工程結構健康檢監測內容和方法

    隨著我國經濟的發展和科技的進步，許多大型結構工程得以興建，但它們在服役過程中不可避免的會受到荷載作用、環境腐蝕、材料老化、疲勞破壞等因素的耦合作用而產生損傷累積，導致結構的抗力衰減，容易引發突發事故。

    常規的人工檢測的方法帶有很大的主觀性，檢查時間過長，不能在突發事件后迅速查明結構的健康狀態。因此，工程結構健康監測技術越來越受到社會各界的廣泛重視，對災害的提前預警或在災害發生后評估結構的損傷程度及其剩余壽命已成為當前各國學者們研究的熱點問題。

1結構健康監測的概念

    結構健康監測指利用現場的無損傳感技術，通過包括結構響應在內的結構系統特性分析，達到檢測結構損傷或退化的目的。結構健康監測的過程包括：通過一系列傳感器得到系統定取樣的動力響應測量值，然后從這些測量值中抽取對損傷敏感的特征因了，并對這些特征因子進行統計分析，從而獲得結構當前的健康狀況。

    結構健康監測的內容包括(1)荷載監測：包括風、地震、溫度和交通荷載等；(2)兒何監測：監測結構各部位的靜態位移(如橋塔和錨錠的沉降和傾斜等)；(3)結構的靜、動力反應：如應變、加速度、頻率和模態信息等。

對重大工程結構進行實時健康監測、及時識別結構的損傷累積并評估其使用性能和壽命，建立相應的安全預警機制，對可能出現的災害進行提前預警，不僅對于提高結構的安全性和可靠性具有重大的科學意義，而且可以降低結構的運行和維護費用，因此已成為21世紀人類亟待解決的重要課題。

2結構健康監測系統的組成

    結構健康監測系統主要由傳感器子系統、信息采集與處理子系統、數據管理子系統、損傷識別、模型修正和安全評定及預警子系統組成。

    (1)傳感器子系統，主要包括各智能傳感元件，通過各智能傳感元件感知結構的荷載和響應信息，并以光、電、聲、熱等物理量的形式輸出，該系統是健康監測系統最基礎的子系統。

    (2)信息采集與處理子系統，完成對傳感器數據的收集和信號的初步處理。

    (3)數據管理子系統，主要對傳感器采集的數據、經數字信號處理的數據及后續分析數據進行存儲管理。

    (4)損傷識別、模型修正和安全評定及預警子系統，由損傷識別軟件、模型修正軟件、結構安全評定軟件和預警設備組成。

3傳感器

3.1傳感器簡介

傳感器能感受到被測量的信息，并能將這些信息按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出。傳統的振動測量采用的傳感器有壓電式力傳感器、加速度傳感器、阻抗傳感器、應變片等，它們已廣泛應用于各類工程結構的實測中。

3.2傳感器的優化布置

    傳感器的布置對于參數識別和損傷監測具有重要的意義。一般來講，傳感器的優化布設應遵循以下幾個原則：

(1)使傳感器系統的設備、數據處理、傳輸和數據通道等費用最小。

(2)從含有噪聲的測量數據中得出較好的結構模型參數的估計。

(3)通過對大型結構模型的試驗研究，改善結構控制。

(4)有效確定結構特性及其變化，改進結構整體性能評估系統。

(5)對于大型結構，提高結構早期損傷識別的能力。

4結構損傷識別

    損傷識別是結構健康監測的核心。它的基本思想是認為損傷將顯著改變結構的剛度、質量或耗能能力，進而引起所測結構動力特征或響應的改變。通過從監測數據中提取不同部位的信息，并比對結構無損狀態下的相應信息，來實現結構的健康檢測與評估，從而判斷損傷的出現、位置和程度。

損傷識別技術可分為整體法和局部法兩種。整體法試圖評價整體結構的狀態，而局部法則依靠成熟的無損檢測技術對某個特定的結構部件進行檢測。通常先用整體法確定一些可能的損傷部位，然后再結合局部法對這些部位的構件進行詳細具體的損傷檢測，進而對結構的損傷情況進行精確評估。

4.1整體檢測法

    結構整體檢測法主要有：動力指紋分析法、模型修正與系統識別法、神經網絡法、遺傳算法等幾種。

    如果結構發生損傷，質量和剛度等結構參數會發生變化，從而導致相應的動力指紋的變化，這是動力指紋分析法所依據的原理。模型修正與系統識別法的基本思想是使用動力測試資料，通過條件優化約束，不斷修正模型中的剛度分布，然后與修正剛度后模型的反應所測數據比較。當兩者基木吻合時，則認為此組參數為結構當前參數。

    神經網絡以生物神經系統為基礎，模擬人腦的功能，是一種由簡單神經元連接成的具有高度非線性的超人規模的網絡系統。遺傳算法是根據達爾文進化論中適者生存、優勝劣汰的進化原則來搜索下一代的最優個體，以得到滿足要求的最優解。

    4.2局部檢測法

    傳統的局部檢測方法有染色法、目檢法、壓痕法、回彈法、超聲脈沖法、射線法等。近年來又出現了一些新的專門針對土木工程結構的局部損傷檢測方法，如聲發射法、Lamb法、頻域ARX 法、超聲光譜法、幾何時域法等。

    5工程應用

    土木工程結構是結構健康監測系統應用的一個重要對象，目前在大型橋梁、大壩、高層建筑等土木工程結構中，健康監測系統的應用及功能驗證是研究的一個熱點。英國在總長522m的三跨變高度連續箱梁的Foyle橋上布設傳感器，監測橋梁運營階段在車輛與風荷載作用下主梁的振動、擾度和應變等響應，同時監測環境風和結構溫度場。我國的江陰長江公路大橋也采用了結構的健康監測系統。為了對橋梁的工作環境、橋梁的結構狀態、橋梁在車載等各類外部荷載因素作用下的響應進行實時監測和研究，全面了解橋梁的運營條件及質量退化狀況，為橋梁的運營管理、養護維修、可靠性評估以及科學研究提供依據，在原有監測系統的基礎上進行了改造和升級，建立江陰大橋結構健康監測系統。新的健康監測系統增加了光纖應變測試系統監測主梁內力以及GPS位移測試系統監測主梁線型和橋塔位移，從而實現對橋梁結構響應，包括內力、位移、振動、溫度等信號進行長期在線采集與管理，并進行有效的數據積累和分析，獲取反映橋梁健康狀況的特征信息，對大橋的安全可靠性作出評價。