结构健康监测综述

结构健康监测综述
摘要：本文详细阐述了结构健康监测的基本概念和系统组成，并对其应用进行了叙述，且简单论述了现阶段结构健康监测的研究状况。

最后提出了结构健康监测的前景。

关键词：损伤监测；信号采集；信号处理；结构监测；结构损伤
引言
土木工程结构在长期使用过程中会因各种自然及人为因素的作用而不可避免地发生损伤。

结构损伤可以定义为结构整体或其某些部分在材料和几何性能上的变化，如结构在刚度、强度、边界及连接条件等方面的蜕变或下降，从而影响结构体系未来的使用性能。

地震、飓风等突发性自然灾害在很短时间内就会对土木结构造成比较严重的损伤；一些人为因素，如恐怖爆炸袭击等破坏性行为也会严重影响结构的安全性和使用功能。

上述的损伤属于突发性损伤，在短期内就能导致结构丧失使用功能，甚至危及结构安全。

此外，结构在长期使用过程中，由于环境变化和构件退化疲劳锈蚀等因素作用也将产生一定程度的损伤，这些属于累积性损伤，具有缓慢积累的性质，同样会影响结构的安全和使用。

近年来，自然灾害对重要结构的损伤和破坏屡见不鲜，引起人们的密切关注。

目前我国土木工程事故频繁发生，如桥梁的突然折断、建筑骤然倒塌等，造成了重大的人员伤亡和财产损失，已经引起人们对于重大工程安全性的关心和重视。

当大型结构发生突发性损伤时，如果能够及时做出判断和警报，采取应急处理措施，可以防止损伤进一步发展和引发其它事故；对于长期在役的重要结构，如果能够定期对其累积损伤的程度做出正确评估，就可以充分掌握结构的工作状态，确保结构的安全。

在此工程背景下，结构健康监测应运而生，并成为土木工程学科发展的一个重要领域。

结构健康监测是通过对结构的物理力学性能进行无损监测，实时监控结构的整体行为，对结构的损伤位置和程度进行诊断，对结构的服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行智能评估，为结构在突发事件下或结构使用状况严重异常时触发预警信号，为结构的维修、养护与管理决策提供依据和指导。

结构健康监测技术是一个多领域跨学科的综合性技术，它涉及土木工程、动力学、材料学、传感技术、测试技术、信号分析、计算机技术、网络通讯通信技术、模式识别等多个研究方向。

结构的健康监测由于应用了有限元模型技术、结构损伤识别理论、智能化的传感系统和信号处理技术等，具有重大的经济价值和科研价值:(1)实现实时或实时的损伤检测，对结构出现的损伤进行定性、定位和定量分析，实现防患于未然；
(2)对检测出来的损伤进行原因分析，并且提供维修建议等；(3)在新建的结构完工后使用前进行安全验证测试；(4)在结构突发事件之后进行剩余寿命评估等；
(5)监测所得的数据和分析结论可以提高设计人员对于大型复杂结构的认识，为以后的设计和建造提供依据。

1、结构健康监测概念及系统组成
1.1 结构健康监测概念
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。

1.2结构健康监测系统组成
结构健康监测系统主要由4个功能子系统组成并通过网络联系进行工作。

这四个子系统是:
1)传感器系统:包括加速度计、风速风向仪、位移计、温度计、应变计、信号放大处理器及连接介面等，并将待测物理量转变为电信号；
2)信息采集与处理系统:包括信号采集器及相应的数据存储设备等。

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)信息通信与传输系统:包括网络操作系统平台、安全监测局域网、与因特网的连接等。

将采集并处理过的数据传输到监控中心；
4)信息分析和监控系统:包括高性能计算机及分析软件。

利用具备损伤诊断功能的软硬件分析相应数据，判断损伤的发生、位置和程度，对结构健康状况做出状
态评估，若发现异常，发出报警信息。

2、结构健康监测的应用
随着健康监测技术的发展，越来越多的桥梁和大型结构使用了健康监测系统，对桥梁的安全运行起到了重要作用。

在我国，上海徐浦大桥结构状态监测系统包括测量车辆荷载温度、挠度、应变、主梁振动、斜拉索振动六个子系统。

香港青马大桥设立的监测系统称之为“风和结构健康监测系统”，包括加速度计、应变计、位移传感器、水平传感器、风速计、温度传感器、车速车载感应系统等各类传感器计774个和数据采集及处理系统。

监测项目包括作用于桥梁上的外部作用及桥梁的响应，具体可分为风、地震、温度、车辆载荷、结构位移、标高、应变、应力及结构动力特性等。

国外，日本明石海峡大桥是目前世界上跨度最大的悬索桥，为了证实该桥在强风和地震作用下的设计假定和有关参数的取值，以及确定在环境变化影响下的变形特征，在该桥上安装了包括地震仪、风速计、加速度计、速度计、全球卫星定位系统( GPS)，测量主梁边缘位移的位移计、测量调质阻尼器的位移计、温度计等传感器的监测系统。

3、结构健康监测目前研究状况
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。

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。

3.1 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。

Son和Farrar在Rattler的研究基础上提出了损伤检测的5个层次:①识别出结构中是否有损伤产生；②确定损伤的位置；③识别出损伤类型；④量化损伤的严重程度；⑤确定结构的剩余寿命。

而目前开展的
损伤研究中能达到第3、第4、第5层次的较少。

损伤检测的方法在数量上飞速增长，但从技术上，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。

3.2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。

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。

最近，一些SHM研究组在用于损伤检测的传感器技术领域，取得了比较大的进展。

欧进萍等对智能传感器、无线传感系统等开展了比较多的研究。

显然，要取得单个结构的大量数据，无论在硬件还是在软件方面，都不是问题。

目前，比较关键的问题是，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。

4、结构健康监测发展前景
土木工程结构的健康监测和损伤检测技术是一门新兴的科学技术，目前正处于蓬勃的发展之中。

但是在土木工程领域的研究还处于起步阶段，绝大多数研究还仅仅局限于实验阶段。

整个研究工作和技术的成熟还有待时日。

从土木工程结构健康监测和损伤检测的研究动态来看，以下几个方面间题的研究在该技术的未来发展方向上有比较重要的意义和迫切性。

需要建立一个基准(有限元)结构模型。

由于大部分的健康监测和损伤诊断方法是基于结构损伤前后的特性的改变，一个正确的基准有限元结构模型是至关重要的。

由结构现场的实测结果对初始的有限元模型进行修正是获得基准有限元结构模型的基本途径。

对比较重要的土木工程结构在投入使用之初对其进行试验
(如桥梁的通车检定试验)，并由此建立基准的有限元结构模型，以便作为今后健康监测和损伤诊断的基础，是非常重要的，须引起重视。

1) 发展更可靠的损伤判别指标。

2) 研究试验参数变化、环境参数变化对结构损伤识别的影响。

3) 由于大型复杂结构实际上都是非线性的，因而神经网络和遗传算法在结构的健康检测和诊断方面具有不可估量的应用前景。

小波分析由于有刻画细节的能力，在数据的处理方面也具有一定的优势。

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