第二次学术报告-结构健康监测

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1、工程结构健康监测工程结构健康监测报告人：张佳玮指导教师：张锡治内容 1. 引言 2. 健康监测的组成 3. 健康诊断与安全评定、损伤识别的方法 4. 智能传感技术 5. 高层（超高层）建筑健康监测 6. 大跨度空间结构健康监测 7. 总结与展望 8. 参考文献1.引言土木工程结构健康监测（structural health monitoring）是目 前国内外的研究热点领域，其核心思想是通过监测结构 在不同时段（施工阶段，运营阶段，维护阶段）的响应 （应力、应变，挠度，频率，振型等）变化，来探测结 构可能发生的损伤，进而评价结构的安全性和剩余使用 寿命。通过对重点工程（高层建筑、体育场馆、大跨

2、度 桥梁、大型水利工程、隧道等）的实时监控，可以有效 发现结构在超常荷载下发生的静动力特性的改变，及时 提出预警。 在房屋建筑的健康监测方面，目前主要分为高层（超高层） 建筑健康监测和大型空间结构（体育场馆、会堂、重要 厂房等）健康监测两类以及在遗产建筑方面的应用。1.引言 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、设计标准低全球基础设施普遍存在安全隐患1.引言 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：

3、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1.引言疾病检查诊断治疗监测检查维修诊断1.引言形变仪平均应力计振动传感器压力计 沉降监测仪局部应力计位移计水压传感器分布式应变传感器岩土结构监测1.引言堤坝或水库监测水压传感器水位传感器形变仪平均应力计振动传感器温度传感器分布式 应力传感器分布式沉降监测仪倾斜仪局部应力计位移计分布式应变传感器泄漏传感器1.引言隧道结构监测形变仪钢筋腐蚀计温度传感器分布式应力传感器分布式压力计沉降监测仪局部应力计位移计平均应力计1.引言管道结构监测分布式应变传感器管道腐蚀仪泄漏传感器振动传感器

4、温度传感器分布式应力传感器分布式局部应力计1.引言大型建筑物结构监测形变仪平均应力计钢筋腐蚀计视频仪振动传感器温度传感器分布式应力传感器分布式压力计沉降监测仪载荷传感器倾斜仪气象监测仪局部应力计位移计1.引言桥梁结构监测形变仪平均应力计钢筋腐蚀计视频仪振动传感器温度传感器分布式应力传感器分布式压力计沉降监测仪载荷传感器倾斜仪气象监测仪局部应力计位移计1.引言高压输电塔结构监测形变仪平均应力计钢筋腐蚀计视频仪振动传感器应力传感器分布式压力计沉降监测仪载荷传感器倾斜仪气象监测仪局部应力计位移计2.健康监测的组成2.健康监测的组成一个完整的健康监测系统一般由以下几部分组成： 1）结构健康监测智能铸成

5、元件 智能传感元件将待测物理量转变为电信号。土木工程结构与 设施往往处于较恶劣的环境中，要求传感器必需满足耐久性 ，稳定性、与结构相容性等，传统的传感器很难满足工程实 际的需要。 2）信号智能处理 建筑健康监测的结构参数较多，如应变，加速度、速度、位 移、温度等，再则，大型结构的多自由度特性要求的监测布 点尽可能多，从而就要求采用尽可能多的传感器。不同的参 数测量采用的原理大多不一样，尤其智能传感器的出现使得 测量的信号差异很大。如何综合利用来自多传感器的多源不 确定性信息以提高确诊率成为建筑结构健康监测系统亟需解 决的问题。2.健康监测的组成3）健康诊断与安全评定 利用具备诊断功能的软硬件对

6、接收到的数据进行诊断， 判断损伤的发生、位置、程度，对结构健康状况做出评 估，如发现异常，发出报警信息。健康诊断与安全评定 可分为局部诊断与评定和整体诊断与评定两种。局部诊 断依靠无损检测技术对特定构件进行精确的检测、查找 、描绘缺陷的部位；而整体诊断试图评价整体结构的状 态，可以间断或连续的评价结构的健康，确定损伤存在 的可疑区域。在大型土木工程结构的健康监测中多综合 利用局部法和整体法。3.健康诊断与安全评定、损伤识别的方法3.1 整体法 3.1.1 模型修正法 模型修正法就是通过有限元模型修正和误差定位，得到一组修 正的物理参数以再现测量数据，依据修正的模型对结构进行评定其 安全状况。这

