首页注释：本案例讲述大跨连续刚构桥运营状态监测分析，来自于重庆市内某一工程实例但为了不影响版权、纠纷，纯粹进行教学，进行了掩饰处理。本案例涉及到的知识点主要有有限元模型分析、温度监测数据分析、车流量及重车监测数据分析、桥梁结构响应监测数据分析、挠度与应变测点阈值的确定。作者：刘芳平，桥梁与隧道工程专业，工学博士，副教授，硕士生导师，主要从事桥梁结构监测与检测、加固与评定、结构性能退化等方面的研究；工作单位：学院。
摘要：连续刚构桥桥型具有行车平顺、梁体不间断、便捷施工、经济适用等优势特点。然而，目前一些大跨径连续刚构桥梁均并发了不同水平等级的病害，各种病害相互增益影响，严重危害到了其安全服役。为确保该类桥梁结构的运营安全，对其利用安置在桥梁上的传感器采集到的可靠结构信息来分析评定结构服役状况及安全评估具有十分重要的意义。通过本案例的学习使学生对监测大数据处理分析以及桥梁实时状态评估有深入的了解，对监测大数据深入挖掘以实现对桥梁结构理论的实践认识。组织学生进行其它类似案例的练习，进而熟悉掌大跨连续刚构桥运营状态监测分析过程，为学生今后解决同类型工程问题提供理论支撑和实践经验。
关键词：连续刚构桥桥；运营监测；计算模型；挠度；应变；
引言：本案例来自于重庆市内实际工程。连续刚构桥作为一种成熟的桥型在我国得到了广泛的应用。然而，由于受材料特性、施工工艺等因素影响，预应力混凝土连续刚构桥在通车运营中极易出现主梁下挠、箱梁开裂、有效预应力降低、钢筋锈蚀、整体刚度降低等病害，给桥梁结构的安全使用造成了隐患。为保证桥梁结构安全运营，越来越多的大型桥梁建立了健康监测系统，以及时有效的发现桥梁结构的病害并迅速做出处治。因此，为了保证桥梁在运营过程中的安全，对桥梁结构变形及受力进行计算和监测，全面掌握桥梁的真实状态，保证桥梁正常使用有着重要的意义。
背景介绍：大桥贯通沙坪坝高家花园与江北区石马河，是主城内环高速公路跨越嘉陵江的重要桥梁。大桥全长970米，其中主桥为预应力混凝土连续刚构桥，分为三跨，跨度布置为140m+240m+140m；东、西引桥总长450米，共8跨，为预应力混凝土简支T形梁结构。大桥为双幅桥，从沙坪坝高家花园向江北区石马河方向为右幅；从江北区石马河向沙坪坝高家花园方向为左幅，单幅桥为单向三车道。桥面净宽31.5m，中间设1.5m的中央分隔带，车行道23米，人行道2×3米。大桥设计荷载：汽-超20，挂-120。
内容：
一、有限元模型分析
（一）有限元模型的建立
用桥梁结构大型专业软件MIDAS-Civil建立大桥的完整空间有限元分析模型。有限元模型是依据设计图纸确定截面几何尺寸及材料特性。
1.材料的参数和应用对象
表1 主要材料参数列表
材料名称
|
弹性模量(MPa)
|
泊松比
|
质量密度(kg/m3)
|
材料对应的结构构件
|
混凝土
|
C50
|
3.45×104
|
0.2
|
2.652
|
主梁及墩身混凝土
|
2.件及边界条件的模拟
对于结构构件：
（1）桥墩采用三维梁单元来模拟，截面按设计的实际截面取值。
（2）混凝土主梁采用三维梁单元来模拟，为使计算结果具有一定的可靠度，不考虑桥面铺装及附属设施对箱梁截面刚度的影响，截面按设计的实际截面取值。
对于边界条件，全桥主要边界条件的模拟情况：
（3）在桥墩的底端，考虑到桩基础加承台基础具有很大的刚度并且与基岩有良好的嵌固，因此桥墩底端的三个平动及转动自由度全部约束。
（4）主梁与墩顶之间采用固结。
对于荷载，因本次仅计算在车辆荷载和温度荷载作用下结构的响应：
（1）桥面的二期恒载，即桥面铺装及附属设施的质量。建模时将用等效的梁单元线性均布荷载来模拟。
（2）箱梁内部的齿板，用等效的梁单元线性均布荷载来模拟。
（3）温度荷载，将通过系统升降温荷载来模拟。
