桥梁健康监测与道路环保国际会议（BHMEPR2009） 基于实时监测的桥梁安全评估与寿命预测研究现状与展望 报告人：周建庭

桥梁健康监测与道路环保国际会（BHMEPR2009） 一、研 究 背 景 二、已研究内容及成果 三、工程应用及实践 四、发 展 前 景

背 景 1.1 桥梁结构安全监测的重要性 桥梁、基础设施的安全问题 国家重要基础设施, 一旦出现跨塌事故，造成难以估量的生命及财产损失 1999, 綦江彩虹桥垮塌， 死41、伤14人；

宜宾小南门大桥 辽宁盘锦田庄台大桥 美国密西西比河大桥 浙江湖州千金镇西大桥

问题的普遍性 举世瞩目的重大社会、经济、和政治问题 1.1 桥梁结构安全监测的重要性 全国57万座(重庆: 8000多座)各类公路桥梁1/3以上存在着结构性缺陷、功能性失效隐患 举世瞩目的重大社会、经济、和政治问题

桥梁结构安全远程智能监测 关键环节 1.2 国内外现状 信息技术注入桥梁与结构工程领域及时发现隐患，事故先兆预警。 结构状态信息的获取——硬件系统 结构安全评价——软件系统 系统工程应用技术——系统综合

1.2 国内外现状 研究单位与进展 ATLSS Center Lehigh University USA、University of Girona Spain、香港理工大学、哈尔滨工业大学、浙江大学、西南交通大学、同济大学、清华大学、华南理工大学、交通部北京科研设计研究院、江苏省交通科学研究院等。

典型桥梁健康监测系统 序号 桥梁名称 总长(m) 时间 1 香港青马大桥 1375 2001 2 广东虎门大桥 4606 2000 3 上海徐浦大桥 994 4 香港汀九大桥 1177 5 南京长江大桥 2938 6 挪威Skarsunder 桥 1010 1994 7 丹麦Great Belt 桥 1624 8 日本明石海峡大桥 3910

香港青马大桥监测系统 苏通大桥监测系统

基于离线、人工手段的桥梁安全评估与管理

1.2 国内外现状 存在问题 总体情况 信息获取 监测系统应用数量多，安全评估理论方法少 利用传统的实验室仪器设备进行简单组合应用的多针对实际桥梁需求自主开发专用传感技术与设备的少

存在问题 1.2 国内外现状 安全评估 系统工程 桥梁安全评价的理论性探索多，面向用户的实用化评价体系方法及软件少； 针对单一桥梁特定对象研究多，不同种类桥梁的共性技术以及集群系统的少

已研究内容及成果 2.1专用传感器技术 针对不同结构的变形特点，发明、开发了多种不同类型的光电式变形/位移传感技术，形成了填补位移变形监测空白的系列技术； 针对光纤应变传感器实用化的技术难点，攻克了光纤应变传感器的存活率、温度分离、通用解调等实用化的瓶颈问题。 针对桥梁结构的索力监测、倾斜监测等问题，开发了相应的独创技术。

1.变形/位移监测新技术 特点 问 题 2.1专用传感器技术 最真实反映结构内、外部特性的参量 工作环境恶劣、测量距离远、相对精度高、不同结构差异巨大，没有理想、通用的手段GPS——昂贵、精度; 全站仪——人工、逐点

2.1专用传感器技术 自标定图像法变形监测技术及系统 解决了工作距离、透镜焦距、大气扰动等因素对测量结果的影响、监测精度提高近10倍

2.1专用传感器技术 直接投射式光电挠度位移监测方法 测量范围扩大10倍； 不惧怕灰尘污染

2.1专用传感器技术 激光图像法二维变形监测技术及系统 监测精度提高10倍；异型结构二维变形、不受灰尘影响

2.1专用传感器技术 2.光纤应变传感技术 混凝土结构埋入式光纤应变传感头 埋入式光纤应变传感头获得计量认证实现产业化

2.1专用传感器技术 混凝土专用温度自补偿光纤法珀应变传感器

2.1专用传感器技术 连通管法测量桥梁挠度

2.1专用传感器技术 在实时监测数据基础上，综合数学、信息科学、结构力学等多学科优势，从结构系统角度出发，理论分析桥梁结构营运过程系统演化本质，提取监测数据中蕴含的系统演化特征的有效指标，构建理论分析与实验数据相互验证、修正的研究体系，取得了一定的成果。

首次将工程结构可靠性理论应用于桥梁远程监测安全评价 2.2 基于可靠性理论的桥梁远程监测评价 首次将工程结构可靠性理论应用于桥梁远程监测安全评价 将传统的结构静态、离线的可靠性设计方法，应用到桥梁体系安全性的实时、在线评价 建立了相应的考核指标体系与方法，开发出了实用化评价软件

基于桥梁结构可靠度计算的桥梁安全评价方法 （200510103599.2） 2.2 基于可靠性理论的桥梁远程监测评价 基于桥梁结构可靠度计算的桥梁安全评价方法 （200510103599.2） 原理示意图

马桑溪大桥主梁正截面抗弯分析的体系可靠度 6.0 5.5 5.0 黄色线：实际可靠指标 白色线：分析可靠指标 红色线：目标可靠指标 4.5 4.0 实现大桥可靠度实时评估、多媒体与手机短信无线报警

