結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)方案

1、重大工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）技術(shù),張 浩涉外土木工程教研室,概述,江西交通科學(xué)研究院,,,,,,,,,,Section:,1,1: 引言,江西交通科學(xué)研究院,,,全球基礎(chǔ)設(shè)施普遍存在安全隱患,人類生活依賴大量的各種基礎(chǔ)設(shè)施道路, 地下管道, 高速公路, 各種建筑等 各種基礎(chǔ)設(shè)施長期使用中存在各種問題 被忽視、缺少維護(hù)、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)底,Section:,1,1: 引言,江西交通科學(xué)研究院,天災(zāi)（自然力量）臺風(fēng)、海

2、嘯、地震、洪水……損失巨大可預(yù)報，無法避免。,有什么解決辦法？天災(zāi)：氣象、海洋、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報……,有何技術(shù)途徑？人禍：法規(guī)、規(guī)劃、設(shè)計、監(jiān)測……,人禍（人為因素）無意、蓄意瀆職、“偷工減料”可以避免或加以控制,結(jié)構(gòu)毀壞主要原因,1.引言,Section:,1,江西交通科學(xué)研究院,1996 四川綦江彩虹橋 死41,汶川地震后的橋梁,Section:,1,1.引言,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能劣化的因素…,,因素1,目前狀況,后果,既有結(jié)構(gòu)缺

3、乏足夠的檢測和監(jiān)測,只有到結(jié)構(gòu)繼續(xù)維修時才引起重視,維修費用甚至超出更換費用,,,,江西交通科學(xué)研究院,橋梁結(jié)構(gòu)日常使用主要問題-結(jié)構(gòu)劣化,Section:,1,1.引言,因素2,狀況,結(jié)果,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋銹蝕,鋼筋的變形導(dǎo)致混凝土開裂和剝落,強度或使用性能的降低導(dǎo)致構(gòu)件需要維修或更換,,,,江西交通科學(xué)研究院,,結(jié)構(gòu)劣化因素,Section:,1,1.引言,因素3,狀況,結(jié)果,交通荷載量及荷載等級逐年增加，,逐漸超出既有橋梁原

4、來的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),結(jié)構(gòu)不安全或使用性不足，構(gòu)件需加固或更換,,,,,江西交通科學(xué)研究院,結(jié)構(gòu)劣化因素,Section:,1,1.引言,因素4,狀況,結(jié)果,結(jié)構(gòu)整體劣化或老化,各種有害因素影響結(jié)構(gòu)的可靠度安全性和使用性能,結(jié)構(gòu)需要維修、加固甚至更換,,,,江西交通科學(xué)研究院,,結(jié)構(gòu)劣化因素,Section:,1: 引言,江西交通科學(xué)研究院,我國土木工程結(jié)構(gòu)安全現(xiàn)狀,工民建設(shè)計50年，通常25~30年需大修，或更短市政橋梁設(shè)計50年，10

5、~15年就出現(xiàn)嚴(yán)重破壞海工設(shè)計30~50年，5～15年就出現(xiàn)嚴(yán)重破壞大跨橋梁設(shè)計50~100年，10年以上的橋就很危險,Section:,1: 引言,江西交通科學(xué)研究院,存在問題,非技術(shù)因素市場、腐敗、管理、做假技術(shù)因素標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置水平低無耐久性標(biāo)準(zhǔn)無詳細(xì)監(jiān)測制度,解決之道-結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）,Section:,1,1.引言,江西交通科學(xué)研究院,以常用車輛作用于30米跨度簡支梁橋為例規(guī)范計算的需承受的活荷載效應(yīng)：

6、美國和英國規(guī)范分別比我國規(guī)范大12%和29%考慮活荷載安全系數(shù)：我國1.40，美國1.75，英國的1.73橋梁需承受活荷載效應(yīng)設(shè)計值：美國和英國規(guī)范分別比我國規(guī)范大40%和59%材料設(shè)計強度：我國的設(shè)計承載能力為美、英的68%和60%,我國公路橋梁設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低,,2: 什么是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）?,利用現(xiàn)場測試、無損檢測或各種傳感技術(shù)和結(jié)構(gòu)特征分析, 包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)來識別損傷是否產(chǎn)生、確定損傷位置 、評估損傷程度 以及損傷對

7、結(jié)構(gòu)造成的后果。,目標(biāo)-建立智能結(jié)構(gòu)體系,,Section:,2,江西交通科學(xué)研究院,一個可靠的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）系統(tǒng)應(yīng)包括： 先進(jìn)的傳感技、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、系統(tǒng)識別和損傷定位技術(shù)和土木工程技術(shù),結(jié)構(gòu)的安全性、強度、整體性、可靠性,Section:,2,結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測逐漸普及,結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的發(fā)展得益于:,逐漸增長的需求…,既有結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)管理的需求,新設(shè)計、新技術(shù)和新材料監(jiān)測的需求,,,,,以下技術(shù)的發(fā)展…,,,,,,,,,,,新型