（4）构件的恒载，MIDAS-Civil将在计算过程中自行处理。
（5）汽车荷载，在Mida-civl将以移动荷载形式进行模拟。
图1 全桥空间有限元模型
（a）混凝土箱梁单元 (b) 双臂墩
图2 三维单元示意图
（二）温度荷载效应分析
图3 整体升温结构应力（下缘）云图（单位：MPa）
图4 整体升温结构应力（上缘）云图（单位：MPa）
图5 整体降温结构应力（上缘）云图（单位：MPa）
图6 整体降温结构应力（上缘）云图（单位：MPa）
图7 整体升温结构变形云图（单位：mm）
图8 整体降温结构变形云图（单位：mm）
（三）车辆及人群荷载效应分析
图9 汽超-20级荷载作用下的应力云图（单位：MPa）
图10 人群3.5kN/㎡级荷载作用下的应力云图（单位：MPa）
图11 挂车-120级荷载作用下的应力云图（单位：MPa）
图12 汽超-20+人群3.5kN/㎡荷载作用下的结构变形图（单位：mm）
图13 挂车-120级荷载作用下的结构变形图（单位：mm）
二、温度监测数据分析
根据大桥结构运营状态监测系统的建设、运行情况，选取2014年1月1日至2014年12月31日的温度监测数据进行分析。
（一）温度时程数据分析
1.全桥温度变化趋势分析
大桥箱梁内8只温度传感器从2014年1月1日至12月31日的温度数据如图14所示。将这8只传感器分为左幅、右幅分开作图。（具体曲线见报告）
图14 全桥温度变化曲线
从图可得出以下规律和结论：
（1）从1月份到8月份，箱梁内的温度从8.1℃上升到36.6℃；从8月份到12月份，箱梁内的温度从36.6℃下降到7.3℃。在2014年1月至12月这一监测时段内，重庆的气候从冬天转入夏天，再从夏天转入冬天，故大气温度变化是先升温、再降温度，这一变化趋势与温度监测曲线的变化趋势相符；
（2）箱梁内温度全年最高温度发生在7月25日至8月5日之间；最低温度出现在1月上旬和12月下旬；
（3）从全桥全年各测点的温度数据来看，均没有明显的日温差效应，即在24小时内温度有显著改变，这主要是由于温度传感器均安装在桥梁箱梁内部，而混凝土为热的不良导体，太阳的日温差未能影响到箱梁内部。
2.纵桥向温度梯度分析
以左幅2#截面的温度测点为基准，将左幅其余各温度测点（4#、6#和8#）的温度减去基准温度测点的温度，得到左幅桥梁各时刻沿纵桥向的温度差值如图15所示；以右幅2#截面的温度测点为基准，将右幅其余各温度测点（4#、6#和8#）的温度减去基准温度测点的温度，得到右幅桥梁各时刻沿纵桥向的温度差值如图16所示。
图15 左幅桥梁沿纵桥向温度差值曲线
图16右幅桥梁沿纵桥向温度差值曲线
从图15至16可知，在左、右幅桥梁，沿纵桥向温度测点的差值在绝大多数时间内小于±0.5℃，考虑到温度测试受精度以及噪音影响等因素，可以认为沿纵桥向桥梁的温度是均匀分布的，这与现有大多数监测系统所得结论一致。
3.温度截面梯度分析
为了分析温度截面的梯度，从2014年8月12日在左、右幅箱梁中跨跨中截面的顶板、腹板和底板处分别加装了12只温度传感器，测得的温度如图17至18所示。
图17左幅上游桥梁跨中温度曲线
图18左幅下游桥梁跨中温度曲线
从图可知，截面温度梯度的规律为：
（1）在升温期间，左、右幅箱梁顶板的温度最高，底板的温度最低，最大温差1.5℃；在降温期间，顶、底板温度基本一致；
（2）右幅箱梁顶板温度比左幅箱梁顶板温度高约0.8℃。
（二）温度数据统计分析
为了进一步分析桥梁温度变化的统计规律，对左、右幅桥梁箱梁内每月温度的平均值、最大值和最小值进行计算，所得结果如表3.2-1所示。
表2全桥各月温度统计表（单位：℃）
桥梁
|
项目
|
月份
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
