结构健康监测技术PPT幻灯片课件

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1、重大工程结构健康监测 SHM 技术 张浩涉外土木工程教研室 概述 江西交通科学研究院 Section 1 1 引言 江西交通科学研究院 全球基础设施普遍存在安全隐患 人类生活依赖大量的各种基础设施道路 地下管道 高速公路 各种建筑等各种基础设施长期使用中存在各种问题被忽视 缺少维护 设计标准底 Section 1 1 引言 江西交通科学研究院 天灾 自然力量 台风 海啸 地震 洪水 损失巨大可预报 无法避免 有什么解决办法 天灾 气象 海洋 地质灾害预报 有何技术途径 人祸 法规 规划 设计 监测 人祸 人为因素 无意 蓄意渎职 偷工减料 可以避免或加以控制 结构毁坏主要原因 1 引言 Sec

2、tion 1 江西交通科学研究院 1996四川綦江彩虹桥死41 汶川地震后的桥梁 Section 1 1 引言 导致结构性能劣化的因素 因素1 目前状况 后果 既有结构缺乏足够的检测和监测 只有到结构继续维修时才引起重视 维修费用甚至超出更换费用 江西交通科学研究院 桥梁结构日常使用主要问题 结构劣化 Section 1 1 引言 因素2 状况 结果 钢筋混凝土结构中的钢筋锈蚀 钢筋的变形导致混凝土开裂和剥落 强度或使用性能的降低导致构件需要维修或更换 江西交通科学研究院 结构劣化因素 Section 1 1 引言 因素3 状况 结果 交通荷载量及荷载等级逐年增加 逐渐超出既有桥梁原来的设计标

3、准 结构不安全或使用性不足 构件需加固或更换 江西交通科学研究院 结构劣化因素 Section 1 1 引言 因素4 状况 结果 结构整体劣化或老化 各种有害因素影响结构的可靠度安全性和使用性能 结构需要维修 加固甚至更换 江西交通科学研究院 结构劣化因素 Section 1 引言 江西交通科学研究院 我国土木工程结构安全现状 工民建设计50年 通常25 30年需大修 或更短市政桥梁设计50年 10 15年就出现严重破坏海工设计30 50年 5 15年就出现严重破坏大跨桥梁设计50 100年 10年以上的桥就很危险 Section 1 引言 江西交通科学研究院 存在问题 非技术因素市场 腐败

4、管理 做假技术因素标准设置水平低无耐久性标准无详细监测制度 解决之道 结构健康监测 SHM Section 1 1 引言 江西交通科学研究院 以常用车辆作用于30米跨度简支梁桥为例规范计算的需承受的活荷载效应 美国和英国规范分别比我国规范大12 和29 考虑活荷载安全系数 我国1 40 美国1 75 英国的1 73桥梁需承受活荷载效应设计值 美国和英国规范分别比我国规范大40 和59 材料设计强度 我国的设计承载能力为美 英的68 和60 我国公路桥梁设计标准偏低 2 什么是结构健康监测 SHM 利用现场测试 无损检测或各种传感技术和结构特征分析 包括结构响应来识别损伤是否产生 确定损伤位置

5、评估损伤程度以及损伤对结构造成的后果 目标 建立智能结构体系 Section 2 江西交通科学研究院 一个可靠的结构健康监测 SHM 系统应包括 先进的传感技 数据采集技术 系统识别和损伤定位技术和土木工程技术 结构的安全性 强度 整体性 可靠性 Section 2 结构健康监测逐渐普及 结构健康监测的发展得益于 逐渐增长的需求 既有结构养护管理的需求 新设计 新技术和新材料监测的需求 以下技术的发展 新型传感技术 如 光纤 智能材料等 数据采集系统 网络和无线网络技术 数据库系统 传输 收集 储存和分析 数据处理和分析技术 江西交通科学研究院 Section 2 结构健康监测 SHM 的定义

6、 结构健康监测 无损检测结构现场测试和评估 使用多种传感器埋入或粘贴到结构表面进行监测 结构的安全性 强度 整体性 可靠性 江西交通科学研究院 Section 2 结构健康监测与人类体检的类比 医生 监测病人的健康状况使用医学设备对人体进行健康检查开处方进行对症治疗 SHM工程师 监测结构的健康状况使用各种传感器对结构进行健康检查给出桥梁维护管理方案 ISISCanadaEducationalModule5 Section 2 SHM系统组成 数据采集 数据传输 数据处理 数据存储 数据恢复 诊断分析 江西交通科学研究院 Section 2 SHM系统分级 等级I识别损伤是否存在 等级II识别

