结构健康监测技术

Section: 1
结构劣化因素
因素2
状况
结果
强度或使用性能的降低导 致构件需要维修或更换
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1.引言
Section: 1
结构劣化因素
因素3
交通荷载量及荷载等级逐年增加，
状况
逐渐超出既有桥梁原来的设计标准
结果
结构不安全或使用性不足，构件需加固或 更换
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需考虑传感器优化布置
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3.1 – 数据采集
方法 - 有线系统 • 传感器与采集系统间直接线路连接 • 最常用而且费用低廉 • 对于大型桥梁不使用 • 缆线过长导致信号噪声大
方法 - 无线传输 • 更昂贵 • 信号传输更慢更不安全 • 技术潜力较大
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无损检测
结构现场测试和 评估
使用多种传感器 埋入或粘贴到结 构表面进行监测
结构的安全性、强度、整体性、可靠性
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结构健康监测与人类体检的类比
SHM 工程师
Section: 2
医生
• 监测病人的健康状况 • 使用医学设备对人体 进行健康检查 • 开处方进行对症治疗
可使用网络摄像机技术
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3.2 – 数据传输
Section: 3
• 数据需从采集站传递到监控中心
• 允许远程监视, 减少现场工作量
电话
采集站
网络 无线技术
监控中心
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3.3 – 数据预处理
Section: 3
• 数据存储前进行
• 监测结构的健康状况 • 使用各种传感器对结构进 行健康检查 • 给出桥梁维护管理方案
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SHM 系统组成
数据采集 数据传输 数据处理
Section: 2
数据存储
诊断分析
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数据恢复
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• 各种基础设施长期使用中存在各种问题
− 被忽视、缺少维护、设计标准底
全球基础设施普遍存在安全隐患
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1: 引言
Section: 1
结构毁坏主要原因
• 天灾（自然力量）
– 台风、海啸、地震、洪 水…… – 损失巨大 – 可预报，无法避免。
• 有什么解决办法？
– 天灾：气象、海洋 、地质灾害预报 ……
适合的可靠的传感器 根据监测时间（长期、或短期）需求 选择 结构监测项目?
传感器必须满足功能和耐久性要求
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3.1 – 数据采集
Section: 3
(b) 传感器安装和布置
传感器的安装必须不影响原有结构性能 传感器的附属设施如：缆线、线槽、 连接箱等 需 不妨害结构使用
传感器的类型和位置 监测的动机
所关心的结构响应
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3.6 – 数据分析
Section: 3
数据分析时需考虑… 数据的意义和价值 精简分析的工作量 谨记: SHM的目的 是提供详尽的数据给工程师，以 便于作出合理的、专业的工程决策。
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3.1 – 数据采集
动力荷载导致结构的动力响应 • 结构如何抵抗动力荷载? 在地震多发区广泛使用 通常用加速度传感器测试
Section: 3
加速度
风速和风压
大跨桥梁和高层建筑往往由风荷载控
制设计
• 不同位置的风速和风压
通常用超声风速仪测试
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Section: 3
• 理想的 SHM 系统: 提供结构健康信息 出现损伤时给出警告 • SHM 系统的发展需要多方面学科发展的支持 … 计算机 智能处理技术 数据采集 材料 通信
结构工程
损伤识别
传感器
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系统组成示意图
Section: 3
需监测的桥梁
各种传感器
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4: 传感技术
Section: 4
• 多种传感器在广泛使用
– SHM 选择传感器取决于很多因素
• 传感技术的发展极大推动了SHM的发展 • 光纤传感器(FOSs)
– 新技术 – 土木工程中广泛应用 – 研究开发和应用的热点
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光纤传感器的优点
稳定性
重大工程结构健康监测 （SHM）技术
张 浩
涉外土木工程教研室
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概述
1.引言
8.未来展望 7.实例介绍
2.什么是SHM?
3.SHM的方法
6.SHM 系统设计
5.SHM内容 4.传感技术
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1: 引言
Section: 1
• 人类生活依赖大量的各种基础设施 − 道路, 地下管道, 高速公路, 各种建筑等
解决之道-结构健康监测（SHM）
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1.引言
Section: 1
我国公路桥梁设计标准偏低
• 以常用车辆作用于30米跨度简支梁桥为例 • 规范计算的需承受的活荷载效应：
– 美国和英国规范分别比我国规范大12%和29%
• 考虑活荷载安全系数：
– 我国1.40，美国1.75，英国的1.73
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3.1 – 数据采集
Section: 3
声发射
当结构或构件某些部位开裂或断裂， 会产生噪音 • 声发射通过监测噪声, 通过3角测量法进
行损伤定位
视频 监测
后张预应力混凝土结构和缆索支撑桥 梁比较常用 使用专用传感器测试 实时追踪的视频或图像可记录突发事 件或极端荷载
• 数据有图片为证 • 可捕捉超载车辆
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光纤传感技术
Section: 4
典型光纤
外护套
芳纶 纤维
内护套
缓冲层
裸光纤
各种各样的光纤覆盖层保护保护光纤避免…
减少和避免安装及 操作中的磨损 混凝土结构中使用时 避免光纤受损 防止潮湿环境削弱光纤 控制微裂缝增长
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光纤安装方式
目标-建立智能结构体系
结构的安全性、强度、整体性、可靠性
一个可靠的结构健康监测（SHM）系统应包括： 先进的传感技、数据采集技术、系统识别和损伤 定位技术和土木工程技术
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结构健康监测逐渐普及
Section: 2
结构健康监测的发展得益于: 1. 逐渐增长的需求…
长期稳定性好
测试误差小
Section: 4
绝缘性
不受电磁干扰和 电波干涉
先进的传感
特性
易用性
可多点或分布式 测量
方便性
重量轻, 直径小, 不受化学腐蚀, 易埋入或表面粘贴安装
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光纤传感器如何测试?
