1、內容摘要n重大基礎設施健康監測研究的沿革的簡單回顧n大橋健康監測系統建設的基本考慮n東海大橋健康監測系統的實現n東海大橋健康監測系統的運行實踐q案例一:2007-1-2船撞事件的快速評估q案例二:2008年5-12汶川大地震后上海東海大橋的地震預警n討論和展望重大基礎設施健康監測研究的沿革n最近一些重大的國內外基礎設施的安全事故：2007年年8月月1日美國日美國明尼蘇達州大橋坍明尼蘇達州大橋坍塌塌 2007年年8月月13日，日，鳳凰堤溪大橋倒鳳凰堤溪大橋倒塌塌2007年年6月月15日廣東佛山九日廣東佛山九江大橋船撞倒江大橋船撞倒塌事件。塌事件。2008年年3月月27日日寧波金塘大橋寧波金塘大橋

2、 2007-09-10印度海印度海得拉巴立交橋坍塌得拉巴立交橋坍塌 2008年年5月月12日日汶川地震中的橋汶川地震中的橋梁倒塌梁倒塌 重大基礎設施健康監測研究的沿革n保障重大基礎設施（橋梁、道路、涵洞、大壩）的安全、健康的發揮功能，是一件極其重要的事情。n橋梁健康監測系統就是用現代高科技的手段來保障橋梁在運營期安全、為橋梁的管理養護服務的n它將傳感技術、計算機軟硬件技術、通訊技術與土木工程技術相結合，可以極大地滿足對橋梁安全及管理養護的需要。重大基礎設施健康監測研究的沿革n最初概念的提出：上個世紀八十年代。n1987年，英國在總長522m的三跨變高度連續鋼箱梁橋Foyle橋上布設傳感器。n此

3、后，挪威、美國、丹麥、墨西哥、日本和韓國均在其國內發展了規模不等的數十個橋梁健康監測系統。甚至泰國也在其Rama橋上安設了橋梁監測系統（由同濟大學負責為其設計）。n我國（包括港澳地區）在這一領域的起步稍晚，但進步很快，從早期香港的青馬大橋，我國內地的虎門大橋、徐浦大橋、江陰長江大橋，蘇通大橋、洞庭湖大橋，到目前的東海大橋健康監測系統，短短十數年，我國已經在此新興領域走在了世界前列。n筆者作為主要人員，全程參與了東海大橋健康監測系統科研、設計、實施及其運行后的分析、二次開發工作。 大橋健康監測系統建設的基本考慮n東海大橋健康監測系統建設的基本考慮 東海大橋是上海深水港的物流輸送動脈，橋梁總長31

4、公里，是我國第一座長距離跨海大橋。作為我國的生命線工程，在其結構建成后，在上述惡劣環境下，其安全性、耐久性如何將成為很重要的問題。大橋健康監測系統建設的基本考慮n東海大橋健康監測系統建設的基本考慮q概念設計理論框架 大橋健康監測系統建設的基本考慮n東海大橋健康監測系統建設的基本考慮q概念設計理論框架 提供準則提供指導提供演化模型行為行為行為行為預測預測預測預測性能演變、損傷發性能演變、損傷發性能演變、損傷發性能演變、損傷發生及其演變的預測生及其演變的預測生及其演變的預測生及其演變的預測分析特性、行為及分析特性、行為及分析特性、行為及分析特性、行為及損傷歷程相互作用損傷歷程相互作用損傷歷程相互作

5、用損傷歷程相互作用分析損傷和響應分析損傷和響應分析損傷和響應分析損傷和響應間的關系間的關系間的關系間的關系預評估路線預評估路線預評估路線預評估路線在線評估路線在線評估路線在線評估路線在線評估路線監測監測監測監測信息信息信息信息監測信息監測信息監測信息監測信息再現再現再現再現挖掘隱藏的響應挖掘隱藏的響應挖掘隱藏的響應挖掘隱藏的響應或特性信息或特性信息或特性信息或特性信息利用利用利用利用SD&PEASD&PEA評估結構現狀評估結構現狀評估結構現狀評估結構現狀兩種常規兩種常規兩種常規兩種常規路線路線路線路線提供準則提供指導提供演化模型行為行為行為行為預測預測預測預測性能演變、損傷發性能演變、損傷發性