左幅
|
最大值
|
10.9
|
12.7
|
19.7
|
25.4
|
24.3
|
28.9
|
36.3
|
36.3
|
30.8
|
25.2
|
20.8
|
15.1
|
最小值
|
7.5
|
7.2
|
11.2
|
16.5
|
20.1
|
23.1
|
23.8
|
25.6
|
23.5
|
19.0
|
14.2
|
8.8
|
平均值
|
9.1
|
9.8
|
14.9
|
20.5
|
22.2
|
25.6
|
30.8
|
30.5
|
26.4
|
22.2
|
15.8
|
10.8
|
右幅
|
最大值
|
12.0
|
12.8
|
20.2
|
25.7
|
24.3
|
28.6
|
36.3
|
36.4
|
31.4
|
26.5
|
21.3
|
15.3
|
最小值
|
7.9
|
7.4
|
11.4
|
16.8
|
20.4
|
23.3
|
23.9
|
26.0
|
23.7
|
19.3
|
14.5
|
9.2
|
平均值
|
9.7
|
10.2
|
15.3
|
20.8
|
22.5
|
25.7
|
30.9
|
30.9
|
26.9
|
23.0
|
16.2
|
11.3
|
三、车流量及重车监测数据分析
（一）流量数据分析
根据大桥结构运营状态监测系统的运行情况，选取2014年1月1日至2014年12月30日的车流量和重车过桥监测数据进行分析。其中，重车的规定为车辆总重超过55吨。统计各月日均车流量如表3所示，各月日均车流量柱状图如图19所示。
表3全桥各月日均车流量（单位：辆）
月份
|
石马河往杨公桥方向
日平均车流量（左幅）
|
杨公桥往石马河方向
日平均车流量（右幅）
|
全桥日平均
车流量
|
2014年1月
|
49024
|
40453
|
89477
|
2014年2月
|
57559
|
52040
|
109599
|
2014年3月
|
56121
|
49277
|
105398
|
2014年4月
|
45272
|
41264
|
86536
|
2014年5月
|
53453
|
51605
|
105058
|
2014年6月
|
52707
|
49961
|
102368
|
2014年7月
|
49799
|
34864
|
84663
|
2014年8月
|
48451
|
43288
|
91739
|
2014年9月
|
53933
|
48785
|
102718
|
2014年10月
|
55086
|
50504
|
105590
|
2014年11月
|
54725
|
54868
|
109593
|
2014年12月
|
42074
|
52508
|
94582
|
图19日均车流量统计表
从表3和图19可知，石马河往杨公桥方向的车流量（左幅）在前十个月的日均车流量均大于杨公桥往石马河方向的车流量（右幅），日均车流量差额各月从2000辆至8000辆不等。
统计各月车流量如表4所示，各月车流量柱状图如图20所示。
表4全桥各月车流量统计表（单位：辆）
月份
|
石马河往杨公桥方向
总计车流量（左幅）
|
杨公桥往石马河方向
总计车流量（右幅）
|
月度总计
车流量
|
2014年1月
|
1519755
|
1254062
|
2773817
|
2014年2月
|
1611658
|
1457122
|
3068780
|
2014年3月
|
1739754
|
1527585
|
3267339
|
2014年4月
|
1358158
|
1237927
|
2596085
|
2014年5月
|
1657034
|
1599769
|
3256803