7、损伤是否存在及其位置 等级III识别损伤是否存在及其位置 程度 等级IV识别损伤是否存在 位置 程度和对结构造成的影响 江西交通科学研究院 等级I 等级II 等级III 等级IV 定位 识别 定量 损伤影响 精度要求逐步提高 Section 2 SHM系统分级 江西交通科学研究院 Section 2 SHM的优点 优点 长期实时把握结构状态 尽早识别损伤 保证结构强度和使用性能 减少检查 维护时间和费用 制定合理的养护管理方案 提高工作效率 促进新技术新材料的研究和应用 江西交通科学研究院 Section 3 3 方法 理想的SHM系统 提供结构健康信息 出现损伤时给出警告SHM系统的发展需要

8、多方面学科发展的支持 数据采集 材料 计算机 传感器 损伤识别 结构工程 通信 智能处理技术 江西交通科学研究院 Section 3 系统组成示意图 江西交通科学研究院 Section 3 3 1 数据采集 a 传感器的选择 适合的可靠的传感器根据监测时间 长期 或短期 需求选择结构监测项目 传感器必须满足功能和耐久性要求 原始数据的收集如 温湿度 风速 应变 变形 加速度 荷载 交通量 地震等 江西交通科学研究院 Section 3 3 1 数据采集 b 传感器安装和布置 传感器的安装必须不影响原有结构性能传感器的附属设施如 缆线 线槽 连接箱等需不妨害结构使用需考虑传感器优化布置 江西交通

9、科学研究院 Section 3 c 数据传输 方法 有线系统传感器与采集系统间直接线路连接最常用而且费用低廉对于大型桥梁不使用缆线过长导致信号噪声大方法 无线传输更昂贵信号传输更慢更不安全技术潜力较大 3 1 数据采集 江西交通科学研究院 Section 3 d 数据采样和收集 3 1 数据采集 基本要求 采集数据不能过少导致无法完成监测系统基本功能 也不能过多导致数据处理和分析困难 重点 传感器的数量和采样频率数据存储和排序某些情况下数据量特别大结果 制定有效的数据采样和存储策略 江西交通科学研究院 Section 3 监测内容 荷载 变形 施加到结构上的荷载的大小和分布是否为预期的荷载 荷

10、载是怎么分布的 使用设备测试荷载或由应变数据推导 过大的变形 意味着导致结构需要维修 加固甚至更换是否在预期的范围之内 可使用不同的传感器测试 江西交通科学研究院 3 1 数据采集 Section 3 应变 温度 应变 反映变形的强度应变的大小和变化能用于评估结构的安全性和整体性使用各种应变传感器光纤 电阻式 振弦式等 温度变化可导致变形热膨胀周期性的循环变化会导致疲劳破坏温度会影响应变测量值需进行温度补偿使用热电偶 光纤等进行测试 江西交通科学研究院 3 1 数据采集 Section 3 加速度 风速和风压 动力荷载导致结构的动力响应结构如何抵抗动力荷载 在地震多发区广泛使用通常用加速度传感

11、器测试 大跨桥梁和高层建筑往往由风荷载控制设计不同位置的风速和风压通常用超声风速仪测试 江西交通科学研究院 3 1 数据采集 Section 3 声发射 视频监测 当结构或构件某些部位开裂或断裂 会产生噪音声发射通过监测噪声 通过3角测量法进行损伤定位后张预应力混凝土结构和缆索支撑桥梁比较常用使用专用传感器测试 实时追踪的视频或图像可记录突发事件或极端荷载数据有图片为证可捕捉超载车辆可使用网络摄像机技术 江西交通科学研究院 3 1 数据采集 Section 3 3 2 数据传输 数据需从采集站传递到监控中心允许远程监视 减少现场工作量 电话 网络 无线技术 采集站 监控中心 江西交通科学研究院

