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1、上海市中小桥梁安全性能上海市中小桥梁安全性能动态监测与分析系统动态监测与分析系统上海市公路管理处上海市公路管理处金山区公路管理署金山区公路管理署同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系20052005年年9 9月月1616日日汇报主要内容汇报主要内容 课题的目的和意义 系统总体结构与数据库研发 桥梁监测系统设计与研究 结构安全性能评估理论研究 系统应用实例 结论与展望 n研究的背景和目的n桥梁管理系统n桥梁动态监测系统n背景工程与研究内容 课题的目的和意义课题的目的和意义 研究的背景和目的研究的背景和目的n n研究背景桥梁是交通运输的关键节点初始缺陷、结构退化与超载导致桥梁结构承载能力降低桥梁安全
2、性能影响到人民生命财产安全桥梁管理系统、大型桥梁健康监测系统是目前桥梁管理的主要方式n n研究目的桥梁管理系统的检测和评估方法无法准确反映桥梁实际工作状态的安全性大型桥梁健康监测系统投入庞大，无法推广使用研究新型桥梁安全动态监测与分析系统桥梁管理系统桥梁管理系统动态监测系统动态监测系统桥梁安全动态监桥梁安全动态监测与分析系统测与分析系统n n桥梁管理系统（BMS）现状 桥梁管理系统桥梁管理系统美国：国家桥梁档案数据库（1968）、PONTIS系统交通部：公路桥梁管理系统（CBMS2000）同济大学桥梁工程系：杭州市城市桥梁管理系统、常州市城市桥梁管理系统 上海市公路管理处、同济大学道路与交通工
3、程系：上海市桥梁管理系统 n n目前应用的桥梁管理系统大部分为网络级管理系统，均未添加桥梁动态监测模块n n动态采集监测数据，对桥梁的整体性能进行实时监测和智能评估，为管理决策提供依据。n n主要功能：桥梁动态监测系统桥梁动态监测系统 桥梁监测数据动态采集 监测数据智能化加工处理 桥梁结构安全性综合评估n n金山区红旗港桥（梁式桥）为研究背景n n系统总体构架研究n n动态监测数据采集系统研究n n结构安全性评估理论研究 n n动态监测、综合评估系统设计与开发返回主目录 背景工程与研究内容背景工程与研究内容n系统开发思路与开发基础n系统结构设计 n数据库系统设计 系统总体结构与数据库研发系统总
4、体结构与数据库研发 n n以现有桥梁管理系统的研究成果为基础，对动态监测评估系统进行深入研究。n n桥梁管理系统开发平台的基础功能 系统开发思路与开发基础系统开发思路与开发基础 基于C/S结构、GIS平台的数据库网络系统 层次分析法、变权综合理论为基础的桥梁缺损状况评估方法 实时维修帮助系统、信息分析、报表打印等功能 系统结构设计系统结构设计 n n系统整体框架系统整体框架 n n桥梁动态监测系统框架桥梁动态监测系统框架n n设计流程 数据库系统设计数据库系统设计 服务网络结构设计服务网络结构设计用户界面设计用户界面设计数据库设计数据库设计数据库综合系统数据库综合系统n n服务网络结构 C/S
5、网络结构返回主目录n n数据库设计 MS SQL Server2000 数据库n桥梁动态监测参数n静力参数监测仪器n监测数据采集体系n传感器优化配置n简支梁传感器优化实例 桥梁监测系统设计与研究桥梁监测系统设计与研究 桥梁动态监测参数桥梁动态监测参数 n n动态监测采用结构静力参数指标动态监测采用结构静力参数指标n n静力参数监测具有静力参数监测具有稳定性高稳定性高 、可采集性强、可采集性强、经济性好经济性好等特点等特点n n选取应变、挠度作为动态监测的静力参数选取应变、挠度作为动态监测的静力参数应变监测挠度监测静力参数监测稳定性可采集性经济性 静力参数监测仪器静力参数监测仪器n n应变监测仪