7、种方法的缺点是其可靠性难以确定。 3.1.2 动力指纹分析法 将从动力测试中获取的含有结构特性信息的动力响应及其衍生 物理量统称为动力指纹。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。这些动力指纹的改变可以看作结构损伤发生的标志,借以 诊断结构的损伤。 常用的动力指纹有:频率、振型、模态曲率、应变模态、柔度、 频响函数、模态保证准则(MAC)、坐标模态保证准则(COMAC)、能 量传递比(ETR)等。3.健康诊断与安全评定、损伤识别的方法3.1.3神经网络法 神经网络

8、用于损伤识别的基本原理是:根据结构在不同状态的反 应,通过特征提取,选择对结构损伤敏感的参数作为网络的输入向量, 结构的损伤状态作为输出,建立损伤分类训练样本集。将样本集送入 神经网络进行训练,建立输入参数与损伤状态之间的映射关系,训练 后的网络具有模式分类功能。将待测结构进行测试的动力参数输入 网络,得出损伤状态信息。 神经网络具有很强的非线性映射能力,特别适合于非线性模式识 别和分类,能够滤出噪声或在有噪声情况下正确识别,在这一点上,比 模型修正法和信号处理法适用范围更广。目前,用于结构损伤识别的 神经网络模型多为前向神经网络,其中BP网络应用最为广泛,此外还 有对偶传播神经网络、自回归神

9、经网络、径向基神经网络、小波神 经网络、模糊神经网络等。3.健康诊断与安全评定、损伤识别的方法3.1.4小波分析法 “小波”就是小的波形。 “小”是指它具有衰减性； “波”则是指它的 波动性，其振幅正负相间的震荡形式。优点是利用一个可以伸缩和 平移的视窗聚焦到信号的任意细节进行时频域处理，提供多个水平 的细节以及对原始信号多尺度的近似，既可看到信号的全貌，又可 分析信号的细节，还可以保留数据的瞬时特性。结构模型在环境激 励下，结构的损伤可以从对相应数据进行小波离散后的细节突变上 检验出来，这些突变的位置可以精确的指出损伤发生的时刻。 3.2 局部法 局部NDE技术主要包括目测法、染色法、发射光

10、谱法、回弹法 、声发射法、渗漏试验法、射线法、脉冲回波法、磁粒子法、磁扰 动法、涡流法等。绝大多数技术成功地应用于检查一定部件的裂缝 位置、焊接缺陷、腐蚀磨损、松弛或失稳等，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, 实际检测中经常几种技术联合使用来评价结构状态。对于大型复杂 结构,无法给出整体结构的损伤信息。4. 智能传感技术 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4. 智能传感技术绝缘性 不受电磁干扰和电波干涉先进的传感特性稳

11、定性 长期稳定性好测试误差小方便性易用性 可多点或分布式 测量重量轻, 直径小, 不受化学腐蚀, 易埋入或表面粘贴安装5 高层（超高层）建筑健康监测5.1 超高层结构健康监测系统功能 （1）实时监控结构的整体和局部状态； （2）对结构损伤位置和损伤程度做出诊断； （3）评估结构的服役情况、可靠性、耐久性以及剩余寿命； （4）发生台风、地震或爆炸等突发灾难事件或结构发生异常状态 时，判断结构的安全等级，保证人员的生命与财产安全，并 且在事后为结构的维护和管理决策提供依据； （5）设计验证与理论研究。5 高层（超高层）建筑健康监测5.2 主要监测项目 （1）结构动力特性监测：通过记录结构加速度时程

