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浅谈结构健康监测

作者:陈 晨 日期:2014-07-10 10:09 来源:电子制作
南京化工职业技术学院 江苏南京 210048
【文章摘要】
阐述了对结构性能进行监测和
诊断,及时地发现结构的损伤,对可
能出现的灾害进行预测,评估其安全
性的一些问题,并展望了该领域今后
研究的主要发展趋势。
【关键词】
健康监测;结构监测;监测系统;损
伤检测
目前我国土木工程事故频繁发生,
如桥梁的突然折断、房屋骤然倒塌等。地
震、洪水、暴风等自然灾害也对建筑物和
结构造成不同程度的损伤;在Northridge
和1995 年日本神户(Kobe) 的大地震中,
一些建筑物在遭受主震后,并未立即倒
塌,但结构却已受到严重损伤而未能及时
发现,在后来的余震中倒塌了。还有一些
人为的爆炸等破坏性行为,如美国世贸大
楼倒塌对周围建筑物的影响。这些都造成
了重大的人员伤亡和财产损失,而且已经
引起人们对于重大工程安全性的关心和
重视。对结构性能进行监测和诊断,及时
地发现结构的损伤,对可能出现的灾害进
行预测,评估其安全性已经成为未来工程
的必然要求,也是土木工程学科发展的一
个重要领域。
1 健康监测系统及其组成
一般认为健康监测系统应包括下列
几部分:
传感器系统,包括感知元件的选择和
传感器网络在结构中的布置方案。
数据采集和分析系统,一般由强大的
计算机系统组成。
监控中心,能够及时预测结构的异常
行为。
实现诊断功能的各种软硬件,包括
结构中损伤位置、程度类型识别的最佳判
据。
传感器监测的实时信号通过信号采
集装置送到监控中心,进行处理和判断,
从而对结构的健康状态进行评估。若出现
异常,由监控中心发出预警信号,并由故
障诊断模块分析查明异常原因,以便系统
安全可靠地运行。
2 损伤检测
工程结构一般会受到两种损伤——
突然损伤和累积损伤。突然损伤由突然事
件引起, 如天灾( 地震、台风) 或人祸( 事
故、破坏、爆炸、火灾) , 使损伤突然达到
一定的值。累积损伤则有缓慢累积的性
质, 到一定程度就引起破坏, 影响安全和
使用。其中疲劳易出现在受到交变荷载的
焊接钢结构中, 锈蚀则缓慢影响钢结构
或者混凝土结构中的钢筋, 而混凝土的
碱骨料反应则使混凝土承载能力蜕化。
损伤检测基本上可以分为两大类:
局部法和整体法。整体法试图评价整体结
构的状态,而局部法则依靠成熟的无损检
测技术对某个特定的结构部件进行检测,
判断是否有损伤及损伤的程度。整体法和
局部法在大型结构的损伤识别中结合使
用效果较好,首先由整体法识别出损伤的
大致位置,然后由局部法对该处的各部件
进行具体的损伤检测。
3 监测和诊断系统的应用
国际上,尤其是日本、美国和德国,
健康监测系统在土木工程中应用相对较
多,已经扩展到大型混凝土工程、高层建
筑等复杂系统的监测。日本在一幢允许一
定程度损伤的大楼上安装了健康监测系
统。该大楼安装有阻尼缓冲板,在经过一
次较大规模的地震后增设FBG 光纤传感
器,用以监测结构的完整性和大楼的地震
反应。实测结果表明,该系统工作良好。
德国在柏林新建的莱特火车站大楼安装
了健康监测系统,该火车站位于柏林的市
中心,有一个由几千个玻璃方格组成的
屋顶,要求相邻支柱的垂直位移差不超
过10mm。德国的Schwesinger 等设计和
利用特制卡车测试250 多座混凝土桥门。
从2001 年3 月开始,使用载重可达150
吨的测试卡车BEl5、A,测试方便灵活,
所需时间短。意大利在一个著名教堂安装
了健康监测系统。该教堂坐落在意大利北
部的靠莫湖畔,是一个重要的历史文化遗
产,近年由于城市交通流量的增加和湖面
的变化导致了教堂的损坏,因此设计了长
