结构健康监测的研究现状

结构健康监测的研究现状

摘要：阐述了结构健康监测的概念、系统组成及其重要性，介绍了结构健康监测的研究现状，对工程中的应用作了概要性描述，并提出了需要进一步研究的问题

关键词：结构健康监测，研究现状，综述

一结构健康监测的意义

近期在土耳其、我国台湾省以及印度的地震灾害，又重新演示了地震所造成的城市及其附近地区的破坏。尽管在2001 年的4 月，在Seattle 附近发生的6．8 级地震并没有造成很严重的破坏，但它却提示我们必须为防止今后的地震破坏而维修结构。因为地震造成的结构损伤往往是隐藏在结构中的，如嵌入墙中和置于混凝土中节点的损伤，这样的损伤很难通过观测发现。如1994年，在美国加州发生的Northridge 地震，花了巨资来探测钢结构节点的损伤。探测损伤往往需要非结构构件的移除，这又使得结构不能正常使用。1995年的神户地震也碰到类似的情况。

对结构进行监测将在很大程度上避免这样的情况发生。对于结构整体性能的长期监测也同样非常重要。多数发达国家，土木工程结构的维护、修复、替换的费用非常大。粗略估计，这些费用的总和将占到其国民总收入的1O％左右。还有，在大多数国家，很多建筑都在

接近它们的设计寿命。而现在，对于结构完好性的评估，主要还是采用人工、凭经验观测判断的方式，这样很费时间和资金。对结构采取有计划的修复和维护也会很困难。结构健康监测可以很大程度上减少周期性的检测，还能比较准确地确定结构的损伤程度，同时，也能对结构的剩余寿命和对结构的加固改造做出更好的评价。

二结构健康监测的概念及系统组成

1 概念

结构健康监测( Structure Health Monitoring ，简称SHM) 技术是用探测到的响应，结合系统的特性分析，来评价结构损伤的严重性以及定位损伤位置。其基本思想是通过测量结构在超常荷载前后的响应来推断结构特性的变化，进而探测和评价结构的损伤；或者通过持续监测来发现结构的长期退化。有人将结构健康监测定义为“用最少的人力来实现对结构自动、连续的监测和观察。”结构健康监测可适用于所有种类的结构。对于土木工程结构，SHM 系统可监测结构在地震或者爆炸下的损伤，或者监测结构在周围环境以及人的活动下的长期损伤。这些信息可以为结构的安全评估提供重要参考，也可以用于结构的维护以及其剩余寿命的评估

2结构健康监测系统应包括以下四个部分

(1)传感系统：主要通过传感器将待测的物理量转变为电信号。

(2)数据采集和处理系统：一般安装于待测结构中，采集传感系统的数据并进行初步处理。

(3)通汛系统：将采集并处理过的数据传输到监控中心

(4)监控中心和报警设备：利用具备诊断功能的软硬件对接收到的数据进行诊断，判断损伤的发生、位置、程度，对结构健康状况做出评估，如发现异常，发出报警信息。

三结构健康监测的目前研究现状

结构健康监测是一门综合技术，涉及到结构动力学、信息技术( 如信号的传输、存储与处理) 、传感器技术、优化设计等多个学科。

结构健康监测技术最早起源于航空航天领域，最初的目的主要是进行结构的载荷监测。随着结构设计的日益大型化、复杂化和智能化的发展，结构健康监测的内容逐渐丰富起来，不再是单纯的载荷监测，而是向结构损伤检测、损伤定位、结构寿命预测等方面发展。在土木工程领域，结构健康监测20世纪80年代提出，最初主要在桥梁健康监测方面发展得比较快。从20世纪90 年代中后期至今，世界各国的土木工程师针对建筑结构的健康监测开展了大量的研究。

1 信号的采集与处理

结构的状况是由分析采集到的信号而获得的，因此，信号采集技术是结构损伤识别的前提。信号采集技术包括信号的采集和放大、传感器的类型、安装位置、数量以及数据的获取、存储等。由于被监测结构的庞大和复杂，传感器的类型和数目相当多，如何确定传感器的最优布置是研究的热点。

信号的采集和处理是结构损伤识别技术中特征因子的提取技术。传感器采集的信号，如频率、振型、位移、温度等可以直接利用，但大部分信号需经过放大、去噪声后，才能得到对损伤敏感的特征因

子。近年来，数据融合技术开始用于数据处理和结构健康监测的整体评价上。数据处理技术基于得到的信息对数据进行处理，以减小误差而加强分析结果的可靠性。在结构健康监测中，模糊综合评价的应用最为广泛，它的思想是将模糊数学理论与可靠度诊断标准相结合进而给出整体评价等级。

2 损伤检测

损伤检测则是进行结构健康监测的基础，这是健康监测的关键环节，一直以来都是非常活跃的研究领域。从技术上，损伤检测可以分为基于模态分析( 整体探测)和基于试验信号处理( 局部探测)的方法。也即是整体和局部的探测方法。

（1）基于模态分析方法的结构损伤检测

结构损伤导致结构的动力特性，如同有频率、固有振型、和模态阻尼等发生变化。结构的固有频率和固有振型可以通过试验直接测得或由有限元模型计算得到，模态阻尼主要由试验直接测得。由固有频率和固有振型可以推出结构的质量矩阵和刚度矩阵，于是可以根据未损伤结构和损伤结构的质量矩阵和刚度矩阵来确定损伤位置和程度。固有频率和模态阻尼可直接进行比较，固有振型的比较通常使用Ewins提出的模态置信度( modal assurance criterion，MAC ) 判断。

