《地下设施的结构健康监测(共31页)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《地下设施的结构健康监测(共31页)（31页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、精选优质文档-倾情为你奉上地下设施的结构健康监测技术方面的问题与挑战摘要由于土地的稀缺，许多城市规划者正在认真考虑地下空间，来满足住宅，商业，交通，工业以及城市发展的需要。除了节约土地资源，地下建筑物提供的好处包括，对于地震和飓风防范的安全性，避免了城市噪音。然而，由于独特的设计以及施工，在项目施工和运营期间，它们需要严格的结构健康监测（SHM）方案，尤其是在附近的地面有着重要的建筑物时。进行连续监测可以有助于减少潜在的危险，确保更好的性能和促进深入理解整体的结构性能。本文讨论了重要的技术问题和地下建筑物的结构监测所面临的挑战。详细地概述了可用的传感器技术以及全面监测的方法，特别强调了地下作业
2、所遇到的情况。也强调了这种监测的实际好处，通过几个涉及地下结构的真实案例进行了研究。1. 序论民用基础设施是任何一个国家重要资产的重要组成部分之一。它们未能履行最佳状态水平，会影响该国的国内生产总值。然而，在世界许多地区，民用基础设施的日益老化正在给土木工程师造成不可预见的维护问题。这也促使积极研究在实时和自动化结构健康监测系统（SHM）的发展，它也促进了关键基础设施的持续监测以及人员参与的最小化。SHM的定义是建筑物的运行情况和荷载环境的监测，以及跟踪和评估操作事件的任何症状，异常和破坏/损伤。这可能影响其平稳运行，适用性或者安全可靠性。破坏/损伤可能是由材料属性，几何结构，边界条件，系统的
3、连接以及加载环境所引起的。因此，综合的SHM监测要求对各个方面进行密切监测。 目前SHM相关的绝大多数研究只专注于表面结构，例如桥梁和建筑物。几个现实中的桥梁已经全面进行了仪器的安装，并且正在监测运行中。然而，由于地下结构监测系统和技术的发展能力的有限，最近已经吸引了全世界的城市开发者的关注。支持地下结构建设的最重要的论据之一就是它们能够缓解土地资源稀缺的压力，特别是在那些大都市。通过地下工程所节省的有用的地面空间，可以被用来进行其他的社会工作，或者可以进行生态公园的建立/保护。此外，地下结构被认为是不易受到极端事件所损伤的，例如地震，风暴/飓风。与地面建筑物相比，不易受到噪音污染。在存储易燃
4、碳氢化合物和其他危险化学品方面，它们也比起地面结构更加安全。地下空间也不会受到电磁波的影响，对于电磁相关的研究/制造比较理想。新加坡的地下科学城的提议很好的反映了地下工程的趋势。图1显示了所提议的科学城的概念设计，它将容纳杰出的科学研究实验室。这种结构不会以任何方式影响当前地区的园林绿化，也不会与任何环境问题产生冲突。这种杜绝噪音的环境对于实验室里的研究是很理想的。图1.新加坡的地下科学城的概念设计 然而，不像地面的建筑物，地下建筑物的设计和施工更为复杂和昂贵。它们往往会在施工中和运营中遇到前所未有的困难。通常，许多复杂的岩土工程和环境参数无法在设计阶段中考虑到。因此，它们中的大多数可能会被保
5、守或者错误的估计，从而导致不经济或者不安全的设计。遗憾的是，施工完成之后，设计假设往往得不到验证。因此，一个比较全面的仪器设备在地下结构施工间能为外部荷载，应力分布，变形以及持续发生的损伤提供长期的监测，从而保证了高水平的安全性。同时，它可以作为设计验证的手段以及作为未来施工节省开支参考的数据库。这就使得那些还不是很熟悉的施工技术或者一项已知的技术超出正常范围内的应用，变得息息相关起来。最近发生在新加坡的实例突出了这一事实，2004年4月20日，在Nicoll大道环形捷运路线（MRT）的施工期间，一个临时挡墙，它支持着一个邻近Nicoll大道的33米深的基坑，在毫无警示下坍塌了，导致横跨的六车
