长期挠度健康监测系统研究

・３１８・　第３３卷第２９期　２　０　０　７年１　０月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨｎ　（　ＵＲＥ　Ｖ０１．３３　Ｎｏ．２９　Ｏｃｔ．２００７　文章编号：１００９　６８２５｛２００７｝２９　０３１８　０２　长期挠度健康监测系统研究　雷　剑　宋炜玮　刘佳昌　摘要：通过对桥梁结构健康监测和评估研究现状的简单评述，讨论了结构健康监测和状态评估中的关键理论与技术问　题，并从桥梁工程发展的角度探讨了大型桥梁监测系统设计的有关问题，以期为监测系统的开发提供借鉴。　关键词：挠度，健康监测，优化分析　中图分类号￣Ｕ４４６　文献标识码：Ａ　移变形状态并进行分析，从而为总体评估桥梁的承载能力、营运　基于结构系统识别、振动理论、振动测试技术、信号采集与分　状态和耐久能力提供依据。常用的位移变形监测方法有导线测　观测水平位移）、几何水准法（观测竖向位移）、ＧＰＳ测定三维　析等跨学科技术的试验模态分析法，国内外目前在桥梁健康监测　量（１　目前国内外研究现状　领域的试验与研究中取得的进展有以下几个方面：　１）通过强迫振动试验，能够分析模态参数对结构局部变化的　反应。２）在车重、车速、路面及支承对桥梁模态参数的影响方面　有深入的认识及理论上的依据，证明了用环境振动法进行桥梁自　动检测的可行性。３）对使用于桥梁监测的结构状态敏感参数积　累了理论认识和试验基础。４）在一定程度上能够利用测试的数　位移量法、自动极坐标实时差分测量法（ＡＴＲ自动监测系统）和光　电测距（ＥＤＭ）的方法。光电测距方法主要是通过布置在梁上的　菱镜与测量用的全站仪配合使用，形成光载波通信系统　利用全　站仪的红外激光探测功能，对菱镜进行连续监测，测量每个菱镜　与全站仪的相对角度和距离，经过系统计算，确定梁的外型和移　动情况。这种方法使用费用低廉，可行性较强。　结构建模、模型修正和参数识别在内的结构模拟过程是结构　据进行计算模型的修正。５）开发了各种基于频率、振型、振型曲　健康监测、损伤检测和结构状态评估的主要环节。以结构健康监　率、应变振型等改变量的损伤检测和定位技术，在处理方法上探　测和状态评估为目的的有限元模型，就需要比较精细的有限元模　寻了ＭＡＣ（模态保证标准）法、Ｃ（　（坐标模态保证标准）法、　型来得到准确的计算分析结果，否则达不到结构健康监测和状态　柔度矩阵法、矩阵振动修正法、非线性迭代法以及神经网络法等。　评估的目标。通常模型修正过程如图１所示。　长安大学在大跨径桥梁健康监测的相关概念、系统设计以及　现阶段采用的主要健康监测方法的研究基础上，对大跨径悬索桥　梁的健康监测及评估做了较为深入的研究。　依犊于特定条件　塑：竺　壅竺　墨　特定性信息　结构识别和模　型验证过程　依赖于建模所用　的假设及理论　一般性信息　２研究目的　１）持续提供可靠的、定量的与结构状态和响应相关的信息，　实时反映桥梁工作环境和荷载的变化状况，为桥梁运营管理和维　护决策者提供超载和损伤的警告信息。　梁的基本状况。　原始实　测响应　识别后的　模型响应　未经验证　的模型　图１　模型修正过程示意圈　　２）识别设计和建造中的各种缺陷、劣化和损伤，实时反映桥　３．２技术路线（见图２）３）评估损伤对结构承载能力和可靠性的影响，对桥梁结构的　承载能力以及将来可能出现的交通量增长、强风大雨、超重车辆　等动力荷载作用下结构的可能响应和安全性做出客观预测和评　价。　４）通过长期监测对桥梁进行设计验证，同时积累桥梁维修养　护及管理的经验，研究更加具有针对性及更为合理的维修养护策略。　数据处理　及数据库　管理系统　传感器及　数据采集　传输系统　实时、在线、多传　感器分布的测　试，大容量、多类　型数据的采集、　传输和处理　持续提供可靠的定　量的与结构状态和　响应相关的信息　ｌ长期的测试数　ｌ识别设计和建造中　ｌ据和复杂观测　Ｊ的备种块路、劣化和　ｌ结果的管理和　损伤　利用　●。＿　‘。－。。。。。。。。。●●　－●－。。。。。。。。。。●●。＿●●●一　西　丽　譬鏊理’可视化ｆ　—评估损伤对结构承　载能力和可靠性的　影响　３研究方法及技术路线　３．