土木工程概论

导入结构健康监测系统
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健康监测系统
典型的结构健康监测流程
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• 背景介绍
• 现有技术和理论基础 • 未来发展趋势
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表面回弹法
回弹法是用弹簧驱动弹击锤，通 过弹击锤驱动弹击杆弹击混凝土 表面，因为混凝土强度的差异其 表面硬度也不相同，所以弹击杆 弹击混凝土表面后，反作用给弹 击锤的力度也不一样。测出弹击 锤被反弹回来的距离，即回弹 值。以回弹值作为与混凝土强度 相关的指标，来推定混凝土强度
地震灾害
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建筑结构的损伤原因
3、材料性能退化和结构损伤积累
在腐蚀、碰撞、振动、冻融等的长期作用下，结构 损伤积累和材料性能会造成结构的安全储备逐渐降 低，甚至发生突然破坏。
混凝土腐蚀损伤
混凝土冻融损伤
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建筑结构的损伤原因
4、设计标准和使用要求的改变
结构设计标准中关于安全储备的规定，综合反映了国家 经济和资源状况、社会财富积累程度以及设计施工技术水平 与材料质量水准。随着科学技术发展和社会财富积累程度 的提高，人们对结构安全储备和适用性、耐久性的要求也 不断提高，结构设计标准也需要不断修订、逐渐提高。
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健康监测起源
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建筑结构的损伤问题
--1964年修建
--2007年8月倒塌， 造成13人死亡
美国明尼苏达I35W大桥
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建筑结构的损伤问题
--1975年修建 --1976年决堤， 总经济损失超过 20亿美元
美国Idaho州Taton Dam
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建筑结构的损伤问题
四川攀枝花机场
2009年10月3日发生了大范围的滑坡， 2011年6月25日 发布公告，对外宣布全面停航
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超声传播法
冲击回波法
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SHM实例
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I35大桥资料
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I35大桥SHM
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I35大桥SHM感应器
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I35大桥SHM感应器
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I35大桥SHM感应器
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I35大桥SHM软件
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I35大桥SHM数据
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• 背景介绍
• 现有技术和理论基础 • 未来发展趋势
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智能混凝土
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碳纤维混凝土
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建筑结构的损伤问题
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建筑结构的损伤问题
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建筑结构的损伤原因
1、结构设计与工程质量
上海楼脆脆
哈尔滨阳明滩大桥
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建筑结构的损伤原因
2、使用环境和灾害
在长期的使用环境下，结构材料受到外部介质的长期侵蚀而 劣化，工程结构的功能逐渐被削弱，甚至丧失。按照劣化作 用的性质，使用环境对工程结构的侵蚀作用可以分为三类： （1）物理作用：如高温及高湿、温湿变化、冻溶、粉尘及流 水冲刷、辐射等作用引起的结构材料的劣化。 （2）化学作用：如含酸、碱或盐等化学介质的气体或液体、 其他有机成分等与结构材料发生化学反应。 （3）生物作用：如微生物、水藻、蠕虫、昆虫、多细胞作物 等对工程材料的破坏等
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表面回弹法
得到结果：回弹值R 由测强曲线计算得到强度 JGJ／T23--2001 《回弹法检测混凝土抗压强度 技术规程》
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表面回弹法
优点 • 操作简单 • 用时少、费用少 • 结果易于分析 影响因素 • 试件表面光滑度 • 试件的大小、形状 • 试件的龄期 • 粗骨料的种类 • 水泥的种类 • 表面的碳化程度
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建筑结构的损伤原因
2、使用环境和灾害
微生物作用
流水冲刷
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建筑结构的损伤原因
2、使用环境和灾害
灾害是结构损坏的一个重要原因。 （1）自然灾害，如地震、飓风、海啸、火灾等 （2）人为灾害，如随意改变使用功能，增大使用 荷载；随意改变甚至拆除承重结构
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建筑结构的损伤原因
2、使用环境和灾害
飓风灾害
无损检测和健康监测技术 在土木工程中的应用
陈军 交通学院 北京航空航天大学
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• 背景介绍
• 现有技术和理论基础 • 未来发展趋势
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基本概念
