江阴大桥结构健康监测系统升级改造
7.桥梁结构健康监测技术-发展与挑战——江苏省交通科学研究院股份有限公司 副总工程师 张宇峰
苏通大桥
崇启大桥
南京四桥
2. 健康监测技术及其发展
技术政策
交通运输部对桥梁健康监测已有制度要求 •《公路桥梁养护管理工作制度》：对特别重要的特大桥，应建立符合自 身特点的养护管理系统和健康监测系统 •《十二五公路养护管理发展纲要》：重点加强桥隧养护管理工作，强化 健康监测和实施监控系统建设……
400
500
600
更准确进行苏通大桥等大桥在强/台风作用下的影响分析与可能损伤分析； 对今后类似大桥的抗风设计具有指导意义
3. 应用案例
案例3：崇启大桥TMD设计与抑振作用分析——指导与验证设计
六跨钢连续梁桥
102m+4*185m+102m=944m
主跨
安装TMD前后（2012年5月 VS 2013年8月）
3. 应用案例
案例4：伸缩缝监测——找出常规检测无法发现的病因
钢梁被拉开
不锈钢滑板 伸缩梁与承载箱相碰
滑动支座
•江阴大桥主桥伸缩缝病害
1999年建成，2003年出现伸缩缝病害，2006年更换
设计寿命40年
3. 应用案例
案例4：伸缩缝监测——找出常规检测无法发现的病因
装置下部
装置上部
磨损情况
磨损情况
支座病害
突 发 事 件
船只碰撞
列车冲击
地震破坏
货车超载
1. 健康监测系统应用的必要性
疾病
检查
诊断
治疗
监测
检查
诊断
维修
1. 健康监测系统应用的必要性
健康监测——为桥梁构建神经系统
大脑 神经中 枢
状态评估
传输网 神经末 梢 传感器
人体神经系统
10.长大缆索体系桥梁管养技术——交公路规划设计院有限公司 高级工程师 胡斌
安 全 评 估
加 固 设 计
加 固 施 工
4 管理要点
4.2 管养模式——养护总承包
九江二桥大桥建成通车后九江长江公路 大桥有限公司通过公开招投标确定由中交一 公局土木工程建筑研究院有限公司、中交公 路规划设计院有限公司和中交一公局第三工 程有限公司组成的联合体开展2016～2018 年九江长江公路大桥检测、养护与技术服务 项目设计施工总承包。 由一家承包商承担
根据测算，缆索体系桥梁前10年养 护费用每年约为总造价的0.5%，10~20 年养护费用每年约为总造价的0.8%， 20~30年的养护费用每年约为总造价的 1%。一座450米的叠合梁斜拉桥，30年 总养护费用约2.5亿。
维修措施 更换拉索 更换大位移伸缩缝 更换大吨位支座 更换钢桥面铺装 更换阻尼器 更换减振器 周期 10~20 10~15 10~15 5~8 10~15 10~15
排水幕
2 典型病害
2.6 锚锭渗水
井点降水方案
堵
锚锭 止水
排 降
通过锚碇周围设置井点降水系统，将积聚 在锚碇周围的地下水抽出地表；
2 典型病害
2.7 钢箱梁正交异性板疲劳开裂
钢箱梁是大跨径缆索体系桥梁最常用的主梁形式之一。但正交异性板的开裂问 题较为突出。在调研的15座具有正交异性钢桥面板的悬吊体系桥梁中，有11座桥存 在不同程度的桥面板开裂情况，占抽检的该型桥梁总数的73.3%。
3.4 水下探摸
3 特殊检查
3.5支座反力测试
目录
Contents
