大佛寺长江大桥安全监测系统研究

《大佛寺长江大桥安全监测系统研究》成果简介

1、概述

《大佛寺长江大桥安全监测系统研究》，是由重庆高速公路发展有限公司承担，同济大学、重庆大学参加完成的交通部西部交通科技项目（项目编号为：2001 318 000 73）。项目执行起止期限为2001年8月至2003年1月。项目总经费为240.8万元，其中交通部拨款150万元，重庆高速公路发展有限公司投入配套经费90.8万元。

《大佛寺长江大桥安全监测系统研究》课题的依托工程为重庆大佛寺长江大桥，该大桥是渝黔高速公路的控制性特大工程，列为国家“十五”期间的重点工程，建成后又是重庆市环城高速公路的东大门。重庆大佛寺长江大桥于1997年11月18日开工，2001年4月中旬完成主桥边跨合拢，2001年8月29日完成中跨合拢，2001年底建成通车，江泽民主席为大桥题写了桥名。大佛寺长江大桥主桥为双塔双索面全漂浮预应力混凝土（P.C.）斜拉桥，主跨为450米，边跨为198米，主塔

结构形式为花瓶型，北墩塔高206.68米，南墩塔高200.38米，桥面以上高度均为164.68米；桥面纵坡为5‰，主桥中央设置R=12000米的竖曲线，桥面宽30.6米，横截面为边主梁形式，设置1.5%的横坡，主梁梁高为2.7米，标准段边主梁宽度为1.8米、梁上索距为8.1米，每一索距间设两道横梁；斜拉索布置为半扇形平行索面，每塔有27对斜拉索，一对0号索，全桥斜拉索共220根，边跨24号至27号斜拉索锚固在边跨平衡块上。大佛寺长江大桥按高速公路标准进行设计，设计行车速度为80公里/小时；双向航道宽275.4米；设计洪水频率1/300；地震基本烈度6度，按7度设防。主桥工程总投资为二亿五千万左右，亚洲银行贷款项目。

大型桥梁是一个国家的经济命脉，桥梁的建造和维护是一个国家基础设施建设的重要组成部分，一些重要的桥梁凝聚着人类文明发展的精华。对大型桥梁进行长期结构的安全监测是近年来国内外桥梁工程界的新兴和前沿课题，也是我国桥梁界正在兴起、但还缺乏真正在大桥上全面实施实例的一个研究热点。对大型桥梁的

安全监测将有助于（1）可以合理的进行交通管理，保证生命与财产的安全。如在大风天气桥面振动过大时关闭大桥交通；（2）实现实时的结构动态反应的监测，记录大桥与环境的作用，其中包括温度、风力、湿度、空气污染、雷击等的影响；（3）记录结构运营状态的行为，为合理化维修提供建议，建立结构本身健康档案；（4）验证大桥结构设计理论，为完善设计理论和开创新的设计方法提供试验依据；（5）在突发事件（如强烈地震、意外大风或其它严重事故等）之后的剩余寿命评估等。

本研究项目的总体目标是：联合国内两所著名大学——同济大学和重庆大学，分别发挥在桥梁工程和光电监测两个技术领域里的优势，将桥梁安全评价、桥梁结构状态监测、计算机通信等方面的最新科研成果和技术，应用在大型桥梁长期结构安全监测中，并以重庆大佛寺长江大桥为依托工程，建立一套完整的长期结构安全监测示范系统，提供我国大型桥梁长期安全监测的实施实例。通过重庆大佛寺长江大桥的实践，进一步提高桥梁结构安全评价、桥梁状态监测等方面的技术，同时

保证大佛寺长江大桥结构长期运营的安全性，另外也为国内各类特大型桥梁普及长期结构安全监测开辟一条道路，因此本课题必将对我国相关研究领域产生巨大的影响和促进作用。

2、国内外研究概况

桥梁结构监测的数据处理方法最早是从机械引入的。机械、能源等系统的运行状态监测和故障诊断技术的比较早，已经有20多年的历史，许多技术现在已经十分成熟，实际应用得也很普遍。虽然机械、能源等系统和桥梁的差别比较大，但是监测和诊断的目标是一致的，所以有许多成熟的经验和技术值得我们桥梁界借鉴。要实现大型桥梁的长期安全监测，必须要有完整的桥梁状态信息、科学的安全分析评价手段，这就要求桥梁具有感觉神经与思维判断能力，前者就是能获取桥梁状态的信息采集硬件系统，后者则是数据分析评价的软件系统。而这些都是传感器技术、数据传输技术、计算机硬件.和软件技术、信号分析技术、人工智能技术、桥梁工程等多学科交叉融合的产物。图1是一个典型的桥梁的监

