大型結構健康監測與安全評估技術研究現狀與發展趨勢報告人：蘇木標1大型結構健康監測與安全評估技術報告人：蘇木標11.大型結構的特點2.結構健康監測的目的和意義3.目前國內外的研究現狀4.今后的發展趨勢5.工程應用實例報告的主要內容21.大型結構的特點報告的主要內容2土木工程結構發展的趨勢：

大型化輕柔化復雜化多功能

大型結構事故的危害：

經濟損失大人員傷亡大社會影響大1.大型結構的特點3土木工程結構發展的趨勢：1.大型結構的特點32008年8月29日竣工（建設投資高達83億元）42008年8月29日竣工455667788991010111112121313大型基礎設施的結構特點14大型基礎設施的結構特點14荷載作用性能退化人為因素環境荷載：地震、風、雪、浪、流、冰、溫度、…使用荷載：靜力荷載、動力荷載疲勞效應腐蝕效應材料老化戰爭恐怖主義決策錯誤…結構損傷破壞｝｝逐漸發生變化15荷載作用性能退化人為因素環境荷載：地震、風、雪、浪、使用荷載2.結構健康監測的目的和意義162.結構健康監測的目的和意義162.結構健康監測的目的和意義2.1問題提出（僅以橋梁結構為例）目前我國橋梁的狀況：我國現在已建橋梁100余萬座，但是由于主客觀原因，橋梁垮塌事件屢有發生，造成人民生命和國家財產的重大損失（如綦江大橋整體垮塌，造成40人死亡；僅以廣東省為例，全省有4萬余座橋梁，4千余座有不同程度損傷，370座列為危橋）。發達國家的橋梁建設期早，問題更為嚴重。橋梁垮塌頻發，例如：172.結構健康監測的目的和意義17美國塔科馬大橋垮塌的情景18美國塔科馬大橋垮塌的情景18加拿大魁北克大橋整體垮塌（19000噸鋼材和86名建橋工人落入水中，只有11人生還）19加拿大魁北克大橋整體垮塌19

帕勞共和國預應力混凝土連續剛構垮塌前后20帕勞共和國預應力混凝土連續剛構垮塌前后20MississippiRiveBridge2007/8/2，collapse6peoplelostlives21MississippiRiveBridge212222Morethan40peoplelostlives23Morethan40peoplelostlives2424遼寧盤錦田莊臺大橋（2004年6月10日晨）發生垮塌

25遼寧盤錦田莊臺大橋（2004年6月10日晨）發生垮塌252007年8月13日在建沱江大橋坍塌(64人死亡）鳳凰縣堤溪沱江大橋立面圖

262007年8月13日鳳凰縣堤溪沱江大橋立面圖262011年7月14日早8點50分許，福建武夷山公館大橋北端突然斷裂，一輛旅游大巴車墜入橋下，當場造成1人死亡22人受傷。公館大橋橋齡僅11年余。272011年7月14日早8點50分許，福建武夷山公館大28282929303031312.結構健康監測的目的和意義2.1問題提出（僅以橋梁結構為例）

據交通部統計，中國目前有6000多座公路危橋。

由此可見，大型結構的運營安全是各國政府亟待解決的重大問題。

如何及時發現結構在運營過程中存在的安全隱患，保證結構的運營安全，這是當前國際學術界和工程界面臨的重大技術難題。322.結構健康監測的目的和意義322.結構健康監測的目的和意義2.1問題提出（僅以橋梁結構為例）傳統測試手段的局限性：對大型橋梁結構進行長期監測測試內容多、測點分布廣、外部干擾大、野外運行環境惡劣，而傳統的儀器設備和測試方法只能用于短期或臨時人工檢測，無法直接用于長期健康監測，不能直接預報橋梁結構的健康狀態。保證橋梁結構安全運營的有效辦法，就是要建立橋梁結構長期健康監測系統。332.結構健康監測的目的和意義33結構健康監測結構災變作用荷載作用損傷積累抗力衰減安全度指標下降損傷識別安全評價報警控制損傷修復結構健康監測已成為世界各國工程界研究的熱點34結構健康監測結構災變荷載損傷積累抗力衰減安全度指標下降損傷識2.結構健康監測的目的和意義2.2健康監測的目的獲取結構的工作環境信息，實時了解包括環境溫度、風荷載和車輛荷載的變化；獲取結構的響應特征信息，實時掌握結構的工作狀況和健康狀況（包括結構的整體性能和關鍵部位的局部損傷情況）。352.結構健康監測的目的和意義352.結構健康監測的目的和意義2.3健康監測的意義為評價結構（大型橋梁結構）承受動、靜載的能力和結構的可靠性（即健康狀態）提供實測數據；為驗證結構設計理論與方法，修改設計規范提供科學依據；為實現對結構的科學管理、養護、維修及運營決策，確保運營安全提供依據。362.結構健康監測的目的和意義362.結構健康監測的目的和意義橋梁健康監測系統環境監測結構性能監測環境溫度、溫差、風荷載交通荷載、地震荷載船撞荷載靜動態響應監測變形、應力、振動結構特性分析養護、維修、管理決策實施荷載及結構響應是否異常模態特性疲勞特性健康狀態評估結構是否損傷超限報警現場檢查常規檢查詳細檢查特殊檢查是否局部開裂、屈曲、腐蝕、退化大橋養護、維修、管理決策示意圖372.結構健康監測的目的和意義橋梁健康監測系統環境監測結構性3.目前國內外的研究現狀3.1結構健康監測系統的構成傳感器系統（包括溫度、應變、位移、振動、撓度、風速等傳感器，監測環境條件、結構性能）數據采集與傳輸系統（包括信號調理儀、數據采集儀及通信網絡等）數據處理與控制系統（包括數據處理、采集控制、數據庫管理與查詢等）健康狀態評估系統（包括損傷識別、健康狀態評估及管理決策建議等）383.目前國內外的研究現狀3.1結構健康監測系統的構成383.目前國內外的研究現狀3.2結構健康監測技術研究內容橋梁健康監測技術綜合了現代傳感技術、網絡通信技術、計算機技術、信號分析與處理技術、數據采集與控制技術、數據庫管理技術、數據挖掘技術、預測技術、結構分析理論、結構損傷識別與狀態評估理論及管理決策理論等多學科領域的知識，是一門新興的交叉學科。近年來，隨著相關學科的發展，橋梁健康監測技術已成為國內外工程界和學術界研究的熱點。393.目前國內外的研究現狀3.2結構健康監測技術研究內容33.目前國內外的研究現狀3.2結構健康監測技術研究內容