8、傳感技術(shù)(如：光纖、智能材料等),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（傳輸、收集、儲存和分析）,數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù),江西交通科學(xué)研究院,Section:,2,結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）的定義,,結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測,無損檢測結(jié)構(gòu)現(xiàn)場測試和評估,使用多種傳感器埋入或粘貼到結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行監(jiān)測,,,結(jié)構(gòu)的安全性、強度、整體性、可靠性,,,江西交通科學(xué)研究院,Section:,2,結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與人類體檢的類比,,,,醫(yī)生,監(jiān)測病人的健康狀況使用

9、醫(yī)學(xué)設(shè)備對人體進(jìn)行健康檢查開處方進(jìn)行對癥治療,SHM 工程師,監(jiān)測結(jié)構(gòu)的健康狀況使用各種傳感器對結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康檢查給出橋梁維護(hù)管理方案,,ISIS Canada Educational Module 5,,Section:,2,SHM 系統(tǒng)組成,數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)傳輸,數(shù)據(jù)處理,數(shù)據(jù)存儲,數(shù)據(jù)恢復(fù),診斷分析,,,,,,,江西交通科學(xué)研究院,Section:,2,SHM 系統(tǒng)分級,等級 I識別損傷是否存在,等級 II識別損傷是否存在及

10、其位置,等級 III識別損傷是否存在及其位置、程度,等級 IV識別損傷是否存在、位置、程度和對結(jié)構(gòu)造成的影響,江西交通科學(xué)研究院,等級 I,等級II,等級III,等級IV,定位,識別,定量,損傷影響,,,,,,,,,,精度要求逐步提高,,,Section:,2,SHM 系統(tǒng)分級,江西交通科學(xué)研究院,Section:,2,SHM的優(yōu)點,,,,,,,,,,,,,,,優(yōu)點,長期實時把握結(jié)構(gòu)狀態(tài),,盡早識別損傷,保證結(jié)構(gòu)強度和使用性能,減少

11、檢查、維護(hù)時間和費用,制定合理的養(yǎng)護(hù)管理方案,提高工作效率,促進(jìn)新技術(shù)新材料的研究和應(yīng)用,江西交通科學(xué)研究院,Section:,3,3: 方法,理想的 SHM 系統(tǒng): ? 提供結(jié)構(gòu)健康信息? 出現(xiàn)損傷時給出警告SHM 系統(tǒng)的發(fā)展需要多方面學(xué)科發(fā)展的支持 …,數(shù)據(jù)采集,材料,計算機,傳感器,損傷識別,結(jié)構(gòu)工程,通信,智能處理技術(shù),江西交通科學(xué)研究院,Section:,3,系統(tǒng)組成示意圖,江西交通科學(xué)研究院,Section:,3,3.

12、1 – 數(shù)據(jù)采集,(a) 傳感器的選擇,適合的可靠的傳感器 根據(jù)監(jiān)測時間（長期、或短期）需求 選擇結(jié)構(gòu)監(jiān)測項目?傳感器必須滿足功能和耐久性要求,原始數(shù)據(jù)的收集如：溫濕度、風(fēng)速、應(yīng)變、變形、 加速度、荷載、交通量、地震等。,,,,,,,,,江西交通科學(xué)研究院,Section:,3,3.1 – 數(shù)據(jù)采集,(b) 傳感器安裝和布置,傳感器的安裝必須不影響原有結(jié)構(gòu)性能傳感器的附屬設(shè)施如：纜線、線槽、 連接箱等 需不妨害結(jié)構(gòu)使用需考慮

13、傳感器優(yōu)化布置,,,,,,,江西交通科學(xué)研究院,Section:,3,(c) 數(shù)據(jù)傳輸,方法 ? - 有線系統(tǒng)傳感器與采集系統(tǒng)間直接線路連接最常用而且費用低廉對于大型橋梁不使用纜線過長導(dǎo)致信號噪聲大方法 ? - 無線傳輸更昂貴信號傳輸更慢更不安全技術(shù)潛力較大,3.1 – 數(shù)據(jù)采集,,,,,江西交通科學(xué)研究院,Section:,3,,(d) 數(shù)據(jù)采樣和收集,3.1 – 數(shù)據(jù)采集,基本要求: 采集數(shù)據(jù)不能過少導(dǎo)致無法完成監(jiān)

14、測系統(tǒng)基本功能, 也不能過多導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理和分析困難。重點: 傳感器的數(shù)量和采樣頻率 數(shù)據(jù)存儲和排序 某些情況下數(shù)據(jù)量特別大結(jié)果: 制定有效的數(shù)據(jù)采樣和存儲策略,,,,,江西交通科學(xué)研究院,Section:,3,,監(jiān)測內(nèi)容,荷載,變形,施加到結(jié)構(gòu)上的荷載的大小和分布 是否為預(yù)期的荷載? 荷載是怎么分布的?使用設(shè)備測試荷載或由應(yīng)變數(shù)據(jù)推導(dǎo),過大的變形, 意味著導(dǎo)致結(jié)構(gòu)需要維修、加固甚至更換 是否在

