06国外大跨度桥梁养护管理实践与研究动态

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1、国外大跨度桥梁养护管理实践国外大跨度桥梁养护管理实践与研究动态与研究动态同济大学桥梁工程系 孙利民2008.10.16，青岛青岛海湾大桥国际桥梁论坛青岛海湾大桥国际桥梁论坛2 2同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民内容提要 桥梁养护管理的迫切性 桥梁管理系统及相关规范指南 桥梁检测与健康监测技术 小结3 3青岛海湾大桥国际桥梁论坛青岛海湾大桥国际桥梁论坛 同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民桥梁养护管理的迫切性4 4同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民美国及日本桥梁龄构成已建桥梁数分布（%）USA,70%,30yrsUSA,70%,30yrsJapan

2、,70%,20yrsJapan,70%,20yrs5 5同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民 在过去的15年中，中国开展了世界上最大规模的的公路工程基础设施建设，桥梁建设技术得到了快速发展。期间，修建公路91万公里（含高速公路4.1万公里），占2005年底全国总公路里程的44，修建的桥梁数及桥梁合计总里程分别占相应总量的47，66。建设数量之多，类型之广，跨径之大，发展速度之快举世瞩目。我国的公路桥梁建设情况6 6同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民 经济高速发展期建成的基础设施具有以下特点：量大、集中、质量低。重大基础设施的服役期长，甚至超过经济高速发展持续期。高

3、效合理地规划利用有限的资源，对基础设施进行养护管理是社会基础设施管理工程的主要目的。尤其是在进入经济发展进入平稳期、社会人口老龄化等问题日益突出的后工业社会后，诸多课题需要研究和应对。经济高速成长期建成的基础设施特点7 7同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民 经济发展带来社会财富和资产的急剧膨胀。包括桥梁在内的社会基础设施是社会资产的重要构成。随着基础设施“年龄”的增加，对社会资产的维护管理、有效利用成为社会经济活动的重要内容之一。国外甚至提出，这一变化对工程技术的需求促成了“社会基础设施管理工程”的诞生。“社会基础设施管理工程学”8 8同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利

4、民孙利民 桥梁管理系统、数据库（档案）桥梁检测、监测技术 桥梁技术状态评估理论与方法 维修加固技术 资产评估（Asset Management）全寿命设计技术 相关规范指南“社会基础设施管理工程学”技术要求9 9同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民 养护管理是一门综合性较强的工程学，不仅需要养护管理技术本身，对设计和施工技术也要相当熟知。不仅要有理论知识，实践经验也非常重要。每个结果所处的环境不同，所遇问题典型性不强，需要具备灵活运用理论和经验进行综合判断的能力。要掌握工程经济学的知识，对政策的了解，以及决策能力。对维修加固技术的了解。社会责任感。“社会基础设施管理工程学”人才要

5、求1010同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民 桥梁的养护维修费用不单单是直接的材料和工程费用，与相关的财务、税收政策均有关系。养护费用预算的区域性、均衡性原则。维修养护与经费预算“社会基础设施管理工程学”制度要求11 11同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民 现状：单一项目、短期预算（年度）、经验性决策。问题：资源预算利用不合理、需维修对象的优先顺序不合理（甚至导致恶性安全事故的发生）。发展趋势：综合性、中长期计划、科学决策综合、系统的养护管理投资计划1212同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民 桥梁多为公共投资建设项目，需要接受严格的财务审计。但目

6、前财务审计制度多追求初期建设投资的有效合理利用而忽略（或误解）与结构耐久性和养护管理有关的费用。全寿命费用（LCCLife Cycle Cost）是近年提出的理念，并逐渐得到认可和在实际工程实施中应用。参与社会基础设施建设管理的技术人员和管理人员有责任向政府有关部门和公众解释说明和宣传这些新的理念并推动其在实际工程中的应用。财务审计及对公众的说明解释责任1313同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民桥梁管理系统及相关规范指南1414同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民 结构初期功能设定。结构服役期性能退化预测，对策预案。结构可能遭遇的灾害及对策预案。分析结构使用时其功