研究內容主要包括：新型傳感器及數采設備的研制與開發；數據無線傳輸技術研究；信號分析、處理及數據挖掘技術研究；傳感器的優化布設研究；結構損傷識別理論研究；結構健康狀態評估技術研究結構網絡化運營管理及養修決策技術研究。403.目前國內外的研究現狀3.2結構健康監測技術研究內容43.目前國內外的研究現狀3.3理論研究狀況

涌現了大量的研究論文，研究內容包括：智能傳感器、多功能采集儀、傳感器的優化布置、信號無線傳輸技術、結構損傷識別方法、健康狀態評估及橋梁生命周期管理養護等。

舉辦了許多以結構健康監測為主題的國際會議，比如：國際健康監測研討會（InternationalWorkshoponStructuralHealthMonitoring)；歐洲健康監測研討會（EuropeanWorkshoponStructuralHealthMonitoring)；新型結構健康監測研討會（InternationalWorkshoponStructuralHealthMonitoringofInnovativeStructure)；智能結構與健康監測會議（InternationalConferenceonStructuralHealthMonitoringandIntelligentInfrastructure)。413.目前國內外的研究現狀3.3理論研究狀況413.目前國內外的研究現狀3.3理論研究狀況

另外，其它會議也有橋梁健康監測技術專題，如：國際模態會議（InternationalModalAnalysisConference)；歐洲智能結構與材料會議（EuropeanConferenceonSmartStructures&Materials)；國際結構控制會議（WorldConferenceonStructuralControl).

國內也舉辦過多次有關的會議。423.目前國內外的研究現狀3.3理論研究狀況4243433.目前國內外的研究現狀3.4工程應用情況日本明石海峽大橋443.目前國內外的研究現狀3.4工程應用情況日本明石海峽大日本南備贊瀨戶大橋（公鐵兩用）45日本南備贊瀨戶大橋（公鐵兩用）45丹麥大貝爾特橋46丹麥大貝爾特橋464747江陰長江大橋48江陰長江大橋48南京長江大橋

49南京長江大橋49蕪湖長江大橋

50蕪湖長江大橋50鄭州黃河大橋

51鄭州黃河大橋51山東濱州黃河大橋52山東濱州黃河大橋52重慶大佛寺長江大橋53重慶大佛寺長江大橋53潤揚大橋54潤揚大橋54杭州錢塘江四橋55杭州錢塘江四橋55蘇通大橋（斜拉橋主孔跨度1088米）56蘇通大橋（斜拉橋主孔跨度1088米）56武漢長江大橋57武漢長江大橋57香港昂船洲大橋（主跨1018米）將要建立的橋梁健康監測系統：58香港昂船洲大橋（主跨1018米）將要建立的橋梁健康監測系統5959

南京大勝關長江大橋橋身全長9.273km，主跨336m，名列世界同類高速鐵路橋之首，“工程量大、跨度大、荷載大、速度高”，世界第一座6線鐵路橋。60南京大勝關長江大橋橋身全長9.273km

武漢天興洲長江大橋正橋全長4657米，主跨504米，大橋路面鋪設4條鐵路線，是我國首座四線公路鐵路兩用斜拉橋，創下了跨度、荷載、速度、寬度4項世界第一。

61武漢天興洲長江大橋正橋全長4657米，主跨5九江長江大橋

62九江長江大橋62河北省宣大高速公路海爾洼大橋（跨徑138m）63河北省宣大高速公路海爾洼大橋（跨徑138m）63京張高速公路官廳湖橋（65＋10×110＋65m）

