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基于监测的桥梁可靠性评估
Dan M. Frangopol, F.ASCE1; Alfred Strauss2; and Sunyong Kim3
摘要
在过去的十年中，结构系统的监测概念一直受到快速发展的影响。在新的和现有的结构中，它们在干预计划(例如维护、修复、修复、替换)方面变得越来越重要。然而，在可靠性评估和预测模型中，仍然需要有效地利用结构监测数据。更新预测模型，基于监测数据，影响干预策略。由于这些战略涉及成本，监测系统有助于有效的预算支出。因此，对有效利用监测数据的要求不仅与结构可靠性有关，而且与成本方面有关。从广义上讲，结构监测可以被认为类似于质量保证和验收抽样，因为在整个结构系统的所有关键部分中，不可能持续监测所有的性能指标。尽管如此，在不断恶化的结构系统的离散点上，如监测所提供的连续和同时的测量，允许对不同极限状态的结构的性能进行评估。本文的目的是:(a)提出在结构可靠性评估过程中能有效地纳入监测数据的方法;和(b)示范使用监测数据以开发预测模型。该方法在现有的高速公路大桥(利哈伊河大桥， SR-33)上进行了说明，该桥梁位于宾夕法尼亚州，由利哈伊大学的国家工程研究中心的大型结构系统中心的先进技术监测。
DOI: 10.1061/(ASCE)1084-0702(2008)13:3(258)
CE数据库标题:桥梁;结构可靠性;监控。
1.Fazlur R. Khan教授，利哈伊大学建筑工程和建筑学系主任，土木与环境工程学院，ATLSS中心， 117 ATLSS博士，宾夕法尼亚州伯利恒市18015- 4729。E-mail: dan.frangopol@lehigh.edu
2.联合研究员，；利哈伊大学土木与环境工程系，ATLSS 中心，117 ATLSS 博士， 宾夕法尼亚州利恒市18015-4729（通讯作者）;大学土木工程与自然灾害系毕业。自然资源和应用生命科学，维也纳A-1190，奥地利。电子邮件：alfred.strauss@boku.ac.at
3.研究生院研究助理，利哈伊大学土木与环境系，ATLSS 中心。117 ATLSS 博士，宾夕法尼亚州利恒市 18015-4729。
电子邮件：suk206@lehigh.edu
注意：讨论将于2008年10月1日之前开始。单独的论文必须提交。要将截止日期延长一个月，必须向ASCE总编辑提交书面申请。本文件的原稿已于2007年3月29日提交审查并可能发表;于2007年9月5日批准。本文是“桥梁工程学报”杂志的一部分。 13，No. 3，2008年5月1日。。copy;ASCE，ISSN 1084-0702 / 2008 / 3-258-270 / $ 25.00
介绍
在过去的十年中，现代的工程结构监测和维修项目的概念已被拆除(Frangopol and Estes 1997; Bergmeister and Santa 2000; van Noortwijk and Frangopol 2004; Neves et al. 2006; Kong and Frangopol 2004; Wong 2007)。由于环境和机械条件的不确定性、材料的性质和载入历史等因素，监测程序和维护措施是必要的。创新的监测和维护概念应有助于对民用基础设施系统进行成本优化的干预。研究人员、从业人员和专家已经接受了成本优化框架，确定最有效的干预策略，以应对不断恶化的结构。基于预制模型的优化策略已被考虑用于公路网络的维护和操作。利用无损检测方法对预测模型进行了空间和时间的更新(El- lingwood and Zheng 1998Enright和Frangopol 1999;Berg- meister et al. 2004)。数据可靠性评估方法，材料和结构的降解模型 (Lawanwisut et al. 2001))，以及成本优化干预策略(Estes and Frangopol 1999;Kong和Frangopol 2004)已经被淘汰。然而，在结构评估和预测模型中，迫切需要对监测数据进行有效的监测。预测模型的早期调整，基于监测数据，直接影响到用于干预计划的成本模型。从广义上讲，监测读数可以被认为类似于质量保证和验收抽样，因为在整个结构系统的所有关键部分中，不可能连续监测所有的性能指标。