桥梁管理系统（BMS）与 结构健康监测（SHM）

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1 桥梁管理系统（BMS）与 结构健康监测（SHM）
庄一舟 教授, PhD, P.ENG 福州大学 土木工程学院 2011年11月26日，厦门 此模板可用作起始文件以更新项目里程碑的更新。 节 右键单击幻灯片以添加节。 节可以帮助您组织幻灯片或促进多个作者之间的协作。 备注 使用“备注”节传递备注或为受众提供其他详细信息。 演示过程中，可在“演示文稿视图”中查看这些备注。 请记住字体大小(对于可访问性、可见性、录像和联机生产都非常重要) 协调的色彩 特别注意图形、图表和文本框。 请考虑与会者将以黑白或灰色调打印。 请运行测试打印，以确保当以纯黑白和灰色调打印时，您的颜色工作正常。 图形、表格和图表 保持简单: 如果可能，请使用一致的、不分散的样式和颜色。 标记所有图表和表格。

2 桥梁管理系统 (China) Bridge Management System（(C)BMS） & 结构健康监测 Structural Health Monitoring（SHM）

3 目的一：高效能桥梁养护管理的迫切需要 事实数据： 桥梁使用超过25年即进入性能加速退化期
桥梁结构作为重大社会基础设施，其服役期可能会超过经济高速发展持续期。采用先进技术、高效合理地规划和利用有限的资源，对基础设施进行养护和管理，以保障结构在寿命期内的安全和使用，成为重要的社会需要和责任，也是社会基础设施管理工程的主要目的。 事实数据： 桥梁使用超过25年即进入性能加速退化期 美、日等过在20-30年间建设桥梁占到总桥梁数的70%，在其后的20-30年迎来巨大的桥梁养护工作 美国总计约7万多座桥梁退化为缺损桥梁，每年维修资金30亿美元 法国、德国和挪威，缺损桥梁比例分别达到39%、37%和26% 欧洲各国用于桥梁维修费用占桥梁重建费用的0.5%~1%，而在美国纽约，这个比例高达8.5%

4 美国及日本桥梁龄构成 已建桥梁数分布（%） USA, 70%, 30yrs Japan, 70%, 20yrs 同济大学桥梁工程系 孙利民
同济大学桥梁工程系 孙利民 4

5 我国 我国桥梁中的40%属于“老龄”桥梁 2004年全国普查出危桥1万3千余座，总长47万延米 桥梁结构维修、加固和重建费用巨大且逐年增加
我国桥梁结构的设计、施工技术随着设计规范、分析计算、施工机械、施工工艺、施工监控等技术的进步而得到了较快的提升，可以适应桥梁安全的基本需求 但由于我国普遍存在“重建设，轻管养”的倾向，国内近年来在桥梁安全管养技术方面的发展和进步，远不能适应我国桥梁全寿命安全管养的实际需求

6 目的二：保障桥梁结构全寿命安全的需要 桥梁运营中面临的问题

7 具体包括： 超载问题 耐久性问题（钢筋腐蚀、冻融循环、碱骨料反应等） 疲劳问题 突发事件（车船撞击、地震、飓风等）
养护资金紧缺、缺乏有效的管理 国内“重建设、轻管养”的现象十分普遍 桥梁的管理模式（很落后）和维护措施方面存在诸多问题 因此，需对桥梁采取有效的检测与评估、监测与预警、维修与管理等技术措施，以降低运营成本、延长桥梁结构的使用寿命、保障交通通畅。

8 养护管理的基本周期与内容 结构初期功能设定 结构服役期性能退化预测，对策预案 结构可能遭遇的灾害及对策预案
分析结构使用时其功能带来的优缺点，并反馈给其它环节 同济大学桥梁工程系 孙利民 8

9 养护管理工作的构成 数据库 同济大学桥梁工程系 孙利民 9

10 狭义目标：以最小的费用维持某结构在使用期内的性能达到设计要求。
养护管理的目标 狭义目标：以最小的费用维持某结构在使用期内的性能达到设计要求。 广义目标：将对象基础设施（群）使用期的性能维持在需求水准以上，同时使总体维护费用和对环境的影响控制在最小程度。（德国：路网层次的养护管理） 同济大学桥梁工程系 孙利民 10