64京張高速公路官廳湖橋（65＋10×110＋65m）644.今后的發展趨勢4.1目前橋梁健康監測系統存在的問題監測系統設計缺乏統一的標準和規范；傳感器選型及優化布設的合理性有待商榷；監測系統本身軟硬件的耐久性、長期穩定性難以保證；環境影響和測量噪聲難以消除；測量數據的不完備性，給數據分析帶來困難；海量監測數據的處理困難，容易淹沒真實有用的信息；結構損傷識別方法還處在理論研究和實驗室應用階段；結構健康狀態評價理論尚不完善；相關子系統的有機結合和協調統一有待加強。654.今后的發展趨勢4.1目前橋梁健康監測系統存在的問題64.今后的發展趨勢4.2主要發展趨勢逐步建立和完善統一的橋梁健康監測系統設計標準和規范；研制開發適合野外長期監測的硬件設備和軟件系統，保證監測系統本身性能長期穩定、可靠，壽命長；進一步完善橋梁監測信號處理技術和方法，提高監測數據的可靠性；逐步完善結構損傷識別方法和健康狀態評價理論，并使之盡快投入實際的工程應用。664.今后的發展趨勢4.2主要發展趨勢665.工程應用實例5.1蕪湖長江大橋長期監測、安全評估及報警系統675.工程應用實例5.1蕪湖長江大橋長期監測、安全評估及報5.1.1引言蕪湖長江大橋是一座公、鐵兩用的特大橋梁，是我國橋梁建設史上的標志性工程，它采用了28項當今橋梁工程建設的最新技術，代表了我國當代橋梁設計和建造的最高水平。為了跟蹤世界科技前沿，保持蕪湖長江大橋的科技領先水平，確保大橋的運營安全及結構的可靠性，為大橋的養護、維修及科學管理提供依據，并為改進和完善新型橋梁結構的設計理論、修改設計規范提供實測參考數據，經鐵道部科技司批準，進行立項研究。685.1.1引言蕪湖長江大橋是一座公、鐵兩用5.1.2監測系統簡介

蕪湖長江大橋長期健康監測系統主要由傳感器、數據采集、數據傳輸、數據處理、安全評估和信息顯示系統等組成。⑴監測系統總體目標為：獲取結構特征信息，實時掌握橋梁結構的健康狀態；監測橋梁結構的整體性能和關鍵部位的局部損傷，為結構維修提供依據；評價大橋承受動、靜載的能力和結構可靠性，為運營決策與管理提供依據；驗證和修正橋梁設計方法，為規范的修改提供依據。

695.1.2監測系統簡介蕪湖長江大橋長期健康監測系統⑵監測系統（小集中分散數據采集方式）通信網絡示意圖數采系統傳感系統橋下控制室傳輸光纜橋上7＃墩采集站授權用戶終端交換機測站1測站2測站n數據處理與控制系統狀態評價系統70⑵監測系統（小集中分散數據采集方式）通信網絡示意圖數采系統斜拉橋部分10#墩（1＃測站）10－11＃墩跨中（3＃測站）11#墩（2＃測站）29#墩（軸重監測站）蕪湖長江大橋長期健康監測系統拓撲結構示意圖演示廳機房控制室數據庫服務器數據采集監測服務器數據查詢服務器示波器頁面瀏覽器數據管理器頁面瀏覽器示波器數據查詢報警與事件日志大顯示屏集線器演示電腦筆記本電腦投影儀大投影9＃墩測站（網絡數采儀）8＃墩測站（網絡數采儀）5＃墩測站（網絡數采儀）6－7＃墩跨中測站（網絡數采儀）6＃墩測站（網絡數采儀）7＃墩（橋上采集總站）交換機、網絡數采儀連續梁部分71斜拉橋部分蕪湖長江大橋長期健康監測系統拓撲結構示意圖演示廳機⑶系統的監測內容有：①橋梁工作環境信息：主要包括列車速度、軸重、軸距、軸數及列車進出橋時間、環境溫度、梁體斷面溫度梯度及各應變測點的溫度；②結構性能響應信息：主要包括關鍵主桁桿件及鐵路縱橫梁應力、梁體跨中撓度及梁端縱向位移、梁體和墩頂橫向振動、豎向振動及加速度；③列車行車安全信息：主要包括脫軌系數和輪重減載率等。測點總數為219個72⑶系統的監測內容有：72

主要包括列車荷載、速度、溫度、應變、振動、撓度、位移等多種傳感器及相應的信號放大與接口裝置。⑷傳感器

車速傳感器振動傳感器應變傳感器光纖應變傳感器73主要包括列車荷載、速度、溫度、應變、振動、撓度5.1.3監測數采系統特點

1）無人值守，意外停機后自動上電、自動恢復運行。2)各項工作參數可遠程設置，工作狀態可遠程診斷。3)數據傳輸迅速、準確可靠。745.1.3監測數采系統特點1）無人值守，意外停機后自動上5.1.4數采系統的設計與開發

利用LabVIEW設計了一套具有自動采集、遠程監測等功能的網絡化監測系統。

實時顯示列車車況；實時顯示時程曲線、最大值等；實時報警；監測數據自動入庫。⑴系統實現的功能：755.1.4數采系統的設計與開發利用LabVIEW⑵監測數采界面

數采包括8項內容：

列車信息上游橫向動位移豎向動位移墩頂橫向動位移梁端縱向位移主桁桿應力波形加速度動撓度邊采邊顯主界面76⑵監測數采界面數采包括8項內容：邊采邊顯主界面76應變波形撓度波形加速度⑶邊采邊顯主面板77應變波形撓度波形加速度⑶邊采邊顯主面板775.1.5數采軟件的主要特色

