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项目可行性报告 基于全寿命的城市重大交通基础设施集群监测体系及结构安全评估关键技术研究 立项的背景和意义3月19日 图1 我国株洲红旗路高架桥倒塌 图2 我国内蒙古新旗下营隧道塌方 预防性的信息化管理将是最高层次的现代城市的安全理念。结构的全寿命监控理论认为，结构监测的时间应向前延伸，对结构寿命周期的每个阶段（设计阶段-施工阶段-运营阶段-报废拆除）均应进行有效控制，特别是在事故多发阶段如施工阶段和运营阶段设置过程监控系统。目前，对在役的少量长大桥梁、隧道等结构已经开展了相关的在线监测及安全预警研究，发挥了一定的积极作用，但这些监测系统都为单一的监测系统，各系统间缺乏沟通与整合；城市具有明显的空间地域特征，监测系统的空间地域覆盖面不够，单一监测系统容易形成“信息孤岛”，无法为保障城市交通基础设施整体安全提供有效的支持；信息的利用率不足，缺乏对监测数据的分析处理，与之配套的状态反演和评估体系都不健全。所有这些都制约着城市交通基础设施的安全信息化管理的发展。 本课题将以影响我国公共安全的城市重大交通基础设施（城市桥梁、隧道、高架道路）的集群监测与评估为研究目标，在广泛调研、比较国内外同期技术水平的基础上，吸收机械制造领域的分散仪表监测和集中计算机中央控制的经验，以信息技术为先导来整合城市重大交通基础设施的全寿命监测综合平台，实现监测、状态评估和安全预警、寿命预测以及维护决策的一体化。通过本研究计划的立项与实施，将在一定程度上推动城市交通基础设施信息化的发展，发展与经济和社会相适应的城市重大交通基础设施服役及安全保障的科学和技术，提升我国的现代化城市管理理念。 国内外研究现状和发展趋势 确保城市重大交通基础结构的安全性及正常使用功能，特别是在经历极端性灾害事件前后，及时地发现并估计结构内部损伤的位置和程度、预测结构性能变化和剩余寿命，成为国内外学术界和工程界关注的焦点，并促使结构健康监测的迅速发展，成为土木工程学科的一个重要研究领域。 美国在上世纪80年代中后期就开始在多座桥梁上布设监测传感器，用以验证设计假定、监视施工质量和服役状态，例如，佛罗里达州的主跨440m的Sunshine Skyway Bridge桥上安装了500多个传感器[6]；韩国高铁隧道在施工时就建立了监控系统，能够实时或周期监测隧道内衬形变、喷射混凝土应力、地下水位以及其他参数，通过参数的改变来判断隧道安全状况[7]；哥伦比亚建于1997年的Pereria-Dos Quebradas高架桥也安装大型桥梁的监测仪器和设备，投入高达150万美元[8]。 我国大陆从上世纪90年代初期开始，土木工程结构健康监测技术得到社会和科技界的重视，大型结构的健康监测技术得到了较快的发展并取得了显著的成绩。桥梁方面，虎门大桥、江阴长江大桥、南京长江第二大桥、润扬长江大桥、招宝山大桥、钱江四桥和文晖大桥等都设置了健康监测系统[]；隧道结构方面，龚昊以广州市洲头咀隧道为研究对象，建立了沉管隧道健康监测模型，通过监测隧道动力参数变换来评价结构工作状况、判断结构健康水平[]。张蓓针对河南省岭南高速公路两个隧道，在结构中埋设应变计、钢筋计及空隙水压力计等传感器，实时采集并分析隧道的受力状态，实现对隧道结构健康的实时监控[]；南京的玄武湖隧道也建立了健康监测系统，高架结构方面，马俊等对杭州市的中河高架多跨上部结构设置了应变、挠度等传感器，用以进行桥梁的结构安全状态监测和运营状态评估[]。 a) 全寿命监测技术—传感技术的智能化和集成化。 结构监测不是一个新概念,对结构的应变、加速度、速度、位移、旋转等参数的测量一直是结构工程监测的基本方法。近来快速发展的智能传感器技术，使得监测项目逐渐扩展，并在技术上逐步走向智能化和集成化。Spencer等对智能传感器在结构工程领域的机遇和挑战进行了简要地阐述,并从现有硬件和软件两方面进行了讨论[14]；由于全寿命周期监测过程中的传感器等需要伴随结构的整个寿命周期，新型光纤光栅传感器（FBG），能保证测试的稳定性以及导线与接头的非敏感性，确保了进行长期和间歇监测的必要条件，但土木工程施工粗放性的特点，使FBG在传感器封装、布设以及光传输线路保护等方面还有待深入研究[15]。在位移监测方面，一些新型的基于光电技术的位移、变形测量方法正在不断发展中，如倾角仪、激光图像法及连通管式光电挠度测量系统也应用到了结构的长期、远程和自动监测当中[16]。 目前我国约有60座桥梁采用了健康监测技术，隧道结构由于地质复杂、在其监测系统中，既要监测隧道的支护结构系统的位移和裂缝，还要对隧道围岩的应力、应变状态和工程性质进行监测。总的来说，目前应用的结构物监测技术，还存在着以下三方面的问题：1）结构寿命期内长期连续性工作的传感器的