管养现状 典型病害 特殊检查 管理要点
4 管理要点
4.1 管养理念
传统的桥梁养护主要是指桥梁的检查和保养。广义的桥梁养护概念是指为保证桥梁运营期的安 全性、适用性、耐久性而采取的各种工程行为。
桥梁结构健康监测系统设计与实施策略
桥梁结构健康监测系统设计与实施策略在现代交通体系中，桥梁作为关键的基础设施，承载着巨大的交通流量和重要的经济使命。
为了确保桥梁的安全运行，延长其使用寿命，桥梁结构健康监测系统应运而生。
这一系统能够实时、准确地获取桥梁结构的状态信息，为桥梁的维护管理提供科学依据。
一、桥梁结构健康监测系统的组成与功能桥梁结构健康监测系统通常由传感器子系统、数据采集与传输子系统、数据处理与分析子系统以及评估与预警子系统等部分组成。
传感器子系统是整个监测系统的基础，负责感知桥梁结构的各种物理参数，如应变、位移、加速度、温度等。
常见的传感器包括应变计、位移传感器、加速度传感器和温度传感器等。
这些传感器需要具备高精度、高稳定性和耐久性，以适应桥梁复杂的环境条件。
数据采集与传输子系统负责将传感器采集到的数据进行收集、整理和传输。
为了保证数据的实时性和准确性，通常采用高性能的数据采集设备和可靠的通信方式，如有线通信、无线通信或两者结合的方式。
数据处理与分析子系统是对采集到的数据进行处理和分析的关键环节。
通过运用各种数据分析方法和算法，如滤波、去噪、特征提取等，从海量的数据中提取出有用的信息，以评估桥梁结构的健康状况。
评估与预警子系统则根据数据分析的结果，对桥梁结构的安全性进行评估，并在发现异常情况时及时发出预警信号，以便采取相应的措施。
二、桥梁结构健康监测系统的设计要点1、传感器的选择与布置传感器的选择应根据桥梁的结构特点、监测目标和环境条件等因素综合考虑。
在布置传感器时，需要遵循重点部位优先、均匀分布和便于安装维护的原则。
对于大跨度桥梁，通常需要在主跨、桥墩、桥台等关键部位布置较多的传感器；而对于中小跨度桥梁，则可以根据实际情况适当减少传感器的数量。
2、数据采集频率的确定数据采集频率的确定需要考虑桥梁的动态特性、监测目标和数据处理能力等因素。
对于动态响应较为敏感的桥梁结构，如悬索桥、斜拉桥等，需要采用较高的采集频率；而对于静态结构为主的桥梁，可以适当降低采集频率。
钢结构桥梁的健康监测与维护
钢结构桥梁的健康监测与维护随着城市建设的快速发展和交通运输的不断完善，钢结构桥梁作为重要的交通设施也逐渐增多。
然而，由于长期的使用和环境因素的影响，钢结构桥梁往往容易出现各种问题。
因此，针对钢结构桥梁进行健康监测与维护显得尤为重要。
一、健康监测的意义和方法对于钢结构桥梁而言，健康监测是及时了解其结构变化和病害状况的重要手段，能够提供数据支持，确保桥梁的正常运行和安全性。
健康监测主要采用物理、化学、力学等多种手段和方法进行，包括但不限于以下几种。
1. 非破坏性检测技术：通过利用超声波、电磁波、红外热像等非破坏性手段对桥梁结构进行检测，可以有效发现潜在的裂纹、锈蚀等问题。
2. 环境监测：监测桥梁所处环境的变化，包括气候、温度、湿度等因素，以评估其对桥梁结构的影响。