該數采軟件技術起點高，源程序思路清晰、邏輯關系及流程形象直觀、易讀、易改、可移植性好、軟件開發周期短；監測數據的顯示刷新速度快，波形生動、形象、逼真，數據處理方便、快捷。5.1.6數據庫查詢功能能進行特征數和時程曲線的查詢能對大橋健康狀態進行初步判斷785.1.5數采軟件的主要特色該數采軟件技術起點高數據查詢界面進入數據查詢系統后，按照已設定的查詢內容和查詢功能，用戶根據自己要求，按逐級選擇下拉菜單方式查詢所需要的數據和分析結果，并以適當的圖表形式給出查詢的結果。數據查詢下拉菜單數據查詢主界面79數據查詢界面進入數據查詢系統后，按照已設定的查詢內容數據查詢功能

在數據查詢過程中，用戶可根據需要進行必要的數據分析，主要包括時域顯示、波形的縱、橫向放大與縮小、波形移動、數據回放、找最大值及波形打印等。時域顯示過程中還可同頁顯示兩個通道或多通道時域波形。數據查詢界面橫向振動時程曲線橫向振動時程曲線細化橫向振動時程曲線同頁顯示80數據查詢功能在數據查詢過程中，用戶可根據需要主桁桿件應力時程曲線同頁顯示主桁桿件應力時程曲線

撓度波形時程曲線撓度波形對比圖81主桁桿件應力時程曲線同頁顯示主桁桿件應力時程曲線撓度波形時5.1.7橋梁結構健康狀態評估系統橋梁結構健康狀態評估的預測函數：⑴橋梁結構健康狀態評估方法：⑵⑶⑷

基于準靜態識別理論，利用統計對比診斷法，建立了一種實用性強、能考慮多種影響因素的橋梁結構整體性能評估方法。111210987541月份0362梁端縱向位移mm604020梁端縱向位移隨時間變化曲線825.1.7橋梁結構健康狀態評估系統橋梁結構健康狀態評估的預監控室83監控室835.2鄭州黃河大橋振動遠程監測和預報系統

鄭州黃河大橋是一座服役近50年的老橋，是我國最繁忙的京廣鐵路線上跨越黃河的咽喉要道。845.2鄭州黃河大橋振動遠程監測和預報系統鄭5.2.1引言鄭州黃河大橋1960年竣工，其上部結構為142孔上承式鋼板梁（上、下行各71孔），兩片主梁之間的中心距為2.0m，梁高3.28m；下部結構為樁基墩臺（共72個），基礎設計為兩根直徑3.6m的鋼筋混凝土管柱，管柱原設計深度為40m（實際入土深度為30m）；橋上線路為直線平坡。大橋建成后，一直是京廣線跨越黃河的咽喉要道，其重要性不言而喻。855.2.1引言鄭州黃河大橋1960年竣工，其

自從九七年列車提速以來，特別是當貨車提速以后，該橋上先后在發生過三次貨車脫軌事故。為了保證列車過橋的安全，迫切要求研究開發一套振動監測系統（包括長期在線監測、安全評價及預警預報系統），以便在監測過程中，一旦發現某孔梁跨中橫向振幅超限時，橋管部門可及采取相應的技術措施和管理辦法，以確保列車在橋上的行車安全。86自從九七年列車提速以來，特別是當貨車提速以后，該橋上實現對鄭州黃河大橋鋼板梁橋遠程振動監測，對保證列車在橋上的行車安全，對加深人們對車—橋振動規律的認識，促進車—橋振動理論的發展具有重要的理論意義和實用價值。

87實現對鄭州黃河大橋鋼板梁橋遠程振動監測，對保證列車在5.2.2振動監測系統的目標和技術要求系統的總體目標：詳細了解列車過橋時上承式鋼板梁橋的振動規律；實時掌握全橋各孔跨中的橫向振動狀態；監測過橋列車的速度、軸數、軸距及大致編組情況；定時用戶發送監測的數據和分析結果。885.2.2振動監測系統的目標和技術要求系統的總

技術要求：①

數采系統意外停機后可自動復位；②

數采系統的觸發方式、采樣順序、采樣頻率、采樣長度等工作參數可遠程設置和修改；③

監測系統出現故障（包括現場數據采集系統和數據通信與管理系統工作是否正常）可遠程診斷89技術要求：894.2.3主要監測內容904.2.3主要監測內容905.2.4網絡數采系統布置圖

傳輸光纜橋工段總監控室測站1……2………3………4…….…5…………6…………7……..…8……..…測站9交換機………………

…..交換機………交換機915.2.4網絡數采系統布置圖傳輸光纜橋工段測站1……測點線路布置測站N至總監控室網絡數采儀圖3監測系統某測站線路布置圖傳輸光纜交換機傳感器上行線下行線92測點線路布置測站N至總監控室網絡數采儀圖3監測系統某測站5.2.5數采軟件的設計與開發