6、能演變、損傷發性能演變、損傷發生及其演變的預測生及其演變的預測生及其演變的預測生及其演變的預測分析特性、行為及分析特性、行為及分析特性、行為及分析特性、行為及損傷歷程相互作用損傷歷程相互作用損傷歷程相互作用損傷歷程相互作用分析損傷和響應分析損傷和響應分析損傷和響應分析損傷和響應間的關系間的關系間的關系間的關系預評估路線預評估路線預評估路線預評估路線在線評估路線在線評估路線在線評估路線在線評估路線監測監測監測監測信息信息信息信息監測信息監測信息監測信息監測信息再現再現再現再現挖掘隱藏的響應挖掘隱藏的響應挖掘隱藏的響應挖掘隱藏的響應或特性信息或特性信息或特性信息或特性信息利用利用利用利用SD&PE

7、ASD&PEA評估結構現狀評估結構現狀評估結構現狀評估結構現狀兩種常規兩種常規兩種常規兩種常規路線路線路線路線 交通流荷載交通流荷載交通流荷載交通流荷載風荷載風荷載風荷載風荷載溫度作用溫度作用溫度作用溫度作用不均勻沉降不均勻沉降不均勻沉降不均勻沉降支座變位支座變位支座變位支座變位鋪裝層不平整鋪裝層不平整鋪裝層不平整鋪裝層不平整預應力損失預應力損失預應力損失預應力損失耐久性退化耐久性退化耐久性退化耐久性退化( (銹蝕、老化等銹蝕、老化等銹蝕、老化等銹蝕、老化等) )地震荷載地震荷載地震荷載地震荷載偶然事件偶然事件偶然事件偶然事件. .預評估路線預評估路線預評估路線預評估路線 荷載和行為的監測數據

8、荷載和行為的監測數據荷載和行為的監測數據荷載和行為的監測數據: :交通、風、溫度交通、風、溫度交通、風、溫度交通、風、溫度沉降、支座變位、鋪裝層不平整沉降、支座變位、鋪裝層不平整沉降、支座變位、鋪裝層不平整沉降、支座變位、鋪裝層不平整耐久性退化耐久性退化耐久性退化耐久性退化地震荷載、偶然事件地震荷載、偶然事件地震荷載、偶然事件地震荷載、偶然事件健康監測系統的結構響健康監測系統的結構響健康監測系統的結構響健康監測系統的結構響應測量應測量應測量應測量: :力、靜應變、位移力、靜應變、位移力、靜應變、位移力、靜應變、位移動應變、動位移動應變、動位移動應變、動位移動應變、動位移速度、加速度速度、加速度

9、速度、加速度速度、加速度在線評估路線在線評估路線在線評估路線在線評估路線 交通流荷載交通流荷載交通流荷載交通流荷載風荷載風荷載風荷載風荷載溫度作用溫度作用溫度作用溫度作用不均勻沉降不均勻沉降不均勻沉降不均勻沉降支座變位支座變位支座變位支座變位鋪裝層不平整鋪裝層不平整鋪裝層不平整鋪裝層不平整預應力損失預應力損失預應力損失預應力損失耐久性退化耐久性退化耐久性退化耐久性退化( (銹蝕、老化等銹蝕、老化等銹蝕、老化等銹蝕、老化等) )地震荷載地震荷載地震荷載地震荷載偶然事件偶然事件偶然事件偶然事件. .預評估路線預評估路線預評估路線預評估路線 交通流荷載交通流荷載交通流荷載交通流荷載風荷載風荷載風荷載

10、風荷載溫度作用溫度作用溫度作用溫度作用不均勻沉降不均勻沉降不均勻沉降不均勻沉降支座變位支座變位支座變位支座變位鋪裝層不平整鋪裝層不平整鋪裝層不平整鋪裝層不平整預應力損失預應力損失預應力損失預應力損失耐久性退化耐久性退化耐久性退化耐久性退化( (銹蝕、老化等銹蝕、老化等銹蝕、老化等銹蝕、老化等) )地震荷載地震荷載地震荷載地震荷載偶然事件偶然事件偶然事件偶然事件. .預評估路線預評估路線預評估路線預評估路線 荷載和行為的監測數據荷載和行為的監測數據荷載和行為的監測數據荷載和行為的監測數據: :交通、風、溫度交通、風、溫度交通、風、溫度交通、風、溫度沉降、支座變位、鋪裝層不平整沉降、支座變位、鋪裝