Section: 4
传感使用光学特性
激光或光束在光纤内传递，通常有测试标距 光束可测试状态变化 (如光纤被拉长或压缩) 光特性的改变直接能反映应变变化 解码器通过光信号的改变计算应变值，有的转换为电压信号 数据采集系统 再将电压信号转换为应变值
• 桥梁需承受活荷载效应设计值：
– 美国和英国规范分别比我国规范大40%和59%
• 材料设计强度：
– 我国的设计承载能力为美、英的68%和60%
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2: 什么是结构健康监测（SHM）?
Section: 2
• 利用现场测试、无损检测或各种传感技术和结构特征 分析, 包括结构响应来识别损伤是否产生、确定损伤 位置 、评估损伤程度 以及损伤对结构造成的后果。
• 数据文件格式要好，可读性强
• 通常存储分析处理后的数据而不存储原始 数据
– 存储数据要真实，不能随意更改
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3.5 – 诊断
Section: 3
• 极端重要的部分
– 将数据信号转换为有价值的结构响应或状况信息
• 没有标准的诊断方法
• 使用的方法取决于… 结构类型
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1.引言
结构整体劣化或老化
Section: 1
结构劣化因素
因素4 状况
各种有害因素影响结构的可靠 度安全性和使用性能
结果
结构需要维修、加固甚至更换
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1: 引言
Section:
我国土木工程结构安全现状
• 工民建
– 设计50年，通常25~30年需大修，或更短
等级II
等级III
等级IV
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SHM的优点
Section: 2
优点
长期实时把握结构状态 尽早识别损伤
保证结构强度和使用性能
减少检查、维护时间和费用 制定合理的养护管理方案 提高工作效率 促进新技术新材料的研究和应用
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3: 方法
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3.1 – 数据采集
Section: 3
应变
应变: 反映变形的强度 应变的大小和变化能用于评估结构的 安全性和整体性 使用各种应变传感器 • 光纤、电阻式、振弦式等。 温度变化可导致变形 • 热膨胀
• 周期性的循环变化会导致疲劳破坏
温度
温度会影响应变测量值 • 需进行温度补偿 使用热电偶、光纤等进行测试。
• 目的在于清除一些不可靠的数据、测试噪声 、 温度影响等，尽量使存储的数据更真实可靠， 以便于将来的数据分析 :
更简单 传输更快 更精确
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SHM – – – –
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3.4 – 数据存储
可保存较长时间段内的数据 数据要易于理解 数据尽可能不中断 要有足够的存储空间
Section: 3
新设计、新技术和新材料监测的需求
既有结构养护管理的需求
2. 以下技术的发展…
新型传感技术(如：光纤、智能材料等) 数据采集系统 网络和无线网络技术 数据库系统（传输、收集、储存和分析）
数据处理和分析技术
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结构健康监测（SHM）的定义 结构健康监测
Section: 2
Section: 3
(c) 数据传输
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3.1 – 数据采集
Section: 3
(d) 数据采样和收集
基本要求: 采集数据不能过少导致无法完成监测系统基 本功能, 也不能过多导致数据处理和分析困难。 重点: • 传感器的数量和采样频率 • 数据存储和排序 • 某些情况下数据量特别大
数据采集系 统(on-site) 通信系统(如. 网络） 数据存储(硬盘或刻录光 盘)
数据处理(计算机自 动完成) 诊断
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状态评估(管理养 护决策)
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3.1 – 数据采集
Section: 3
原始数据的收集如：温湿度、风速、应变、变 形、 加速度、荷载、交通量、地震等。 (a) 传感器的选择
• 人祸（人为因素）
– 无意、蓄意 – 渎职、“偷工减料” – 可以避免或加以控制
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• 有何技术途径？
– 人祸：法规、规 划、设计、监测 ……
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1.引言
Section: 1
汶川地震后的桥梁
1996 四川綦江彩虹桥 死41
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SHM 系统分级
等级 IV
Section: 2
识别损伤是否存在、位置、程度和对结构造成的影响
等级 III
识别损伤是否存在及其位置、程度
等级 II
识别损伤是否存在及其位置
等级 I
识别损伤是否存在
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SHM 系统分级
损伤影响 定量 定位 识别
Section: 2
等级 I
• 市政桥梁
– 设计50年，10~15年就出现严重破坏
• 海工
– 设计30~50年，5～15年就出现严重破坏
• 大跨桥梁
– 设计50~100年，10年以上的桥就很危险
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1: 引言
Section:
存在问题
• 非技术因素
– 市场、腐败、管理、做假
• 技术因素
– 标准设置水平低 – 无耐久性标准 – 无详细监测制度
1.引言
Section: 1
桥梁结构日常使用主要问题-结构劣化
• 导致结构性能劣化的因素…
因素1 目前状况 后果
既有结构缺乏足够的检测和监测
只有到结构继续维修时才引起重 视
维修费用甚至超出更换费用
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1.引言
钢筋混凝土结构中的钢筋 锈蚀 钢筋的变形导致混凝土开 裂和剥落
结果: • 制定有效的数据采样和存储策略
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3.1 – 数据采集
Section: 3
监测内容
荷载
施加到结构上的荷载的大小和分布 • 是否为预期的荷载?
• 荷载是怎么分布的?
使用设备测试荷载或由应变数据推 导
变形
过大的变形, 意味着导致结构需要维 修、加固甚至更换 • 是否在预期的范围之内? 可使用不同的传感器测试