土木工程健康监测技术

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1、浙江工业大学土木工程健康监测技术的国内外研究进展建筑工程学院毛建飞2111106025 土木工程健康监测技术的国内外研究进展重大土木工程结构，如水坝、桥梁、电厂、军事设施、高层建筑等，在遭受 地震、洪水、飓风、爆炸等自然或人为灾害时的安全问题，与人民的生命财产息 息相关，已经引起人们的广泛关注。上述重要结构在经历了极端灾害性事件后， 立即对他们的健康状况做出评估是非常必要的，实时地监测和预报结构的性能， 及时发现和估计结构内部损伤的位置和程度，预测结构的性能变化和剩余寿命并 做出维护决定， 合理疏散居民， 对提高工程结构的运营效率，保障人民生命财产 安全具有极其重大的意义。 因此，结构的健康监

2、测技术成为当前国内外研究的热 点问题。一、开展结构健康监测工作的意义1.1 结构健康监测的定义和内涵 结构健康监测 ( Structural Health Monitoring，SHM)定义为：一种从营运状态 的结构中获取并处理数据， 评估结构的主要性能指标 ( 如可靠性、耐久性等 ) 的有 效方法。它结合了无损检测(NDT)和结构特性分析 (包括结构响应 ) ，目的是为了 诊断结构中是否有损伤发生， 判断损伤的位置， 评估损伤的程度以及损伤对结构 将要造成的后果。 总的来说，结构健康监测的基本内涵即是通过对结构结构状态 的监控与评估， 当出现严重异常状态时触发预警信号，为结构维护、 维修与管

3、理 决策提供依据和指导。 1.2 对设计和研究的推动意义 与传统的检测技术不同， 结构健康监测不仅要求在测试上具有快速大容量的 信息采集与通讯能力， 而且力求对结构整体行为的实时监控和对结构状态的智能 化评估。然而，结构健康监测不仅仅只是为了结构状态监控与评估。由于大型或 复杂结构的力学和结构特点以及多变的实际环境，在设计阶段完全掌握和预测结 构的力学特性和行为是非常困难的。 结构理论分析常基于理想化的有限元离散模 型，并且分析时常以很多假定条件为前提，这些往往与实际的真实条件不全相 符因此，通过健康监测所获得的实际结构的动静力行为来验证理论模型、计算 假定具有重要意义。 健康监测信息反馈于结

4、构设计的更深远意义在于，结构设计 方法与相应的规范标准等可能得以改进。 并且， 对结构在各种使用条件和自然环境下的真实行为的理解以及对环境荷 载的合理建模是将来实现“虚拟设计”的基础。还应看到，健康监测带来的将不 仅是监测系统和对某特定结构设计的反思，它还可能并应该成为结构研究的 “现 场实验室”。同时，结构控制与健康评估技术的深入研究与开发也需要结构现场 试验与调查。健康监测为结构工程中的未知问题和超限结构的研究提供了新的契 机。 结构健康监测不只是传统的检测加结构评估技术，而是被赋予了结构监控与 评估、设计验证和研究与发展三方面的意义。二、结构健康监测系统的基本描述典型的结构健康监测评估系

5、统分为三个阶段：一、监测阶段；二、诊断阶段； 三、状态评估阶段。 完成这样一个系统需要多学科技术人员的密切合作。目前第 一阶段“监测”技术日趋成熟；第二阶段“诊断”是目前国内外研究的热点，该 阶段需要通过有对实际工程有相当多的经验才能完成；而第三阶段“状态评估阶段”尚处于研究和发展之中。三、健康检测概述结构健康监测技术研究的目的就是通过结构中的传感器网络来实时获取结 构对环境激励 ( 人为的或自然的 ) 的响应，并从中提取结构的损伤和老化信息， 为结构的使用和维护工作提供参考，因而可降低维护费用， 预报灾难性事件的发 生，将损失降低至最小。 对于结构健康监测的关键， 就技术上而言， 主要是先进

6、传感器的优化布设和 信息的高效传输；就理论上而言，主要是结构识别理论和状态评估理论的发展。 因此，健康检测有可能将目前广泛采用的离线、静态、被动的损伤检测，转 变为在线、动态、实时的监测与控制，这将导致结构工程安全监控、减灾防灾领 域的一场革命。 可见，结构健康监测是一门综合性技术，涉及到结构动力学、信息技术(如 信号的传输、处理、存贮与管理) 、传感器技术、优化设计等多个学科。 一般，健康监测系统应包括以下几个部分: (1) 传感系统。由传感器、 二次仪表及高可靠性的工控机等部分组成，用于 将待测物理量转变为电信号。 (2) 信号采集与处理系统。 一般安装于待测结构中， 实现多种信息源、 不

