数据验证255

 

7.6钢箱梁桥TMD阻尼器效果监测与分析257

 

7.6.1桥况介绍258

 

7.6.2TMD工作原理及在崇启长江公路大桥上的布设258

 

7.6.3TMD在崇启长江公路大桥中的应用260

 

 

 

 

 

附录1

 

265国内外安装桥梁结构健康监测系统的部分桥梁

 

附录2

 

270部分桥梁健康监测系统中采用的传感器

 

附录3

 

274桥梁健康监测项目工程质量评定方法及评定表格

附3.1工程质量验收评定274

 

附3.2工程质量评分274

 

附3.3工程质量等级评定275

 

附3.4评定表格276

 

 

参考文献290

近年来，我国各项基础设施建设的发展如火如荼，“一带一路”建设持续推进，许多重大工程项目如雨后春笋般蓬勃兴建，诸如三峡工程、青藏铁路、南水北调、三纵四横高铁网、港珠澳大桥、上海中心，以及由我国援建的雅万高铁、中老铁路、中泰铁路、瓜达尔港、比雷埃夫斯港，等等，不一而足。毋庸置疑，我国已成为世界上建设重大工程多的国家之一。这些重大工程项目就其建设规模、技术难度和资金投入等而言，不仅在国内，即使在全球范围也都位居前茅，甚至名列世界。在这些工程的建设过程中涌现的一系列重大关键性技术难题，通过分析探索创新，很多都得到了很好的优化和解决，有的甚至在原来的理论、技术基础上创造出了新的技术手段和方法，申请了大量的技术专利。例如，632米的上海中心大厦，在这座世界的绿色建筑的建设中，在超高层设计、绿色施工、施工监理、BIM技术等多方面取得了多项科研成果，申请到8项发明专利、授权12项实用新型技术。仅在结构工程方面，近年来就应用到了超深基坑支护技术、超高泵送混凝土技术、复杂钢结构安装技术以及结构裂缝控制技术等许多创新性的技术革新成果，有的达到了世界新水平。这些优化、突破和创新，对我国工程技术人员将是非常宝贵的参考和借鉴。

 

在2016年3月初召开的全国人大全体会议期间，很多代表们谈到，极大量的技术创新与发展是“十三·五”时期我国宏观经济实现战略性调整的一项关键性驱动因素，是实现国家总体布局下全面发展的根本支撑和关键动力。

 

同时，在新一轮科技革命的机遇面前，也只有在关键核心技术上一个个地进行创新突破，才能实现社会生产力的全面跃升；使我国的科研成果和工程技术掌控两者的水平和能力尽早、尽快地全面进入发达国家行列，从而在国际上不断提升技术竞争力而国力将更加强大！当前，许多工程技术创新得到了广泛的认可，但在创新成果的推广应用中却还存在不少问题。在重大工程建设领域，

关键工程技术难题在实践中得到突破和解

 

决后，需要把新的理论或方法进一步推广应用，再一次次地广泛应用于生产实践，反过

 

 

 

总序

 

来又将再次推动技术的更进一步的

创新和发展，是为技术的可持续发展之巨大推动力。将创新成果进行系统总结，出版一套有分量的技术专著是有成效的一个主要方面。这也是出版本“重大工程建设关键技术研究”丛书的意义之所在。以推广学术上的创新为主要目标，“重大工程建设关键技术研究”丛书主要具有以下几方面的特色： 

 

 

1. 聚焦重大工程和关键项目。目前，我国基础设施建设在各个领域蓬勃开展，各类工程项目不断上马，从项目体量和技术难度的角度，我们选择了若干重大工程和关键项目，以此为基础，总结其中的专业理论和专业技术使之搜集成书。由于各类工程涉及领域和专业门类多，专业学科之间又有相互交叉和融合，难以单用某个专业来设定系列丛书，所以仍然以工程大类为基本主线，初步拟定了隧道与地下工程、桥梁工程、铁道工程、公路工程、超高层与大型公共建筑、水利工程、港口工程、城市规划与建筑共八个领域撰写成系列丛书，基本涵盖了我国工程建设的主要领域，以期为未来的重大工程建设提供专业技术参考指导。由于涉及领域和专业多，技术相互之间既有相通之处，也存在各自间的不同，在交叉技术领域又根据具体情况做了处理，以避免内容上的重复和脱节。

 

 

 