11 养护管理中的结构寿命与维护费用 单目标（单性能）~维护费用关系图 同济大学桥梁工程系 孙利民 11

12 LCC＝I（初期造价）＋M（维修管养费用）＋R（拆除费用）
多目标（多性能）~ 维护费用关系图 LCC＝I（初期造价）＋M（维修管养费用）＋R（拆除费用） 12

13 桥梁数据库的必要性 桥梁数据库的目的与作用 正确的理论模型建立于丰富准确的数据之上
目的：跨越时间、空间、体制的界限，系统、及时、准确地提供统一的信息，信息共享 作用：信息普及、信息共享、信息比较、信息标准化统一化、信息利用高效化 功能要求：准确（最新信息）、客观、充实、公平（开放性） 美国国家桥梁档案NBI-National Bridge Inventory 同济大学桥梁工程系 孙利民 13

14 桥梁结构安全保障技术 具体指： 广义上包括在桥梁整个生命期内与安全性相关的规划、设计、施工、运营和拆除等技术。
加强研究考虑桥梁规划、设计、施工、运营和拆除等各阶段不同因素影响下的桥梁全寿命安全设计理论体系和方法 加强桥梁结构安全关键技术研发，包括： 针对典型结构、重要结构及复杂结构的安全性进行实时监测和预警的技术； 结构安全监测出现警报或到达规定检测年限时的检测和安全评估技术； 结构安全性不能满足要求时需要采用的维修加固技术 建立国家桥梁数据库和安全监控网络体系，为制定国家桥梁结构安全策略提供依据

15 桥梁管理系统与巡检养护 BMS：关于桥梁基本数据、桥梁检测、桥梁状况评估、桥梁结构退化预测、桥梁养护维护策略和管理计划及经济分析的计算机信息系统。 V.S.

16 桥梁管理系统的发展 荷兰：基于概率论方法的评估方法（基于可靠度的方法） 美国：PONTIS、BRIDGIT 法国：Edouard
1967年美国Silver桥事故 1968年，美国“国家桥梁档案”（NBI） 美国：PONTIS、BRIDGIT 法国：Edouard 英国：NATS 日本：道路共用桥梁管理系统 韩国：SHBMS 中国：交通部的CBMS2000系统…… 荷兰：基于概率论方法的评估方法（基于可靠度的方法）

17 桥梁管理系统的构成—例：Pontis 同济大学桥梁工程系 孙利民 17

18 桥梁管理系统的发展 初期 用简单的电子数据库来代替复杂的桥梁管理资料 其后
除桥梁数据库外，还包括桥梁检测、养护及维修信息，涵盖各桥梁构件的检测细节和详细的等级划分以及维修历史等 近期 增添了维护决策功能，即制定维护策略、进行维护优化等

19 国内桥梁养护现状 对桥梁养护维修知识不足 近年道路建设规模大、管养资金紧张
目前，桥梁养护管理工作基本上还停留在建立技术档案、清扫桥梁、疏通泄水管、修复损坏的栏杆和桥面铺装 即使进行检查，主要也是人工目测或借助仪器检测等巡检养护措施。

20 传统的桥梁管养系统存在的问题 需要大量人力、物力 并有诸多检查盲点 主观性强，难于量化 乏缺整体性 影响正常交通运行 周期长、实时性差
难以适应超大型桥梁检测养护需要

21 桥梁结构健康监测系统(SHM) 结构健康监测系统是基于传感、信息、结构分析技术的自动监测与评估系统，是从营运状态的结构中获取并处理数据以评价结构主要性能指标的有效办法。它结合了无损检测和结构特性分析，可以诊断结构中的损伤发生及其位置，并估计损伤的程度及其对结构造成的影响。 首个桥梁健康监测系统 1987年，英国在总长522 m的3跨变高度连续钢梁Foyle桥上布设传感器，以监测在荷载作用下大桥运营阶段的动力响应

22 大跨度桥梁监测系统的目的与功能 目的： 获取桥梁运营状况的信息； 验证设计； 支持养护管理决策。 功能：
自动实时监测环境条件和桥梁相应并直观显示结果； 识别结构损伤并对结构异常反应紧急预警； 跟踪结构状态变化趋势为大桥养护管理决策提供依据。 同济大学桥梁工程系 孙利民 22