主要功能如下：1）在監測主控計算機上，可以實時顯示列車過橋時列車進出橋時間、列車車速、軸數、軸距；2)邊采邊顯各組測點的振動時程曲線、最大幅值，一旦出現振幅超限及時報警；3）列車出橋后，自動將本測次采集的全部數據入庫保存。

935.2.5數采軟件的設計與開發主要功能如下：93監測數采界面在數采過程中有多種顯示面板，邊采邊顯列車過橋信息、環境溫度、鋼軌溫度、雨水信息和1至9組及重點試驗孔各個測點的時程曲線，并按不同組別以卡片形式疊放在一起，

邊采邊顯主界面分組顯示面板94監測數采界面在數采過程中有多種顯示面板，邊采邊顯列車過橋信息5.2.6數據庫查詢系統主要查詢功能：

1)

能查詢每天各測次的環境溫度、鋼軌溫度、雨水情況、列車過橋速度及列車的軸距、軸數等；

2)

能查詢每天各測次各振動測點和撓度測點的時程曲線及曲線上的最大、最小值；3）能查出當年或往年的溫度按每天溫度的最大、最小值而變化的曲線；4)

在數據查詢的同頁面板上可同時顯示任意一條、兩條或多條時程曲線，同時顯示出各曲線的最大、最小值以及對應的環境溫度值；955.2.6數據庫查詢系統主要查詢功能：955.2.6數據庫查詢系統主要查詢功能：

5)

能查詢橋梁的最大振幅值隨時間或溫度而變化的曲線；6）可進行某測次各個測點最大振幅的對比和某一時間間隔內某測點對應于各測次的最大振幅的對比；7）數據查詢時，用戶可進行必要的數據分析，包括時域顯示、波形的縱、橫向縮放、波形移動、數據回放、找最大值及打印統計報表等。965.2.6數據庫查詢系統主要查詢功能：96經常不斷地學習,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量StudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe學習總結97經常不斷地學習,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量學結束語當你盡了自己的最大努力時，失敗也是偉大的，所以不要放棄，堅持就是正確的。WhenYouDoYourBest,FailureIsGreat,SoDon'TGiveUp,StickToTheEnd演講人：XXXXXX時間：XX年XX月XX日

98結束語98大型結構健康監測與安全評估技術研究現狀與發展趨勢報告人：蘇木標99大型結構健康監測與安全評估技術報告人：蘇木標11.大型結構的特點2.結構健康監測的目的和意義3.目前國內外的研究現狀4.今后的發展趨勢5.工程應用實例報告的主要內容1001.大型結構的特點報告的主要內容2土木工程結構發展的趨勢：

大型化輕柔化復雜化多功能

大型結構事故的危害：

經濟損失大人員傷亡大社會影響大1.大型結構的特點101土木工程結構發展的趨勢：1.大型結構的特點32008年8月29日竣工（建設投資高達83億元）1022008年8月29日竣工41035104610571068107910810109111101211113大型基礎設施的結構特點112大型基礎設施的結構特點14荷載作用性能退化人為因素環境荷載：地震、風、雪、浪、流、冰、溫度、…使用荷載：靜力荷載、動力荷載疲勞效應腐蝕效應材料老化戰爭恐怖主義決策錯誤…結構損傷破壞｝｝逐漸發生變化113荷載作用性能退化人為因素環境荷載：地震、風、雪、浪、使用荷載2.結構健康監測的目的和意義1142.結構健康監測的目的和意義162.結構健康監測的目的和意義2.1問題提出（僅以橋梁結構為例）目前我國橋梁的狀況：我國現在已建橋梁100余萬座，但是由于主客觀原因，橋梁垮塌事件屢有發生，造成人民生命和國家財產的重大損失（如綦江大橋整體垮塌，造成40人死亡；僅以廣東省為例，全省有4萬余座橋梁，4千余座有不同程度損傷，370座列為危橋）。發達國家的橋梁建設期早，問題更為嚴重。橋梁垮塌頻發，例如：1152.結構健康監測的目的和意義17美國塔科馬大橋垮塌的情景116美國塔科馬大橋垮塌的情景18加拿大魁北克大橋整體垮塌（19000噸鋼材和86名建橋工人落入水中，只有11人生還）117加拿大魁北克大橋整體垮塌19

帕勞共和國預應力混凝土連續剛構垮塌前后118帕勞共和國預應力混凝土連續剛構垮塌前后20MississippiRiveBridge2007/8/2，collapse6peoplelostlives119MississippiRiveBridge2112022Morethan40peoplelostlives121Morethan40peoplelostlives12224遼寧盤錦田莊臺大橋（2004年6月10日晨）發生垮塌

123遼寧盤錦田莊臺大橋（2004年6月10日晨）發生垮塌252007年8月13日在建沱江大橋坍塌(64人死亡）鳳凰縣堤溪沱江大橋立面圖

1242007年8月13日鳳凰縣堤溪沱江大橋立面圖262011年7月14日早8點50分許，福建武夷山公館大橋北端突然斷裂，一輛旅游大巴車墜入橋下，當場造成1人死亡22人受傷。公館大橋橋齡僅11年余。1252011年7月14日早8點50分許，福建武夷山公館大126281272912830129312.結構健康監測的目的和意義2.1問題提出（僅以橋梁結構為例）

