既有结构可靠性检测与监测-3讲解

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1、2013-09-09 结构全寿命维护结构全寿命维护 第四章第四章 既有结构可靠性检测与监测既有结构可靠性检测与监测 2 第四章 既有结构可靠性检测与监测 4.1 检测样本的抽取与合理的抽样数量 4.2 结构图纸的复核与测绘 4.3 结构材料性能的检测 4.4 结构构件损伤和材料性能劣化的检测 4.5 结构变形的检测 4.6 结构使用荷载的调查与分析 4.7 结构安全长期监测 3 性能稳定阶段 R 0 t 施工 阶段 性能退化阶段 服役期 环境作用下结构性能退化的监测、检测与预测 4 4.7 结构安全长期监测 自1940年美国Tacoma Narrows Bridge 发生风毁事故以后，桥梁结构

2、 安全监测的重要性就已经引起人们的 注意。如今在桥梁工程、高层建筑等 领域都得到了不同程度的应用。欧美 一些国家明确提出了结构健康监测 (Structural Health Monitoring，简称 SHM)的新理念，并先后在许多重要 的大跨度桥梁或高耸结构上建立了所 谓的安全或健康监测系统。 Span: 853.4 m, Opened: July 1, 1940 5 自然灾害社会安全 地震 海洋灾害 气象灾害 生态安全 地下空间安全 公共交通安全 反恐安全 火灾 -高楼、地下火灾 环境灾害事故 生命线工程安全 -路网、地下管网 人为灾害 上海城市面临的风险 怎样建设安全的国际大都市 5 6

3、 n监测 n对装备、系统或其一部分的 工作正常性进行实时监视而 采取的任何在线测试手段 n结构安全监测 n对装备、系统或其一部分的 工作正常性进行实时监视， 并对结构是否安全做出判断 n结构健康监测 n对装备、系统或其一部分的 工作正常性进行实时监视， 并对结构是否有安全隐患做 出判断 7 Central Cities Technopolis Sub-Urban Communities Digital Village Digital City Intelligent city 1940 1950-19601970-19801990-20002001-2010 Urban Development

4、 Information Society and CitizensInformation Society and Citizens Modern Cities Old Cities 1900 First Cities 3500 bC 700 aC 城市信息化历程 晓天下畅天下 感天下 烽火传信 判天下 8 9 4.7.1结构安全长期监测的目的 监测运营期结构工作状况，评估结构的安全性和健康状态，为结构 的科学施工、正常使用提供必要且可靠的信息。 验证与完善结构的设计理论和相关设计规程。 实测强风气候、地震、船舶撞击、极端温度变化等极限荷载作用对 结构的影响。 监视结构疲劳、应力分布和沉降情况，

5、以及对结构安全性的影响。 结构安全监测带来的将不仅仅是监测系统和某种特定结构设计的反 思，它还可能成为结构研究的现场实验室。 进一步发展工程监测的理论和技术。 10 监测系统的结构 传感 系统 灾变 预警 安全监测 预警系统 信息 融合 系统 集成 11 4.7.2 建立结构长期安全监测系统的主要问题 大跨桥梁结构安全长期监测的策略。 结构状态识别和结构安全评估模型的确定。 大跨桥梁结构损伤识别技术和方法。 建立针对桥梁结构健康状态评估体系、结构安全性评价系统和安全预警 系统。 数据采集与通信网络系统的设计。 科学的系统软件设计原则和流程图。 建立科学完善的结构原始指纹数据库、结构安全在线监测

6、数据库和阶段 运营评估资料库。 12 4.7.3 安全长期监测系统一般构成和设计原则 可靠性原则 先进性原则 可操作性和易维护性原则 完整性和可扩容性原则 一个完整的大跨度桥梁结构安全长期监测系统包括采集测量和数据分 析处理两大部分内容，一般可分为四个子系统。即：传感器子系统、数据 采集与传输存储子系统；数据信号处理与控制子系统；数据管理与分析评 估子系统。 13 传感器的选择及布置 14 传感器的分类 声学 光学 电学 化学 其它：磁学、卫星、热学 超声、声发射、音频超声、声发射、音频 光纤、激光、摄影光纤、激光、摄影 电阻、电压、压电电阻、电压、压电 电解质、生物电等电解质、生物电等 红外