11、層不平整沉降、支座變位、鋪裝層不平整沉降、支座變位、鋪裝層不平整耐久性退化耐久性退化耐久性退化耐久性退化地震荷載、偶然事件地震荷載、偶然事件地震荷載、偶然事件地震荷載、偶然事件健康監測系統的結構響健康監測系統的結構響健康監測系統的結構響健康監測系統的結構響應測量應測量應測量應測量: :力、靜應變、位移力、靜應變、位移力、靜應變、位移力、靜應變、位移動應變、動位移動應變、動位移動應變、動位移動應變、動位移速度、加速度速度、加速度速度、加速度速度、加速度在線評估路線在線評估路線在線評估路線在線評估路線 荷載和行為的監測數據荷載和行為的監測數據荷載和行為的監測數據荷載和行為的監測數據: :交通、風、

12、溫度交通、風、溫度交通、風、溫度交通、風、溫度沉降、支座變位、鋪裝層不平整沉降、支座變位、鋪裝層不平整沉降、支座變位、鋪裝層不平整沉降、支座變位、鋪裝層不平整耐久性退化耐久性退化耐久性退化耐久性退化地震荷載、偶然事件地震荷載、偶然事件地震荷載、偶然事件地震荷載、偶然事件健康監測系統的結構響健康監測系統的結構響健康監測系統的結構響健康監測系統的結構響應測量應測量應測量應測量: :力、靜應變、位移力、靜應變、位移力、靜應變、位移力、靜應變、位移動應變、動位移動應變、動位移動應變、動位移動應變、動位移速度、加速度速度、加速度速度、加速度速度、加速度在線評估路線在線評估路線在線評估路線在線評估路線大橋

13、健康監測系統建設的基本考慮q東海大橋損傷及性能演變分析(a) 不均勻沉降下連續梁橋的頻率變化(b) 收縮徐變和預應力損失下連續梁橋的頻率變化(c) 單位溫度作用下主塔不同位置的水平位移(d) 移動重車下主航道橋的幾何變形(e) 實測風場下主航道橋的幾何變形東海大橋健康監測系統的實現東海大橋健康監測系統的實現 n在概念設計的基礎上，項目組于2005年完成系統的技術設計和施工圖設計，并于2006年月工程實施完成，2006年月正式運行，至今已經平穩地了運行將近兩年。圖給出系統照片。其中，可以從以下網址訪問系統：（http:/health.donghai- ）。(a) 加速度傳感器(c) GPS接收器

14、(b) FBG應變傳感器(d) B/S架構的系統軟件界面東海大橋健康監測系統的實現東海大橋健康監測系統的實現n東海大橋健康監測系統由實時監測和人工檢測兩部分組成，其實時監測部分由11個采集工作站、478個傳感器組成的分布式監測系統。n系統已經實現了功能的多級跳，既東海大橋健康監測系統不僅是一個數據采集、存儲、管理系統，而且實現了采樣控制、數據的在線初步處理、數據的邏輯組內信息融合、邏輯組間相關性分析，更重要的是，實現了基于多層次模糊推理橋梁的在線狀態評估。 n和同期國內外其他橋梁健康監測系統相比，該系統精心設計、功能較為完備、先進，初步解決了數據海量堆積而無力處理的難題，而且將其它一些系統需要

15、離線處理的問題在線予以實現，初步解決了監測數據如何用于橋梁的日常評估養護問題。東海大橋健康監測系統的實現東海大橋健康監測系統的實現n東海大橋健康監測系統已經走到了世界的前列q 筆者曾于2007年九月代表東海大橋健康監測項目組在美國斯坦福大學參加有關結構健康監測技術的國際學術會議，也曾受邀訪問對美國新澤西州里大學、里海大學。q從交流情況來看，目前西方國家和日韓在此領域上多處于學術論證和工程試驗階段。q東海大橋健康監測系統無論就其傳感器數目和種類、系統復雜程度、實時程度、穩定程度，還是對數據的處理深度和評估利用程度，均給與會的世界各國人員留下深刻印象。 東海大橋健康監測系統的運行實踐n自東海大橋健