15、預(yù)期的范圍之內(nèi)?可使用不同的傳感器測試,,,,,,江西交通科學(xué)研究院,,3.1 – 數(shù)據(jù)采集,Section:,3,,應(yīng)變,溫度,應(yīng)變: 反映變形的強度應(yīng)變的大小和變化能用于評估結(jié)構(gòu)的安全性和整體性使用各種應(yīng)變傳感器 光纖、電阻式、振弦式等。,,,,,,溫度變化可導(dǎo)致變形 熱膨脹 周期性的循環(huán)變化會導(dǎo)致疲勞破壞 溫度會影響應(yīng)變測量值 需進(jìn)行溫度補償使用熱電偶、光纖等進(jìn)行測試。,,,,,,江西交通科學(xué)研究院,3.

16、1 – 數(shù)據(jù)采集,Section:,3,,加速度,風(fēng)速和風(fēng)壓,動力荷載導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng) 結(jié)構(gòu)如何抵抗動力荷載?在地震多發(fā)區(qū)廣泛使用通常用加速度傳感器測試,,,,,,大跨橋梁和高層建筑往往由風(fēng)荷載控制設(shè)計 不同位置的風(fēng)速和風(fēng)壓通常用超聲風(fēng)速儀測試,,,,江西交通科學(xué)研究院,3.1 – 數(shù)據(jù)采集,Section:,3,聲發(fā)射,視頻監(jiān)測,當(dāng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件某些部位開裂或斷裂，會產(chǎn)生噪音 聲發(fā)射通過監(jiān)測噪聲, 通過3角測量法進(jìn)行

17、損傷定位后張預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)和纜索支撐橋梁比較常用使用專用傳感器測試,,,,實時追蹤的視頻或圖像可記錄突發(fā)事件或極端荷載 數(shù)據(jù)有圖片為證 可捕捉超載車輛可使用網(wǎng)絡(luò)攝像機技術(shù),,,,,,江西交通科學(xué)研究院,3.1 – 數(shù)據(jù)采集,Section:,3,3.2 – 數(shù)據(jù)傳輸,數(shù)據(jù)需從采集站傳遞到監(jiān)控中心 允許遠(yuǎn)程監(jiān)視, 減少現(xiàn)場工作量,電話,網(wǎng)絡(luò),無線技術(shù),采集站,監(jiān)控中心,,,,,,,江西交通科學(xué)研究院,Section:,3

18、,3.3 – 數(shù)據(jù)預(yù)處理,,,,,,,更簡單,傳輸更快,更精確,數(shù)據(jù)存儲前進(jìn)行目的在于清除一些不可靠的數(shù)據(jù)、測試噪聲 、溫度影響等，盡量使存儲的數(shù)據(jù)更真實可靠，以便于將來的數(shù)據(jù)分析 :,江西交通科學(xué)研究院,可保存較長時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)要易于理解數(shù)據(jù)盡可能不中斷要有足夠的存儲空間 數(shù)據(jù)文件格式要好，可讀性強 通常存儲分析處理后的數(shù)據(jù)而不存儲原始數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)要真實，不能隨意更改,Section:,3,3.4 – 數(shù)據(jù)存儲,

19、江西交通科學(xué)研究院,Section:,3,3.5 – 診斷,極端重要的部分將數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為有價值的結(jié)構(gòu)響應(yīng)或狀況信息沒有標(biāo)準(zhǔn)的診斷方法使用的方法取決于…,結(jié)構(gòu)類型,傳感器的類型和位置,監(jiān)測的動機,所關(guān)心的結(jié)構(gòu)響應(yīng),,,,,,,,,江西交通科學(xué)研究院,Section:,3,3.6 – 數(shù)據(jù)分析,數(shù)據(jù)分析時需考慮…,? 數(shù)據(jù)的意義和價值? 精簡分析的工作量,,,,,謹(jǐn)記:SHM的目的 是提供詳盡的數(shù)據(jù)給工程師，以便于作出合理的、專

20、業(yè)的工程決策。,江西交通科學(xué)研究院,多種傳感器在廣泛使用SHM 選擇傳感器取決于很多因素傳感技術(shù)的發(fā)展極大推動了SHM的發(fā)展光纖傳感器(FOSs)新技術(shù)土木工程中廣泛應(yīng)用研究開發(fā)和應(yīng)用的熱點,Section:,4,4: 傳感技術(shù),江西交通科學(xué)研究院,絕緣性,不受電磁干擾和電波干涉,先進(jìn)的傳感特性,穩(wěn)定性,,長期穩(wěn)定性好測試誤差小,方便性,重量輕, 直徑小, 不受化學(xué)腐蝕, 易埋入或表面粘貼安裝,易用性,可多點或分布式