|
2014年6月
|
1581205
|
1489836
|
3071041
|
2014年7月
|
1556971
|
1131887
|
2688678
|
2014年8月
|
1501975
|
1341927
|
2843903
|
2014年9月
|
1617987
|
1463556
|
3081545
|
2014年10月
|
1707651
|
1565627
|
3273279
|
2014年11月
|
1641739
|
1646050
|
3287789
|
2014年12月
|
1304307
|
1627748
|
2932055
|
图20各月车流量统计表
从表4和图20可知，从2014年1月至12月，10月份的车流量最大，达3273278辆，7月份的车流量最次小，为2688858辆，车流量最大月份与最小月份的差值约为58.4万辆。1至12月的总车流量超过3614万辆。
（二）重车过桥数据分析
统计各月重车过桥数量如表5所示，柱状图如图21所示。
表5 各月重车过桥数量统计表（单位：辆）
月份
|
石马河往杨公桥方向
（左幅）
|
杨公桥往石马河方向
（右幅）
|
月度总计
|
2014年1月
|
34471
|
11153
|
45624
|
2014年2月
|
29195
|
12978
|
42173
|
2014年3月
|
41643
|
27352
|
68995
|
2014年4月
|
26689
|
20735
|
47424
|
2014年5月
|
28454
|
22655
|
51109
|
2014年6月
|
24675
|
18223
|
42898
|
2014年7月
|
20851
|
24409
|
45260
|
2014年8月
|
30968
|
18981
|
49950
|
2014年9月
|
29238
|
19609
|
48847
|
2014年10月
|
31744
|
21252
|
52998
|
2014年11月
|
15240
|
20899
|
36139
|
2014年12月
|
3042
|
11221
|
14263
|
图21各月重车过桥柱状图
四、桥梁结构响应监测数据分析
（一）挠度数据分析
以挠度正式开始监测时刻，即2014年1月11日凌晨12:00时刻的挠度为基准点，以后各时点采集的挠度均减去该时刻的挠度，得到从该基准时刻挠度为0开始的挠度增量。因箱梁内纵桥向的温度一致，故仅取左右幅2#截面的温度测点进行分析，以2014年1月11日凌晨12:00时刻的温度为基准温度。
1.桥墩处挠度数据分析
桥墩处挠度增量的时程曲线如图22至23所示。
图22 1#墩处挠度变化曲线
图23 2#墩处挠度变化曲线
从图22、23可得出以下结论：
（1）桥墩处的挠度从1月至7月总体表现为上升趋势，从8月至12月总体表现为下降趋势，且各桥墩处挠度的波动趋势基本一致；
（2）1月26日至2月6日左右桥墩处挠度曲线的波动幅值较其余时段小，这可能与重车过桥较少或车流量较小有关。
（3）中跨跨中挠度分析
选取有代表性的中跨跨中挠度进行分析，将该截面4个测点的挠度数据绘制于图24中。
(a)左幅
(b)右幅
图24箱梁中跨跨中挠度变化曲线
从图24可知：
（1）从1月11日至12月31日，左、右幅桥梁挠度变化规律基本一致，即总体上表现为挠度的先增加后降低；
（2）在同一幅箱梁中，上、下游挠度的变化一致，即上、下游挠度无偏差。
（二）应变数据分析
1.主桥应变数据分析
因左、右幅桥梁相应截面的应变变化规律基本相同，故在除主跨跨中截面给出左右幅桥梁的应变外，其余各截面的应变仅给出左幅桥梁的应变，如图25所示。
（a）左幅1#截面
（b）左幅2#截面