2. 突出共性技术和创新成果，侧重应用技术理论化。系列丛书围绕近年来重大工程中出现的一系列关键技术难题，以项目取得的创新成果和技术突破为基础，有针对性地梳理各个系列中的共性、关键或有重大推广价值的技术经验和科研成果，从技术方法和工程实践经验的角度进行深入、系统而又详尽的分析和阐述，为同类难题的解决和技术的提高提供切实的理论依据和应用参考。在“复杂地质与环境条件下的隧道施工创新技术丛书”（钱七虎院士任编委会主编）中，对当前隧道与地下工程施工建设中出现的关键问题进行了系统阐述并形成相应的专业技术理论体系，包括深长隧道重大突涌水灾害预测预警与风险控制、盾构工程遇地层软弱不均与极软地层的处理、类矩形盾构法、水下盾构隧道、地面出入式盾构法隧道、特长公路隧道、隧道地质三维探测、盾构隧道病害快速检测、隧道及地下工程数字化、软岩大变形隧道新型锚固材料等，使得关键问题在研究中得到了不同程度的解决和在后续中的有效实施。

 

 

3. 注重工程实用价值。书中涉及的技术成果要求在国内已多次采用，实践证明是可靠的、有效的，有的还获得了技术专利。丛书强调以理论为引领，以应用为重点，以案例为说明，所有技术成果均要求以工程项目为背景，以生产实践为依托，使丛书既富学术内涵，又具有重要的工程应用价值。“长大桥梁建养关键技术丛书”（郑皆连院士任编委会主任、陈政清院士任副主任），围绕特大跨度悬索桥、跨海长大桥梁、多塔斜拉桥、特大跨径钢管混凝土拱桥、大跨度人行桥、大比例变宽度空间索面悬索桥等重大桥梁工程，聚焦长大桥梁的设计创新理论、施工创新技术、建设难点的技术突破、桥梁结构健康监测与状态评估、运营期维修养护等，主要内容包括大型钢管混凝土结构真空辅助灌注技术、大比例变宽度空间索面悬索桥体系、新型电涡流阻尼减振技术、长大桥梁的缆索吊装和斜拉扣挂施工、超大型深水基础超高组合桥塔、变形智能监测、基于BIM的建养一体化，等等。这些技术的提出以重大工程建设项目为依托，包括合江长江一桥、合江长江二桥、巫山长江大桥、桂广铁路南盘江大桥、张家界大峡谷桥、西堠门大桥、嘉绍大桥、港珠澳大桥、虎门二桥等，书中对涉及具体工程案例的相关内容进行了详尽分析，具有很好的应用参考价值。

 

4. 聚焦热点，关注风险分析、防灾减灾、健康检测、工程数字化等近年来学科中出现的新兴分支学科。在绿色、可持续发展的原则指导下，近年来基础建设领域的技术创新在节能减排、低碳环保、绿色土木、风险分析、防灾减灾、健康检测（远程无线视频监控）、工程使用全寿命周期内的安全与经济、可靠性和耐久性、施工技术组织与管理、数字化等方面均有较多成果和实例说明，系列丛书在这些方面也都有一定体现，以求尽可能地发挥丛书对推动重大工程建设的长期、绿色、可持续发展的作用。

 

5. 开放式框架。同时，由于上述的一些特性，使各个系列丛书的进展快慢不一，所以采用了开放式框架，并在后续的系列丛书及系列丛书各分册的设定上，采用灵活的分阶段付梓出版的方式。

 

6. 主编作者一流的学术水平，为丛书内容的学术质量打下了坚实的基础。各个系列丛书的主编均是该领域的学术权威，在该领域具有重要的学术地位和影响力。如陈政清教授，中国工程院院士，“985”工程首席科学家，桥梁结构与风工程专家；郑皆连教授，中国工程院院士， 桥梁设计施工专家；钱七虎教授，中国工程院院士，防护与地下工程专家；吴志强教授，中国工程院院士、城市规划与建设专家；等等。而参与写作的主要作者和参编人员则都是活跃在我国基础设施建设科研、教育和工程的一线人员，许多人都承担过重大工程建设项目或重大科研项目，他们主要来自中铁隧道集团公司、中交隧道局、中铁集团公司、中交公路规划设计院、南部战区陆军第二工程科研设计所、青岛地铁集团、上海城建集团、招商局重庆隧道设计院、天津城建集团、浙江省交通规划设计研究院、同济大学、河海大学、西南交通大学、湖南大学、山东大学，等等，不一而足。各位专家在承担繁重的工程建设和科研教学任务之余，奉献了自己的智慧、学识和汗水，为我国的工程技术进步做出了贡献，在此谨代表丛书总编委对各位的辛劳表示衷心的感谢和敬意。

 

当前，不仅国内的各项基础建设事业方兴未艾，在“一带一路”倡议下，我国在海外的重大工程项目建设也正蓬勃发展，对高水平工程科技的需求日益迫切和需要。相信本丛书的出版能为我国重大工程建设的开展和创新科技的进步将提供一定的助力。

 

 

 

2017年12月，于上海