１研究方法　桥梁挠度测量是桥梁监测的重要组成部分，是桥梁安全性评　价的一项重要指标。桥梁的挠度与桥梁的承载能力及抵御地震　ｌ为结构运营和维傍　．ｆ决策者提供超载粕　Ｉ损伤的警告信息　等动荷载的能力有密切的关系。因此，桥梁挠度测量方法的研究　和仪器设备的开发研制对于桥梁健康监测有着重要的意义。　挠度监测是利用测量手段，对桥梁各控制断面的位移变形进　行监测，并通过结构建模、模型修正和参数识别在内的结构模拟　过程绘编相应的位移变形影响线和影响面以检测各控制部位位　收稿日期－．２００７．０５　１１　信息查询ｌ　Ｉ统计分析　－ｊ　ｌ鲞塑选壁Ｉ　ｌ鉴查　堡ｌ　Ｉ　董堡堡Ｊ　Ｉ窒旦星　图２技术路线　４结语　桥梁结构健康监测不只是传统的桥梁检测技术的简单改进，　作者简介：雷剑（１９８０一），男，助教，长安大学应用技术学院，陕西西安７１００５４　７１００００　７１００５４　宋炜玮（１９８０．），女，助理工程师，中国地质总局遥感测绘局，陕西西安刘佳昌（１９８２．），男，长安大学公路学院硕士研究生，陕西西安维普资讯 http://www.cqvip.com

２　０　０　７年１　０月　第３３卷第２９期　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥ　Ｈ限Ｅ　ＶｏＩ＿３３　Ｎｏ．２９　Ｏｃｔ．２００７　・３１９・　文章编号：１００９—６８２５｛２００７｝２９—０３１９—０２　桥梁结构疲劳性能分析与疲劳设计方法研究　方　勇　摘要：分析总结了桥梁结构的正截面和斜截面疲劳性能，在此基础上，提出了预应力钢筋混凝土桥梁结构受弯构件正　截面和斜截面的疲劳验算方法，并给出构件中混凝土和钢筋的疲劳强度容许值，研究结论可为桥梁结构的疲劳设计、验　算提供参考建议。　关键词：桥梁，疲劳，设计，混凝土　中图分类号：Ｕ４４１．４　文献标识码：Ａ　许多工程结构，如吊车梁、铁路或公路桥梁、铁路轨枕、海洋　类结构必须进行疲劳验算。过去，由于承受重复荷载的混凝土结　４）在多次重复荷载作用下，梁受压区的极限压应变与静载时　采油平台等都会由于长期承受重复荷载而导致疲劳破坏，对这一　的极限压应变接近。　５）受弯构件正截面疲劳验算时，受压区混凝土的法向应力图　　构都是按容许应力方法设计的，而且容许应力取值比较低，因此　形可取三角形。疲劳问题并不十分突出。但随着结构向轻质、高强方向发展，设　６）对钢筋混凝土构件和允许开裂的预应力混凝土构件，不考　计理论也采用了能充分利用材料强度的极限状态设计理论，使得　虑受拉区混凝土的抗拉强度，拉力全部由钢筋承担。对要求不出　许多构件处于高应力状态下工作，应力水平越高，疲劳破坏的可　现裂缝的预应力混凝土构件，受拉区混凝土的法向应力图形可取　能性就越大。所以疲劳验算已成为承受重复荷载的混凝土结构　三角形。　设计中不可忽视的问题。　１　桥梁结构的正截面和斜截面疲劳性能　１．１正截面疲劳性能　受弯构件的正截面疲劳具有以下特点［３］：　７）在疲劳验算中，荷载取用标准值。　８）疲劳验算时，可采用换算截面进行计算。换算时取用普通　钢筋或预应力钢筋与混凝土两者的弹性模量的比值。　１．２斜截面疲劳性能　总结各个斜截面疲劳试验结果，可归纳出对于斜截面疲劳，　１）对钢筋混凝土受弯构件，当截面纵向钢筋的配筋率不是很　有如下特点ｌ４　Ｊ：　大，不超过疲劳最大配筋率时，在重复荷载作用下，截面的受压混　１）对无腹筋梁，在荷载重复次数不多时，裂缝的形态已基本　凝土一般不会先于受拉钢筋发生疲劳破坏。　形成。在临界斜裂缝出现前，裂缝的延伸很小。在临界斜裂缝形　２）对预应力混凝土受弯构件，如能保证在多次重复荷载作用　无腹筋梁所能抵抗的荷载重复次数无法预测。因此，对无　下不出现裂缝，则构件不会发生疲劳破坏，即所谓的“不裂不疲”。　成后，腹筋梁，其承载力以临界斜裂缝的出现为准，临界斜裂缝出现后　３）应变的平截面假定，无论静载还是多次重复加载，都可适　的继续加载次数不予考虑。　用。　