(c)左幅3#截面（主桥跨中）
(d)右幅3#截面（主桥跨中）
（e）左幅4#截面
（f）左幅5#截面
图25主桥各截面应变时程曲线
为分析温度对应变的影响，将2014年1月1日至5月27日的温度变化曲线绘制于图26中。
图26 左、右幅箱梁2#截面温度曲线
从图25和26可知：
（1）全桥应变从1月1日至8月总体表现为应变增大，各测点应变增加幅值在250
至300
之间。按照热胀冷缩的物理规律，理论上由温度引起的应变增量为
，因此，应变的增量主要是由温度引起的；
（2）全桥应变增加的趋势与温度变化的趋势基本一致，进一步表明温度是引起全桥各截面应变变化的主要因素；
（3）在边跨及主跨跨中截面，应变具有较为明显的日温差效应，而在2#、4#支座截面，日温差效应不明显。
2.引桥应变数据分析
左右幅引桥的应变数据变化趋势如图27所示。
(a)左幅引桥
(b)右幅引桥
图27右幅引桥应变曲线
从图27可知：
（1）全桥引桥应变的从1月1日至8月总体表现为应变增大，各测点应变增加幅值在200
至300
之间。这与理论上由温度引起的应变增量为
基本相符；
（2）全桥应变增加的趋势与温度变化的趋势基本一致，表明温度是引起全桥各截面应变变化的主要因素；
（三）数据分析小结
1.桥墩处的挠度的总体变化主要来源于温度效应，其挠度变化与理论分析基本吻合；桥墩处挠度的波动主要由重车引起，波动范围为5mm；
2.中跨跨中挠度的总体变化与温度有一定的相关性，但具有滞后效应；中跨跨中挠度的波动主要由重车引起，挠度值较大波动与车流量监测系统监测到的重车过桥规律一致。
3.全桥的应变与温度表现出良好的线性相关性。
五、挠度与应变测点阈值确定
状态监测系统需设置合理的阈值对桥梁可能出现的安全隐患进行报警。本章结合有限元模型理论计算值和健康监测系统首年（视为健康监测系统的基准期）监测数据的统计变化确定挠度和应变监测测点的报警阈值。
（一）挠度测点阈值的确定
当车辆荷载引起的挠度效应超过统计得到的最大值时，该测点触发一般报警，表明该测点需加强监测；当车辆荷载引起的挠度效应超过理论分析值时，该测点触发严重报警，需立即进行人工检测并会同专家给出详细建议。因挠度监测数据随温度的变化而发生较大的变化，为消除温度的影响，采用小波分析提取由车辆荷载引起的挠度效应。按照以上原则，结合小波分析和有限元模型理论计算，给出大桥挠度的报警阈值如表6所示。
表6挠度测点阈值表（单位：mm）
截面位置
|
测点具体部位
|
一般报警
|
严重报警
|
上拱
|
下挠
|
上拱
|
下挠
|
L1
|
左幅-1#-上游
|
12.03
|
27.27
|
16.74
|
36.75
|
右幅-1#-下游
|
12.06
|
16.81
|
16.74
|
36.75
|
L2
|
左幅-2#-上游
|
8.71
|
9.71
|
11.58
|
13.09
|
右幅-2#-下游
|
8.19
|
9.49
|
11.58
|
13.09
|
L3
|
左幅-3#-上游
|
0.61
|
0.92
|
1.01
|
1.32
|
右幅-3#-下游
|
0.58
|
1.03
|
1.01
|
1.32
|
L4
|
左幅-4#-上游
|
13.54
|
26.03
|
14.86
|
38.43
|
右幅-4#-下游
|
13.59
|
20.89
|
14.86
|
38.43
|
L5
|
左幅-5#-上游
|
18.40
|
44.53
|
21.36
|
88.78
|
左幅-5#-下游
|
18.07
|
44.89
|
21.36
|
88.78
|
右幅-5#-上游
|
19.00
|
47.60
|
21.36
|
88.78
|
右幅-5#-下游
|
19.63
|
40.51
|
21.36