21、測量,Section:,4,光纖傳感器的優(yōu)點,江西交通科學(xué)研究院,Section:,4,光纖傳感器如何測試?,傳感使用光學(xué)特性,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 再將電壓信號轉(zhuǎn)換為應(yīng)變值,,,,,,激光或光束在光纖內(nèi)傳遞，通常有測試標(biāo)距,光特性的改變直接能反映應(yīng)變變化,解碼器通過光信號的改變計算應(yīng)變值，有的轉(zhuǎn)換為電壓信號,,光束可測試狀態(tài)變化 (如光纖被拉長或壓縮),,,,,江西交通科學(xué)研究院,Section:,4,光纖傳感技術(shù),典型光纖,各種各樣的光纖覆

22、蓋層保護(hù)保護(hù)光纖避免…,減少和避免安裝及操作中的磨損,防止潮濕環(huán)境削弱光纖控制微裂縫增長,混凝土結(jié)構(gòu)中使用時避免光纖受損,,,,,,,,,,,,,,,,,外護(hù)套 芳綸 纖維 內(nèi)護(hù)套 緩沖層 裸光纖,,,,,,江西交通科學(xué)研究院,Section:,4,光纖安裝方式,焊接式,嵌入式,預(yù)制好,

23、易于安裝傳感器外套有不銹鋼管等保護(hù)設(shè)施能應(yīng)用于各種惡劣環(huán)境,粘接式,手工安裝對操作要求稍高避免受濕度影響,江西交通科學(xué)研究院,Section:,4,光纖傳感器的種類,常用的光纖傳感器:光纖光柵(FBGs)長標(biāo)距傳感器法布里-珀羅 傳感器布里淵散射傳感器,江西交通科學(xué)研究院,Section:,4,光纖光柵傳感器,,僅可作為點式應(yīng)變計測量,即可測試靜力又可動力測試,一根光纖可串聯(lián)多個傳感器,可嵌入、粘結(jié) 和焊接,需進(jìn)行溫度

24、補償,,,,,,,,,,在光纖上刻有格柵當(dāng)脈沖光打入光纖，在格柵處脈沖光會反射，如光纖粘貼在結(jié)構(gòu)上一起變形，格柵處的的變形會導(dǎo)致反射光波長的變化。通過波長的變化值可以推算出應(yīng)變大小特點:,江西交通科學(xué)研究院,Section:,4,長標(biāo)距傳感器,,通用性強,標(biāo)距可從5cm到100m,僅可做靜力測試,,,,,,,,光纖內(nèi)設(shè)有兩個極小的 “鏡子” 2個鏡子的間距就是標(biāo)據(jù)傳感器測試2個鏡子間的位移利用光的干涉原理進(jìn)行測試特

25、點:,需進(jìn)行溫度補償,江西交通科學(xué)研究院,Section:,4,法布里-珀羅傳感器,,只可測試點式應(yīng)變,即可測試靜力又可動力測試,一根光纖不能串聯(lián)多個傳感器,可嵌入、粘結(jié) 和焊接,,,,,,,,光纖中切有一道“槽”利用光學(xué)技術(shù)來探測槽寬度的變化如果預(yù)先測量出槽的初始寬度，那么久可計算出應(yīng)變值特征:,江西交通科學(xué)研究院,Section:,4,布里淵散射傳感器,,分布式大范圍測試,目前僅可做靜力測試，光纖長度小于10m時可測動力,可

26、分別進(jìn)行溫度和應(yīng)變測量,光纖本身即是傳感器又可作為數(shù)據(jù)傳輸媒介,,,,,,,,利用后向傳播的布里淵散射光譜的中心頻率偏移進(jìn)行應(yīng)變測試?yán)靡桓饫w可測試幾十公里的范圍測試分布式的應(yīng)變場和溫度場特征:,解調(diào)儀較為昂貴,,,江西交通科學(xué)研究院,Section:,4,分布式傳感,能進(jìn)行連續(xù)的應(yīng)變測試并找到應(yīng)變發(fā)生的位置 可用于測量:,光纖光柵通過一系列的傳感器串聯(lián)可實現(xiàn)準(zhǔn)分布式測量 可給出連續(xù)的空間應(yīng)變分布,裂縫寬度,粘結(jié)層的應(yīng)變傳

27、遞,應(yīng)力集中,分布式傳感技術(shù)可通過光纖光柵和布里淵散射傳感技術(shù)實現(xiàn):,江西交通科學(xué)研究院,Section:,4,多點傳感技術(shù),多個傳感器組成的測試網(wǎng)絡(luò)通過一個解調(diào)儀進(jìn)行測試,1. 多點串聯(lián):一根光纖穿有多個傳感器2. 多點并聯(lián):每根連接一個傳感器，解碼器需要有多通道。,,,江西交通科學(xué)研究院,Section:,4,其他類型的傳感器,壓力盒,振弦式應(yīng)變傳感器,電阻應(yīng)變片,拾振器、加速度傳感器,位移計,熱電偶,荷載,位移,加速