而且是运用现代传感与通信技术，实时监测桥梁运营阶段在各种　物力和财力，滞后于桥梁建设与发展的综合监测及评估手段，使　环境条件下的结构响应与行为，获取反映结构状况和环境因素的　桥梁管理层和决策层无法对其整体使用性能做出客观准确的评　各种信息，由此分析结构健康状态、评估结构的可靠性，为桥梁的　估，因此也无法采用低成本、高效益的维修养护方法。在这种形　管理与维护决策提供科学依据。同时，大型桥梁结构健康监测对　势下，建立与之相适应、相匹配的桥梁健康监测与评估系统，成为　于验证、改进结构设计理论与方法、开发与实现各种结构控制技　桥梁界研究的热点之一，具有极为重要的意义。　术以及深入研究大型桥梁结构的未知问题具有重要意义。因此，　参考文献：　健康监测为桥梁工程的发展开辟了新的空间。大型桥梁健康监　［１］李兆霞，李爱群，陈鸿天，等．大跨桥梁结构以健康监测和状态　测的结构状态评估、设计验证和研究与发展三方面的意义反映了　评估为目标的有限元模拟［Ｊ］．东南大学学报（自然科学版），　从事桥梁维护管理、设计咨询和理论研究不同领域人员所关注的　则，此外，监测系统的设计应通过布点优化分析，并且考虑系统实　２００３，３３（５）：４０—４１．　问题。监测系统的设计应以功能要求和效益成本分析为基本准　［２］付军，严新平，刘胜春，等．基于木桶理论的桥梁健康监测系　统研究［Ｊ］．现代交通技术，２００５（２）：８８—８９．　施中的通信问题。而建造和维护大型桥梁需要耗费大量的人力、　Ｌｏｎｇ．－ｔｅｒｍ　ｄｅｆｅｃｔｉｏｎ　ｎｏｒｍａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ＬＥＩ　Ｊｉａｎ　ＳＯＮＧ　Ｗｅｉ－ｗｅｉ　ＬＩＵ　Ｊｉａ－ｃｈａｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅ　ｓｉｍｐｌｅｃｏｍｍｅｎｔｏｆｔｈｅｂｒｉｄｇｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｎｏｒｍａｌｍｏｎｉｔｏｒ　ａｎｄｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｇｃｎｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅ　ａｐｐｒａｉｓａｌ　ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｉｔｄｉｓ—　ｃｕｓｓｅｓｔｈｅｋｅｙｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎｄｔｅｃｈｎｉｃａｌｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｎｏｒｍａｌｍｏｎｉｔｏｒａｎｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ａｐｐｒａｉｓａｌ，ａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｒｅｌａｔｅｄｐｒｏｂｌｅｒｍｉｎｔｈｅ　ｌａｒｇｅ－￣ａｌｅ　ｒｒＫ￣ｔｏｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｂ￣ｄｇｅ　ｐｍｉｅｃｔ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈ砌ｓｕｐｐｌｙ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｏ　ｔｔｈｅ　ｍｏｍｔｏｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｅｆｃｔｅｉｏｎ，ｎｏｒｍａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒ，ｍａｊｏｒｉｚａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　收稿日期：２００７—０４—２９　作者简介：方勇（１９７３一），男，工程师，神华集团股份有限公司货车分公司车辆段，陕西神木７１９３１６