23 桥梁结构健康监测系统的发展 第一代 早期单项健康监测系统，传感器种类有限，采集设备不安全，间歇性监测 第二代
集成监测系统，传感器种类大大丰富，采集系统完善，连续采集，有数据库管理软件对数据经行管理 第三代 集成监测诊断系统，在第二代的基础上，强调对数据的处理，并利用数据进行结构监测状态的在线评估、在线预警，并为深入地离线评估提供便利

24 桥梁结构健康监测系统在我国的应用 我国在这一领域的研究虽然起步稍晚，但进步很快
从早期香港的青马大桥，再到内地的虎门大桥、江阴长江大桥、东海大桥、苏通大桥等，短短数十年，我国已安装规模不等的结构健康监测系统的各类桥梁已达140余座 这些先后建成的健康监测系统经过若干年的运行已积累了大量的宝贵数据，如何有效利用这些数据是今后需要研究的重要课题

25 我国大跨度桥梁健康监测系统概况 我国已有40余座大桥安装桥梁健康监测系统，一般特点为：
一般来说，一个大跨度桥梁的健康监测系统由少则50、多则300个以上的传感器测点组成，其费用约占到桥梁总造价的 %； 监测系统的设计理念越来越侧重于为桥梁的养护管理提供支撑，偏重监测内容和技术而轻视测试数据处理和评价的设计方案越来越不易被桥梁业主所接受； 健康监测系统本身的耐久性受到重视，要求传感器和其它硬件具有可更换性，并且更换时不能影响到数据采集的连续性； 成桥后的结构健康监测系统与施工控制的监测系统相结合，监测数据内容前伸到施工阶段； 结构状态评估子系统和评估软件的水平有所提高，配套的专家组也被视为桥梁结构健康监测系统用户的重要人员构成之一。 同济大学桥梁工程系 孙利民 25

26 桥梁结构安全状态评估方法 基于外观调查的方法 应用于公路及城市桥梁养护规范的评定方法、美国的LFD和LRFD体系
其评定结果过度依赖评估工程师的经验，受主观因素的影响 以分析计算为主的方法 通过桥梁结构进行计算分析对桥梁的技术等级进行评定，更具有科学性 难以准确建立在役桥梁的计算模型，评定结果可能与实桥情况有较大出入 荷载试验法 评估桥梁安全状态特别是承载能力的最有效、最直接方法 但其直接费用高，且实施过程中需要中断交通

27 基于健康监测的桥梁安全评定 基于健康监测的桥梁安全评定的基本思路： 首先根据桥梁监测数据对桥梁结构的损伤进行识别， 然后，在此基础上再对桥梁的安全状态做出评定 结构损伤识别理论方法： 动力指纹分析方法、模型修正方法、人工智能方法、 以及近年来提出的小波变换和希黄变换等新的数据分析方法 结构安全评定方法： 可靠度理论、层次分析法、以及结合经验的专家系统等方法

28 结构健康监测系统中评估子系统 在线评估系统 可以根据监测数据对桥梁的状态进行实时的在线评定，在有必要时发出不同级别的结构安全预警
相关理论还不够成熟，在线评估结果的准确性和可靠性还不能令人满意 离线评估系统 不仅依据结构健康监测系统的数据，同时还要结合人工检测等其他渠道的信息，可以得到更高质量的结构安全评定结果。及时采用最新的分析方法和技术 难以做到实时评估，只能给出中长期的结构安全预警或趋势判断。需要强有力的技术团队支持

29 桥梁健康监测技术所面临的问题 有限传感器的优化布置以及合理确定系统的规模 桥梁结构性能的变化对结构指纹的不敏感，损伤识别尚处于理论研究阶段
因系统规模决定的测量数据的不完整性以及因系统的稳定性造成的不连续性 对大量原始数据的实时处理和分析研究滞后，所获取信息不能满足工程需求 结构健康状况评价方法尚不完善，难以给出合理结论及解释 结构安全预警参数和阈值仅靠理论分析难以合理确定，需要在实践中不断调整优化 系统本身的稳定性、抗干扰性和耐久性不足，使用寿命难以得到保证 桥梁结构健康监测尚无统一的标准和规范，系统差异性太大 如何与其它相关系统特别是与传统的巡检养护系统的有效结合

