工程结构健康监测与诊断* 名： * *指 导教 师： 学 号： 专 业：沈 圣170527005建筑与土木工程琅岐大桥结构健康监测系统初步设计方案目录1 桥梁健康监测的必要性 (3)2琅岐闽江大桥工程概况 (5)3系统设计原则与功能目标 (9)3.1 系统设计依据 (9)3.2 系统设计原则 (10)3.3 功能目标 (11)4 健康监测系统方案设计 (11)4.1 传感器子系统 (11)4.1.1 环境监测 (12)4.1.2 视频监测系统 (12)4.1.3 结构变形监测 (13)4.1.4 应变(应力)及温度场监测 (14)4.1.5 斜拉索索力监测 (15)4.1.6 结构动力性能监测 (15)4.1.7 监测传感器统计 (16)4.2 数据采集系统 (17)4.2.1 数据采集系统设计 (17)4.2.2 数据采集系统硬件系统 (18)4.3 数据传输系统 (19)4.4 监测数据分析与结构安全评定及预警子系统 (19)4.5 健康监测网络化集成技术和用户界面子系统 (21)4.6 中心数据库子系统 (21)4.7 系统后期维护、升级和服务等要求 (21)4.8 施工注意事项 (22)4.9 其它 (22)1桥梁健康监测的必要性由于气候、环境等自然因素的作用和日益增加的交通流量及重车、超重车过桥数量的不断增加，大跨度桥梁结构随着桥龄的不断增长，结构的安全性和使用性能必然发生退化。

自1940年美国Tacoma悬索桥发生风毁事故以后，桥梁结构安全监测的重要性就引起人们的注意。

但是受科技水平的限制和人们对自然认识的局限性，早期的监测手段比较落后，在工程应用上一直没有得到很好的发展。

20世纪80年代以来，在北美、欧洲和亚洲的一些国家和地区，相继发生了桥梁结构的突然性断裂事件，这些灾难性事故不仅引起了公众舆论的严重关注，也造成国家财产的严重损失，威胁到人民生命安全。

国外从20世纪80年代中后期开始建立各种规模的桥梁健康监测系统。

例如，英国在总长522m米的三跨变高度连续钢箱梁桥Foyle桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风荷载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场。

国外建立健康监测的典型桥梁还有英国主跨194m米的Flintshire独塔斜拉桥、日本主跨为1991m米的明石海峡大桥和主跨1100m的南备赞濑户大桥、丹麦主跨1624m的Great Belt East悬索桥、挪威主跨为530m的Skarnsunder斜拉桥、美国主跨为440m 的Sunshine Skyway Bridge斜拉桥以及加拿大的Confederatio Bridge桥。

中国自20世纪90年代起也在一些大型重要桥梁上建立了不同规模的长期监测系统，如香港的Lantau Fixed Crossing和青马大桥、内地的虎门大桥、徐浦大桥，江阴长江大桥等在施工阶段已安装健康监测用的传感设备，以备运营期间的实时监测。

导致桥梁结构发生破坏和功能退化的原因是多方面的，有些桥梁的破坏是人为因素造成的，但大多数桥梁的破坏和功能退化是自然因素造成的。

自然原因中，循环荷载作用下的裂缝失稳扩展是造成许多桥梁结构发生灾难性事故的主要原因。

近年来，国内发生的几起大桥坍塌或局部破坏事故在很大程度上是由于构件疲劳和监测养护措施不足，从而严重影响构件的承重能力和结构的使用，进而发生事故。

理论研究和经验都表明，成桥后的结构状态识别和桥梁运营过程中的损伤检测，预警及适时维修，有助于从根本上消除隐患及避免灾难性事故的发生。

现代大跨桥梁设计方向是更长、更轻柔化、结构形式和功能日趋复杂化。

虽然在设计阶段已经进行了结构性能模拟试验等科研工作，然而由于大型桥梁的力学和结构特点以及所处的特定气候环境，要在设计阶段完全掌握和预测结构在各种复杂环境和运营条件下的结构特性和行为是非常困难的。

为确保桥梁结构的结构安全、实施经济合理的维修计划、实现安全经济的运行及查明不可接受的响应原因，建立大跨桥梁结构健康监测系统是非常必要的。

通过健康监测发现桥梁早期的病害，能大大节约桥梁的维修费用，避免出现因频繁大修而关闭交通所引起的重大经济损失。

桥梁健康监测就是通过对桥梁结构进行无损检测，实时监控结构的整体行为，对结构的损伤位置和程度进行诊断，对桥梁的服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行智能评估，为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，为桥梁的维修、养护与管理决策提供依据和指导。