12、，分析得到频 响函数和模态参数，为后续的模型修正和损伤识别提供依据 。 （2）结构变形监测：主要监测顶端位移和层间水平位移。结构水 平位移过大，将会导致结构开裂、倾斜、或损伤等承载力的 下降，甚至达到一定程度时，结构加速度过大而引起用户感 官上的不适。此外，结构水平变形曲线也是变形监测的一项 重要内容，其在一定程度上反映了结构垂直方向的刚度变化 ，是损伤判断的重要依据之一。 （3）结构局部监测：包括巨型柱、核心筒墙体、外伸桁架等重要 构件和一些结构重要节点。这些构件或节点的强度降低或损 伤容易引起结构整体的不稳定，易发生安全隐患。需要对这 些构件的内力状态、强度、耐久性（混凝土碳化、钢筋腐蚀

13、以及开裂等）和温度等进行监测。5 高层（超高层）建筑健康监测（4）荷载监测：记录各种可变荷载及其时间历程，为结构自诊断 分析提供荷载数据。一般来说，主要监测风荷载和地震荷载 。超高层结构属于风荷载敏感建筑。随着高度的增加，风荷 载往往成为超高层结构设计中的控制荷载，频发的风力作用 容易引起构件或关键子结构发生过大的永久变形，增加结构 二阶效应和屈服破坏的可能，从而降低结构的可靠度。地震 荷载的记录，为环境激励下的结构振动响应分析提供依据。 获得的地震观测资料可推动我国关于地震动的研究。5 高层（超高层）建筑健康监测5.4 深圳市民中心屋顶网架结构健康监测 深圳市民中心是深圳市的政治中心和标志性

14、建筑。总建筑面积约 210000m2,占地面积91000m2，深圳市民中心的大屋盖网架结 构两边以树状钢柱为支撑,中部有一个圆塔和一个方塔从下而 上穿出屋面,同时也作为大屋盖的支点。该屋盖长486m,宽度 由两端154m向中间缩小至120m,其厚度由2.25m变至9.00m。 屋盖上下表面均为曲面,下表面为开孔率达13.6%的开孔板。5 高层（超高层）建筑健康监测5.4 深圳市民中心屋顶网架结构健康监测 整个网架结构被分为独立的三部分,两个对称的翼部和一个中部。屋 盖中部是要监测的部分。屋盖中部由圆形塔楼和矩形塔楼四 周主桁架之间的网架以及主桁架与两端树状支撑间的网架组 成空间结构体系。如下图

15、所示。主桁架采用焊接箱型截面,网 架为三层正放四角锥焊接空心球节点,网格水平间距为6m, 杆 件采用圆钢管。网架与主桁架的连接采用带肋的半球节点连 接。5 高层（超高层）建筑健康监测5.4 深圳市民中心屋顶网架结构健康监测5 高层（超高层）建筑健康监测5.4 深圳市民中心屋顶网架结构健康监测5 高层（超高层）建筑健康监测5.4 深圳市民中心屋顶网架结构健康监测6 大跨度空间结构健康监测大跨度空间结构广泛应用在各种大型体育场馆、剧院、会议展览中 心、机场候机楼等重要标志性建筑，此类建筑外形独特，体 系复杂、建造技术高难度，大量采用钢材、膜材、高强钢束 等新型材料。环境的侵蚀、材料的老化、地基的不

16、均匀沉降 和复杂荷载、疲劳效应等因素的耦合作用，不可避免地导致 结构系统的损伤积累和抗力衰减，极端情况下引发灾难性的 突发事件。虽然空间结构属于超静定结构，但空间受力比较 复杂，当结构关键部位发生破坏，可能发生整体破坏。大跨 度空间结构通常是大型活动的举办场所，人群密集，一旦发 生安全事故，所造成的生命损失和社会影响是无法估量的。 因此，对其进行长期健康监测和安全性评估是非常必要的。 大跨度结构的健康监测内容包含外部荷载作用和结构响应两大部分 。外部荷载作用主要为地面运动加速度和风环境及结构表面 风压等；结构响应主要为结构应力、位移、振动加速度、表 面温度、表面裂缝开展等。鉴于大跨度结构的特点，风环境 及结构表面风压是大跨度结构外部荷载作用监测的重点，而 结构应力监测包含钢结构表面应力、索拉力、膜面应力等。6 大跨度空间结构健康监测6.1 主要监测项目 1、钢构件的应力监测：可以采用应变计方法、X射线衍射法等。 2、索力监测：磁通量法、频率法。 3、膜面应力监