6、道公路的大面积塌陷。这场事故的地点，如图2所示，面积有着两个篮球场那么大。除了造成一个重要交通网络的关闭以外，事故造成了四人死亡以及多人受伤。平时这个时候交通非常拥堵，而幸运的是，事故发生时没有车辆行驶，否则，伤亡会更大。图2.坍塌后的Nicoll大道 虽然事件还在调查之中，由调查委员会的临时报告间接指出，在设计和旋喷桩的施工中，形成了挡土系统的一部分。委员会指出，在不熟悉的施工技术下，更应该强调喷射灌注桩的定期检测。预测值与实际值之间的比较，以及关键路口的定期检测能够尽早察觉有害趋势。特别的是，报告指出“有需要将来自各个检测仪器的信息进行整合，将关键的信息相关联到作业场所会有什么事情发生，以
7、及施工中每一个细节的质量。”Nicoll大道的倒塌，严重强调了施工期间SHM的必要，特别是在城市中心，在那里关键性的建筑物很可能位于暗挖/施工地点上方的地面上。在严重损伤或者土支护结构失效以前，SHM可以提供足够的预警。 虽然SHM的重要性是大家公认的，但是被确认为总体地下资产管理系统的一个至关重要的因素，它还没发展到这个阶段。其最主要的原因就是SHM还没有成为实践方面的相关准则。另一个原因是，到目前为止，关于地下结构的详细的成本效益分析还没执行过。同时，更为广泛的来讲还没有有效的方法来认证。 本文解决的主要问题涉及到了地下结构的SHM。详细地描述了各种类型的传感技术，特别强调了地下条件下所遇
8、到的问题。借助了一些实例研究以及作者们进行的研究，来证明了SHM的实际优势。2.SHM的传感器系统 只有在所有关键部位的传感器系统对结构进行监测，才能实现全方位的结构监测。同时，很难想象只使用任何一种传感器就能追踪完整的结构行为以及监测到所有可能的结构异常。因此，全面监测要求部署作用上能够相互互补的传感器系统，并且要保留一定的冗余。这是为了在没有引起监测系统的总体崩溃的条件下，一部分传感器不能正常运行是允许的。此外，触感器以及相关的数据检索系统应能承受住施工以及运行期间的所遭遇到的地下恶劣环境。 一般说来，SHM传感器可以分为表面贴附式和嵌入式两种。如果表面贴附式传感器在任何阶段发生了故障，是
9、可以替换的。然而，对于嵌入式传感器的维修以及更换来说，是非常有限的。因此，嵌入式传感器，如果应用在地下结构中的话，其性能应该特别强大和持久的。下面部分就介绍了各种传感系统的工作原理，这些系统可用于地下结构的监测。根据地下结构所遇到的情况，来突出了他们的优点和缺点。2.1应变计 应变计是结构性能监测方面使用的最为广泛的传感器。在结构的表面，应变是由弯曲，扭曲，剪切，拉长/压缩所引起的变形。因此，应变测量能够捕捉到元件性能的好坏。因为其有效的性能，所以对于时间和温度测量很稳定。此外，它具有较小的尺寸和惯性，并且在应变范围内能够表现出线性响应。商业应变计有着各种类型，有机械的，电气的或者光电的。下面
10、是成功商业化的突出类型的各种应变计。2.1.1振弦式应变计(VWSG)图3显示了一个典型VWSG的制造细节，一个VWSG主要使用一根预应力不锈钢钢丝组成，它的两端被固定在耳状物上，耳状物是点焊而成以及构成监测组成部分。传感器线圈，固定在电线之上。当通电时，线圈会张拉电线，同时测量下所产生的振动频率。从振动原理来看，振动的自然频率f，与电线中的张力F有关。在这里L是表示电线的长度，m是单位长度的质量。应变力的任何改变，即，会引起张力的的相应改变，即F。因此，自然频率也就改变了f。对于较小的应变力，可以使用胡克定律，应变力的改变可以表示为在这里Y表示电线的弹性模数，A表示电线的横切面积。图3.振弦
11、式应变计如果VWSGs用于结构部分的长期监测，可能会受到温度波动的影响。在解读它们的读数时，应该特别注意。如果结构部分和VWSG有着相同的热膨胀参数。如果监测的部分是没有条件限制的，那么就作为自由热膨胀应变力T以及温度的变化T处理。因此，在被监测的部分以及VWSG中，不会有额外的压力产生。VWSG的读数也就不会受到任何改变。如果外部荷载施加到了结构的某个部分，那么应变力就有所增加。因此，在实际情况下，两者影响效果（热膨胀和外部荷载）会被叠加起来，而VWSG将只扑捉来自于外部荷载产生的应变力。因此，如果所检测部分的热膨胀系数和VWSG的相同的话，就没有必要对VWSG测量的应变力数据进行校正。但是