因此，结构的性能可以从监测系统的离散或连续读数中预测出来。一般来说，在结构系统的离散点上正确选择传感器的数量依赖于工程师的经验和他们对物理、化学和机械过程的知识，以及分配给监测活动的预算。还有一些基于理论的方法可以帮助设计监控系统。 Marsh and Frangopol (2007, 2008) 是基于对腐蚀传感器成本优化的方法来进行必要的传感器数量的确定。考虑到传感器的数量和可靠性水平，他们进行了一生的成本优化。与低成本的传感器相比，高成本可以通过增加检测不理想性的可能性来产生更可靠的结果。马歇尔(1996)采用了质量保证和验收的原则。为了确定必要数量的非破坏性评价(NDE)测试，将理论应用于实践。Marshall(1996)和Marsh和Frangopol(2007, 2008)的研究都可以在有效地设计监控系统。这些研究是必要的;但是，他们并没有提供关于如何将与现有监测系统相关联的测量数据用于可靠性评估方法的全面信息。这就是本文的目的。利哈伊河大桥SR-33,长期监测国家先进技术中心的大型结构系统(ATLSS),位于宾夕法尼亚州伯利恒的利哈伊大学,提供了现研究有关使用测量数据的可靠性评估模型和可靠性预测模型的发展的机会。利哈伊河大桥 SR-33的监测系统已于2001年安装钢桁架时到位。因此，在安装过程中监测数据、混凝土桥面布置、现场负荷试验和不加控制的现场负荷试验，对该桥的实际性能进行了评估。从监测系统获得的数据Connor and San- tosuosso 2002) 可用于提供安全方面的见解，
AASHTO(2002)也可按照桥梁设计规范来预算利润。
本文首先介绍了利哈伊河大桥 SR-33的监测方案，包括在该桥上使用的传感器。在可靠性评估中采用的方法包括传感器数据。根据AASHTO(2002)的指导方针，对屈服和疲劳进行了分析。随后，提出了基于监测数据的疲劳预测模型。这些模型作为对生命周期监测的参考资料，可以为离散或连续监测提供决策依据。最后，提出了一种用于监测的成本模型，并给出了进一步研究的结论和建议。
利哈伊河大桥SR-33
桥的描述
利哈伊河大桥 SR-33(图1)属于宾夕法尼亚州联邦的交通运输部，位于SR-33的路线上;参见图2。利哈伊河大桥 SR-33是一个四跨连续钢桥面桁架(Figs)。主跨度为181.05 m(594英尺)桁架的长度与深度从10.97米至21.95米变化(36英尺至72英尺)。该结构是独特的，因为钢筋混凝土桥面不仅是与纵向钢弦和横梁的复合材料，而且还与桁架的上弦构件相结合。剪钉安装在弦杆、横梁和上弦的顶缘。主要桁架组成(即:，上弦杆，下线杆，斜腹杆)是由结构钢板制成的桁架或“H”形。钢弦杆，摇摆支撑，交叉支撑杆都是“W”形。仪器和测试由位于宾夕法尼亚州伯利恒的ATLSS人员进行。在Connor和McCarthy(2006)中提供了详细的报告。
测量程序
利哈伊河大桥 SR-33的仪器和监测程序的目标是测量在桁架架设期间的应变和计算相关的应力，混凝土桥面的位置，以及活载造成的影响。以下的目标有特别的意义(Connor 和 Santo- suosso 2002）：
bull;研究了混凝土桥面徐变和收缩的影响，以及季节温度变化对桁架系统应变场的影响。特别是弦杆和斜腹组成的影响，因为他们没有高冗余度疲劳失效。
bull;研究了负载和通用电气测量法对桁架系统性能的影响。为了在主要的桁架构件中产生可测量的应力，采用了三轴自卸卡车。
bull;研究动态负载下的长期行为(2002年11月11日至2005年3月11日)，影响了结构构件的应变。
在利哈伊河大桥SR-33上使用的传感器
利哈伊河大桥 SR-33 (Connor and Santosuosso 2002)的监测项目使用了三种传感器:单轴点可焊应变计，也称为电子应变计 (ESGs)，振弦式应变计(VWGs)和温度传感器(TSs)。他们在桁架上安装了34个位置，在钢筋混凝土桥面上安装了29个位置。将振动的金属丝和温度传感器分配给可焊的应变片。每个振动线传感器包括一个温度传感器，以便为每个传感器进行精确的温度补偿。温度传感器用于记录动态行为，并检查传感器的温度补偿。在监控程序,每个基准位置每个基准位置根据桁架的节点的位置和安装在其上或相邻的结构构件的类型来命名(参见图3和图4）。例如,BU1618EW计位置在图3(c)表明,在一个截面框成员(B)位于桁架的上弦杆(U)之间的节点16和18(1618)东侧的桥(E)和西区(W)的组成,参见Connor和Santosuosso(2002)。图3和图4显示了本研究中所考虑的传感器的位置。关于监控系统整个安装程序的具体细节可以在Connor和Santosuosso(2002)中找到。