3. 病害诊断技术：通过对桥梁各部位进行详细的检测和分析，确定潜在的病害及其严重程度，并制定相应的维修计划。
二、钢结构桥梁维护的重要性钢结构桥梁维护是延长其使用寿命、确保安全运行的关键环节。
及时维护可以修复已经出现的病害，同时预防未来可能发生的问题。
以下是保持桥梁良好状态的几个维护要点。
1. 表面涂层维护：钢结构桥梁常常受到氧化、腐蚀等环境因素的影响，定期进行表面涂层维护可以有效防止钢材锈蚀、疲劳断裂等问题。
2. 病害修复：根据健康监测结果，及时修复桥梁上出现的各类病害，如裂缝、断裂、锈蚀等问题，以防止其扩大和进一步损坏。
3. 支座检修：支座是桥梁承受荷载的重要部分，定期检测和维护支座的稳定性和可靠性，以确保桥梁的正常承载力。
4. 定期检测：定期对桥梁进行全面检测，包括主梁、连接件、桥面、栏杆等部位，以及关键构件的疲劳寿命和强度的评估。
三、桥梁健康监测与维护的挑战与发展在钢结构桥梁健康监测与维护的过程中，仍然面临一些挑战。
比如，监测手段的准确性、监测频率的确定、维修材料的选择等问题。
同时，随着科技的进步与应用，桥梁健康监测与维护也在不断发展。
2009年度江苏省优秀工程咨询成果获奖项目表
姚松、申世广、费文君
杨柳、荚德平
14
“无线江苏”课题研究
江苏省邮电规划设计院有限责任公司
朱晨鸣、王强、冯小芳
张中平
15
广东移动2009-2011年数据承载网专题规划
黄睿、戴刚、熊军、公丕强
张志、李挺、邱岭、郭骅
邱波、郭艺娴
16
江苏省泰州经济开发区产业发展规划
江苏省工程咨询中心
张祥志、周春宏、穆肃
42
实现“两个率先”目标的环境保护需求研究；“十一五“环境保护目标与综合指标体系研究；环境保护体制、机制、政策创新及一体化研究
江苏省环境工程咨询中心、南京大学
南京农业大学、江苏省社会科学研究院
盛学良、戴明忠、曲福田、王远、孙克强、潘铁山、张新华
三等奖（70项）
序号
申报项目名称
申报单位
卞武彪、吴研婷、史会转
19
区域环境风险评价与环境风险管理模式研究
江苏省环境工程咨询中心
盛学良、刘宁、戴明忠、王静
陈华、刘晓华、杨莉
20
太湖流域入湖河流水环境治理规划研究
江苏省环境科学研究院
张利民刘伟京尤本胜程炜刘洋孙卫红边博徐婧静
二等奖（42项）
序号
申报项目名称
申报单位
成果参与人员
1
江苏省路政管理成本研究
江苏省交通科学研究院股份有限公司
张宇峰、徐剑、徐文平、马志国
段鸿杰、承宇、朱晓文
5
高性能混凝土施工质量控制研究
周建林、吴晓明、倪剑峰
刘冠国、蔡倪彬
6
沿江铁路线位规划研究
张晓铃、俞强、何昔银
李臻、刘巍
7
南京都市圈综合交通发展规划
浅议桥梁健康监测系统发展现状及存在的问题
Ｏ概 述 ． 表 １２ 典型桥梁 Ｂ ． ＨＭＳ建设情况 桥梁健康 监测系统 （ ｒ ｇ Ｈ ａ ｈＭ ｎ ０ ｎ ｙ ｅ Ｂ ｄｅ ｅｌ ｏ ｉ ｒ ｇＳｓ ｍ．以下简称 ｉ ｔ ｔｉ ｔ 序 结构 建立／ 建 Ｂ Ｍ 建设信息 Ｈ Ｓ 成时间 地点 Ｂ Ｍ ） 是一个 以桥梁结构为平 台， Ｈ Ｓ， 应用现代传感 、 通讯 和网络技术 ． 