测系统示意图。

图 1桥梁监测系统示意图

最初美国在国内几座小规模的桥梁上进行研究和实际安装了结构监测系统（Lee 1994），参考文献介绍新墨西哥州立大学和其它两个实验室对一座废弃的公路桥进行了一系列实桥试验，以便为桥梁监测算法的研究提供一个数据库（Mayes 1995）。文献（Westermo 1995）介绍了一个安装在美国Savannah River Bridge（三跨连续钢梁桥）上的一个简单的仅仅测量应变的监测系统，目的是为了了解重卡车通过时桥的倾斜和应力。该文献还介绍了一个设计中的全自动的应变监测系统，“ARPA Bridge Monitoring Project”，要同时监测十座钢桥和混凝土桥，每座桥都有一个自动的监测系统，包括一个

嵌入式微处理器，联结信号调制器的双绞线网络，通过蜂窝电话的fax/pager/modern接口和备用电池组等。以后越来越多国家的工程师开始将研究重点转到桥梁的监测上来。如美国Vermont市内Winooski河上的几座桥全部装备了以光纤传感器为主的健康检测系统；瑞士的Versoix 桥则安装了包括100多个光纤传感器的健康监测系统；韩国在重建圣水大桥时，也配套投资研制了该桥的光纤式健康检测系统；加拿大魁北克的Portneuf Bridge桥上安装了一个用现代化仪器进行静态测量的温度和应变监测系统，该系统在后张高强预应力混凝土小跨径桥上有24个温度测点和24个应变测点，通过人工或远距离自动遥测可以获得高分辨率的数字化数据；美国佛罗里达的Sunshine Skyway Bridge桥综合监测系统，能测量施工期间和竣工后温度、应变和位移，数据可以现场测量或远程遥测，分析这些数据可以知道随时间变化的材料特性和施工过程中的结构特点；泰国的Rama IX Bridge、韩国的Namhae Bridge两座桥上安装了缩写为OASIS（On Line Alerting of Structural

Integrity and Safety）结构可靠与安全的实时报警系统，用作发现不正常的风或振动情况，并监测能表示疲劳损伤的结构动力特性，该系统的远距离实时分析和显示的计算机用导线或光纤与桥梁测试系统相连；美国纽约的Conrail Bridge桥安装了一种远距离桥梁监测系统，利用动力特性测量和模态参数分析的方法来寻找桥梁的长期退化或损伤。

对于这样一个具有巨大社会、经济效益、信息科学与建筑科学交叉的新兴学科领域，虽然我国的研究起步很晚，但有关部门极为重视，如科技部就曾将桥梁及相关建筑施工中的质量监测列入国家“攀登（B）”高科技研究计划中（1995-1999年），进行了为期五年的研究。而铁道部更进一步计划将京沪高速铁路全线建成智能铁路。我国桥梁工程界对桥梁结构监测技术进行了广泛、深入、细致和系统的基础研究，如取得了不少成果：如香港理工大学、同济大学、西南交通大学、交通科学研究院、铁道科学研究院、重庆大学等单位分别在桥梁的状态监控、安全评价、先进传感技术等方面形成了自己

的特色。如香港理工大学与香港路政署合作，投资数千万余港元，在通往香港新机场的青马、汲水门、汀九三座大桥上，研制了WASHMS安全监测系统；而香港理工大学还与清华大学合作，在广州虎门大桥开展了结构安全监测系统的研究；同济大学则为上海徐浦大桥研制了安全监测系统；铁道科学研究院、北方交通大学、石家庄铁道学院等，则已经开始针对芜湖长江大桥、秦沈铁路辽河大桥等重要铁路桥梁，开展了安全监测系统的研究。但总体而言，国内的研究还处于起步阶段，与国际水平还有较大差距。具体而言，差距体现在以下几方面：（1）到目前为止，还没有实际桥梁安全监测系统投入应用之后的具体报道；

（2）获取桥梁状态原始数据的手段还相对比较传统，测量结果的长期准确、可靠性还不甚满意，激光、光纤等多种先进传感技术、装置还几乎是空白；

（3）大多需要在中断交通的条件下，通过人工测试获取有限的数据，然后进行后续数据分析处理与安全评价；

（4）少数已有的自动监测系统在数据的通讯与网络传输等方面还比较欠缺；

（5）缺乏建立桥梁结构“病历”、“指纹”所需的长期、完整的结构状态响应数据库；

（6）各种结构安全的评价理论与方法仍然在探索中。

与机械故障诊断为机械、能源监测主要内容一样，在桥梁结构监测系统中另外一个重要的研究内容应该是所谓的“健康”诊断，对于特大规模的桥梁目前这个研究进展被阻止在如何进行结构损伤识别、制定结构健康标准等难题上，主要原因在于匮乏大桥的失效状态的数据库，尽管有各种关于采用静力和动力的方法识别结构损伤定位的研究报告，如：在动力评估方法中有位移模态法、应变法、曲率模态法、振型能量分布、阻尼比、共振频率、灵敏度矩阵等等。值得提到的是近来有相当多的报道，采用数值方法：即人工神经网络（ANN）来处理大桥结构监测数据。

