简述土木工程结构健康监测

秦 乐

(山西省城乡规划设计研究院工程设计中心，山西 太原 030001)

简述土木工程结构健康监测

秦 乐

(山西省城乡规划设计研究院工程设计中心，山西 太原 030001)

从分析土木工程的现状着手，讲述了建筑物健康监测的必要性，分别从健康监测的定义、诊断方法、监测目标和发展历程等方面进行了论述，并结合国内外应用结构健康监测的工程案例进行了研究，最后对土木工程结构健康监测未来的发展方向进行了展望。

土木工程，结构，健康监测，损伤诊断

大型土木工程和基础设施，如超高层建筑、桥梁、大跨度空间结构、核电站、大型水坝，在它们的服务期限中，由于环境载荷、疲劳、腐蚀和材料老化等不利因素的影响，无法避免地，结构将产生损伤并累积，结构的抵抗力降低，甚至遭受意外事故，导致越来越多的建筑物达不到其设计寿命。

对于重大的土木结构在遭受地震、爆炸和洪水等自然或人为灾害时的安全问题，结构健康监测显得尤其必要。都江堰在5·12汶川地震后，必须马上对其的安全状况进行监测评估，实时检验结构的性能，合理并准确地评估其的损伤位置和程度、维修方案，以及是否能够正常运营做出准确的决断，这对于合理疏散附近的居民，保障其服务区的正常生活具有十分重要的意义。

因此，结构健康监测系统是目前国内外土木工程领域的一大研究热点。

1 结构健康监测概述

结构健康监测主要用于现场无损检测技术领域，它通过系统结构的特征分析(如结构响应)，实现检测结构损伤、退化的目的。基本思想是通过监测建筑结构在荷载作用前后的变化，推断结构响应的变化，以此实现结构的损伤评估等级，或者对结构进行长期监测，及时发现结构物的微小变化。

主要内容包括：1)载荷识别：主要是风荷载，地震作用，温度作用和车辆荷载；2)几何监测：主要监测结构在静态下的位移；3)结构的静态和动态反应，如应力应变，加速度，频率等。

结构健康监测技术的发展主要分为三个阶段：1)以结构监测领域专家的感官和专业经验为中心，只能对数据信息进行简单的诊断处理；2)采用传感器和动态测试技术为基本手段，对信号建模分析，近年来这种方法广泛地应用在工程实践中；3)计算机计算的广泛应用和发展,极大地推动了信号处理的智能化发展,这种技术可以满足大型复杂结构的需要。

目前，结构的损伤划分为四个等级：

等级一:判定是否有损伤；等级二:基于等级一，确定损伤的位置；等级三:基于等级二，判定损伤的程度；等级四:基于等级三，对结构的剩余寿命评估预测。

2 健康监测系统

结构的安全评估是在结构监测的前提下。对于已经安装监测装置的工程,结构的健康监测只是监测系统的一部分，而对于未安装监测装置的结构，则需要在建筑物的相关部位临时设置传感器。一个完整的结构监测系统主要包括以下部分：

1)传感系统。通过布置一定数量的传感器进行测量，如何布置传感器主要考虑两方面的因素：a.在覆盖所有待测物理量的基础上，尽可能减少传感器的数量；b.主要涉及采集信号的精度，降低外界的影响和干扰，信号精度应能满足后续数据分析的需要。

2)数据采集和处理系统。在待测结构中安装数据的采集和处理设备，利用传感器采集信号，如频率、振型、位移、温度等，并进行数据分析和处理(去噪、放大等)。

3)通讯系统。将采集到并经处理后的数据信号传送到智能诊断中心。

4)监控中心和报警设备。使用各种软硬件，对接收到的数据进行分析，包括结构是否损伤，损伤程度以及位置等，从而对所测建筑物的健康状况作出评估，如发现异常，发出报警信号。

3 结构监测方法及优缺点

按检测目标划分，结构损伤检测技术主要为两大类：整体和局部检测。

3.1 局部检测

局部法是使用无损检测技术的方法，对结构的某个特定组件进行检测，查找缺陷的位置。主要采用目测法，回弹法，超声波，光学干涉法，声发射等技术，这些技术通常是几个联合起来使用,去检测结构是否存在裂缝、联结松动、锈蚀等工程隐患。

但是,局部无损检测同时也存在不足之处：1)需要提前预知结构损伤的大概位置和损伤的程度；2)结构的某些部分是难以达到的，尤其是对大型复杂结构进行损伤检测是不太现实的；3)这种方法主要借助人工检测,这就要求在进行结构检测的过程中,中止生产经营活动,必然造成一定的经济损失；4)不能实现实时连续监控。

3.2 整体检测

整体检测是基于结构振动的损伤识别，它致力于评估整体结构的状态，间歇或连续，确定损伤可能存在的部位。整体检测方法主要采用动力指纹法，神经网络方法，遗传算法等。

动力指纹的基本思想是假定有一系列的损伤，包括损伤机理和损伤位置，对结构动态响应的预测，与实测值相比，最相似的，也是破坏最可能的位置。再识别不同程度的损伤，多发伤，往往只有最大程度的损伤位置识别。

神经网络方法集自动控制，统计，计算机技术和相应的识别方法于一体，神经网络方法的系统识别理论，充分利用自反馈，自适应，自学习能力，以实验模态测试为手段，输入模态参数，运算处理得到损伤的程度、位置，并进行评价结构。由于神经网络的容错性，请求的输入参数的精度不高，因此前景更加乐观。

遗传算法是一种基于自然选择和自然遗传机制的优化方法，将其引入损伤评估的优化方法，在测试中不多信息的情况下获得，可以迅速确定损伤的程度和位置，即使模态信息的部分损失，遗传算法的优化能力也不会受到任何影响。遗传算法只需计算目标值的可行解和不要求目标函数的连续性，不需要梯度信息，使用非常方便。

工程中,多将局部法和整体法综合使用。

4 健康检测技术的应用和展望

监控系统的成本比较高，因此目前我国的监测系统仅安装在一些大跨度桥梁上。上海徐浦大桥中车辆荷载、温度、应变、挠度、振动等子项均配置了监测系统进行实时监测。香港青马大桥设置了一系列监控系统，包括加速度计，应变计，位移传感器，风速仪和温度传感器等各种传感器共计774个,统称为“风和结构健康监测系统”。湛江湾大桥，采用监测应变和挠度值来估算交通负荷量。

在国际上，特别是在日本、美国和德国，健康监测系统在土木工程中的应用，已经扩展到大型混凝土工程的监测，超高层建筑。在国内，结构的健康监测还主要停留在施工阶段，如1995年9月开始建设的金茂大厦。

近几年，结构的健康监测和检测技术无论是在学术上还是在工程实践中都取得了一定的成果。同时,对于超高层结构、大跨结构等复杂结构的损伤诊断，还有许多问题亟待解决。

Structural health monitoring in civil engineering

Qin Le

(EngineeringDesignCenter,ShanxiUrbanandRuralPlanningandDesignInstitute,Taiyuan030001,China)

From the analysis of the civil engineering, the paper indicates the necessity for the health supervision of buildings, indicates from the definition of the health supervision, diagnosis methods, inspection aims and development, researches the engineering cases for the health inspection of structures at home and abroad, and has the prospect for the inspection’s development in future at civil engineering structures.

civil engineering, structure, health inspection, damage diagnosis

2015-01-17

秦 乐(1988- )，女，助理工程师

1009-6825(2015)09-0046-02

TU317

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