DB32_T 2880-2016光纤传感式桥隧结构健康监测系统设计、施工及维护规范—(高清现行).pdf
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1、 光纤传感式桥隧结构健康监测系统设计、施工及维护规范 Specifications for structrual health monitoring system design,construction and maintenance of bridges and tunnels based on fiber optic sensing ICS 93.080.30 P 66 备案号:49004-2016 DB32 江苏省地方标准 DB32/T 2880-2016 2016-03-10 发布 2016-04-10 实施 江苏省质量技术监督局 发 布 目 次 1 总则.1 2 术语和符号.1 3
2、基于光纤传感的结构健康监测系统设计.7 3.1 一般规定.7 3.2 监测内容.8 3.3 系统功能设计.9 3.4 系统构建.10 4 光纤传感技术.12 4.1 一般规定.12 4.2 点式光纤传感技术.12 4.3 基于布里渊散射的分布光纤传感技术.14 4.4 长标距光纤传感技术.14 4.5 区域分布和全域分布光纤传感技术.16 5 传感器布设.18 5.1 一般规定.18 5.2 典型监测指标的传感器布设.18 5.3 桥梁结构传感器布设.20 5.4 隧道结构传感器布设.21 6 传感器现场安装与施工.23 6.1 一般规定.23 6.2 连接及信号传输光纤选择原则.23 6.3
3、 光纤传感器的熔接.23 6.4 光纤传感器的法兰连接.24 6.5 光纤传感器在混凝土上的安装.24 6.6 光纤传感器在钢筋及钢结构上的安装.25 7 数据的采集、处理、传输与存储管理.27 7.1 一般规定.27 7.2 数据采集.27 7.3 数据的处理.34 7.4 数据的传输.37 7.5 数据存储管理.41 8 结构状态参数与损伤识别.45 8.1 一般规定.45 8.2 结构模态参数识别.45 8.3 变形识别.46 8.4 刚度识别.46 8.5 结构模型修正.47 8.6 损伤识别.47 8.7 内力识别.47 8.8 荷载识别.48 9 结构性能评估与预测.49 9.1
4、一般规定.49 9.2 异常分析与预警.49 9.3 性能评估.51 9.4 累积损伤推演及寿命预测.56 10 系统验收与维护.57 10.1 一般规定.57 10.2 传感器抽检与储存.57 10.3 数据采集站分项工程质量检验.58 10.4 数据传输网络分项工程质量检验.63 10.5 传感器施工分项工程质量检验.64 10.6 监测中心信息设备软硬件分项工程质量检验.65 10.7 现场施工质量管理.66 10.8 后期检查、校准、修复及更换.66 附录附录 A 应变计算结构的挠度、转角的共轭梁法应变计算结构的挠度、转角的共轭梁法.67 附录附录 B 分布式长标距应变模态识别损伤的方
5、法分布式长标距应变模态识别损伤的方法.71 附录附录 C 数据采集工作站实施指南数据采集工作站实施指南.74 附录附录 D 数据传输系统实施指南数据传输系统实施指南.76 本规范用词说明.80 条文说明.81 1 总 则.82 2 术语和符号.83 3 基于光纤传感的结构健康监测系统设计.84 3.1 一般规定.84 3.2 监测内容.84 3.3 系统功能设计.85 3.4 系统构建.86 4 光纤传感技术.87 4.1 一般规定.87 4.2 点式光纤传感技术.87 4.3 基于布里渊散射的分布光纤传感器.90 4.4 长标距光纤传感技术.92 4.5 区域分布和全域分布式光纤传感技术.9
6、4 5 传感器布设与优化.96 5.1 一般规定.96 5.2 典型监测指标的传感器布设.96 5.3 桥梁结构传感器布设.98 5.4 隧道结构传感器布设.100 6 传感器现场安装与施工.104 6.1 一般规定.104 6.3 光纤传感器的熔接.105 6.4 光纤传感器的法兰连接.105 6.5 光纤传感器在混凝土上的安装.105 6.6 光纤传感器在钢筋及钢结构上的安装.106 7 数据的采集、处理、传输与存储管理.107 7.1 一般规定.107 7.2 数据采集.108 7.3 数据的处理.119 7.4 数据的传输(通信).121 7.5 数据的存储管理.127 8 结构状态参