安装结构健康监测系统是提高桥梁的养护管理水平，保证桥梁安全运营的高效技术手段。

特别值得一提的是，桥梁的健康监测和施工监控系统均是通过检测和监测手段，测试桥梁结构的内力、变形、环境和荷载，因此，它们在传感器系统、数据传输系统和数据采集系统都具有很大的共享性和重复性。

此外，两个阶段在时间顺序上具有衔接性，施工监控阶段的监测数据是健康监测阶段的基础。

为了节约资源、降低工程造价，应充分发挥两个系统的共享性，对上述两个系统进行统筹规划和实施，即采取统一设计、统一施工和统一管理的方式，以实现海河大桥的健康监测和施工监控两位一体的工程实施。

2琅岐闽江大桥工程概况福州琅岐闽江大桥见图1。

该桥为双塔七跨连续半漂浮体系钢箱梁斜拉桥，主桥全长1280m，主跨680m ，起止里程K3+023.000 ～K4+303.000，跨径布置为（60＋90＋150＋680＋150＋90＋60）m，墩号0～7 号，除亭江侧0～2 号桥墩位于岸上外，其余各墩均位于水中。

该桥在两岸各设引桥一座。

琅歧侧引桥由水中引桥与岸上引桥两部分组成。

水中引桥为60m跨径的等高度预应力混凝土连续梁桥，整幅布置，共一联9孔，全长540m。

岸上引桥为45m跨径的等高度预应力混凝土连续梁桥，整幅布置，共两联11（＝6+5）孔，全长495m。

引桥桥面宽25.5m，设双向2％横坡。

主梁采用等高度预应力混凝土连续箱梁，单箱双室结构，梁高 2.6m；墩身为空心板式结构，基础采用钻孔灌注桩。

各墩顶竖向均设有隔震支座。

该桥设计基准期100 年，大桥主线按双向四车道一级公路同时兼具城市I 级主干道标准进行设计，桥梁横断面两侧各布置3.5米紧急停车带（远期可以改为双向六车道），主桥的桥面宽28.7米，引桥桥面宽25.5米。

设计行车速度60 公里/小时,设计荷载等级为公路—Ⅰ级，工程场地50 年超越概率10%、4%和100 年超越概率10%、4%的基岩水平峰值加速度分别为34gal、66gal 和93gal、138gal；而100年超越概率4%的地表面水平峰值加速度为152gal。

亭江琅岐 图1 琅岐闽江大桥桥型总体布置图本桥主梁采用的支承体系为：桥塔处采用竖向支撑体系。

主梁塔处设置两个活动支座，横向设置抗风支座，约束竖向及水平位移；在塔处设置纵向阻尼装置。

辅助墩及边墩均设置竖向支座，并设置横向抗风支座。

琅岐闽江大桥主桥采用半漂浮体系，索塔处设竖向支座和横向抗风支座。

由于本桥地震荷载较大，因此塔梁间设8台纵向阻尼限位装置，过渡墩和辅助墩设横桥向阻尼限位装置。

图 2 支承体系示意图主桥的钢箱梁长1280米，钢箱梁全宽30.6米，桥面宽28.7米，顶面设2%的横坡，两侧配有风嘴，桥梁中线处梁高3.50米，呈流线型闭合式横截面，能减小该地区强大的风荷载阻力。

钢箱梁采用流线型扁平整体钢箱，单箱三室结构。

箱梁顶板厚16mm ，在拉索锚固区局部加厚至24mm ，底板厚12mm ，在主塔附近及边跨压重区局部加厚至16mm ；顶板U 肋高280mm ，板厚8mm ，间距600mm ；底板U 肋高210mm ，板厚6mm ，间距720mm 。