6、表面式振弦应变计灵敏度1 n n挠度监测仪电容式静力水准系统测量精度10 监测数据采集体系监测数据采集体系 n n 无线采集传输系统无线传输无线传输n n传感器优化配置准则 传感器优化配置传感器优化配置 识别误差最小准则 模型缩减准则 插值拟合准则 模态应变能准则 n n本项目研究采用识别误差最小准则n n本项目研究采用遗传算法进行优化计算n n遗传算法（GA）是一种高效并行优化搜索方法，可以搜索全局最优解。n n传感器优化配置计算方法非线性规划优化方法 序列法 推断算法 随机类方法遗传算法n n设定目标函数 按照误差最小准则，按照误差最小准则，最终控制目标为控制最终控制目标为控制截面挠度截面
7、挠度f f的误差最小的误差最小 测点优化布置的目标函数为：测点优化布置的目标函数为：MM(x(x)：控制截面位置单位荷载产生弯矩：控制截面位置单位荷载产生弯矩 MM测测：测量弯矩：测量弯矩 梁桥应变测量值 截面弯矩值n n目标挠度的传递误差函数 n n优化目标函数 给定桥梁监测系统，应变测量误差给定桥梁监测系统，应变测量误差、梁底、梁底面到中性轴的距离面到中性轴的距离 为常数，优化目标函数：为常数，优化目标函数：其约束条件：其约束条件：约束条件为：约束条件为：简支梁传感器优化实例简支梁传感器优化实例n n16m跨径预应力混凝土简支梁桥，应变传感器安装在梁底，测点数目拟为5个n n考虑到结构的对
8、称性，半结构的优化目标函数为：n n非线性方程求解采用遗传算法求解n n优化最优解返回主目录n n桥梁结构评估方法n n安全评估框架模型 n n结构参数识别n n参数识别的非线性算法n n荷载水平评估n n结构状态综合评估 结构安全性能评估理论研究结构安全性能评估理论研究 n n目前已有的评估方法 桥梁结构评估方法桥梁结构评估方法基于外观调查的方法基于设计规范的方法 基于荷载试验的方法基于专家经验的评估方法专家意见调查基于结构可靠度理论的评估方法n n本研究采用基于动态监测数据的综合评估方法n n通过荷载试验进行结构参数识别n n建立接近真实结构的结构有限元分析模型 n n建立结构荷载效应之间
9、的关系 n n监测数据采集与无线传输n n对结构的工作安全性能进行综合评估 安全评估框架模型安全评估框架模型 安安全全评评估估框框架架模模型型 结构参数识别结构参数识别n n结构参数识别在桥梁结构评估中的作用通过荷载试验与结构原始模型的比较，对原始模型的参数值进行修正，从而获得与实际结构接近的结构实际模型n n结构参数识别的计算方法 参数的优化估计方法令结构静态残差列向量 的范数最小来实现。建立目标函数：min J(p)为结构静态反应误差列向量 为结构静态应变误差向量 为结构静态位移误差向量n n参数识别优化目标函数n n结构静力效应误差向量总体节点位向量：总体节点位向量：N Nf f个测量自
10、由度上计算位移向量：个测量自由度上计算位移向量：结构的位移误差向量：结构的位移误差向量：位移误差向量 总体单元应变向量：总体单元应变向量：NsNs个应变测量点上计算应变向量：个应变测量点上计算应变向量：结构的应变误差向量：结构的应变误差向量：应变误差向量 参数识别的非线性参数识别的非线性算法算法n n非线性最小二乘问题 Gauss-Newton法Levenberg-Marquardt法n nGauss-Newton法G-N法的迭代公式为灵敏度矩阵为灵敏度矩阵n n在利用G-N算法的结构参数识别过程中，可能会因为待识别参数的初始值取值不当而使得识别结果失真n nL-M方法是对G-N方法在迭代矩阵
11、奇异时的一种修正，即在G-N法迭代矩阵中添加一个阻尼项L-M法的迭代公式n nLevenberg-Marquardt法进行一连续梁结构的数值模拟计算，单元的抗弯刚度（EI）作为待识别参数n nG-N法、L-M法的识别效果待识别参数参数真值识别1识别2识别3初始值识别结果迭代次数9初始值识别结果迭代次数7初始值识别结果迭代次数13(EI)13.0e54.5e5-3.5925e1194.0e53.0318e53.5e52.7340e5(EI)23.0e54.5e53.7474e54.0e53.5377e53.5e53.0623e5(EI)36.0e59.0e56.0042e57.5e55.7604