7、数与损伤识别.135 8.1 一般规定.135 8.2 结构模态参数识别.135 8.3 变形识别.137 8.4 刚度识别.140 8.5 结构模型修正.141 8.6 损伤识别.142 8.7 内力识别.143 8.8 荷载识别.144 9 结构性能评估与预测.145 9.1 一般规定.145 9.2 异常分析与预警.146 9.3 性能评估.148 9.4 累积损伤推演及寿命预测.150 引用标准名录.152 前 言 本规范是根据江苏省质量技术监督局文件关于下达2014年度第二批江苏省地方标准项目的通知(苏质监标发2014126号)的要求而制定,在编制过程中,编制组经过广泛调查研究,认真
8、总结实践经验,参考有关国际标准、规范与实践,并广泛征求意见,最后经审查定稿。当前主要困扰土木交通工程结构健康监测的核心问题包括:一是传感技术,以应变传感器为代表的局部传感技术受局部信息影响大而太局部,难以客观准确反映结构的真实状态,捕捉损伤如同大海捞针;而以加速度计等为代表的整体传感技术只能反映结构的整体宏观状态,对结构局部状态改变不敏感。而且,传统传感器的耐久性和长期监测稳定性较差,与土木交通工程结构健康监测的长期要求存在不适宜性。二是,当前土木交通工程中常用的结构性能与损伤识别方法多针对均质和小型结构,对于大型且非均质的土木交通工程结构,存在较大的误差。本规范针对上述问题,对当前国内外适合
9、于土木工程结构的光纤传感器进行了总结,筛选出了适合土木交通工程用的光纤传感器,并对其选择、安装、保护和管养进行规范;同时,建立了适合交通基础设施结构状态参数及损伤识别、异常分析与预警、性能评估与预测的方法规范。本规范共分十章,主要技术内容:光纤传感式结构健康监测系统设计、光纤传感技术、传感器布设与优化、传感器现场安装与施工、数据采集与处理、结构状态参数与损伤识别、结构性能评估与预测以及系统验收与维护。本规范由江苏省交通运输厅归口管理,由东南大学与苏交科集团股份有限公司负责具体技术内容的解释。执行过程中如有意见或建议,请寄送东南大学城市工程科学技术研究院(地址:南京市四牌楼2#逸夫建筑馆711,
10、邮编:210096),以供今后修订时参考。主编单位:东南大学 苏交科集团股份有限公司 江苏华通工程检测有限公司 北京特希达科技有限公司 主 编:吴智深 副 主 编:张宇峰 杨才千 主要起草人员:万春风 方达 洪万 唐永圣 吴智深 张宇峰 杨才千 孙安 张建 孙震 袁微微 杨书仁 黄璜 陈晨 主 审:夏叶飞 徐赵东 主要审查人员:朱晓文 张红雷 何一光纤传感式桥隧结构健康监测系统设计、施工及维护规范 1 总则 1.01 为了规范光纤传感技术在桥梁、隧道等交通工程结构健康监测系统中的应用,提高其使用效率及结构健康监测系统设计、施工和维护管理水平,推动桥隧等交通工程结构的施工、运营及管养的智能化与科
11、学化,特制定本规范。1.02 本规范适用于桥梁和隧道工程长期与短期、整体与局部的健康监测,并可为路面、路基、边坡和港口码头等结构物健康监测提供参考。1.03 系统设计应坚持长远规划的原则,涵盖工程结构的建设及运营整个寿命周期,将施工监测、运营监测与管理相结合,具有连续性和长期性。1.04 结构健康监测系统应满足用户及功能性需求、安全可靠、技术先进、经济合理、维护便利。1.05 传感元器件应具有良好的保护措施和可维护性,并根据实际需要保证其设计使用寿命和足够的耐久性;传感元器件更换时,应考虑数据的延续性和可继承性。1.06 基于光纤传感的结构健康监测系统设计、施工与维护,除执行本规范外,还应符合
12、国家及行业现行有关标准与规范的规定。2 术语和符号 2.1 术语 2.1.1 结构健康监测系统 Structural Health Monitoring System 一种集传感、数据采集与传输、结构状态参数与损伤识别、性能评估与预测技术为一体的自动化、信息化监测系统,主要由传感器及采集仪器设备等硬件系统和数据分析及结构分析等软件系统构成,通过对结构进行连续性(包括实时或不同频度)测试,实现对结构当前及未来服役状况及潜在风险进行分析和评估。2.1.2 施工监测 Construction Monitoring 体现结构设计思路、保证施工过程安全且为施工控制提供数据的一种监测方式。2.1.3 运营