據交通部統計，中國目前有6000多座公路危橋。

由此可見，大型結構的運營安全是各國政府亟待解決的重大問題。

如何及時發現結構在運營過程中存在的安全隱患，保證結構的運營安全，這是當前國際學術界和工程界面臨的重大技術難題。1302.結構健康監測的目的和意義322.結構健康監測的目的和意義2.1問題提出（僅以橋梁結構為例）傳統測試手段的局限性：對大型橋梁結構進行長期監測測試內容多、測點分布廣、外部干擾大、野外運行環境惡劣，而傳統的儀器設備和測試方法只能用于短期或臨時人工檢測，無法直接用于長期健康監測，不能直接預報橋梁結構的健康狀態。保證橋梁結構安全運營的有效辦法，就是要建立橋梁結構長期健康監測系統。1312.結構健康監測的目的和意義33結構健康監測結構災變作用荷載作用損傷積累抗力衰減安全度指標下降損傷識別安全評價報警控制損傷修復結構健康監測已成為世界各國工程界研究的熱點132結構健康監測結構災變荷載損傷積累抗力衰減安全度指標下降損傷識2.結構健康監測的目的和意義2.2健康監測的目的獲取結構的工作環境信息，實時了解包括環境溫度、風荷載和車輛荷載的變化；獲取結構的響應特征信息，實時掌握結構的工作狀況和健康狀況（包括結構的整體性能和關鍵部位的局部損傷情況）。1332.結構健康監測的目的和意義352.結構健康監測的目的和意義2.3健康監測的意義為評價結構（大型橋梁結構）承受動、靜載的能力和結構的可靠性（即健康狀態）提供實測數據；為驗證結構設計理論與方法，修改設計規范提供科學依據；為實現對結構的科學管理、養護、維修及運營決策，確保運營安全提供依據。1342.結構健康監測的目的和意義362.結構健康監測的目的和意義橋梁健康監測系統環境監測結構性能監測環境溫度、溫差、風荷載交通荷載、地震荷載船撞荷載靜動態響應監測變形、應力、振動結構特性分析養護、維修、管理決策實施荷載及結構響應是否異常模態特性疲勞特性健康狀態評估結構是否損傷超限報警現場檢查常規檢查詳細檢查特殊檢查是否局部開裂、屈曲、腐蝕、退化大橋養護、維修、管理決策示意圖1352.結構健康監測的目的和意義橋梁健康監測系統環境監測結構性3.目前國內外的研究現狀3.1結構健康監測系統的構成傳感器系統（包括溫度、應變、位移、振動、撓度、風速等傳感器，監測環境條件、結構性能）數據采集與傳輸系統（包括信號調理儀、數據采集儀及通信網絡等）數據處理與控制系統（包括數據處理、采集控制、數據庫管理與查詢等）健康狀態評估系統（包括損傷識別、健康狀態評估及管理決策建議等）1363.目前國內外的研究現狀3.1結構健康監測系統的構成383.目前國內外的研究現狀3.2結構健康監測技術研究內容橋梁健康監測技術綜合了現代傳感技術、網絡通信技術、計算機技術、信號分析與處理技術、數據采集與控制技術、數據庫管理技術、數據挖掘技術、預測技術、結構分析理論、結構損傷識別與狀態評估理論及管理決策理論等多學科領域的知識，是一門新興的交叉學科。近年來，隨著相關學科的發展，橋梁健康監測技術已成為國內外工程界和學術界研究的熱點。1373.目前國內外的研究現狀3.2結構健康監測技術研究內容33.目前國內外的研究現狀3.2結構健康監測技術研究內容

研究內容主要包括：新型傳感器及數采設備的研制與開發；數據無線傳輸技術研究；信號分析、處理及數據挖掘技術研究；傳感器的優化布設研究；結構損傷識別理論研究；結構健康狀態評估技術研究結構網絡化運營管理及養修決策技術研究。1383.目前國內外的研究現狀3.2結構健康監測技術研究內容43.目前國內外的研究現狀3.3理論研究狀況

涌現了大量的研究論文，研究內容包括：智能傳感器、多功能采集儀、傳感器的優化布置、信號無線傳輸技術、結構損傷識別方法、健康狀態評估及橋梁生命周期管理養護等。

舉辦了許多以結構健康監測為主題的國際會議，比如：國際健康監測研討會（InternationalWorkshoponStructuralHealthMonitoring)；歐洲健康監測研討會（EuropeanWorkshoponStructuralHealthMonitoring)；新型結構健康監測研討會（InternationalWorkshoponStructuralHealthMonitoringofInnovativeStructure)；智能結構與健康監測會議（InternationalConferenceonStructuralHealthMonitoringandIntelligentInfrastructure)。1393.目前國內外的研究現狀3.3理論研究狀況413.目前國內外的研究現狀3.3理論研究狀況

另外，其它會議也有橋梁健康監測技術專題，如：國際模態會議（InternationalModalAnalysisConference)；歐洲智能結構與材料會議（EuropeanConferenceonSmartStructures&Materials)；國際結構控制會議（WorldConferenceonStructuralControl).