12、e56.5e55.9700e5(EI)46.0e59.0e56.0030e57.5e55.9937e56.5e56.0142e5(EI)54.5e56.0e54.4957e55.0e54.5039e55.0e54.5018e5(EI)64.5e56.0e54.4986e55.0e54.5050e55.0e54.4954e5备注迭代到第9次后矩阵奇异，(EI)1完全失真与真值比较最大误差(EI)2达17.92最大误差(EI)1为8.87不同初始值用G-N法的识别效果待识别参数参数初始值参数真值G-N法L-M法（1e-20）L-M法（1e-19）迭代次数：9迭代次数：5迭代次数：27识别结果相对误
13、差识别结果相对误差识别结果相对误差(EI)14.5e53.0e5-3.5925e1193.1080e53.602.9119e5-2.94(EI)24.5e53.0e53.7474e524.93.3516e511.72.5893e5-13.7(EI)39.0e56.0e56.0042e50.075.9380e5-1.036.5332e58.89(EI)49.0e56.0e56.0030e50.056.1480e52.476.1822e53.04(EI)56.0e54.5e54.4957e5-0.0954.2474e5-5.614.0590e5-9.80(EI)66.0e54.5e54.4986e
14、5-0.0314.6569e53.494.8802e58.45G-N法、L-M法的收敛性比较 荷载水平评估荷载水平评估n n中小桥梁可以建立起荷载与效应关系的数学模型，以车辆荷载大小为未知量 明确问题 划分和选定有关因素 建立层次 构造各层的判断矩阵 检验判断矩阵的一致性并修正判断矩阵n n层次分析法层次分析法 （AHPAHP）是多指标综合评价的一种定量方法。它把定性因素定量化，并在一定程度上检验和减少主观影响。n n层次分析法步骤层次分析法步骤 结构状态综合评估结构状态综合评估n n底层评价指标评语底层评价指标评语检查数据：参考公路养护技术规范，对桥梁构件的状态描述进行等级划分，对检测数值按
15、百分制进行无量纲化处理 监测数据：有限元模型计算得到结构在评估荷载下的监测指标的状态极限值，对结构工作状态进行等级划分，确定监测指标评估值评分及工作状态n n变权综合方法变权综合方法常权模式：变权模式：均衡函数：变权综合方法较全面地反映结构各部分状态的均衡性和重要性 下部结构墩（台）基础墩台身支座台帽、盖梁基础冲刷墩（台）基础11532墩台身11533支座1/51/511/21/3台帽、盖梁1/31/3211基础冲刷1/21/2311权重0.32310.35160.060.12170.143精度指标 ,C.I=0.0094,R.I.=1.12,C.R.=0.00840.1n n变权综合评估方法
16、实例变权综合评估方法实例下部结构墩台号墩台评分墩（台）基础墩台身支座台帽、盖梁基础冲刷常权变权常权变权175.7574.96808080706068.156.73257.0939.178020807070371.5271.367070708070返回主目录n n红旗港桥简介n n监测仪器的架设 n n荷载试验n n参数识别n n承载能力评定n n监测评估系统实现 系统应用实例系统应用实例 红旗港桥简介n n 红旗港桥位于上海市金山区亭卫公路 n n 跨径 13m16m+13m n n 横向 18片板梁 监测仪器的架设监测仪器的架设 n n 应变测点8个，布置在中跨、边跨跨中n n 挠度测点1个
17、，布置在边跨跨中 n n采用基于静态应变及位移测量的结构参数识别方法，为建立结构实际有限元模型提供测试数据信息 n n为保证试验数据的可靠性，在应变监测测点附近粘贴了电阻式应变片，对比数据显示，荷载试验的数据可靠，达到了预期的要求 荷载试验荷载试验n n加载工况 工况1、2：加载在1车道边跨、中跨工况3、4：加载在2车道边跨、中跨n数据分析处理数据分析处理工况应变测点（单位：微应变）位移测点(mm)1234567810000-0.664028.2223.241.328-0.5521.9928.9648.310.9560-0.664400-0.0430.6640-0.664-1.992-0.66