箱内设内、外腹板各两道，两道外腹板间距27.4m ，板厚24mm ，两道内腹板间距11.96m ，板厚12mm 。

采用单箱三室结构以增强钢箱梁的刚度并保证钢梁制造时横断面的几何形状和钢梁节段安装时能准确定位。

横隔板纵桥向间距3m，拉索断面及压重区段为实腹式横隔板，其余断面为空腹式横隔板。

钢箱梁材质采用Q370qD钢。

图3钢箱梁标准横断面本桥斜拉索设计采用平行钢绞线拉索。

斜拉索上端分别锚固于塔柱上，下端锚固于主梁锚拉板上，全桥共168根索。

根据受力大小共分八类，钢绞线股数分别为27、31、37、43、49、55六种类型。

斜拉索梁上锚固采用锚拉板形式。

塔上锚固采用预应力锚固形式。

图 4 锚拉板示意图主塔为钢筋混凝土结构，分别由下、中、上塔柱及下横梁四部分组成。

塔高（从塔座顶面算起，不含塔顶装饰段）为196m，主塔在纵向宽度为8m～13m；塔座高为3m。

下塔柱高48.6m，横桥向宽6m～10m，采用单箱双室截面；中塔柱高67.4m，横桥向等宽6m，采用单箱单室截面；上塔柱高80m，横桥向宽4m～6m，采用单箱单室截面，两塔柱在顶端微合,中间刻槽修饰。

塔顶以灯塔形式装饰。

主塔采用C50级混凝土。

主塔正立面主塔侧立面按《安评报告》，拟建场地位于福州闽江入海口，拟建大桥北岸位于马尾亭江镇英屿村104国道旁，南岸位于琅歧岛西面，在琅歧轮渡南侧约800米的位置。

场地地貌单元主要为海积平原地貌，工程地质分区为淤积冲积区。

根据福州市勘测院《福州琅歧－亭江大桥工程预可阶段岩土工程勘察报告》，两岸桥台在勘察控制深度范围内地基土层为杂填、冲淤积成因类型，基底为花岗岩。

场地岩土层按其成因、力学强度不同划分工程地质层，场地各岩土层自上而下分别为：①杂填土、②粘土、③淤泥、④淤泥质土、⑤含泥粉砂、⑥粘土、⑦卵石、⑧淤泥质土、⑨粉质粘土、⑩淤泥质土、⑾粗砂、⑿卵石、⒀残积砂质粘性土、⒁-1强风化花岗岩（砂土状）、⒁-2强风化花岗岩（碎块状）、⒂中～微风化花岗岩。

依据《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/TB02-01-2008）的规定，桥梁工程场地类别的划分，应以土层平均剪切波速和场地覆盖层厚度为准。

依场地各土层的类型、当地经验，估计的各土层剪切波速，可得琅岐闽江大桥MCK2、MCK4、MCK5、MCK6孔覆盖层厚度在（Vs＜500m/s）36.4-79.4m之间，其有效剪切波速值Vse 在109-192m/s之间，如表2-1所示，依据表2-2确定其桥梁工程场地类别为Ⅲ类（表2-3）。

本桥为A类抗震设防桥梁，工程场地地震动峰值加速度位于0.05g分区，对应的地震基本烈度为Ⅵ度，100年超越概率4%（E2水准）地表面水平地震动加速度峰值为152gal，按VII度设防。

表-1 各孔覆盖层厚度与平均剪切波速值Vse表2 桥梁工程场地类别（m）表-3 大桥工程场地类别评判结果表3系统设计原则与功能目标3.1系统设计依据(1) "关于市政公路大型桥梁健康监测系统建设和管理工作的批复"，福州市建设管理委员会建城[2009]934号(2) “关于转发市建委《关于市政公路大型桥梁健康监测系统建设和管理工作的批复》的通知”，福州市市政公路管理局，管[2009]459号(3) 《福州市桥梁健康监测系统技术指南》，福州市市政公路管理局，2009.9(4) 《福州市桥梁健康监测系统建设与管理办法》，福州市市政公路管理局，2009.9(5) 福州市琅岐大桥设计图纸中铁大桥勘测设计研究院(6) 《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004(7) 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62-2004(8) 《公路斜拉桥设计规范（试行）》JTJ 027-96(9) 《工程测量规范》GB 50026 - 93(10) 《工程振动测量仪器和测试技术标准》中国计量出版社，1999(11) 《电气装置安装工程电缆路施工及验收规范》GB50168-1992(12) 《建筑与建筑群综合布线系统工程设计及验收规范》GB/T50311-12(13) 《建筑电气安装工程质量检验评定标准》GBJ 303-883.2系统设计原则琅岐大桥健康监测系统工程设计原则是：(1) 结合桥梁结构的设计、施工和运营的具体特点和实际情况，遵循适用、经济、长期、高效的原则进行健康监测集成共享系统的优化设计。