12、 Section 3 3 3 数据预处理 更简单 传输更快 更精确 数据存储前进行目的在于清除一些不可靠的数据 测试噪声 温度影响等 尽量使存储的数据更真实可靠 以便于将来的数据分析 江西交通科学研究院 可保存较长时间段内的数据数据要易于理解数据尽可能不中断要有足够的存储空间数据文件格式要好 可读性强通常存储分析处理后的数据而不存储原始数据存储数据要真实 不能随意更改 Section 3 3 4 数据存储 江西交通科学研究院 Section 3 3 5 诊断 极端重要的部分将数据信号转换为有价值的结构响应或状况信息没有标准的诊断方法使用的方法取决于 结构类型 传感器的类型和位置 监测的动机 所

13、关心的结构响应 江西交通科学研究院 Section 3 3 6 数据分析 数据分析时需考虑 数据的意义和价值 精简分析的工作量 谨记 SHM的目的是提供详尽的数据给工程师 以便于作出合理的 专业的工程决策 江西交通科学研究院 多种传感器在广泛使用SHM选择传感器取决于很多因素传感技术的发展极大推动了SHM的发展光纤传感器 FOSs 新技术土木工程中广泛应用研究开发和应用的热点 Section 4 4 传感技术 江西交通科学研究院 绝缘性 不受电磁干扰和电波干涉 先进的传感特性 稳定性 长期稳定性好测试误差小 方便性 重量轻 直径小 不受化学腐蚀 易埋入或表面粘贴安装 易用性 可多点或分布式测量

14、 Section 4 光纤传感器的优点 江西交通科学研究院 Section 4 光纤传感器如何测试 传感使用光学特性 数据采集系统再将电压信号转换为应变值 激光或光束在光纤内传递 通常有测试标距 光特性的改变直接能反映应变变化 解码器通过光信号的改变计算应变值 有的转换为电压信号 光束可测试状态变化 如光纤被拉长或压缩 江西交通科学研究院 Section 4 光纤传感技术 典型光纤 各种各样的光纤覆盖层保护保护光纤避免 减少和避免安装及操作中的磨损 防止潮湿环境削弱光纤控制微裂缝增长 混凝土结构中使用时避免光纤受损 外护套芳纶纤维内护套缓冲层裸光纤 江西交通科学研究院 Section 4 光纤

15、安装方式 焊接式 嵌入式 预制好 易于安装传感器外套有不锈钢管等保护设施能应用于各种恶劣环境 粘接式 手工安装对操作要求稍高避免受湿度影响 江西交通科学研究院 Section 4 光纤传感器的种类 常用的光纤传感器 光纤光栅 FBGs 长标距传感器法布里 珀罗传感器布里渊散射传感器 江西交通科学研究院 Section 4 光纤光栅传感器 仅可作为点式应变计测量 即可测试静力又可动力测试 一根光纤可串联多个传感器 可嵌入 粘结和焊接 需进行温度补偿 在光纤上刻有格栅当脉冲光打入光纤 在格栅处脉冲光会反射 如光纤粘贴在结构上一起变形 格栅处的的变形会导致反射光波长的变化 通过波长的变化值可以推算出

16、应变大小特点 江西交通科学研究院 Section 4 长标距传感器 通用性强 标距可从5cm到100m 仅可做静力测试 光纤内设有两个极小的 镜子 2个镜子的间距就是标据传感器测试2个镜子间的位移利用光的干涉原理进行测试特点 需进行温度补偿 江西交通科学研究院 Section 4 法布里 珀罗传感器 只可测试点式应变 即可测试静力又可动力测试 一根光纤不能串联多个传感器 可嵌入 粘结和焊接 光纤中切有一道 槽 利用光学技术来探测槽宽度的变化如果预先测量出槽的初始宽度 那么久可计算出应变值特征 江西交通科学研究院 Section 4 布里渊散射传感器 分布式大范围测试 目前仅可做静力测试 光纤长度小于10m时可测动力 可分别进行温度和应变测量 光纤本身即是传感器又可作为数据传输媒介 利用后向传播的布里渊散射光谱的中心频率偏移进行应变测试利用一根光纤可测试几十公里的范围测试分布式的应变场和温度场特征 解调仪较为昂贵 江西交通科学研究院 Section 4 分布式传感 能进行连续的应变测试并找到应变发生的位置可用于测量 光纤光栅通过一系列的传感器串联可实现准分布式测量可给出连续的空间应变分布