28、度,溫度,應(yīng)變,各種溫度傳感器,千分表,江西交通科學(xué)研究院,Section:,5,5: SHM 內(nèi)容,分類方法:監(jiān)測的時間特性監(jiān)測的內(nèi)容,連續(xù)的,周期性的,靜力荷載,動力荷載,環(huán)境振動,,,,江西交通科學(xué)研究院,Section:,5,靜力域測試,最常見的測試荷載緩慢的施加并長期作用在結(jié)構(gòu)上→ 動力影響 可忽略 包括3種基本測試:,1. 力學(xué)行為測試,2. 診斷測試,3. 驗證測試,江西交通科學(xué)研究院,Section:,5

29、,靜力域測試,1. 力學(xué)行為測試,目標(biāo),,主要研究結(jié)構(gòu)力學(xué)行為和驗證結(jié)構(gòu)計算分析方法,? 測試荷載≤ 最大使用荷載,結(jié)論,,可反映荷載如何分布在結(jié)構(gòu)上，不能給出結(jié)構(gòu)的承載能力,江西交通科學(xué)研究院,Section:,5,2. 診斷測試,目標(biāo),,明確結(jié)構(gòu)各構(gòu)件間的相互作用和關(guān)系,方法同力學(xué)行為測試,結(jié)論,,有益的相互作用→ 進(jìn)行利用不利的相互作用→ 進(jìn)行消除,江西交通科學(xué)研究院,靜力域測試,Section:,5,3. 驗證測試,目標(biāo),,測

30、試結(jié)構(gòu)的承載能力,結(jié)果,驗證荷載是結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生損傷的前提下能承受的最大荷載,,不斷增加試驗荷載直到突破彈性極限,江西交通科學(xué)研究院,靜力域測試,Section:,5,動力域測試,（1） 應(yīng)力時程測試,（2） 沖擊系數(shù)測試,（3） 外界激勵試驗,（4） 橫向測試,結(jié)構(gòu)的試驗荷載工況根據(jù)移動荷載確定 一個典型的動力試驗 (橋梁):→ 橋梁的跳車試驗→ 橋梁動力響應(yīng)的激發(fā)、測試及分析 動力試驗的四種基本測試類型:,江西省交通科學(xué)研究

31、院,Section:,5,（1） 應(yīng)力時程測試,,,,,,,,,適用于對疲勞荷載較敏感的橋梁,重點在于橋梁構(gòu)件的應(yīng)力幅,要求具備能快速連續(xù)采集信號的動力測試儀,保存和分析應(yīng)變圖用于確定結(jié)構(gòu)的疲勞壽命 (直到結(jié)構(gòu)疲勞破壞),注意: 疲勞失效是一種潛在災(zāi)難的失效模式，由重復(fù)車輛荷載引起。,江西省交通科學(xué)研究院,動力域測試,Section:,5,（2） 沖擊系數(shù)測試,,,,,,,結(jié)構(gòu)設(shè)計通常假定荷載都是靜力荷載，對于橋梁來說，并不太切合實際

32、,動力荷載通常用靜力荷載乘以沖擊系數(shù)來模擬,沖擊系數(shù)的測試方法有多種 (沒有標(biāo)準(zhǔn)的測試方法),江西省交通科學(xué)研究院,動力域測試,,,,,,,Section:,5,（3） 外界激勵測試,基于風(fēng)、人為激勵及交通荷載激勵可測試結(jié)構(gòu)振動特性,橋梁振動特性的改變意味著結(jié)構(gòu)發(fā)生了嚴(yán)重破壞 (基于動力特性的損傷識別),測試數(shù)據(jù)經(jīng)復(fù)雜算法計算后得到橋梁的加速度響應(yīng),問題:(振動頻率)對結(jié)構(gòu)局部損傷的敏感性較低，不宜用做局部損傷識別振動特性易受環(huán)境、

33、溫度等的影響,江西省交通科學(xué)研究院,動力域測試,Section:,5,（4） 橫向響應(yīng)測試,,,,,,,,,通常用于測試橋梁橫向動力相應(yīng),使用拉索將橋梁橫拉然后突然放開,加速度計用于測試結(jié)構(gòu)動力響應(yīng),數(shù)據(jù)分析與外界激勵測試類似,江西省交通科學(xué)研究院,動力域測試,Section:,5,周期性監(jiān)測,橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的不利變化進(jìn)行周期性調(diào)查結(jié)構(gòu)特性按特定時間間隔（天、周、月、年等）監(jiān)控實時周期監(jiān)控包括: 外界激勵

34、監(jiān)控; 移動交通荷載下結(jié)構(gòu)監(jiān)測; 靜力試驗; 裂縫開展; 結(jié)構(gòu)修補,,,,江西省交通科學(xué)研究院,Section:,5,連續(xù)監(jiān)測,,監(jiān)測在一定時期內(nèi)是實時連續(xù)的僅在現(xiàn)代運用，因為系統(tǒng)造價昂貴且系統(tǒng)復(fù)雜實時監(jiān)測及數(shù)據(jù)采集 1. 存儲在磁盤當(dāng)中在后續(xù)工作中分析 2. 與遠(yuǎn)程計算機連接進(jìn)行實時分析通常運用在重要結(jié)構(gòu)上或?qū)φw性能存在疑問的結(jié)構(gòu)上,,,,,江西省交通科學(xué)研究院,Section:,5,