号 桥名 类型 优化组合结构监测、 环境监测 、 交通监测 、 设备监测 、 损伤识别 、 综合报 警、 信息 网络分析处理和桥梁养护管理等子功能系统为一体 的综合监 Ｅ 传感器 监测斜 拉索 索力变 化 ： Ｍ 温 湛 江 度传感器记录箱梁温度梯度 ：振 弦式 测 系统 。 它可以实现对桥梁结构整体损伤 的长期跟踪监测 ， 是对局部 、 ｌ 海湾 斜拉桥 应力计监测主桥应力应变 ：风速仪监 ２ Ｏ 广东 大桥 测风 速风向 ： Ｐ 接 收器用 于分析两 ０ ４ ＧＳ 短期损伤诊断技术的有益补充 ．极大地拓展 了桥梁检测领域 的内涵 ． 个桥塔和主跨位移 ：振弦式倾斜仪 分 提高 了预测评估 的可靠性 析扭转和变形 自２ ０世纪 ８ Ｏ年代 以来 ．ＨＭＳ经历 了由概念提 出到实际应用近 Ｂ ３ Ｏ的发展 ， 术、 在技 设施 、 专业理论等方面都有 了较大提高 ． 国内外一 ２ 甯尿 拉桥 安装有应变计 位移传感器 、 长江 斜 加速 度计 ２ ０ 南京 和离线监测系统 ０５ 些 大桥和 特大桥 安装 了 Ｂ Ｍ 。它有 以下优点 ： Ｈ Ｓ 能够实现测试技术现 三 桥 代化， 节省大量时间和人力 ； 能实时 、 在线监测 ， 由预警系统随 时发 现 问题 ， 时解决 问题 ； 及 能实时评估 ， 速度快 ， 受人为 因素影 响小 。但是 ， 阳逻 采用光纤光栅传感器及钢 弦应 变传感 ＧＳ 压电 Ｂ Ｍ 在发展应用 中也存在一些 问题 ： Ｈ Ｓ 系统本身 问题 、 研究应用 问题、 ３ 长江 悬索桥 器测力 ： Ｐ 测量实时动态位移 ： 大桥 传感器测试动态特性 ：另外还有疲劳 ２０ 武汉 ｏ７ 缺乏规范性指导等 ． 这些都 制约着 Ｂ Ｍ Ｈ Ｓ的发展 ． 只有逐渐解 决这些 腐蚀监测 、 荷载和安 防监测 问题 ， 才能有 Ｂ ＨＭＳ更好的发展 、 广泛 的应用 。 更
桥梁健康监测系统及研讨斜拉桥快速换索施工及监控138页
2004年深圳年丰大桥
2005年成都三渡水大桥
2007年江苏常州公 路大桥
2007年广东九江 大桥
国外桥梁的现状
美国共有公路桥梁58万座， 1967年12月， Ohio州的Silver Bridge（悬索桥）跨塌导致46人死亡，使用年限为39年。随后弗罗 里达阳光桥因船撞而严重损伤，由此引发了对美国58万座公路桥梁 的检查，共调查了51.4万座，这些桥中40％以上有不同程度的损伤， 98000座桥梁结构强度降低，应停止使用或限载。
2004年辽宁盘锦田庄台大桥
大桥桥位于盘锦与营 口交界处，连接辽河 两岸，桥长500余米 ， 在80吨的严重超载情 况下，使大桥第9孔 悬臂端预应力结构瞬 间脆性断裂 。
苏州堰月桥 （2005年4月）
大桥建造于８０年代中期，距今已有２０ 多年历史，危桥。
甘肃洮河大桥（2006年5月）
位于甘肃省道306线上,岷县县 城以北500米处，始建于1974年, 总长200多，桥宽8米。
修提供决策的重要环节。
1 世界桥梁的发展
四大主要桥型的发展
连续刚构 拱桥
悬索桥 斜拉桥
斜拉桥发展趋势
济南黄河公路大桥
发展趋势： 1.混凝土斜拉桥采用前支点挂篮。 2.塔身采用箱型断面，设置预应力平衡拉索的拉力 3.主梁采用柔性π 型断面，施工阶段达8米。 4.400米以上大跨采用钢箱主梁.