30 健康监测系统与巡检养护的融合-一种现实的折中方案
已有的桥梁结构健康监测系统中，多数为独立建立的系统，没有综合考虑桥梁养护管理系统。 由于系统规模以及传感器布设等方面的限制，仅依靠实时监测系统本身采集的数据对结构进行评估是不完整的，同时对桥梁结构在复杂环境及荷载作用下的响应的认识和经验的不足，难以给出准确有效的预警模式。 因此必须将传统的巡检养护措施与先进的健康监测系统有机结合，以期消除现存检测、监测方法中的诸多不足，综合传统巡检养护方法与先进的健康监测技术的长处。

31 南京长江第三大桥 南京长江第三大桥的养护管理采用“结构健康安全监测及综合管理系统”。桥梁结构安全监测及综合管理系统主要包括安全监测系统与桥梁日常养护管理两部分： 结构安全监测系统的监测对象为主体受力结构，监测目的是保障结构安全承载 日常管理养护管理系统监测对象为桥梁上的非结构物或附属结构，监测目标是保障非结构物及附属构造能够得到合理的维护

32 桥梁日常养护管理由电子化巡警管理子系统完成，采用Aditam公司的ScanPrint
其余子系统则组成一个典型的桥梁结构健康监测系统，用于连续实时地监测桥梁的结构状态

33 存在的不足 ScanPrint为单机版程序，其数据库无法与安全健康监测系统共享，仅为避免数据冗余而根据需求分配两个系统的数据存储内容。 因此虽然桥梁的日常养护管理采用了先进的电子化巡警养护系统，有利于巡检结果的量化与系统管理。然而由于系统本身的限制，巡检养护系统无法根据需要进行扩展与监测系统进行交互，监测系统无法利用巡检养护系统的数据，从而使得日常养护管理与实时监测系统实际上完全独立，并没有达到最初融合两个系统的设想.

34 东海大桥 2005年建成通车，2006年10月桥梁健康监测系统开始使用。
东海大桥跨径长、规模庞大且组成复杂，传统的依靠人工的巡检养护系统难以满足桥梁的运营管理要求。 采用了基于人工巡检的传统养护以及基于监测系统的桥梁养护相结合的养护策略，将实时监测、定期检测以及人工检查相结合，系统全面地掌握大桥的工作状态。 利用监测系统获得的实时数据，并结合巡检养护系统的监测结果，对桥梁的局部与整体的工作状态做出合理评估，为大桥的养护和管理提供科学依据，以保证大桥的安全运营

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36 系统设计原则： 为管养服务 系统应实用、可靠、经济 传感器数量在满足数据搜集的前提下最小化
考虑传感器及其他硬件的耐久性，要有可更换性，更换时数据要有可持续性 监测系统要与人工检测和其他渠道数据相结合 管理人员中要包括桥梁监测评估专家组，以充分利用监测系统数据 同济大学桥梁工程系 孙利民 36

37 监测内容 —— 8个区段 同济大学桥梁工程系 孙利民 滩涂区 (7－50米跨等高度连续梁）
500吨级副航道桥(70＋120＋120＋70米变高度连续梁） 主通航孔斜拉桥 （73＋132＋420＋132＋73米斜拉桥） 第二非通航孔区 (6－60米跨等高度连续梁） 颗珠山斜拉桥（50+139＋332＋139+50米） 1000吨级副航道桥（ ＋80米变高度连续梁） 第四非通航孔区（70米跨等高度连续梁） 腐蚀暴露站 大乌龟岛 500吨级副航道桥(90＋160＋160＋90米变高度连续梁） 同济大学桥梁工程系 孙利民 37

38 监测内容 实时监测： 斜拉桥监测内容： 1）气象 2）结构温度 3）应变 4）伸缩缝位移 5）梁塔动力 6）索力 7）梁塔位移
8）钢结构疲劳 连续梁桥监测内容： 1）墩台沉降 2）挠度 3）结构温度 对难以检测的地方、恶劣环境下无法检测的地方以及设备经济性满足要求的条件下，使用传感器进行实时监测，全桥共设七大传感器子系统：气象、疲劳、 GPS、连续梁桥、光纤、振动、索力。 同济大学桥梁工程系 孙利民 38