35、監(jiān)控數(shù)據(jù)融合,,江西省交通科學(xué)研究院,多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)以其強大的時空覆蓋能力和對多源不確定性信息的綜合處理能力,可以有效地進(jìn)行結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的監(jiān)測和診斷。 現(xiàn)有健康監(jiān)測系統(tǒng)多停留在數(shù)據(jù)采集和簡單數(shù)據(jù)分析階段，同時橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)會產(chǎn)生大量測試數(shù)據(jù), 對這些測試數(shù)據(jù)與信息進(jìn)行整合與解釋，以及對結(jié)構(gòu)真實狀態(tài)的進(jìn)行合理評估仍存在很大困難。􀂄 目前已經(jīng)發(fā)展起來的數(shù)據(jù)融合技術(shù)主要有：加權(quán)平均、卡爾曼濾波、貝葉斯估

36、估計、統(tǒng)計決策理論、證據(jù)理論、模糊推理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。,Section:,5,,江西省交通科學(xué)研究院,􀂄基于振動的結(jié)構(gòu)損傷識別方法：結(jié)構(gòu)損傷識別作為結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估的重要組成部分，是近年來健康監(jiān)測方向的研究熱點之一，出現(xiàn)了如基于結(jié)構(gòu)頻率、位移模態(tài)、應(yīng)變模態(tài)、曲率模態(tài)、應(yīng)變能、剛度、柔度、能量法、頻響函數(shù)等一系列損傷識別方法；􀂄 模型修正方法：這類方法主要是基于運動方程、測試結(jié)果和有限元模型構(gòu)造約束優(yōu)化問題不

37、斷修正結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量和阻尼分布，使其響應(yīng)盡可能的接近實際響應(yīng)。結(jié)構(gòu)的模型修正能夠為健康監(jiān)測提供基準(zhǔn)模型，同時也為基于測試結(jié)果的反演進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識別和性能模擬提供了很好的基礎(chǔ)； 目前尚待研究的主要課題有：結(jié)構(gòu)的損傷及性能退化機理、結(jié)構(gòu)性能的各種參數(shù)的時變特性、結(jié)構(gòu)狀態(tài)的在線預(yù)警、實際安裝健康監(jiān)測系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的適用性、結(jié)構(gòu)小損傷和非線性損傷的識別等。,系統(tǒng)與損傷識別,Section:,5,狀態(tài)評估,,江西省交通科學(xué)研究院,結(jié)

38、構(gòu)狀態(tài)評估方法的研究：結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估方法主要是運用可能獲得的反映結(jié)構(gòu)性能的內(nèi)部信息對結(jié)構(gòu)的施工運營等工作狀態(tài)進(jìn)行評估，目前主要有可靠度理論、層次分析法、模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及專家系統(tǒng)等。 健康監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估需要從結(jié)構(gòu)監(jiān)測的大量數(shù)據(jù)中提取能夠反映結(jié)構(gòu)特性的特征，以完成對結(jié)構(gòu)實時和定期的評估，而這其中必然會涉及到結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的特征提取、數(shù)據(jù)融合及性能決策等方面，但目前這個方面所作的工作較少。,Section:,6,6.橋梁結(jié)

39、構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計,定義健康監(jiān)測系統(tǒng)目標(biāo),確定傳感器種類、型號,監(jiān)測項目確定,系統(tǒng)壽命及耐久性,1. 設(shè)計流程…,,,,,在FRP加強格柵澆筑混凝土前先安裝傳感器,江西省交通科學(xué)研究院,Section:,6,6.健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計,2. 安裝流程…,傳感器標(biāo)定,承包商培訓(xùn),避免施工過程中的傳感器損壞,避免安裝健康監(jiān)測系統(tǒng)引起結(jié)構(gòu)損害,保護(hù)系統(tǒng)免受環(huán)境及人為破壞,,,,,,承包商培訓(xùn)及傳感器標(biāo)定是健康監(jiān)測系統(tǒng)安裝工程中最關(guān)鍵的部分,江西省交

40、通科學(xué)研究院,Section:,6,6.健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計,3. 使用流程…,數(shù)據(jù)收集及管理,知識的連續(xù)性,監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸及顯示,江西省交通科學(xué)研究院,信息發(fā)布,,,,,Section:,6,6.健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計： 操作方法,江西省交通科學(xué)研究院,結(jié)構(gòu)損傷識別及預(yù)警機制結(jié)構(gòu)劣化-響應(yīng)對應(yīng)關(guān)系結(jié)構(gòu)數(shù)值分析模型建立關(guān)鍵參數(shù)的特征反應(yīng) 確定識別每級損傷的靈敏度選擇的參數(shù)和定義性能指標(biāo) ：不同結(jié)構(gòu)劣化程度與結(jié)構(gòu)響應(yīng)變化的聯(lián)系設(shè)計系統(tǒng) ：