12、，所测部分的热膨胀系数不同的话，即。如果该结构部分没有其他限制条件的话，那么在VWSG中的应变力就等于（-）T。这个结果是不真实的，因为这并不能引起被检测部分的任何压力。因此，一般来说，当荷载和温度波动同时发生时，被测的应变力m 应该改为：VWSG在地下结构的使用中性能很好，即使振动，线路也不会随着时间衰减，所以它们非常适合长期监测。它们可以很容易的点焊到钢筋混凝土结构构件上去。这做工仪器技术在连接新加坡和马来西亚的大桥中得到了采用，在1997年的施工中广泛的安装了VWSGs。甚至8年以后，这些安装在大桥上的VWSGs仍然可以运作。Oosterhout(2003)提到了主要基于VWSGs关于地
13、下结构的一个类似的监测方案。时间长达5年。这就清楚地证明了VWSGs的性能强大和寿命长的特点。VWSGs的主要缺点就是，它们只适合于测量静态压力，因为他们需要拔线。它们也容易受到周围环境振动的形式的外部噪音。如果安装在外部（例如深基坑中用于支撑临时挡土墙的钢支柱上），需要采取特别保护来避免受到日常施工作业带来的损害。2.1.2 电应变计（ESG）ESGs基于的原理是，在机械应力的作用下，导体中的电阻会随着荷载产生的压力引起相应比例的变化。ESG基本上是由薄金属箔网格，粘结到薄且坚韧以及灵活的聚酰亚胺塑料薄膜上。它能够粘结在被测部分的表面，如图4(a)所示。聚酰亚胺薄膜给应变计与被测部分之间提供
14、了电绝缘性。当结构部分受到荷载时，它的应力就背转移到了箔网格上，其电阻也随之变化。电阻的相对变化，箔网格的R/R与应变力的关系是：其中Sg 称作测量因素或者ESG的校正常量。在用于应变力计制造的大多数合金中，其变化范围在2-4之间，如铜镍合金，镍洛合金。应变计的输出R/R通过惠斯通电桥电路，被转化成电压信号，如图4(b)所示。这个电路的输出电压Vo由下式可知：输入电压Vi,由应变计消耗的电能来决定，这又取决于应变计的长度（一般是0.2mm和100mm）以及应变计的初阻值。输出电压值的范围是每单位应力的1至10V之间。图4.（a）电应变计箔片, (b)惠斯通电桥电路.像VWSGs，由ESG所测的
15、应变力需要进行基于温度影响的补偿。温度的变化会引起Sg的变化，同样也会初阻值（R）的变化，另外会引起不真实的应变力值，等于 （-）T。温度相关的变化很小，以100来算，通常不足温度变化的1%。因此，在日常压力分许中，除非预计的温度的变化有好几百度，否则它们可以忽略不计。其他影响中，如考虑虚假值的变化可由下式知： 在这里，c表示应变计合金的电阻率温度系数。如果在式6中的系数为零或者相互抵消的话，那么温度可以得到补偿。然而，这种情况很少发生，而且也只有在非常狭窄的温度范围内才能实现。因此，一般来说，把式5中的R/R减去式6，就可以得到修正值。 由于其脆弱性，ESGs在安装期间需要相当地注意。此外，
16、电噪声也经常干扰ESGs，因为来自于惠斯通电桥电路的输出电压只有几毫伏。幸运的是，通过使用缠绕的导线做成适当的接地屏蔽，使电噪声能够减少到允许的水平。此外，ESGs非常容易受到水的腐蚀。在新加坡，地下洞体的锚杆监测中，经常会遇到这样的问题。因此，如果在地下结构中使用，ESGs必须适当密封起来，在那里，它们很可能会遇到过于潮湿的问题。一般说来，在很长一段时间中，与VWSGs相比较，ESGs往往不稳定。因为这个原因，大多数的长期研究中提到使用VWSGs，而不是ESGs。然而，由于其低成本性，在短期监测中，往往首选ESGs而不是VWSGs。2.1.3基于应变计的光纤布拉格光栅（FBG）光学纤维，是非常纤细的玻璃和硅纤维，利用了光纤特性来产生光电信号，来表示能够测量的外部物理参数。虽然它们最初的开发是处于通信的目的，从90年代