斜拉桥是一种自锚式拉索结构，具 有良好的力学性能和经济性；
Thruway Bridge, New York, US（1987年4月）
I-40 Bridge, Oklahoma, US（2002年5月）
美国明尼苏达州密西西比河大桥垮 塌
2007年8月1日
Entre-os-Rios Bridge , Portugal （2001年3月）
江苏省长大桥梁健康监测云平台的设
物联网技术 2022年 / 第12期100 引 言伴随着我国桥梁建设的突飞猛进，国内重点区域大跨径桥梁的安全与健康保障问题日益凸显。
运用结构健康监测（Structural Health Monitoring, SHM ）技术，利用现场的传感设备获取相关数据，再通过对包括结构响应在内的桥梁结构系统特性进行分析，可达到监测结构损伤或退化的 目的[1]。
目前，健康监测系统已在江苏省内的众多长大桥梁中得到成功应用，最早的江阴长江公路大桥结构健康监测系统1999年即已建立，是国内最早的桥梁结构健康监测系统之一。
2010年，江苏省又在全国率先组建了第一家区域桥梁监测数据中心—江苏省长大桥梁健康监测数据中心，目前该数据中心管理着江苏交通控股有限公司旗下的5座江苏省内长江公路大桥和2座高速公路大跨径索承桥梁。
在数据中心的管理下，7座大桥的监测系统总体运行正常，目前已积累了高达2万亿条，20 TB 的监测数据，通过对这些数据的分析，不仅产生了大量学术成果[2-11]，而且为大桥的科学管养发挥了重要支撑作用。
但由于各大桥健康监测软件系统的总体技术方案和核心部分采用的是2003年建立江苏省内第一座自主研发桥梁健康监测系统时的技术，各大桥与数据中心间的数据传输与数据中心的数据存储方案采用的是2010年时的技术方案，上述方案在建立之初确实代表着当时健康监测技术的先进水平，并在后续进行了一些小范围优化，但其所采用的基于“服务器+客户端”的传统系统架构[12]，已表现出越来越多的问题，如：客户端兼容性差、扩展能力不足、数据展现方式单一、数据存储零散、时序数据处理效率低、大数据分析能力弱及系统版本管理分散等，已无法满足当前技术条件下对桥梁结构健康监测系统在数据传输、存储、展示和分析等方面的需求。
近年来，Web 、云、机器学习等技术高速发展迭代，云技术提供了软硬件一体化的存储、计算和网络服务，具有高效、稳定、可靠及高可拓展性等优势；Web 技术提供了更丰富的数据展现形式，更便捷的访问渠道，更人性化的交互设计；机器学习技术则提供了更灵活、更广泛的数据处理分析平台，因此已逐渐成为桥梁健康监测系统重要的软件平台构建核心技术。
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江阴大桥结构健康监测系统升级改造与数据分析
原系统传感器和外站分布示意
原系统网络结构示意
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江阴大桥结构健康监测系统升级改造与数据分析
Oresund Bridge
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Neva Bridge, Skt. Petersburg, Russia
4E 3E 2E 1E East Tower
Number of sensors >1200
WIM
1W 2W 3W 4W
West Tower
Sensors on the Stonecutters Bridge
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亚洲地区 日本 明石海峡大桥 Hakucho悬索桥 南备赞濑户悬索桥 韩国 Nambae 悬索桥 Jindo 斜拉桥 New Haengju 斜拉桥 泰国 印度 Rama IX 斜拉桥 Naini 斜拉桥
工程实例
美国
欧美地区
Sunshine Skyway斜拉桥 Benicia-Martinez钢桁架桥 休斯顿Fred Hartman 大桥 Commodore Barry 大桥 Bronx Whitestone 悬索桥 Bear Mountain 悬索桥 Hormiguero大桥
英国 丹麦 挪威
Flintshire独塔斜拉桥 Faroe跨海斜拉桥 Great Belt East 悬索桥 Skarnsundet 斜拉桥
究 院
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江阴大桥结构健康监测系统升级改造与数据分析
定义： 桥梁结构健康监测
• 在结构上布设传感器，实时 监测环境参数、结构和构件 的响应 • 进行监测数据处理、结构参 数识别与损伤诊断，实时评 定结构整体与局部安全状态
江阴大桥结构健康监测系统升级改造与数据分析
江阴大桥结构健康监测系统升级改造与数据分析
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
长大桥梁健康检测与诊断交通行业重点实验室 江苏省公路桥梁工程技术研究中心
张宇峰
2009.11.18 南昌
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江阴大桥结构健康监测系统升级改造与数据分析 江阴大桥 润扬大桥
苏通大桥
南京长江三桥
江 苏 省 交 通 科 学 研 究 院
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江阴大桥结构健康监测系统升级改造与数据分析
期望的作用
验证设计假设和设计参数，有助于改进和完善当前桥梁设 计规范; 及时地发现异常结构荷载和响应，尽早地识别出结构可能 存在的损伤和性能退化; 在灾后和异常事件后及时地对结构安全性评估提供数据； 为桥梁的日常检测、维护、加固和维修提供依据和指导; 监测各类维护、加固和维修措施的作用和效果; 为桥梁研究提供大量的原始数据.