7、能带来的优缺点，并反馈给其他环节。养护管理的基本周期与内容1515同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民数据库养护管理工作的构成1616同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民 狭义目标：以最小的费用维持某结构在使用期内的性能达到设计要求。广义目标：将对象基础设施（群）使用期的性能维持在需求水准以上，同时使总体维护费用和对环境的影响控制在最小程度。（德国：路网层次的养护管理）养护管理的目标1717同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民养护管理中的结构寿命与维护费用1818同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民LCCI（初期造价）M（维修管养费用）R

8、（拆除费用）1919同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民 正确的理论模型建立于丰富准确的数据之上。桥梁数据库的必要性2020同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民 目的：跨越时间、空间、体制的界限，系统、及时、准确地提供统一的信息，信息共享。作用：信息普及、信息共享、信息比较、信息标准化统一化、信息利用高效化。功能要求：准确（最新信息）、客观、充实、公平（开放性）。（美国国家桥梁档案）桥梁数据库的目的与作用2121同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民桥梁管理系统的构成例：Pontis2222同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民 荷兰-基于概

9、率论方法的评估方法 基于可靠度的方法相关技术规范2323同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民桥梁检测与健康监测技术2424同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民桥梁结构性能退化要因2525同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民 日常巡检：定性检测，目测为主。定期检测：日常巡检无法把握的构件和内容，定量把握。详细检测：发现问题时。初期检测：竣工试验。临时检测：突发灾害后。检测的种类2626同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民混凝土结构非破坏检测的种类和评价参数评价参数方法分类质量强度弹模回弹法超声波法冲击弹性波法打音法其他弹性波法弹性波法弹性波

10、法材料劣化超声波法AE（声发射）法弹性波法弹性波法内部缺陷裂缝超声波法AE（声发射）法热图像法（红外线）X射线法弹性波法弹性波法电磁波法电磁波法空隙剥离超声波法冲击弹性波法打音法热图像法（红外线）电磁波雷达法X射线法弹性波法弹性波法弹性波法电磁波法电磁波法电磁波法钢筋锈蚀电位法X射线法其他电磁波法钢筋直径保护层厚度电磁诱导法电磁波雷达法电磁诱导法电磁波法2727同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民钢结构非破坏检测的种类和评价参数评价参数方法分类内部缺陷X射线法超声波法AE法电磁波法弹性波法弹性波法表面或表层缺陷X射线法超声波法AE法涡流探伤法热图像法（红外线）磁粉探伤法浸透探伤法

11、电磁波法弹性波法弹性波法电磁诱导法电磁波法其他其他2828同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民 混凝土材料：离散性大，应用技术不成熟。钢材：分辨率要求高，对传感器接触状态敏感。方法比较非破坏检测主要方法弹性波方法2929同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民目的：获取桥梁运营状况的信息；验证设计；支持养护管理决策。功能：自动实时监测环境条件和桥梁相应并直观显示结果；识别结构损伤并对结构异常反应紧急预警；跟踪结构状态变化趋势为大桥养护管理决策提供依据。大跨度桥梁监测系统的目的与功能3030同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民我国已有40余座大桥安装桥梁健康

12、监测系统，一般特点为：一般来说，一个大跨度桥梁的健康监测系统由少则50、多则300个以上的传感器测点组成，其费用约占到桥梁总造价的0.5-2.0%；监测系统的设计理念越来越侧重于为桥梁的养护管理提供支撑，偏重监测内容和技术而轻视测试数据处理和评价的设计方案越来越不易被桥梁业主所接受；健康监测系统本身的耐久性受到重视，要求传感器和其他硬件具有可更换性，并且更换时不能影响到数据采集的连续性；成桥后的结构健康监测系统与施工控制的监测系统相结合，监测数据内容前伸到施工阶段；结构状态评估子系统和评估软件的水平有所提高，配套的专家组也被视为桥梁结构健康监测系统用户的重要人员构成之一。我国大跨度桥梁健康监测

13、系统概况3131同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民东海大桥健康监测系统东海大桥是连接深水洋山港和上海的唯一海上通道，全长32km，包括两座斜拉桥和多跨连续及简支梁桥。2005年建成通车，2006年10月桥梁健康监测系统开始使用。ShanghaiPort3232同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民 系统设计原则：为管养服务；系统应实用、可靠、经济；传感器数量在满足数据搜集的前提下最小化；考虑传感器及其他硬件的耐久性，要有可更换性，更换时数据要有可持续性；监测系统要与人工检测和其他渠道数据相结合；管理人员中要包括桥梁监测评估专家组，以充分利用监测系统数据。3333同济

