钢筋混凝土结构可靠性与健康监测综述

骆干

（广州大学土木工程学院 广东 510006）

1 研究背景及意义

混凝土结构具有材料来源广、节约钢材、降低造价、耐久耐火、整体性良好、刚度大等众多优点，这些优点的存在使得钢筋混凝土结构再经过一百多年的发展后现已经广泛应用于各种民用建筑与工业建筑中。然而混凝土工程在使用过程中出现的各种缺点也不容忽视，例如抗裂性差。因此混凝土总是带裂缝工作，其裂缝的产生和发展标志着混凝土处于不同的工作状态和损伤情况。而混凝土的裂缝的产生和发展会进一步影响结构的承载力，使钢筋锈蚀，从而使整体结构的耐久性、安全性和适应性等工作性能严重下降。鉴于此，对结构的健康状况实行实时的监测，预防因结构失效导致的建筑物倒塌而造成的人员伤亡财产损失势在必行。再这样工程实际需求下，各种对结构裂缝的监测方法应运而生，这也成为了土木工程领域中一个重要的研究方向。

2 健康监测系统及其组成部分

健康监测系统主要由四个部分组成，包括传感器系统、数据采集和分析系统、监控中心和实现诊断功能的各种软件硬件。传感器系统用于收集各种实时数据，数据采集和分析系统一般是由具有强大计算功能的计算机组成，监控中心实现对结构健康状况出现异常时发出警报信号。

传感器系统将实时监测信号传输到数据采集系统并进行分析处理和判断，一旦其中某些测量值出现异常，监控中心会发出警报信号，此时由具有诊断功能的模块对结构损伤出现的位置和损伤严重程度进行分析并查明原因，以保证结构安全可靠。针对需要监测的内容的不同，不少的监测系统被开发出来，如清华大学的路新灜、彭细荣等[1]针对钢筋混凝土结构耐久性建立了一个完整监测系统。

3 结构健康监测系统应用于混凝土结构

基于压电材料传感器的研究！

浙江大学蔡金标[3]等，利用压电材料的机电耦合效应，将一激励电流施加至粘贴在混凝土表面的压电材料传感器中，压电材料产生逆压电效应产生机械振动，并且引起混凝土的机械振动，而混凝土的机械振动又反馈到了压电传感器中，使传感器产生电响应，表现为电阻抗的变化，所以混凝土的损伤信息就可以从压电材料的电阻抗信号中获取。他们基于Krishnamurthy的研究，认为由于压电片在零应力下的复介电常数对温度的影响十分敏感，导致电纳信号容易受到温度的影响，所以不把电纳信号作为识别损伤状况的信号。实验结果表明，表面压电片产生的电导响应的一阶共振频率的变化量与混凝土试件的抗压强度的增长呈线性关系，斜率约为0.33，由此得出电导响应与混凝土抗压强度的定量关系，可以无损地检测出混凝土的抗压强度。另外，对于预埋在混凝土中的压电片，作者得到电导响应与混凝土抗压强度的定量关系。

4 健康监测在混凝土结构中的工程应用

由于健康监测的成本相对较高，在国内一般仅仅应用于大跨以及高耸的结构。异形钢管混凝土系杆拱桥洛阳瀛洲大桥的健康监测系统对其位移、拱肋振动、吊索索力以及重要的截面、节点进行实时监测[3]。预应力混凝土斜拉桥杭州文晖大桥健康监测系统监测大桥徐变对路面的应力、应变以及吊索索力。高度达600m的广州塔上安装了超过700个传感器的健康监测系统对广州塔实行长期结构健康监测，并记录了广州塔在台风中的动力特性。广州国际金融中心上的监测系统也监测其在台风中的动力特性。另外，监测系统也被应用于大断面的过江隧道。杭州庆春路过江隧道的健康监测系统对隧道在运营期间受车流量及潮位变化的影响下大断面上四个监测点钢筋内力以及隧道的沉降。

5 存在问题及发展方向

本文阐述了结构健康监测系统的组成、传感器系统、工程应用，重点介绍了几种现在比较常用的两种传感器，压电材料传感器和光纤传感器的工作原理与研究结果。无疑，建筑物的结构健康关系到使用者的生命财产安全，我国自20世纪80年代开始大兴土木，不少建筑物已经到了需要进行检测维护的阶段。然而，结构健康监测系统成本较高，使得其现阶段仅仅应用于大型的工程，相信这个问题随着相关领域技术的进步而得以解决，使结构健康监测系统广泛的运用各类建筑结构中。另外，目前还缺少对结构损伤程度评判的指标，相关技术标准与规程尚未形成体系。在文中提及的研究中的损伤程度的评定都是参考文献中作者根据处理后数据的大小结合试件的损伤程度自己定义的，并没有同一的指标对结构损伤分级量化。