16、康監測系統運行近兩年來，該系統成功地為東海大橋的管理養護發揮了重要作用。n同濟大學也利用該系統進行了大量的科研工作，為保障大海大橋的運營安全和保障上海洋山港的繁忙的運輸暢通發揮了作用。 下面給出兩個實例，說明該系統在保障基礎設施安全性方面的重要作用。東海大橋健康監測系統的運行實踐q案例一:2007-1-2船撞事件的快速評估 2007年月日凌晨一點到兩點間，東海大橋的顆珠山斜拉橋PM473墩遭到一只大約兩千噸級的運砂船的撞擊，東海大橋健康監測系統忠實記錄了此次撞擊事故，事故發生后，本文作者應管理部位的要求，對數據進行了分析，并據此提出了船撞事故的預警及事后結構評估方案。 東海大橋健康監測系統的運

17、行實踐q案例一:2007-1-2船撞事件的快速評估(a) 船撞前后MAC(1,1)的比較0500100015002000250030000.950.960.970.980.991A comparison between before and after collisionTime (min)MACMAC(2,2) beforeMAC(2,2) after2007-01-01 00:00:002007-01-03 02:35:002007-01-0200:50:002007-01-0201:35:000500100015002000250030000.9750.980.9850.990.9951

18、Time (min)MACA comparison between before and after collisionMAC(1,1) beforeMAC(1,1) after2007-01-01 00:00:002007-01-03 02:35:002007-01-0200:50:002007-01-0201:35:00(b) 船撞前后MAC(2,2)的比較0500100015000.40.450.50.55Time (min)Frequency (Hz)mode1 beforemode1 aftermode2 beforemode2 aftere2007-01-01 00:00:0020

19、07-01-02 01:35:002007-01-02 00:50:002007-01-03 02:35:0005001000150000.0050.010.0150.020.025Time (min)Modal damping ratiomode4 beforemode4 after2007-01-01 00:00:002007-01-02 01:35:002007-01-02 00:50:002007-01-03 02:35:00(a) 船撞前后模態頻率的比較(b) 船撞前后模態阻尼比的比較東海大橋健康監測系統的運行實踐q案例一:2007-1-2船撞事件的快速評估快速評估得到如下結論：n并

20、據此得出撞擊對橋的正常運營影響不大的初步結論，橋在當日正常使用。n模態參數在船撞前后無明顯變化，這反映了結構的安全性。n在船撞后的模態保證因子有明顯的下降，這說明，由船撞事件對結構的振動特性還是造成了一定的影響。分析原因，結論是撞擊對梁和墩間的支座有少許影響，從而使結構的邊界條件有所改變。 東海大橋健康監測系統的運行實踐q案例二:2008年5-12汶川大地震后上海東海大橋的地震預警 東海大橋健康監測系統的運行實踐q案例二:2008年5-12汶川大地震后上海東海大橋的地震預警 2008年5月12日下午14:40，東海大橋主航道橋地震監測組及顆珠山橋地震監測組均出現預警信息 ； 該警報是根據布設于

21、主航道橋和顆珠山橋橋塔承臺處的強震儀加速度響應值來進行預警的。 本次預警發生在2008年5月12日 14:3614:39，持續時間約為3分鐘，警報級別為一般。經分析并結合當天下午四川省汶川發生的8.0級地震，本次預警針對的是汶川地震影響上海時東海大橋的結構響應。東海大橋健康監測系統的運行實踐q案例二:2008年5-12汶川大地震后上海東海大橋的地震預警東海大橋健康監測系統的運行實踐n案例二:2008年5-12汶川大地震后上海東海大橋的地震動信號的快速分析和評估東海大橋健康監測系統的運行實踐n案例二:2008年5-12汶川大地震后上海東海大橋的地震動信號的快速分析和評估東海大橋健康監測系統的運行

22、實踐n案例二:2008年5-12汶川大地震后上海東海大橋的地震動信號的快速分析和評估結論：n汶川大地震對數千公里外的上海東海大橋產生了明顯的震動影響n由于地震能量經過長距離傳播和衰減，本次地震對東海大橋結構安全和正常使用不構成任何威脅，大橋可以繼續使用。n本次預警事件表明：人類對重大災變事件來臨后對重大基礎設施實現安全預警的夢想是完全可以實現的。 東海大橋健康監測系統是世界上首次實現對地震的預警的橋梁健康監測系統，這反映了我國在此領域已經走在了世界前列。討論和展望 縱覽國內外已有的橋梁健康監測系統，可以將它們大致劃分為三代：n第一代為早期單項監測系統單項監測系統，傳感器種類有限，采集設備不安裝，間歇性監測