电子应变式
应变计是用来测量物体在指定点的应变场的装置。根据Wikipedia (2007a)， Simmons和Ruge在1938年提出了应变片的主要思想。应变片由绝缘的软线支撑组成，它支撑金属箔图案。一般来说，仪表是通过适当的粘合剂或焊接连接到一个物体或结构部件上的。因此，结构的变形也会引起箔体的变形，因此，应变片的电阻变化。这种电阻的变化与应变的大小有关，被称为量规因子(维基百科2007b)。
（1）
其中＝未变形量规欧姆（K）的电阻；
=应变引起的电阻（K）变化，＝应变
对于金属箔量规，量规通常略高于2（维基百科77B）。对于单个有源电表和三个虚拟电阻器，来自桥的输出T为（维基百科77B）被测量的和真正的价值除以真正的价值。
(2)
=桥励磁电压。箔片通常有2 - 10毫米大小的活动区域。仔细安装后，可测得正确的计量和正确的粘结压力至少可以达到10% (Wikipedia 2007b)。ESGs经常被用作可靠的监控系统(Klarer personal communication, 2007)。然而，对结果的正确解释需要了解可能的错误来源。表1显示了在解释测量中必须包含的误差类型。百分比误差定义为测量值和真值的差值除以真值。
振动线规
VWGs被设计成焊接或嵌入在各种结构的结构中用于监测应变(RST 2007)。导线固有频率的变化被转换成应变的变化。这类型的计的最大总应变范围约2500微应变(micro;m/m)。VWGs往往选择测量几乎静态的现象,发生在很长一段时间。它们在实验室和现场应用中都是非常稳定的传感器，并且是完全的温度补偿(Connor和Santosuosso 2002)。这种类型的传感器的灵敏度范围在0.5和1.0之间micro;m/m(RST 2007)。
传感器布置的一般方面
个人与霍奇森的讨论(个人沟通2007)表示,在实践中,传感器使用冗余(例如,两个传感器测量同一物理量,或基于“增大化现实”技术——包括传感器组,彼此高度相关)。但是，Yen(个人通信，2007)指出，用于验证大量测量的机械模型的理想化包含了大量的错误。在对结果的解释中，必须考虑到这种可能的误差，以及监测系统可能出现的误差(见表1)。
利哈伊河大桥 SR-33的监测方案:回顾
在Connor和Santosuosso(2002)中详细报道了利哈伊河大桥SR-33的监控程序。本节概述这个程序的主要部分。
监控施工
在与施工有关的几个时间段内，对这些应变进行了监测，包括结构钢桁架的安装、桁架的施工过程的结束和混凝土桥面的放置。在最后一个桁架组成的放置期间，只有有限的数据可用。通过浇注混凝土平台，几乎所有安装在结构钢桁架上的传感器都能使应变场发生变化。施工期间，现场进行了现场负荷试验和长期现场负荷试验。传感器是根据关键组成进行分组，具体如下(参见图3和图4:(a)上弦杆U16-U18;(b)下弦L25-L27;(c)下弦L27-L29;(d)斜腹杆U18-L19;(e)斜腹杆U20-L21;(f)摇摆支撑L9-U10;(g)摆动支撑U24-L25;(h)竖杆;和(i)拉紧板。详情请见Connor和Santosuosso(2002)。
放置混凝土的桥面
正如Connor和Santosuosso(2002)所报道的，混凝土甲板被放置在13个不同的步骤中，从2001年9月11日开始，到2001年10月23日结束。表2给出了安装在上弦杆U16-U18上的传感器的测量响应。如表2所示，那些有很小影响的被忽略或合并。关于整个传感器组的反应的详细信息可以在Connor和Santosuosso(2002)中找到。
可控活载测试
通过控制活载试验，验证了车辆速度和位置对桥面的影响。图5展示了车道位置,下面将由车道编号表示。受控活载试验于2002年1月4日进行。测试用三个三轴自卸卡车进行(见表3)，以产生主要桁架组成的可承受应力。在现场测试期间，测试卡车在桥的两侧向北行和南行。
地面波束(FLRBM)和中心线(CLU161
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