|
88.78
|
L6
|
左幅-6#-上游
|
12.98
|
17.20
|
15.02
|
38.76
|
右幅-6#-下游
|
12.61
|
25.78
|
15.02
|
38.76
|
L7
|
左幅-7#-上游
|
0.61
|
0.92
|
1.01
|
1.33
|
右幅-7#-下游
|
0.58
|
1.02
|
1.01
|
1.33
|
L8
|
左幅-8#-上游
|
11.88
|
11.66
|
11.91
|
13.36
|
右幅-8#-下游
|
10.66
|
10.91
|
11.91
|
13.36
|
L9
|
左幅-9#-上游
|
12.79
|
17.54
|
15.20
|
36.25
|
右幅-9#-下游
|
8.90
|
15.07
|
15.20
|
36.25
|
（二）应变测点阈值的确定
全桥的应变均与温度具有一定的相关性，为排除温度效应对阈值设置的影响，且考虑到温度与应变有一定的时延，所以采用基于时间序列分析的ARX模型来消除温度效应的影响。其具体做法是：
1.对主桥应变，采用箱梁内的温度作为输入，各测点的应变作为输出，建立ARX模型；对于引桥应变，采用箱梁外的温度作为输入，各测点的应变作为输出，建立ARX模型；
2.统计准基期内ARX模型计算残差的方差；
3.在评估期，当采用ARX模型计算残差超过3倍方差时，认为桥梁处于一定的异常状态，同时，考虑到测试时有一定的偏差，故设置测点在1天内三次超过3倍方差则触发一般报警，表明此时需加强监测；当残差超过理论计算值时，桥梁处于严重的异常状态，该测点触发报警，需立即进行人工检测并会同专家给出详细建议。按以上原则，结合ARX模型和有限元模型计算，大桥应变的报警阈值如表7、8所示。
表7主桥测点阈值表(单位:微应变)
截面位置
|
测点部位
|
一般报警
|
严重报警
|
正应变
|
负应变
|
正应变
|
负应变
|
L1
|
左幅-1#-上游，顶板
|
8
|
-8
|
13
|
-61
|
左幅-1#-上游，底板
|
20
|
-20
|
109
|
-23
|
左幅-1#-下游，顶板
|
7
|
-7
|
13
|
-61
|
左幅-1#-下游，底板
|
22
|
-22
|
109
|
-23
|
右幅-1#-下游，顶板
|
9
|
-9
|
13
|
-61
|
右幅-1#-下游，底板
|
21
|
-21
|
109
|
-23
|
右幅-1#-上游，顶板
|
8
|
-8
|
13
|
-61
|
右幅-1#-上游，底板
|
20
|
-20
|
109
|
-23
|
L2
|
左幅-2#-上游，顶板
|
8
|
-8
|
50
|
-10
|
左幅-2#-上游，底板
|
10
|
-10
|
15
|
-45
|
左幅-2#-下游，顶板
|
12
|
-9
|
50
|
-10
|
左幅-2#-下游，底板
|
11
|
-11
|
15
|
-45
|
右幅-2#-下游，顶板
|
9
|
-9
|
50
|
-10
|
右幅-2#-下游，底板
|
12
|
-12
|
15
|
-45
|
右幅-2#-上游，顶板
|
11
|
-8
|
50
|
-10
|
右幅-2#-上游，底板
|
11
|
-11
|
15
|
-45
|
L3
|
左幅-3#-上游，顶板
|
10
|
-10
|
16
|
-71
|
左幅-3#-上游，底板
|
13
|
-12
|
119
|
-14
|
左幅-3#-下游，顶板
|
11
|
-11
|
16
|
-71
|
左幅-3#-下游，底板
|
12
|
-12
|
119
|
-14
|
右幅-3#-下游，顶板
|
10
|
-10
|
16
|
-71
|
右幅-3#-下游，底板