39 实时监测传感器系统 监测内容 采样频率 传感器数量 数据通道数量 状态通道数量 气象 1Hz 2 8 结构温度 30M/次 143 应变
72 伸缩缝位移 梁塔动力 50Hz 60 88 索力 16 80 索塔位移 10Hz 9 27 81 钢结构疲劳 1天/次 48 96 墩台沉降及挠度 1天/2次 120 总计 478 642 584 同济大学桥梁工程系 孙利民 39

40 系统组成 传感器系统 --- 气象监测子系统 --- GPS子系统 --- 疲劳监测子系统 --- 光纤传感子系统 --- 斜拉桥振（震）动监测子系统 --- 索力监测子系统 --- 连续梁子系统 数据处理系统 在线评估系统 离线评估系统 结构预警系统 同济大学桥梁工程系 孙利民 40

41 船撞监测 (a) 船撞前后模态频率的比较 (b) 船撞前后模态阻尼比的比较 (a) 船撞前后MAC(1,1)的比较
(b) 船撞前后MAC(2,2)的比较

42 汶川地震

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44 结构频率随温度变化

45 支座位移随温度变化

46 存在的不足 然而由于人工巡检的结果被表达为对构件健康状况的描述，检测周期相对于实时监测过长且不具规律性，因此难以与监测系统的实时量化数据融合，因此东海大桥结构健康监测系统的数据库仅存储了人工巡检结果报表，而并未将这些结果应用到结构状态评估中。 同时，当前东海大桥仍处于运营初期，各项性能指标还处于相对的安全状态，监测系统还未建立起准确有效的预警模式。

47 苏通大桥 苏通大桥结构健康监测和安全评估系统利用传统的巡检养护管理工作及时发现一些实时健康监测系统没有或无法监测到的结构缺陷、材料退化或裂缝
将这些人工巡检结果输入监测系统的数据库，更新结构的有限元模型（如刚度、材料特性、构件尺寸、缺陷或损伤等），以提高结构健康状态评估的准确性和科学性。

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49 存在的问题 结构损伤识别以及健康状态评估是桥梁结构健康监测系统的核心内容，并为桥梁的养护管理提供依据。而这也是当前桥梁结构健康监测系统急需解决的核心问题。 虽然可以根据日常的人工巡检结果引入健康监测系统的结构状态评估，更新结构的有限元模型，然而由于桥梁结构的复杂性和不确定性，加之难以给定准确的边界条件以及荷载模型，实时监测系统与日常的养护依然脱节，结构健康监测系统依然游离于桥梁的养护管理之外。

50 广东九江大桥 2007年6月15日凌晨被偏离主航道误入非通航孔的船舶撞击，导致引桥22号墩～26号墩之间4跨近200m长的桥梁上部结构梁体坍塌。 九江大桥于2010年修复，修复后的九江大桥除安装了结构健康监测系统外，还特别针对船撞问题，研发了桥区防船撞监测预警系统。应用视频监测技术，实时捕捉进入危险区的船舶，及时通过光、声、广播等方式发出警告，避免撞桥事故发生。此外，还探讨了对航行船舶航迹进行预测，更主动地防范船撞桥事故的方式。

51 九江大桥“桥区防船撞监测预警系统”

52 健康监测研究课题 概念设计 基于健康监测系统的养护管理 全寿命集成 传感技术可行性 易损性分析 传感器分布 传感器数量最小化
概念设计 基于健康监测系统的养护管理 全寿命集成 传感技术可行性 易损性分析 传感器分布 传感器数量最小化 传感技术 大变形测量 拉索锈蚀检测 疲劳监测 系统耐久性 识别评估理论 同济大学桥梁工程系 孙利民 52

53 结语 我国已进入桥梁建设与管养并重的时期，保证已建桥梁的结构安全对国计民生至关重要。但传统技术不能满足桥梁养护的工程需求。
我国桥梁健康监测系统的工程应用走在了世界前列。需加强结构损伤识别、安全评定和安全预警等方面的理论方法研究。 目前单独依靠传统的养护管理技术或结构健康监测技术都难以胜任结构全寿命安全管理的使命，应注重两者的有机结合。

54 欧美日等发达国家建立的桥梁档案管理、桥梁管理系统及有关技术规范值得我们借鉴
桥梁检测、监测技术发展很快，但仅仅是养护管理的工具 谢 谢！