18、43.65211.2894.98-0.1943.6525.3122.3240.664000.6640-0.05n n将EI作为识别参数 n n采用结构静力优化识别方法n n采用Gauss-Newton法求解非线性问题n n识别结果边跨13m梁：中跨16m梁：参数识别参数识别n n抗力计算n n评估荷载效应计算n n恒载内力计算n n承载能力系数计算该桥具有较大的承载能力和潜力 承载能力评定承载能力评定 监测评估系统实现监测评估系统实现n n系统主界面n n监测数据采集与处理n n结构状态综合评估返回主目录红旗港桥结构状态综合评估结果良好，具有较大的承载潜力n研究工作总结n研究工作的创造性贡献n
19、应用前景与研究展望 结论与展望结论与展望 研究了一种基于静态测试数据的动态监研究了一种基于静态测试数据的动态监测评估系统测评估系统n n研究了一套监测数据采集系统研究了一套监测数据采集系统 n n研究了一套基于静态测试数据动态评估研究了一套基于静态测试数据动态评估模型模型n n对背景工程进行了初步评估对背景工程进行了初步评估 研究工作总结研究工作总结n n开拓性地研究了中小桥梁基于静态测试开拓性地研究了中小桥梁基于静态测试数据的动态监测评估系统，并应用于桥数据的动态监测评估系统，并应用于桥梁管理系统之中；梁管理系统之中；n n根据实际需求研究了一套实用的监测数根据实际需求研究了一套实用的监测数
20、据采集系统据采集系统，实现了动态远程数据采集，实现了动态远程数据采集与传输；与传输；n n提出了一种基于静态监测数据的动态评提出了一种基于静态监测数据的动态评估模型，实现了中小桥梁工作性能的定估模型，实现了中小桥梁工作性能的定量评价量评价；研究工作的创造性贡献研究工作的创造性贡献n n研究采用传递误差最小准则及遗传算法研究采用传递误差最小准则及遗传算法实现了传感器的优化配置实现了传感器的优化配置，研究了复杂，研究了复杂结构桥梁中的应用；结构桥梁中的应用；n n研究基于静态监测数据，采用参数优化研究基于静态监测数据，采用参数优化估计、使用两种算法进行桥梁结构参数估计、使用两种算法进行桥梁结构参数
21、识别识别；n n研究将量化的监测数据融入层次分析法、研究将量化的监测数据融入层次分析法、变权综合评估法中，形成一套桥梁状态变权综合评估法中，形成一套桥梁状态综合评估方法。综合评估方法。n n推广应用于上海市主要道路中小桥梁的监测、推广应用于上海市主要道路中小桥梁的监测、推广应用于上海市主要道路中小桥梁的监测、推广应用于上海市主要道路中小桥梁的监测、评估，实现网络级、项目级结合的桥梁综合监评估，实现网络级、项目级结合的桥梁综合监评估，实现网络级、项目级结合的桥梁综合监评估，实现网络级、项目级结合的桥梁综合监测管理系统；测管理系统；测管理系统；测管理系统；n n研究成果应用于多种桥梁结构类型，研究
22、拓展研究成果应用于多种桥梁结构类型，研究拓展研究成果应用于多种桥梁结构类型，研究拓展研究成果应用于多种桥梁结构类型，研究拓展至复杂结构桥梁、大跨径桥梁；至复杂结构桥梁、大跨径桥梁；至复杂结构桥梁、大跨径桥梁；至复杂结构桥梁、大跨径桥梁；n n对桥梁结构退化预测和养护管理决策的理论进对桥梁结构退化预测和养护管理决策的理论进对桥梁结构退化预测和养护管理决策的理论进对桥梁结构退化预测和养护管理决策的理论进行研究；行研究；行研究；行研究；n n将研究成果与数字城市平台相结合，最终实现将研究成果与数字城市平台相结合，最终实现将研究成果与数字城市平台相结合，最终实现将研究成果与数字城市平台相结合，最终实现桥梁数字信息全息化，监测评估可视化，运营桥梁数字信息全息化，监测评估可视化，运营桥梁数字信息全息化，监测评估可视化，运营桥梁数字信息全息化，监测评估可视化，运营管理智能化。管理智能化。管理智能化。管理智能化。应用前景与研究展望应用前景与研究展望谢谢各位专家！返回首页