13、监测 Operation Monitoring 为保障被监测对象在运营期间的安全,对其进行测试和提供数据的一种监测方式。2.1.4 连续监测 Continuous Monitoring 以连续或触发控制方式进行不间断测试和提供数据的一种监测方式。2.1.5 长期监测 Long-term Monitoring 在被监测对象整个剩余寿命期间或较长一段时间进行不间断测试和提供数据的一种监测方式。2.1.6 在线监测 Online Monitoring 通过安装在工程结构上的传感系统对被监测对象的状态进行实时连续自动测试、数据处理并上传至用户端的一种监测方式。2.1.7 监测频度 Monitoring
14、 Frequency 指单位周期内对被监测对象测试的次数。2.1.8 光纤传感技术 Fiber Optic Sensing 利用光纤的光学特性获取或转换环境信息的传感技术,其中包括光纤传感器及其解调设备。2.1.9 光纤光栅传感技术 Fiber Bragg Grating Sensing 以光纤光栅作为敏感元件,通过外场作用下光纤光栅中心波长变化来获取或转换环境信息的一类光学传感技术,包括光纤光栅传感器及其解调装置。2.1.10 基于布里渊散射光纤分布传感技术 Brillouin Scattering Based Optic Fiber Sensing 基于光纤布里渊后散射机理获取或转换环境信
15、息并实现分布传感的一类光学传感技术,包括光纤传感器及其解调装置。2.1.11 标距长度 Gauge Length 指传感器能够进行有效测量部分的长度。2.1.12 点传感器 Point Sensor 测量结果只能反映被测体局部某点被测物理量的局部传感器。2.1.13 长标距传感器 Long Gauge Sensor 测量结果能够反映被测体一定特征区域被测物理量并可通过其串联实现区域分布传感的长测量标距传感器。2.1.14 分布光纤传感技术 Distributed Optic Fiber Sensing 能够测量被测体被测物理量沿空间分布的光纤传感技术,根据被测物理量在空间的分布情况可以分为准分
16、布光纤传感和连续分布光纤传感。2.1.15 点式准分布 Point Quasi Distribution 为达到某一特定测量目标,将点式传感器按照设定的密度分布布设在结构适当位置的一种传感器布设方法。2.1.16 长标距准分布 Long Gauge Quasi Distribution 为达到某一特定测量目标,将长标距传感器按照特定密度分布布设在结构适当位置的一种传感器布设方法。2.1.17 传感器优化布置 Sensor Placement Optimization 利用尽可能少的传感器,将其布置在结构的适当位置,使其能够达到特定监测目标的一种传感器布设方法。2.1.18 区域分布传感 Are
17、as Distributed Sensing 为实现大型工程结构的早期损伤和全面技术状况监测,在对结构进行易损性分析的基础上将结构分为若干关键区域,并在所划分的关键区域内采用长标距传感器串联进行连续分布监测的一种传感技术。2.1.19 全域分布传感 All Areas Distributed Sesning 为达到某一特定测量目标,将长标距传感器串联并在结构上进行完全分布的一种布设方式。2.1.20 集中采集 Centralized Data Collection 数据采集设备集中且数据采集统一的一种数据采集方式。2.1.21 分散采集 Discrete Data Collection 数据采
18、集设备分散且数据采集不统一的一种数据采集方式。2.1.22 混合采集 Hybrid Data Collection 数据采集设备包含集中式和分散式的一种数据采集方式。2.1.23 结构群 Structure Group 由多个相对独立的同一类型结构或不同类型结构所组成的结构集合。2.1.24 连续结构群 Continuous Structure Group 由同一个大型基础设施上多个相对独立且在空间上连续分布的结构组成的结构集合。2.1.25 分散结构群 Discrete Structure Group 由空间上分散且相对独立的结构组成的结构集合。2.1.26 应变模态 Strain Mode
19、 在特定的固有频率和振型下,结构具有固定的应变分布形状,属于结构的固有振动特性。2.1.27 长标距(宏)应变模态 Macro-Strain Mode 在振动的任一时刻,各长标距(宏)应变的比值保持不变,即振动时应变分布形状保持不变,将此振动形式称为长标距(宏)应变模态,属于结构的固有振动特性。2.1.28 结构状态参数识别 Structural Condition Parameter Identification 基于监测数据及结构特性,分析和推导出反映结构状态的静力参数(曲率、挠度、转角、刚度)、动力参数(频率、振型、阻尼)以及受力特性(内力、荷载)的过程。2.1.29 有限元模型修正 F