7、同 物理信号的采集与预处理， 并根据系统功能要求对数据进行分解、变换以获取所 需要的参数，以一定的形式存储起来。 (3) 通信系统。将处理过的数据传输到监控中心。 (4) 监控中心和报警设施。 利用可实现诊断功能的各种软硬件对接收到的数 据进行诊断， 包括结构是否受到损伤以及损伤位置、损伤程度等。 传感器监测到 的实时信号， 经过采集与处理， 由通信系统传送到监控中心进行分析，判断损伤 的发生、位置、程度，从而对结构的健康状况作出评估。如发现异常，发出报警 信息。 一般大型桥梁健康监测系统对以下几方面进行监控 : 结构的固定模态及 其相对应的结构阻尼; 桥梁在正常车辆荷载及风载作用下的结构响应

8、和力学 状态; 桥梁在突发事件 ( 如强烈地震、意外大风或其他严重事故等) 之后的损 伤情况 ; 桥梁结构构件的真实疲劳状况; 桥梁重要非结构构件( 如支座 ) 和附属设施的工作状态 ; 大桥所处的环境条件 , 如风速、温度、地面运动等。 大型桥梁因其桥型、重要性、使用年限等因素的不同, 其健康监测系统的预 期目标也有所不同。 国外从 20 世纪80 年代中后期开始建立了各种规模的桥梁健康监测系统。 我国自 20 世纪 90 年代起也在一些大型重要桥梁上安装了不同规模的健康 检测系统。如在香港的青马桥、 汲水门桥和汀久桥上安装了保证桥梁运营阶段安 全的“ 风和结构健康监测系统 “ , 可以监测

9、作用在桥梁上的外部荷载( 包括环境荷 载、车辆荷载等 ) 与桥梁的响应 ; 在上海徐浦大桥上安装的带有研究性质的结构 状态监测系统 , 其目的是为了获得大型桥梁健康检测的经验, 监测内容包括车辆 荷载、中跨主梁的标高和自振特性, 以及跨中截面的温度和应变、斜拉索的索力 和振动水平 ; 在江阴长江公路大桥上安装的健康监测系统, 主要监测加劲梁的位 移、吊索索力、锚跨主缆索股索力以及主缆、加劲梁、吊索的振动加速度等; 在 南京长江大桥上安装的健康监测系统, 主要进行温度、风速风向、地震及船舶撞 击、墩位沉降 , 以及恒载几何线形、结构振动、支座位移等方面的监测。四、结构监测领域技术国内外发展情况4

10、.1 监测方法和设备 传统的测量方法是用应变片来测量系统的运动情况和所受的应力。较常用的 是电阻式应变片。 但这类应变片由于其输出功率较小、对电噪声比较敏感， 因此 对后续的信号处理设备要求较高。近年来通过研究和实践表明， 结构健康监测应 用新出现的很有前途的信息传感技术主要有：光学传感器、微机电系统(MEMS) 传感器、 GPS 和无线传感等。 (1) 光纤传感器 光纤传感技术是利用光纤对某些特定的物理量敏感的特性，将外界物理量转 换成可以直接可测量的信号的技术。由于具备各种特有的优势， 在经历多项实际 监测项耳的考验和完善之后，光纤传感技术已经成为目前最成熟可靠的监测手 段。光纤检浏法的优

11、势： 抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全； 重量轻、体积小、外形可变，对被测介质影响小； 具有极高的灵敏度和分辨率，便于复用，便于成网，有利于与现有光通信技 术组成遥测网和光纤传感网络； 成本低。 (2) 微机电系统 MEMS( 微机电系统 )的发展显示了巨大的生命力， 它把信息系统的微型化、 多 功能化、智能化和可靠性水平提高到新的高度。桥梁结构的工作环境相对恶劣， MEMS传感器可适应其工作特点。MEMS 传感器在可靠性和造价方面有着较大的优 势。 监测系统常用传感器监测内容所用传感器荷载监测风速计、温度计、强震仪、摄像机几何监测位移计、倾角仪、 GPS 电子测距器、数字相机动、静力监测