2.3 桥梁安全远程智能集群监测技术 解决了桥梁监测网络化、集群化的关键技术难题，开发出现场通用数据采集系统软件平台、远程数据采集网络、集中数据管理与诊断方法，建成了国内首座桥梁安全远程智能集群监测系统。

2.3 桥梁安全远程智能集群监测技术 通用现场数据采集系统 基于高速公路路网的远程传输

2.4基于表贴-预埋的桥梁全寿命健康监测 结合了预埋传感器和表帖传感器两种应力监测方式的优势； 达到监测恒+活载作用于桥梁结构所产生应力的目的； 实现对桥梁结构的长期、全寿命监测，突破传统评估手段中对恒载考虑不足的局限！

2.5基于非线性测点相关性的监测系统优化 利用时延互信息和时延转移熵的信息理论分析结构的非线性特性； 避免了非损伤引起的数据异动（如温度等）； 优化健康监测系统、提高评估精度及系统经济性。

2.6基于混沌非线性理论的桥梁安全评估与寿命预测 从结构动力系统角度揭示桥梁营运期系统演化本质； 开辟了桥梁安全评估与寿命预测新的研究方向；

大型在役桥梁结构系统时滞混沌动力行为研究及结构生命演化分析 环境荷载随机模型 桥梁健康监测系统 理论分析及证明 信息提取及分析 桥梁结构高阶振动方程 系统演化的时滞性分析 系统混沌分岔临界条件 结构系统动力学特征指标 时滞动力系统与动力特征指标的桥梁结构状态评估模型

2.8最优“停时”理论在桥梁抗力衰变凸现点的研究 利用信息论随机过程构造Markov链反应的是随机状态间迁移的过程； 根据最优停时理论对于整个时间序列上状态的迁移进行最优时间预测。 桥梁结构作为随时间演化的系统，在役桥梁可靠性状态的转移过程是马尔科夫过程。 构建最优“停时”的抗力衰变凸显点模型

在国家自然科学基金“基于实时监测的桥梁使用寿命预测模式研究”的资助下完成了专著 《实时监测桥梁抗力衰变、寿命预测-理论及应用》 科学出版社

工程应用及实践 桥梁安全远程监测集群系统 三座不同类型的特大桥 全国首座集群监测系统 交付使用5年，通过国家验收、鉴定

集群监测中心 高家花园大桥 向家坡立交桥 马桑溪长江大桥

马桑溪长江大桥（斜拉桥） 主跨 360 米、全桥1104.23米长，2001年12月建成通车

高家花园嘉陵江大桥（连续刚构桥） 主跨240m、全桥长970m，1998年12月建成通车.

建于滑坡地带，4个匝道 ，每跨24 m， 桥墩高于40m 向家坡立交桥（高柔性墩、弯桥面、陡坡） 建于滑坡地带，4个匝道 ，每跨24 m， 桥墩高于40m

模型试验 重庆其他桥梁 外地桥梁 红槽房公路桥、大佛寺长江大桥、石板坡长江大桥、菜园坝长江大桥； 武汉蔡甸汉江大桥、郑州黄河特大桥、浙江舟山朱家尖跨海大桥、杭州德胜立交桥，云南红河大桥、云南中缅大桥； 模型试验 广州虎门大桥、宜昌长江大桥、芜湖长江大桥

重庆渝长高速公路红槽房公路桥 光纤应变传感；激光挠度传感；压电阵列传感 远程自动测量与传输

重庆大佛寺长江大桥 ▲ 全国十大特大桥之一 ▲ 当时亚洲同类大跨度钢筋混凝土预应力斜拉桥之首 ▲ 主梁分布为198+450+198米、梁宽30.6米，主塔高206米

郑州黄河公路桥

芜湖长江大桥钢桁梁模型结构试验

展 望 发展前景 开辟云、贵、川、藏、湘、粤等地市场 开展针对不同桥梁结构形式的成熟系统应用 进军国际市场

展 望 研究思路发展 （1）数学、信息科学与桥梁工程多学科交叉融合； （2）安全评估与养护决策联动； （3）全寿命、集群化桥梁健康监测系统； 展 望 研究思路发展 （1）数学、信息科学与桥梁工程多学科交叉融合； （2）安全评估与养护决策联动； （3）全寿命、集群化桥梁健康监测系统； （4）基于健康监测信息的安全评估和寿命预测理论有待突破；

研究方法发展 （1）利用现代电子通讯及信息技术提高监测系统的实用性、简单、有效性； （2）利用数据挖掘等信息科学技术提高监测数据的有效性、完整性及客观性，避免数据灾难； （3）系统动力学理论的结构状态演化研究

成果最终目标—智能化、生命化 大型桥梁智能化监测理论 开发大型桥梁智能监测理论，并在理论指导下开发出新型传感器，提供桥梁“说话”的“神经”和“器官”。 大型桥梁智能化评价理论 开发出大型桥梁智能监测理论，让桥梁“说话”，感知“痛苦”和“舒适”。 基于智能监测的大型桥梁半主动控制理论 研发出大型桥梁基于智能监测的半主动控制理论，实现桥梁的自我伤口愈合和内力调节，防止桥梁的突然垮塌。

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