41、傳感器選用、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)管理 數(shù)據(jù)分析安裝調(diào)試系統(tǒng) (設(shè)置基準(zhǔn)參數(shù))適時評估數(shù)據(jù)及系統(tǒng)調(diào)整,7.實例介紹,加拿大聯(lián)邦大橋,,跨越諾森伯蘭 海峽,1997建成通車,世界最大預(yù)應(yīng)力混凝土跨海大橋（箱形梁）,建立了極其有價值的SHM系統(tǒng),Section:,7,江西交通科學(xué)研究院,Section:,7,,Confederation Bridge,橋梁簡介,新不倫瑞克省到愛德華王子島省的必經(jīng)之路，全長13.1 km 的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋

42、。44 跨，跨度均為250 m先懸臂拼裝190 的懸臂梁端，后吊裝跨中60米長的簡支梁段采用了多種先進(jìn)施工技術(shù)設(shè)計壽命100 年,實例介紹,江西交通科學(xué)研究院,聯(lián)邦橋SHM系統(tǒng)的價值:,Section:,7,,Confederation Bridge,1. 橋址處自然環(huán)境惡劣,3. 設(shè)計壽命是普通橋的2倍,4. 可用于驗證設(shè)計假設(shè)，以保證橋梁的安全性和使用性能,5. 開發(fā)出新的養(yǎng)護(hù)和維修策略,2. SHM 數(shù)據(jù)在加拿大將用于指定

43、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并用于指導(dǎo)其他大橋,實例介紹,江西交通科學(xué)研究院,SHM 系統(tǒng),Section:,7,,Confederation Bridge,,,箱梁橫截面,光纖傳感器,,,,,,,,,,,,,,,,安裝位置,典型跨,,,,懸臂段,簡支段,,,,,,,,,,,,,短期和長期行為均進(jìn)行了監(jiān)測不同部位安裝有大量傳感器箱梁截面安裝有FBG 傳感器:,實例介紹,江西交通科學(xué)研究院,監(jiān)測內(nèi)容?,Section:,7,,Confederation

44、 Bridge,橋梁變形,溫度影響,交通荷載,動力測試,鋼筋銹蝕,冰荷載,傾斜計, 加速度計, 冰荷載板, 視頻監(jiān)控, 聲納技術(shù),,應(yīng)變傳感器(電阻式和光纖式), 視頻攝像儀,,機械式,光纖, 振弦式應(yīng)變傳感器監(jiān)測短期和長期變形,,熱電偶,振弦式應(yīng)變傳感器,日輻射計,,,76個 加速度計, 超聲風(fēng)速儀, 動位移傳感器,,腐蝕探頭,,實例介紹,江西交通科學(xué)研究院,Section:,7,,Confederation Bridge,數(shù)據(jù)采集系

45、統(tǒng),采集儀,監(jiān)控中心,數(shù)據(jù)分析中心Carlton 大學(xué),,,傳感器,,2種數(shù)據(jù)采集模式: 定期采集模式 事件觸發(fā)模式,實例介紹,江西交通科學(xué)研究院,蘇通大橋,,蘇州-南通,最大跨徑斜拉橋,主跨1088米,Section:,7,2008年建成通車,實例介紹,江西交通科學(xué)研究院,Section:,7,橋梁特點,最大主跨：　　蘇通大橋跨徑為1088米，是當(dāng)今世界跨徑最大斜拉橋。 　最深基礎(chǔ)：　　蘇通大橋主墩基礎(chǔ)由131根長約120

46、米、直徑2.5米至2.8米的群樁組成，承臺長114米、寬48米，面積有一個足球場大，是在40米水深以下厚達(dá)300米的軟土地基上建起來的，是世界上規(guī)模最大、入土最深的群樁基礎(chǔ)?！∽罡邩蛩骸　≡仁澜缟弦呀ǔ勺罡邩蛩槎喽嗔_大橋224米的鋼塔，蘇通大橋采用高300.4米的混凝土塔，為世界最高橋塔?！∽铋L拉索：　　蘇通大橋最長拉索長達(dá)577米，比日本多多羅大橋斜拉索長100米，為世界上最長的斜拉索。,實例介紹,江西交通科學(xué)研究院,S

47、ection:,7,SHM 系統(tǒng),,由4 個子系統(tǒng)構(gòu)成(見下圖) ：①傳感器系統(tǒng) ② 數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng) ③數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)④結(jié)構(gòu)健康狀況評價系統(tǒng)。,實例介紹,江西交通科學(xué)研究院,Section:,7,SHM 系統(tǒng),,傳感器子系統(tǒng)由超聲風(fēng)速儀、車速車軸儀、全球定位系統(tǒng)、加速度傳感器等16 類傳感器組成。 其中包括由788 個各類傳感器所構(gòu)成上部結(jié)構(gòu)固定式傳感器系統(tǒng)； 由16 只高精度加速度傳