國內也舉辦過多次有關的會議。1403.目前國內外的研究現狀3.3理論研究狀況42141433.目前國內外的研究現狀3.4工程應用情況日本明石海峽大橋1423.目前國內外的研究現狀3.4工程應用情況日本明石海峽大日本南備贊瀨戶大橋（公鐵兩用）143日本南備贊瀨戶大橋（公鐵兩用）45丹麥大貝爾特橋144丹麥大貝爾特橋4614547江陰長江大橋146江陰長江大橋48南京長江大橋

147南京長江大橋49蕪湖長江大橋

148蕪湖長江大橋50鄭州黃河大橋

149鄭州黃河大橋51山東濱州黃河大橋150山東濱州黃河大橋52重慶大佛寺長江大橋151重慶大佛寺長江大橋53潤揚大橋152潤揚大橋54杭州錢塘江四橋153杭州錢塘江四橋55蘇通大橋（斜拉橋主孔跨度1088米）154蘇通大橋（斜拉橋主孔跨度1088米）56武漢長江大橋155武漢長江大橋57香港昂船洲大橋（主跨1018米）將要建立的橋梁健康監測系統：156香港昂船洲大橋（主跨1018米）將要建立的橋梁健康監測系統15759

南京大勝關長江大橋橋身全長9.273km，主跨336m，名列世界同類高速鐵路橋之首，“工程量大、跨度大、荷載大、速度高”，世界第一座6線鐵路橋。158南京大勝關長江大橋橋身全長9.273km

武漢天興洲長江大橋正橋全長4657米，主跨504米，大橋路面鋪設4條鐵路線，是我國首座四線公路鐵路兩用斜拉橋，創下了跨度、荷載、速度、寬度4項世界第一。

159武漢天興洲長江大橋正橋全長4657米，主跨5九江長江大橋

160九江長江大橋62河北省宣大高速公路海爾洼大橋（跨徑138m）161河北省宣大高速公路海爾洼大橋（跨徑138m）63京張高速公路官廳湖橋（65＋10×110＋65m）

162京張高速公路官廳湖橋（65＋10×110＋65m）644.今后的發展趨勢4.1目前橋梁健康監測系統存在的問題監測系統設計缺乏統一的標準和規范；傳感器選型及優化布設的合理性有待商榷；監測系統本身軟硬件的耐久性、長期穩定性難以保證；環境影響和測量噪聲難以消除；測量數據的不完備性，給數據分析帶來困難；海量監測數據的處理困難，容易淹沒真實有用的信息；結構損傷識別方法還處在理論研究和實驗室應用階段；結構健康狀態評價理論尚不完善；相關子系統的有機結合和協調統一有待加強。1634.今后的發展趨勢4.1目前橋梁健康監測系統存在的問題64.今后的發展趨勢4.2主要發展趨勢逐步建立和完善統一的橋梁健康監測系統設計標準和規范；研制開發適合野外長期監測的硬件設備和軟件系統，保證監測系統本身性能長期穩定、可靠，壽命長；進一步完善橋梁監測信號處理技術和方法，提高監測數據的可靠性；逐步完善結構損傷識別方法和健康狀態評價理論，并使之盡快投入實際的工程應用。1644.今后的發展趨勢4.2主要發展趨勢665.工程應用實例5.1蕪湖長江大橋長期監測、安全評估及報警系統1655.工程應用實例5.1蕪湖長江大橋長期監測、安全評估及報5.1.1引言蕪湖長江大橋是一座公、鐵兩用的特大橋梁，是我國橋梁建設史上的標志性工程，它采用了28項當今橋梁工程建設的最新技術，代表了我國當代橋梁設計和建造的最高水平。為了跟蹤世界科技前沿，保持蕪湖長江大橋的科技領先水平，確保大橋的運營安全及結構的可靠性，為大橋的養護、維修及科學管理提供依據，并為改進和完善新型橋梁結構的設計理論、修改設計規范提供實測參考數據，經鐵道部科技司批準，進行立項研究。1665.1.1引言蕪湖長江大橋是一座公、鐵兩用5.1.2監測系統簡介

蕪湖長江大橋長期健康監測系統主要由傳感器、數據采集、數據傳輸、數據處理、安全評估和信息顯示系統等組成。⑴監測系統總體目標為：獲取結構特征信息，實時掌握橋梁結構的健康狀態；監測橋梁結構的整體性能和關鍵部位的局部損傷，為結構維修提供依據；評價大橋承受動、靜載的能力和結構可靠性，為運營決策與管理提供依據；驗證和修正橋梁設計方法，為規范的修改提供依據。