|
11
|
-11
|
119
|
-14
|
右幅-3#-上游，顶板
|
12
|
-12
|
16
|
-71
|
右幅-3#-上游，底板
|
9
|
-9
|
119
|
-14
|
L4
|
左幅-4#-上游，顶板
|
8
|
-7
|
52
|
-16
|
左幅-4#-上游，底板
|
8
|
-8
|
15
|
-47
|
左幅-4#-下游，顶板
|
7
|
-7
|
52
|
-16
|
左幅-4#-下游，底板
|
8
|
-8
|
15
|
-47
|
右幅-4#-下游，顶板
|
7
|
-7
|
52
|
-16
|
右幅-4#-下游，底板
|
8
|
-8
|
15
|
-47
|
右幅-4#-上游，顶板
|
9
|
-9
|
52
|
-16
|
右幅-4#-上游，底板
|
8
|
-8
|
15
|
-47
|
L5
|
左幅-5#-上游，顶板
|
10
|
-10
|
15
|
-62
|
左幅-5#-上游，底板
|
14
|
-14
|
109
|
-27
|
左幅-5#-下游，顶板
|
10
|
-11
|
15
|
-62
|
左幅-5#-下游，底板
|
10
|
-10
|
109
|
-27
|
右幅-5#-下游，顶板
|
11
|
-11
|
15
|
-62
|
右幅-5#-下游，底板
|
11
|
-11
|
109
|
-27
|
右幅-5#-上游，顶板
|
10
|
-10
|
15
|
-62
|
右幅-5#-上游，底板
|
11
|
-11
|
109
|
-27
|
表8引桥测点阈值表(单位:微应变)
截面位置
|
测点部位
|
一般报警
|
严重报警
|
正应变
|
负应变
|
正应变
|
负应变
|
L6
|
左幅-6#-上游
|
15
|
-15
|
224
|
-119
|
右幅-6#-下游
|
16
|
-16
|
224
|
-119
|
L7
|
左幅-7#-上游
|
15
|
-14
|
224
|
-119
|
右幅-7#-下游
|
16
|
-16
|
224
|
-119
|
大跨连续刚构桥运营状态监测分析案例
教学指导手册
教学目的与用途：
1.本案例适用于全日制土木水利工程类硕士专业结构工程方向研究生的方向选修课程《桥梁设计理论》。桥梁工程中，大跨连续刚构桥是最为常见的桥梁类型之一，而其成桥运营阶段均并发不同水平等级的病害，严重危害到了其安全服役。为确保该类桥梁结构的运营安全，对其利用安置在桥梁上的传感器采集到的可靠结构信息来分析评定结构服役状况及安全评估具有十分重要的意义。
2.通过此教学案例，使研究生掌握大跨径连续刚构桥运营状态监测分析中的有限元模型分析、温度监测数据分析、车流量及重车监测数据分析、桥梁结构响应监测数据分析、挠度与应变测点阈值的确定。此外，此教学案例也可用于道路与桥梁工程相关本科专业的教学。
3.通过本案例的学习使学生对监测大数据处理分析以及桥梁实时状态评估有深入的了解，对监测大数据深入挖掘以实现对桥梁结构理论的实践认识。组织学生进行其它类似案例的练习，进而熟悉掌大跨连续刚构桥运营状态监测分析过程，为学生今后解决同类型工程问题提供理论支撑和实践经验。
教学内容：
1.涉及知识点
（1）有限元模型分析：有限元模型的建立、温度荷载效应分析、车辆及人群荷载效应分析；
（2）温度监测数据分析：温度时程数据分析、温度数据统计分析；
（3）车流量及重车监测数据分析：车流量数据分析、重车过桥数据分析；
（4）桥梁结构响应监测数据分析：挠度数据分析、应变数据分析；
（5）挠度与应变测点阈值的确定。
2.理论依据及分析思路
（1）理论依据：