3、课题研究主要技术成果

在课题的实施过程中，项目组在桥梁动、静态参量传感方面，解决了光纤应力/应变传感器系统实际应用的技术难题、提高了信息获取的长期可靠性，解决了大变形条件下实时性与精度的问题、实现了挠度/线型的长期光电自动监测及主塔侧移激光监测，解决了超低频结构振动测量的难题，实现了全桥动态参量的实时监测；解决了信息自动采集、指令和数据的远程双向传输、数据储存、处理、三维结构动态显示，完成的一套完整的桥梁安全远程网络监测系统，且系统的各个子系统互为补充，能够基本保证全面获取桥梁综合参数，具有良好的配套性。攻克了不同硬、软件子系统的系统集成及相关应用工艺等关键难题，建成了一整套完整的长期安全监测系统示范工程。有别于注重桥梁故障诊断、结构损伤识别、结构健康评价的“健康监测”等研究思想，评估研究重点在于桥梁安全性的长期监测方面，即主要通过对结构状态的长期自动监测，保证结构在设计标准下能够正常运行；同时根据结构状态变化与环境的关系，逐步制订结构自身的安全标准的数据库。上述成果中，桥

梁长期应变监测的光纤传感、主梁线型长期监测的光电挠度传感、主塔侧移长期监测的激光传感、现场长期实时动态参量传感、多项监测内容系统合成、结构按照设计规定进行安全评估和预警等多项成果，均为国内首次尝试。具体内容包含：

1)主梁关键截面应力测量的新型光纤应力/应变传感子系统：将新型单通道光纤/应力应变测量仪扩展到45通道，解决传感器与测量仪的工程化及其现场施工工艺技术，并实现长时期稳定工作；

2)主梁关键截面的温度传感子系统：解决数字测温、数据长线传输、现场安装工艺技术问题；

3)运行中主梁线形测量的光电挠度传感子系统：解决新型光电挠度传感器与连通管的组合设计问题、长线数字传输问题、现场安装工艺技术问题，并实现长时期稳定工作；

4)运行中主塔侧移测量子系统：解决新型主塔侧移激光传感器的工程化技术问题、长线数字传输问题、现场安装工艺技术，并实现长时期稳定工作；

5)环境激励下大型桥梁结构超低频率、振型的监测的传感子系统；

6)斜拉索运营过程的实时索力监测，其中包括斜拉索锈蚀后监测系统的反应与预警研究；

7)数据管理与数据库、结构指纹特征分析；

8)多参数静态数据自动采集与远程传输子系统：解决在桥梁现场恶劣工作条件下的防尘、防潮、防雷击、防电流过载、散热等技术问题、现场安装工艺技术问题，并实现长时期稳定工作；

9)开发出大型桥梁结构状态远程、长期自动监测系统相应的数据采样、储存、传输、通信（异地）与处理软件；

10)针对斜拉桥的特点，研究评估结构安全标准与预警系统的方法，采用人工神经网络确定结构安全近期与远期不同的评估标准处理方法；

11)提出大型桥梁结构状态远程自动监测系统设计规范建议。

系统经过近半年的运行考核，基本达到了原来设计

的功能目标。

4、结束语

通过完成交通部西部科研项目“大佛寺长江大桥安全监测系统研究”课题，对课题的立项、研究的必要性和重要性有了更新的深入的认识，其中一是课题具有重要的现实意义和普遍性；二是近几年随着国家开发西部的力度加大，面对交通基础设施建设突飞猛进的形势，更加显示出了西部实际需求与人才、技术匮乏之间的矛盾，通过西部地区与东部地区的科技力量结合、交通系统内部与外部结合的科技力量结合、传统交通科技与现代信息技术结合，实现了一种跨越；三是为了保证本科研项目完成后的后续使用与推广，项目承担单位重庆高速公路发展有限公司还结合重庆市桥梁安全管理体制的改革，正在酝酿成立专门的工作班子，以便统一重庆市交委所属重要桥梁的全部管理工作，负责项目的后续使用、维护、推广工作，对全国同类问题也具有借鉴意义。同时，由于时间等原因，课题还有待进一步深化和工作，如长期监测的结构数据是否会符合预先想象的规律等，

课题组希望继续一些后续研究和推广工作，使得大型结构安全监测研究课题在我国得到发展和能够解决实际问题。