江阴大桥结构健康监测系统升级改造与数据分析
2.1 项目概况
原系统概况——原系统运行情况 数据管理——数据加密，仅能在专有系统中查阅 数据分析——仅有简单统计 陆续损坏，2004年初，全面瘫痪
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2.1 项目概况
需要解决的问题
原系统故障分析 系统升级改造研究
技术对策的提出与实现、系统设计、硬件安装与调试、软家开发
安全评估技术研究 系统数据分析与结构状态评价
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一、国内外的研究与应用
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江阴大桥结构健康监测系统升级改造与数据分析
必要性
桥梁在建造和使用过程中，由于受到环境、有害物质的侵蚀，车辆、 风、地震、疲劳、人为因素等外来作用，以及材料自身性能的不断退 化，导致结构各部分在远没有达到设计年限前就产生不同程度的损伤 和劣化。这些损伤如果不能及时得到检测和维修，轻则影响行车安全 和缩短桥梁使用寿命，重则导致桥梁突然破坏和倒塌。 传统检查方法存在诸多缺点，限制决定了其无法直接有效地应用于大 型桥梁的健康状况检查。 不足之处： （i）需要大量人力、物力和财力并有诸多检查盲点； （ii）主观性强，难于量化； （iii）缺少整体性； （iv）影响正常交通运行； （v）周期长，实时性差。 美国联邦公路委员会：由人工检查做出的评估结果有56%是不恰当 的。 江 苏 省 交 通 科 学 研
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明石海峡大桥
Jindo斜拉桥
Banghwa拱桥
Namhae悬索桥
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2.1 项目概况
系统升级改造的目标设定
恢复原系统运行 振动监测、吊杆索力监测、主缆锚固索力监测 增加基本的评估系统 根据评估及养护管理需要增加监测范围,完善系统 功能 提高系统运行可靠度 预留进一步升级改造的接口
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江阴大桥结构健康监测系统升级改造与数据分析
2.1 项目概况
原系统概况——原系统主要功能
主缆、主梁、吊杆的振动监测（压阻式加速度传感器，72） 主梁位移监测（全站仪，8） 吊杆索力监测（剪力销，12） 锚室内主缆索内力载荷监测（磁弹仪，14） 在线阈值报警——阈值由主体设计单位提供 设8个外站，对数据进行分布式采集和存储
软件系统封闭
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2.3 系统缺陷与故障分析
雷电防护不足 外站散热条件不良 外站硬件结构不合理 硬盘长期在线工作
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WIM
Anemometer Accelerometer & Seismometer Temperature Sensor Strain Gauge GPS Rover Station Displacement Transducer Barometer, Rain Gauge, Hygrometer Corrosion Sensor Digital Video Camera WIM Weigh-In-Motion System
江阴大桥结构健康监测系统升级改造与数据分析
国内外健康监测技术发展概况 江阴大桥结构健康监测系统升级改造研究 江阴大桥结构状态评估技术研究与数据分析 总结与展望
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江阴大桥结构健康监测系统升级改造与数据分析
江 苏 省 交 通 科 学 研 究 院
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江阴大桥结构健康监测系统升级改造与数据分析
2.2 系统缺陷与故障分析
监测手段、频率选用不当
主梁挠度——全站仪 吊杆索力——剪力销 主梁纵向位移——标尺
传感器选型及布设不合理
加速度传感器选型（72 37＋24＋11） 布点不合理
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中国
青马大桥 汲水门大桥 汀九大桥 虎门大桥 徐浦大桥 钱江四桥
江阴长江大桥 南京长江二桥 南京长江三桥 济南黄河桥 芜湖长江大桥 润扬长江大桥
苏通长江大桥……
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江阴大桥结构健康监测系统升级改造与数据分析 汲水门大桥
汀九大桥
青马大桥
深圳西部通道（香港）大桥
昂船洲大桥
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