期监测系统。瑞士在混凝土桥建设过程中
安装了健康监测系统,采用58 个光纤变
形传感器,2 个倾角仪,8 个温度传感器
用于监测在建设过程中和以后长期的变
形、屈曲和位移。美国MichaeI 等研究了
振动板在压实土壤时的健康监测系统如:
土压实时,振动压实器( 滚或者板) 与土
壤共同组成一个锅台的动态系统,随着土
壤的逐渐密实,土壤的机械特性发生改
变,因而压实器的动态反应也会改变。通
过安装在板上和埋入土壤中的传感器测
得的振动数据分析,可以得到幅值和频率
的变化,从而分析土壤的密实程度和性质
变化。Robert 等开展了轻轨架空水泥结
构的监测,测试了8 个轨段在不同天气条
件下,如建设时逐渐增加载荷、移动火车
载荷等的在线监视和结构健康诊断系统。
由于监测系统的成本高,我国目前仅
在一些大跨桥上安装使用。上海徐浦大桥
结构状态监测系统包括测量车辆荷载、温
度、挠度、应变、主梁振动、斜拉索振动六
个子系统。香港青马大桥健康监测系统使
用了约800 个永久性传感器用于监测桥
的损伤。香港汲水门大桥和香港Ting Kua
大桥也安装了类似的系统。
4 存在的问题及发展方向
纵观土木工程结构安全性评估、健康
监测及诊断的发展水平,至少有以下几个
尚待解决的问题:
(1) 缺少通用的损伤量化指标:在基
于振动的故障诊断和预测中,要求不论信
号的来源和频段,经过信号处理后,原始
状态的信号( 健康状态) 和损伤后的信号
( 损伤状态) 应有明显的差异。即识别出
的信号特征能够准确地表示出健康状态
和损伤状态。因此,应该设计一种损伤尺
度,将结构损伤与否和损伤的程度简单地
分级量化。
(2) 高成本和信号处理的不准确性:
诊断系统的两个主要问题是,高成本和信
号处理的不准确性。
第一个问题随着无线网络和通讯的
发展已不那么突出。第二个问题是现在都
假定噪音信号为不变的高斯分布而且感
兴趣的信号都有确定的频率。实际上并非
如此,感兴趣的信号频率范围很宽,而且
是在一个非理想的变化环境中得到的,如
何解决这个问题将成为未来发展的重点。
神经网络和遗传算法在结构的健康
检测和诊断方面具有优势由于大型复杂
结构实际上都是非线性的,因而神经网络
和遗传算法在结构的健康检测和诊断方
面具有不可估量的应用前景。小波分析由
于有刻画细节的能力,在数据的处理方面
也具有一定的优势。
5 总结
结构健康监测系统涉及许多不同的
研究领域( 如结构、计算机、通讯等), 需
要解决多方面的问题( 如寻找传感器最
优测点、先进的模态识别方法、先进的系
统识别方法、误差分析等)。健康监测主要
目的是监测累积损伤。自动识别损伤是结
构健康监测系统的核心技术之一, 也是
当代国际的研究热点。目前的健康监测系
统尚不具备损伤识别能力, 而真正的健
康监测系统必须具备自动识别损伤的能
力。桥梁监测系统涉及结构、计算机、通
讯等多个领域, 需要多学科的研究。世界
上许多新建的大跨桥都安装有监测系统。
桥梁监测系统反映了一个国家的结构试
验技术和桥梁管理的综合实力, 是国际
上的前沿热点研究领域, 目前正迅速发
展。健康诊断作为土木基础设施系统管理
的一部分,越来越受到人们的重视。灾难
减轻包括准备好应付各种自然和人为的
灾害,同时也确保在灾害过后的一段时间
内部分土木基础设施系统可用。我们应该
开展这类范围更广的土木基础设施管理
的研究。结构健康监测的确为工程发展开
辟了新的广阔的领域。又一道大餐摆在了
给位同行面前,等着大家去分享。
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【作者简介】
陈晨(1984 ~),女,本科,实验师。

 


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