7、、重力、网络、卫红外、重力、网络、卫 星、表面波等星、表面波等 15 传 感 器 的 分 类 环境监测类 温度传感器、湿度传感器、风环境传感器和地震动传感器等 外部荷载监测类 车速传感器、车载传感器、风速仪、波浪传感器 几何监测类 位移传感器、转动传感器和全球卫星定位系统（GPS） 结构反应监测类 应变传感器、位移传感器、加速度传感器和内力传感器 材料特性监测类 锈蚀传感器、裂缝传感器和疲劳传感器 16 主要传感器 17 传感器的选型原则 保证结构全寿命周期安全 根据结构 状态、 体系和形式以及 经济条件合理地 提出传感器的需 求 结合健康监测中 具体内容和目的 选择适宜的 传感 器类型和数量

8、 确保传感器在监 测期间具有良好 的稳定性和抗干 扰能力，采集信 号的信噪比应满 足实际工程需求 性价 比最 优 监测完整 性能稳定 18 应注意的4个方面 宜建立比较精确 的力学模型，并 进行适当的分析 选择合适的传感 器类型 选择恰当的监测 位置、数量及安 装方式 选择可靠的数据 采集和通讯方式 19 传感器性能参数及相关要求 量程 以被测量参数处在整个量程的80-90%之内为最好 采样频率 应根据监测参数和传感器类型选择适当的采样频率，如加速度 ，应为需监测到的结构最大频率的2 倍以上，为了避免混频现象 ，采样频率宜为 结构最大频率的3-4 倍 线性度 传感器应具有良好而稳定的线性度，在

9、对结构位移及应变等反 应进行监测时需要满足较高的线性度要求 20 传感器性能参数及相关要求 灵敏度 传感器应具有良好而稳定的灵敏度和信噪比 分辨率 传感器应具有良好而稳定的分辨率，且不应低于所需监测 参数的最小单位量级 迟滞 传感器应具有满足监测要求且足够小的迟滞差值 重复性 传感器应具有良好而稳定的重复性 21 传感器性能参数及相关要求 漂移 应严格控制传感器测量值的漂移，如漂移由温度等环境因 素产生，应同时对环境因素进行监测 供电方式 根据实际情况和监测要求确定不同类型的传感器的供电形 式，力求供电形式灵活 使用环境 应根据结构实际的环境因素选择满足使用环境温度、湿度 等要求的传感器 寿命

10、 应根据结构健康监测的时间或周期选择满足使用年限的传 感器，并充分考虑置换方案和时间 22 传感器布置的总体原则 n测得的数据应对实际结构的静、动力参数或环境条件变化较为敏 感 n测得的数据应能充分并准确地反应结构的静、动力特性 n测得的参数应能够与理论分析结果建立起对应关系 n宜在结构反应最不利处或已损伤处布置 n可合理利用结构对称性减少传感器数量 n传感器的布置宜便于安装和更换 23 数据的采集和调理 采集设备的性 能应与对应传 感器性能匹配 ，并满足被测 物理量的要求 为保证所采集 数据的质量， 采集设备宜对 信号进行放 大、滤波、去 噪、隔离等预 处理，对信号 强度 量级有较 大差异的

11、不同 信号，应严格 进行采集前的 信号隔离，避 免强信号对弱 信号的干扰 采集设备应设 置在环境适当 之处，避免潮 湿、静电及磁 场环境，信号 采集仪应有不 间断电源保障 24 数据的净化与取舍 数据采集前，应对含噪信号进行降噪处理，提高信号 的信噪比 数据分析处理之前，应正确处理粗差、系统误差、偶 然误差等 正确判断异常数据是由结构状态变化引起还是监测系 统自身异常引起，剔除由监测系统自身引起的异常数 据 对于交变类型的较高频连续监测数据，可根据数据存 储准则存储数据 25 数据的标准化 监测系统中存储数据的单位，宜采用 国际单位制 数据的时间应采用公历，最低精度为 秒 26 数据的处理 监