48、感器構(gòu)成的便攜式傳感器系統(tǒng)及包含636 只傳感器的基礎(chǔ)監(jiān)測傳感器系統(tǒng)； 傳感器總數(shù)達(dá)到1 440 只。,實例介紹,江西交通科學(xué)研究院,Section:,7,SHM System,,實例介紹,江西交通科學(xué)研究院,潤揚大橋,,鎮(zhèn)江到揚州,南汊懸索橋（1490）,北汊斜拉橋,Section:,7,2005年4月建成通車,實例介紹,江西交通科學(xué)研究院,Section:,7,橋梁特征,由北接線、北汊橋、世業(yè)洲互通高架橋、南汊橋、

49、南接線及延伸段等部分組成，主橋(包括北汊橋、世業(yè)洲互通高架橋和南汊橋)長7.21公里,北引橋及北接線高架橋長1.74公里，其中南汊主橋采用單孔雙鉸鋼箱梁懸索橋，主跨徑1490米，為目前中國第一、世界第三。北汊橋采用176+406+176米的三跨雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，長758米。全線采用雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，橋面平均寬31.5米,實例介紹,江西交通科學(xué)研究院,Section:,7,健康監(jiān)測系統(tǒng),,結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)包括硬件和軟件2

50、 個部分,其中硬件部分包括4 個系統(tǒng),即:傳感器系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ；數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)；數(shù)據(jù)分析和處理系統(tǒng)。各系統(tǒng)間通過光纖網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系而進(jìn)行運作。,實例介紹,江西交通科學(xué)研究院,Section:,7,,,實例介紹,江西交通科學(xué)研究院,Section:,7,,,實例介紹,江西交通科學(xué)研究院,日本明石海峽大橋,,日本神戶市與淡路島之間,懸索橋,世界最大跨徑,Section:,7,1998年正式通車,實例介紹,江西交通科學(xué)研究院,Sectio

51、n:,7,橋梁簡介,明石海峽大橋，位于本州島與四國島之間，全長3911米（960+1991+960），主跨1991米，為三跨二鉸加勁桁梁式吊橋，橋?qū)?5.5米，雙向六車道?？拐饛姸劝?/150的頻率，承受8.5級強烈地震和抗150年一遇的80m/s的暴風(fēng)設(shè)計， 1995年1月17日，日本坂神發(fā)生里氏7.2級大地震，該橋經(jīng)受住了考驗，只是南岸的岸墩和錨錠裝置發(fā)生了輕微位移，使橋的長度增加了0.8m。為目前世界上跨度最大的懸索橋，也是世

52、界上最長的雙層橋，,實例介紹,江西交通科學(xué)研究院,Section:,7,SHM 系統(tǒng),,實例介紹,江西交通科學(xué)研究院,Section:,7,傳感器布置,,實例介紹,江西交通科學(xué)研究院,美國Commodore Barry大橋,,新澤西和賓夕法尼亞之間,鋼桁架橋,主跨501米,Section:,7,1974年正式通車,實例介紹,江西交通科學(xué)研究院,Section:,7,橋梁簡介,為美國最大的懸臂鋼桁架橋，主跨501米，有5個車道。

53、 2片桁架間距為72英尺，每片桁架有73個節(jié)點，節(jié)點間距約為45英尺，上下弦桿為焊接箱形截面，斜桿和豎桿為箱形和I形截面 橋面系為8英寸厚的鋼筋混凝土支撐在間距為7英尺的鋼橫梁上,實例介紹,江西交通科學(xué)研究院,Section:,7,,系統(tǒng)總體架構(gòu)圖,實例介紹,江西交通科學(xué)研究院,Section:,7,傳感器布置,,實例介紹,江西交通科學(xué)研究院,8.未來展望,Section:,8,,結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測正成為基礎(chǔ)設(shè)施可持續(xù)養(yǎng)護(hù)的

54、重要工具該技術(shù)正在不斷發(fā)展中。 主要以下方向:→ 智能復(fù)合材料→ “活”結(jié)構(gòu),ISIS Canada Educational Module 5,,,未來展望,Section:,8,,肌肉/構(gòu)件 類比:,復(fù)合材料有傳感器可獲得結(jié)構(gòu)構(gòu)件的狀態(tài)信息。,肌肉內(nèi)有神經(jīng)細(xì)胞， 可給大腦傳遞肌肉狀態(tài)等信息,ISIS Canada Educational Module 5,復(fù)合材料（如FRP）內(nèi)嵌有傳感器既可與結(jié)構(gòu)共同受力又可獲得結(jié)構(gòu)構(gòu)件的狀態(tài)

55、信息。,智能復(fù)合材料,,未來展望,Section:,8,,“活”結(jié)構(gòu),ISIS Canada Educational Module 5,土木工程設(shè)計和分析的尖端水準(zhǔn) 具備以下能力:監(jiān)測荷載、變形和損傷糾正和記錄荷載影響由自傳感材料組成,人有了知識，就會具備各種分析能力，明辨是非的能力。所以我們要勤懇讀書，廣泛閱讀，古人說“書中自有黃金屋。”通過閱讀科技書籍，我們能豐富知識，培養(yǎng)邏輯思維能力；通過閱讀文學(xué)作品，我們能提