12、位移计、倾角仪、应变计、测力计、加速度计(3)GPS和无线传输 GPS 监测系统是一套实时监测系统，主要由四组系统组成，通过固定光纤网 络传输数据而进行运作。这4个系统分别是： GPS 测量系统； 信息收集系统； 信息处理和分析系统； 系统运作和控制系统。 近年人造卫星定位系统提供的实时位移测量精度有显著的提升。将此测量技 术应用于直接量度结构整体或重点部位的三维位移，配合结构分析模型来模拟主 要构件的内力状况， 可增强结构健康监测和评估的可靠度，并预警结构有否潜在 损坏的危机，提高养护维修工作的效率和效果。 结构健康监测常用传输线把传感器的信号传到中心存储单元，有线传输系统 的安装造价高、

13、信号易受环境的干扰。 为了解决其缺点， 人们提出了无线传感系统。无线传感安装方便， 可实现传感器之间直接通信。无线通信网络的灵活性在 于减轻了系统对中心数据采集单元系统功能协调性的依赖。 (4) 声发射和超声 -声发射系统 声发射 (AE)是从材料中的损伤源快速释放能量而产生的弹性应力波。这些弹 性波可以监测到并转换成压电信号， 这些由安装在材料表面的小的压电晶体传感 器完成。传感器响应通过前后滤波器去除频率低于IOOKHz 的可听得见的噪声。 结 果表明即使是周围的噪声水平很高使用声发射也能监控结构的活动损伤声发射 的损伤源包括断裂、塑性变形、冲击、磨擦、腐蚀膜层破坏及其他过程。 超声 -

14、声发射 (AU)是在具有声发射应用特征的频率范围内使用超声波方 法该技术能检测和描绘单层和多层金属、陶瓷和复合板材料结构的差异。也能 对微观结构、 金属厚度和厚的复合材料进行腐蚀及分布差异的检测。Au使用脉冲 发生器和接收传感器以低超声范围内的共振频率，结合波传播动力学预测来检测 损伤超声波被表面和界面反射回来，由于散射和吸收衰减， 在反射和播送中模 式发生变化 这些结果主要依赖于波的频率、方向、初始模式和表面损伤的位置 和方位当结构发生损伤时， 信号发生变化就表示损伤类型。通过计算信号中给 定的损伤类型和度的平均变化，可以从AU 测量值来估算损伤。 42测点布置 人们探索了一系列的准则， 如

15、基于经验和基于结构自由度的缩聚法；针对振 动模态的有效独立法 (EI) ： Cameron 和Durrant-Whyte 在模态实验中采用的贝叶斯 法： 清华大学在青马大桥健康监测中采用的遗传算法寻找加速度传感器的最优布 点；西南交通大学也探索了静载作用下桥梁应变测量传感器优化布设。 目前技术发展比较成熟的主要是神经网络法。 4.3 结构损伤的国内外监测方法 结构损伤识别是通过对结构的关键性能指标的测试和分析，判断结构是否受 到损伤；如果结构受到损伤，则损伤位置、损伤大小如何；为判断结构能否继续 使用及其剩余寿命估计提供决策依据。 结构的损伤识别主要包括4 个层次 : 结构是否发生损伤； 对损

16、伤的定位； 对结构损伤大小进行评价； 对结构的剩余寿命进行估计。 目前关于结构损伤识别的第一层次的研究已经成熟，而关于损伤定位与损伤 识别大小方面的研究是核心，也是难点。 结构损伤检测技术按检测目标可分为局部检测和整体检测2大类。局部法依 靠无损检测技术对特定构件进行精确的检测、查找, 描述缺陷的部位；而整体法 试图评价整体结构的状态, 可以间断或连续地评价结构的健康, 确定损伤存在的 可疑区域。在大型土木结构工程的健康监测中多综合利用局部法和整体法。 局部检测方法有目测法、回弹法、染色法、光干涉、声发射法、射线法、超 声波技术等等。局部检测方法需要预先知道结构损伤的大体位置, 并且要求检测 仪器能够到达损伤区域 , 对于大型复杂结构 , 无法给出整体结构的损伤信息。 整体检测方法大致可以分为动力指纹法、模型修正法、 神经网络法、 遗传算 法等。 动力指纹法是通过分析与结构动力特性相关的动力指纹变化来判断结构的真 实状况。结构一旦发生损伤, 其结构参数 , 如刚度、质量、阻尼等会发生改变, 从而导致相应的动力指纹的变化,