12、测数据主要用于后续的结构损伤识别、 模型修正和安全评定等，相关的数据处理 方法将随不同结构对象而不同。 一些常用的数据统计方法也经常用于监测 数据的处理，处理结果可以用于判定监测 数据是否异常的 参考，这些结果包括:极大 /小值查找、平均值、均方差、直方图、概 率分布图、相关曲线、频谱图等。 27 数据时间同步 基于信号的同步 技术 基于时间的同步 技术 28 数据传输 Wireless Sensor Networks 29 无线传感器网络的特点 大 规 模 自 组 织 动 态 性 能 源 有 限 通 信 和 计 算 能 力 有 限 30 大型工程结构监测的网络 31 Zigbee协议的发展

13、2001年8月， ZigBee Alliance成 立。 2004年,ZigBee V1.0诞生。它 是Zigbee的第 一个规范.但 由于推出仓促 ，存在一些错 误。 2006年，推出 ZigBee 2006 ，比较完善. 2007年底， ZigBee PRO 推出 2009年3月， Zigbee RF4CE 推出，具备更 强的灵活性和 远程控制能力 GPRS CDMA 3G 32 Zigbee技术的特点 低能耗 短距离 低成本 Zigbee技术常用射 频芯片 低复杂度 自组织 33 Zigbee的技术优势 低功耗。在低耗电待机模式下，2 节5 号干电池可支持1个节 点工作624个月，甚至更

14、长 低成本。通过大幅简化协议（不到蓝牙的1/10），降低了对 通信控制器的要求，而且Zigbee免专利费。 低速率。Zigbee工作在20250 kbps的较低速率 近距离。传输范围一般介于10100 m 之间，在增加RF 发射 功率后，亦可增加到13 km 短时延。Zigbee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态 只需15 ms 高容量。Zigbee可采用星状、片状和网状网络结构，最多可 组成65000 个节点的大网 34 拓扑形式 星形拓扑 簇状拓扑 网状拓扑 Add your picture 35Company Logo 系统的集合与关系 结构处置系统 损伤识别系统 数据采集系统 结构

15、健康监测系统结构健康监测系统 硬件：各种类型的传感器、数据采集卡、数硬件：各种类型的传感器、数据采集卡、数 据传输设备、计算机据传输设备、计算机 软件：数据融合算法软件：数据融合算法 硬件：计算机 软件：基于不同指标的损伤识别算法 36 小波谱 自振频率 位移模态 HHT谱 应变柔度 损伤指标 应变模态 模态曲率 应变能 结构柔度 位移频响 应变频响 37 冲刷 应力 倾斜 锈蚀 挠度 安全指标 加速度 渗漏 荷载 沉降 温度 裂缝 38 39 健康监测系统研究 n健康监测系统软件 n根据监测系统的设计，采用delphi语言编制了健康监测系统 软件。 40 隧道安全预警隧道安全预警 41 结构

16、位移监测反演实时荷载 整个隧道的 变形 隧道荷载安 全系数 隧道设 计荷载 相关规范和理论 及工程实际经验 隧道允许荷 载界限值 隧道荷 载预警 隧道变形预警 隧道监测系统组织 42 隧道安全评定及预警 43 上海恒丰北路立交桥连接天目路与沪太路，跨越进出上海的铁路主要 干线，于1986年建成通车。2008年由同济大学桥梁工程系实施了大桥安全 监测系统。 4.7.6 大跨度桥梁结构安全长期监测系统的 工程实例（1） 44 上海恒丰北路立交桥结构布置示意图 4.7.6 大跨度桥梁结构安全长期监测系统的 工程实例 45 项目的总体设计是主要由多参量传感器子系统、现场 无人值守站组成的数据测量系统和控制中心的数据处理系 统等二大部分组成恒丰北路立交桥结构安全长期监测系统 传感器 (放大器) 系统 数据采集 与传输系 统 监测数据 管理系统 桥梁安 全评估 系统 预警系统 数据测量系统 数据处理系