20、inite Element Model Upgrading 依据相关测试结果,利用有效手段修正结构有限元模型参数,使所建立模型能反映结构真实状态的一种模型修正方法。2.1.30 损伤识别 Damage Identification 基于所测量的结构响应数据,分析结构物理参数的变化,进而识别结构损伤的过程,其中包括疲劳裂纹、支座损伤、索损伤、混凝土开裂、腐蚀等损伤识别。2.1.31 荷载识别 Load Identification 根据所测到的结构应变、位移或其他参量建立模型推算结构荷载的过程。2.1.32 变形识别 Deformation Identification 根据所测量到的结构应变分
21、布建立模型推算结构变形(曲率、挠度、转角)参量的过程。2.1.33 维护管理 Maintenance and Management 为保持工程结构应有的性能而进行的例行检查、修复和管理等活动。2.1.34 安全评估 Safety Assessment 通过各种可能的测试手段,分析结构当前的工作状态,与其临界失效状态进行比较,并评价其安全等级。2.1.35 异常分析 Abnormity Analysis 在结构正常运营条件下,基于结构监测数据,对结构出现与通常不同的表现与特征进行分析。2.1.36 损伤早期预测 Early Damage Predition 通过对结构的高精度监(检)测和异常分析
22、,对结构的初期损伤进行预测和识别的一种方法。2.1.37 预 警 Early-Warning 在危险发生前,根据结构监测、损伤诊断和安全评定结果,向相关部门发出紧急(警告)信号的过程。2.1.38 报 警 Warning 结构性能降低导致其功能低于设定值而产生的报警,包括由单纯监测指标超越阈值而触发的异常报警和通过性能评估由综合性能降低而发出的性能报警。2.1.39 结构性能三层次评估方法 Structural Performance Tri-hierarchy Evaluation 根据结构监(检)测数据和书面材料,针对不同结构的特点,从结构异常分析与预警、结构性能全面评估和结构剩余寿命预测
23、三个层次分析和评估结构性能的一种方法。2.1.40 寿命预测 Life Prediction 通过模型和所测数据对工程结构的安全存在期限的评估和预测。2.2 符号 D 许用值或阀值 Dm监测值 iiF损伤识别向量 Ic基准时点的状态计算值 Im基准时点的监测值 I阀值 K刚度 MMSV宏应变模态向量 N疲劳寿命 n应力循环次数 P监测值的合理值 y挠度(变形、位移)曲率 应变 长标距(宏)应变()应变模态坐标()宏应变模态坐标 光频率 波长 倾角 模态 阻尼比 n固有频率 i损伤识别指标 ir质量规一化第i单元的r阶模态应变 Lcavity腔长变化;Lgauge标定腔长 3 基于光纤传感的结构
24、健康监测系统设计 3.1 一般规定 3.1.1 基于光纤传感的桥隧等交通工程结构健康监测系统设计应根据监测目的、对象、项目的特点及精度要求、场地条件和当地工程经验等综合确定,并应经济合理、维护方便。3.1.2 监测设备和传感元器件应满足监测精度、量程和耐久性要求,并应稳定、可靠,监测过程中应定期进行监测设备的维护、保养和校准。3.1.3 选用的光纤传感器应具备:性能稳定可靠、抗干扰能力强、耐久性好。3.1.4 监测系统的硬件应具有良好的可维护性、可更换性,监测系统的软件应具有兼容性、可扩展性、易维护性,且与硬件相匹配。3.1.5 应根据监测目的、监测内容、结构荷载形式和结构受力特点,综合选择传
25、感器类型、布置方式、数据采集与传输方式、结构性能评估与预测指标。3.1.6 监测系统在实施安装前应结合业主、设计和施工各方的意见确定实施方案,监测系统施工不能对工程结构造成破坏或影响其美观。3.1.7 应根据监测目的与需求、重要性及现场条件等,按表 3-1 选择结构健康监测系统类别。表 3-1 结构健康监测系统类别 结构结构 类型类型 监测监测类型类型 系统系统类别类别 传感器要求传感器要求 监测频度监测频度 采集设备采集设备 位置位置 采集硬件的分采集硬件的分布方式布方式 单体结构 A 长期监测 A1 传感器寿命满足长期监测要求 实时在线监测 采集设备在现场或附近采集站 集中采集 A2 周期
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