14、大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民主通航孔斜拉桥主通航孔斜拉桥（7313242013273米斜拉桥）米斜拉桥）颗珠山斜拉桥颗珠山斜拉桥（50+139332139+50米）米）500吨级副航道桥吨级副航道桥(7012012070米米变高度连续梁）变高度连续梁）1000吨级副航道桥吨级副航道桥（80+140+14080米变高度连续梁）米变高度连续梁）滩涂区滩涂区(750米跨等高度连续米跨等高度连续梁）梁）第二非通航孔区第二非通航孔区(660米跨等高度连米跨等高度连续梁）续梁）第四非通航孔区第四非通航孔区（70米跨等高度米跨等高度连续梁）连续梁）500吨级副航道桥吨级副航道桥(90160

15、16090米米变高度连续梁）变高度连续梁）腐蚀暴露站腐蚀暴露站大乌龟岛大乌龟岛 监测内容 8个区段3434同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民监测内容斜拉桥监测内容：1）气象 2）结构温度 3）应变 4）伸缩缝位移 5）梁塔动力 6）索力 7）梁塔位移 8）钢结构疲劳实时监测：连续梁桥监测内容：1）墩台沉降 2）挠度 3）结构温度 对难以检测的地方、恶劣环境下无法检测的地方以及设备经济性满足要求的条件下，使用传感器进行实时监测，全桥共设七大传感器子系统：气象、疲劳、GPS、连续梁桥、光纤、振动、索力。3535同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民实时监测传感器系统监测

16、内容采样频率传感器数量数据通道数量状态通道数量气象1Hz288结构温度30M/次143143143应变25Hz727272伸缩缝位移25Hz888梁塔动力50Hz608888索力30M/次168016索塔位移10Hz92781钢结构疲劳1天/次489648墩台沉降及挠度1天/2次120120120总计4786425843636同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民系统组成 传感器系统-气象监测子系统-GPS子系统-疲劳监测子系统-光纤传感子系统-斜拉桥振（震）动监测子系统-索力监测子系统-连续梁子系统 数据处理系统 在线评估系统 离线评估系统 结构预警系统(a)船撞前后船撞前后MA

17、C(1,1)的比较的比较0500100015002000250030000.950.960.970.980.991A comparison between before and after collisionTime (min)MACMAC(2,2)beforeMAC(2,2)after2007-01-01 00:00:002007-01-03 02:35:002007-01-0200:50:002007-01-0201:35:000500100015002000250030000.9750.980.9850.990.9951Time (min)MACA comparison between

18、before and after collisionMAC(1,1)beforeMAC(1,1)after2007-01-01 00:00:002007-01-03 02:35:002007-01-0200:50:002007-01-0201:35:00(b)船撞前后船撞前后MAC(2,2)的比较的比较0500100015000.40.450.50.55Time (min)Frequency (Hz)mode1 beforemode1 aftermode2 beforemode2 aftere2007-01-01 00:00:002007-01-02 01:35:002007-01-02 00

19、:50:002007-01-03 02:35:0005001000150000.0050.010.0150.020.025Time (min)Modal damping ratiomode4 beforemode4 after2007-01-01 00:00:002007-01-02 01:35:002007-01-02 00:50:002007-01-03 02:35:00(a)船撞前后模态频率的比较船撞前后模态频率的比较(b)船撞前后模态阻尼比的比较船撞前后模态阻尼比的比较结构频率随温度变化结构频率随温度变化Correlation between Freq.and Temp.支座位移随温度

20、变化4444同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民健康监测研究课题 概念设计基于健康监测系统的养护管理全寿命集成传感技术可行性 易损性分析传感器分布传感器数量最小化 传感技术大变形测量拉索锈蚀检测疲劳监测 系统耐久性 识别评估理论4545同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民小结4646同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民 经济高速成长期建成的桥梁量大质低，养护管理更为迫切“社会基础设施管理工程学”的提出，技术、人才、制度 欧美日等发达国家建立的桥梁档案管理、桥梁管理系统及有关技术规范值得我们借鉴 桥梁检测、监测技术发展很快，但仅仅是养护管理的工具 我国已有40座以上的大桥安装了健康监测系统并发挥了一定作用，今后需加强研究，有效利用4747同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系 孙利民孙利民谢谢！