连续刚构桥作为一种成熟的桥型在我国得到了广泛的应用。然而，由于受材料特性、施工工艺等因素影响，预应力混凝土连续刚构桥在通车运营中极易出现主梁下挠、箱梁开裂、有效预应力降低、钢筋锈蚀、整体刚度降低等病害，给桥梁结构的安全使用造成了隐患。为保证桥梁结构安全运营，越来越多的大型桥梁建立了健康监测系统，以及时有效的发现桥梁结构的病害并迅速做出处治。因此，为了保证桥梁在运营过程中的安全，对桥梁结构变形及受力进行计算和监测，全面掌握 桥梁的真实状态，保证桥梁正常使用有着重要的意义。
（2）分析思路：
本案例大桥运营状态监测系统由应变监测子系统、温度监测子系统、挠度监测子系统和超限车辆监测子系统、现场数据采集站以及监控中心组成。监测系统对大桥主要构件实施自动化监测，实时获得全桥44个应变测点、20个温度测点、22个挠度测点、2套超限车辆测点（双向6车道）的监测数据，获取桥梁结构主要参数的变化信息，对结构的安全性进行综合性评估，实时了解结构的安全服役状态，对桥梁的危险状态及潜在威胁及时报警，以便桥梁管养人员能根据监测系统反映的桥梁实际情况及时地做出应对措施，确保桥梁的安全运营。
在此基础上，采用有限元模型分析→温度监测数据分析→车流量及重车监测数据分析→桥梁结构响应监测数据分析→挠度与应变测点阈值的确定的思路进行分析的。本案例结合自身特点，按照具体研究分析报告来进行分析与讲解。
启发思考题：
1.如何进行可靠、连续、长期工作的传感器的选择与布置？
2.拓展思考项目在以下方面的价值？
（1）3D全景模式，实时监控桥梁结构状况
（2）实时统计桥梁监测数据，进行安全评估分析
（3）桥梁运营状况异常严重时发出预警信号
（4）实时查看桥梁重车信息及车流量信息
（5）可实现系统内预览多种文档格式，并导出报告报表
建议课堂计划：
时间安排：根据教学需要，整个案例课的课堂时间控制在6学时，以便比较充分地了解案例所涉及的知识点，以下是根据课程时间进度安排的课堂学习计划。
课前计划：发放案例材料，提出课后思考题，请学生在课前完成阅读和初步思考。
课中计划：课堂前言，明确该案例主题（20分钟）；案例讲述，案例总体介绍，引导学生分析和认真学习该案例的理论知识点，并提出思考题（120分钟）；分组讨论（20分钟）；小组发言（20分钟一个小组，4组）；案例总结：包括案例中的关键知识点，以及如何运用理论知识去分析和解决实际问题（30分钟）。
课后计划：通过案例分析和总结，使学生掌握健康监测相关知识，然后布置相关作业，以论文或者报告形式写出案例分析，并对难点和易错点可以进一步研究。
参考文献：
1.周建庭, 杨建喜, 梁宗保. 实时监测桥梁全寿命预测理论及应用[M]. 北京：科学出版社, 2010
2.胡顺仁. 桥梁结构健康监测系统中安全评价环节的差错控制研究[D]. 重庆大学, 2007
3.董辉, 李烈彪, 刘实践等. 桥梁监测数据的数据挖掘模型[J]. 计算机应用, 2006, 26(z1): 100-101
4.程帅,张波,王小清.小波消噪阈值选取的一种改进方案及其在健康监测中的应用[J].噪声与振动控制,2010,2:118-120
5.高占凤.大型结构健康监测中信息获取及处理的智能化研究[D].北京交通大学,2010
6.李纬. 基于GPS的桥梁变形监测数据处理与分析[D]. 湖北工业大学, 2010
7.申丽丽, 郭际明, 王磊等. 小波变换在大跨度桥梁动态监测噪声消除中的应用[J]. 测绘通报, 2010, 增刊: 99-101
8.郭健, 顾正维, 孙炳楠等. 基于小波分析的桥梁健康监测方法[J]. 工程力学, 2006, 23(12): 129-135
9.潘国荣, 谷川. GPS监测桥梁摆动及其数据的小波分析[J]. 施工技术, 2008, 10:55-58
10.鲍跃全. 结构健康监测的数据压缩采样与损伤识别融合方法[D]. 哈尔滨工业大学, 2009