关于根据结构响应来反推结构有限元模型的质量矩阵和刚度矩阵的方法，也就是参数识别问题，主要涉及试验测试技术、结构动力修改和模态比较以及损伤位置确定的方法。其中，结构动力修改是基于模态分析方法的损伤检测过程中的一个关键问题，其原因是有限

元模型和实际结构之间的差异，这可能造成模型的误差而产生的偏差和损伤产生的效果相当,于是很难识别损伤。

除了模型和实际结构的差异外，基于模态分析的方法还将受到传感器获取数据的不完整性以及测量信号中噪声的影响。这些都可能使方法在探测损伤时失效。

（2）基于试验信号处理的损伤检测方法

基于试验信号处理的损伤检测方法不需要识别结构的动力参数，而是通过对比所检测结构与无损伤结构的响应信号或信号的某种特征参数来识别损伤。通常是针对结构局部构件的检测。一般来说，直接测试得到的动态响应信号要经过处理才能提取出其特征参数，在基于试验信号处理的损伤检测方法中，用于信号处理的方法是多种多样的，但其根本目的都是要提取出足够多的响应信息和追求足够高的信号损伤敏感度。总的来说，该方法可分为两种：一种是在时间域上进行结构响应信号的分析；一种是求得信号的某些非时域特征值，如信号峰值、能量积分，然后再比较这些值来识别结构的损伤。

四结构健康监测的工程应用

结构健康监测系统监测结构的性能，检测结构的损伤，进而评价结构的健康状况并做出相应的维护决策，是一种可靠、有效、经济的监测方法。从20世纪80年代起，SHM 系统开始用于大型桥梁的健康监测。例如，英国在总长522m 的3跨变高度连续箱梁的Foyle 桥上布设传感器，监测桥梁运营阶段在车辆与风荷载作用下主梁的振动、扰度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场。加拿大在

全长12．9km、建于海上的45跨预应力混凝土箱梁Confederation 桥上实施的一套综合监测系统，对桥梁在冰荷载作用下的性能、长短期变形、温度应力以及在车辆荷载、荷载组合、风和地震荷载作用下的动力响应和环境对桥梁的侵蚀进行研究。

目前，SHM 系统在国内主要用于大型桥梁。例如，从1997年年底开始，香港青马大桥的桥梁结构健康监测系统，通过设在大桥不同位置的各类传感器系统收集大桥结构反应和大桥工作环境变化的信息。信息首先从所在的传感器传送到三台分别位于大桥两侧由微电脑控制的信息收集站作信息收集及初步处理，经过数位／类别转换，再透过光纤网络，将信息转送至一台信息处理和分析系统上，作信息收集、处理、分析及储存。获取的数据可以作为以后大桥结构评估、运营和维护的参考。在南京长江大桥上安装的健康监测系统，主要进行温度、风向、地震及船舶撞击、墩位沉降，以及恒载几何线形、结构振动、主桁杆件应力、支座位移等方面的监测。采用健康监测系统的还有江阴长江大桥、上海徐浦大桥等。

五结构健康监测的展望

结构健康监测是最近十几年才发展起来的一门新兴科学，目前正处在蓬勃的发展之中。这种技术在航空航天、机械等领域已经有了广泛的应用，但在土木工程领域，尤其是在建筑结构方面，还处于起步阶段，绝大多数研究还仅仅局限于试验阶段。1996 年国际结构控制研讨会形成了关于创建工作组来研究建筑结构健康监测问题的计划，并成立了亚洲、美国、欧洲的工作组。国内外的研究人员在传感器技

术、损伤检测、模式识别、数据处理等方面进行了大量的研究，取得了一系列的成果。但这些研究成果大多还停留在理论与试验阶段，能实际应用的成果还只是小部分。

从近年来研究的发展来看，以下几个方面的研究在该技术的发展中有重要意义：

( 1)结合土木工程结构自身的特点，利用振动模态分析技术和系统识别理论，探索适合土木工程结构的模态识别方法。由于土木工程结构健康监测大部分技术都是从航空航天及机械领域移植过来的，这些技术中的很大一部分并不适合土木工程结构的健康监测，因此，探索适合土木工程结构的模态识别方法具有重要意义。

(2)结构健康监测系统的耐久性，包括传感器的耐久性和数据传输系统的耐久性。由于结构健康监测是一项长期的工作，需要传感器和数据传输系统有较好的耐久性，而目前的健康监测系统的耐久性还不够，能研究出具有更好的耐久性的结构健康监测系统具有很大意义。

(3)量化损伤程度、估计结构剩余寿命的损伤检测研究。目前的健康监测还很难实现对损伤的量化，也不能较好地估计结构剩余寿命。

(4) 数据处理技术，尤其关键的是处理所获得的丰富数据以获取对结构简洁有用的评估的核心算法。目前的传感器技术的进步使得获取大量的结构信息已经不是问题，迫切需要处理所获取的数据以形成对结构的正确评价的算法。

(5)结构健康监测的设计指南和标准的结构健康监测系统。设汁指南和标准健康监测系统的研究是试验研究和工程应用的纽带，待这方面的研究成果比较成熟后，工程应用的水平会有更大的提高。

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