1675.1.2監測系統簡介蕪湖長江大橋長期健康監測系統⑵監測系統（小集中分散數據采集方式）通信網絡示意圖數采系統傳感系統橋下控制室傳輸光纜橋上7＃墩采集站授權用戶終端交換機測站1測站2測站n數據處理與控制系統狀態評價系統168⑵監測系統（小集中分散數據采集方式）通信網絡示意圖數采系統斜拉橋部分10#墩（1＃測站）10－11＃墩跨中（3＃測站）11#墩（2＃測站）29#墩（軸重監測站）蕪湖長江大橋長期健康監測系統拓撲結構示意圖演示廳機房控制室數據庫服務器數據采集監測服務器數據查詢服務器示波器頁面瀏覽器數據管理器頁面瀏覽器示波器數據查詢報警與事件日志大顯示屏集線器演示電腦筆記本電腦投影儀大投影9＃墩測站（網絡數采儀）8＃墩測站（網絡數采儀）5＃墩測站（網絡數采儀）6－7＃墩跨中測站（網絡數采儀）6＃墩測站（網絡數采儀）7＃墩（橋上采集總站）交換機、網絡數采儀連續梁部分169斜拉橋部分蕪湖長江大橋長期健康監測系統拓撲結構示意圖演示廳機⑶系統的監測內容有：①橋梁工作環境信息：主要包括列車速度、軸重、軸距、軸數及列車進出橋時間、環境溫度、梁體斷面溫度梯度及各應變測點的溫度；②結構性能響應信息：主要包括關鍵主桁桿件及鐵路縱橫梁應力、梁體跨中撓度及梁端縱向位移、梁體和墩頂橫向振動、豎向振動及加速度；③列車行車安全信息：主要包括脫軌系數和輪重減載率等。測點總數為219個170⑶系統的監測內容有：72

主要包括列車荷載、速度、溫度、應變、振動、撓度、位移等多種傳感器及相應的信號放大與接口裝置。⑷傳感器

車速傳感器振動傳感器應變傳感器光纖應變傳感器171主要包括列車荷載、速度、溫度、應變、振動、撓度5.1.3監測數采系統特點

1）無人值守，意外停機后自動上電、自動恢復運行。2)各項工作參數可遠程設置，工作狀態可遠程診斷。3)數據傳輸迅速、準確可靠。1725.1.3監測數采系統特點1）無人值守，意外停機后自動上5.1.4數采系統的設計與開發

利用LabVIEW設計了一套具有自動采集、遠程監測等功能的網絡化監測系統。

實時顯示列車車況；實時顯示時程曲線、最大值等；實時報警；監測數據自動入庫。⑴系統實現的功能：1735.1.4數采系統的設計與開發利用LabVIEW⑵監測數采界面

數采包括8項內容：

列車信息上游橫向動位移豎向動位移墩頂橫向動位移梁端縱向位移主桁桿應力波形加速度動撓度邊采邊顯主界面174⑵監測數采界面數采包括8項內容：邊采邊顯主界面76應變波形撓度波形加速度⑶邊采邊顯主面板175應變波形撓度波形加速度⑶邊采邊顯主面板775.1.5數采軟件的主要特色

該數采軟件技術起點高，源程序思路清晰、邏輯關系及流程形象直觀、易讀、易改、可移植性好、軟件開發周期短；監測數據的顯示刷新速度快，波形生動、形象、逼真，數據處理方便、快捷。5.1.6數據庫查詢功能能進行特征數和時程曲線的查詢能對大橋健康狀態進行初步判斷1765.1.5數采軟件的主要特色該數采軟件技術起點高數據查詢界面進入數據查詢系統后，按照已設定的查詢內容和查詢功能，用戶根據自己要求，按逐級選擇下拉菜單方式查詢所需要的數據和分析結果，并以適當的圖表形式給出查詢的結果。數據查詢下拉菜單數據查詢主界面177數據查詢界面進入數據查詢系統后，按照已設定的查詢內容數據查詢功能

在數據查詢過程中，用戶可根據需要進行必要的數據分析，主要包括時域顯示、波形的縱、橫向放大與縮小、波形移動、數據回放、找最大值及波形打印等。時域顯示過程中還可同頁顯示兩個通道或多通道時域波形。數據查詢界面橫向振動時程曲線橫向振動時程曲線細化橫向振動時程曲線同頁顯示178數據查詢功能在數據查詢過程中，用戶可根據需要主桁桿件應力時程曲線同頁顯示主桁桿件應力時程曲線

撓度波形時程曲線撓度波形對比圖179主桁桿件應力時程曲線同頁顯示主桁桿件應力時程曲線撓度波形時5.1.7橋梁結構健康狀態評估系統橋梁結構健康狀態評估的預測函數：⑴橋梁結構健康狀態評估方法：⑵⑶⑷

基于準靜態識別理論，利用統計對比診斷法，建立了一種實用性強、能考慮多種影響因素的橋梁結構整體性能評估方法。111210987541月份0362梁端縱向位移mm604020梁端縱向位移隨時間變化曲線1805.1.7橋梁結構健康狀態評估系統橋梁結構健康狀態評估的預監控室181監控室835.2鄭州黃河大橋振動遠程監測和預報系統

鄭州黃河大橋是一座服役近50年的老橋，是我國最繁忙的京廣鐵路線上跨越黃河的咽喉要道。1825.2鄭州黃河大橋振動遠程監測和預報系統鄭5.2.1引言鄭州黃河大橋1960年竣工，其上部結構為142孔上承式鋼板梁（上、下行各71孔），兩片主梁之間的中心距為2.0m，梁高3.28m；下部結構為樁基墩臺（共72個），基礎