Nondestructive evaluation (NDE) is the examination of an object with technology that does not affect the object‟s future usefulness. --- American Society of Nondestructive Testing (ASNT)
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超声传播法
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超声传播法
波速法或波幅衰减法
(Selleck et al., 1998)
Disadvantage: • Insensitivity to early damage of concrete. Only begin to change around 80% of ultimate capability • Strongly dependent on coupling for reliability 45
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相关科研的兴起
国务院通过的《21世纪议程》中“防灾减灾”是其中的一项 重要内容，《中国国民经济和社会发展„九五‟计划和2010 年远景目标》明确强调了减轻自然灾害损失的任务和目标。 国家自然科学基金委员会也将“重大工程灾害与防治”的研究 列为“十五”优先资助领域。
2012年科技部973重点支持方向 --重大工程结构和工程系统全寿命周期安全
SHM: The online implementation of NDE
• generally implemented globally and online • few off-the-shelf products • equipment has less fidelity but is less expensive
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相关科研的兴起
香港青马大桥、上海徐浦大桥、扬州润扬大桥、 渤海JZ20-2MUQ 海洋平台等大型工程结构
江苏润扬大桥，共布置有300余个应力、位移、 温度感应器对结构健康状况进行实时监测
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相关科研的兴起
香港青马大桥—世界第二大斜拉索大桥
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相关科研的兴起
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健康监测系统
未导入结构健康监测系统
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基本概念
NDT: The offline implementation of NDE
• generally implemented locally and offline • off-the-shelf (modal, radiography, ultrasonic, eddy current, x-ray…) • equipment is high fidelity and relatively expensive
• 1996 年国际结构控制大会提出在欧洲、亚洲和美国成 立3 个工作组，专门研究结构健康监测问题 • 1997 年起，每两年在Stanford 大学定期召开国际工 程结构健康监测会议 • 美国土木工程师协会于2000 年组织了“结构健康监测 的标准问题”的研究课题，以便研究者采用各种损伤检 测方法对同一结构(一个4 层2 跨的空间框架)进行研究 和对比
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地面雷达穿透法
发射机发射一 “列”电磁脉冲， 该脉冲在介质中传播 在地下介质的电特性有变化的 地方发生反射(即散射) 接收机拾取“背散射”信号， 记录并将其显示在计算机屏幕中
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地面雷达穿透法
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地面雷达穿透法
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红外热成像法
任何温度高于绝对零度的物 体都在不停地发射红外辐射
红外热成像就是把来自目标的红外辐射转变成可见的 热图像,通过直观地分析物体表面的温度分布,推定物体 表面的结构状态和缺陷,并以此判断材料性质和受损情 况的一种无损检测方法。
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缺点 • 结果无理论基础 • 受各种因素影响
声发射法
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声发射法
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声发射法
（朱宏平，2010）
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地面雷达穿透法
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地面雷达穿透法
Ground Penetrating Radar，简称GPR 无线电波探测 频率一般在5 - 2000MHz 对地下结构和埋藏物以及人造结构成像
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红外热成像法
PC 红外镜头
目标物体
探测器
红外图像
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红外热成像法
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红外热成像法
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超声传播法
当物体中某一个质点突然获得一定能量，在其自 身的平衡位置产生往复运动时，机械振动即产生 了。由于物体介质的连续性，则这种振动会传递 到邻近的质点，并且一个个传递下去，从而使得 振动在物体内传播，这就是机械振动波。
针对超高层建筑、特大跨桥梁、核能基础设施和 复杂环境下的生命线工程等，研究大型复杂工程结构的 损伤演化、健康监测与安全评定、性能控制和性能 设计的理论与方法，研究在地震、台风等作用下， 重大工程结构与工程系统的灾害孕育演化过程、灾害链效应、 风险标准、评价和相应的抗灾防灾设计方法。 20
相关科研的兴起
超声传播法
脉冲回波法
Flaws can be detected by echo of wave
Disadvantage: • Limit of minimum flaw size • Noise can mask the signal easily
(Paul, 2005)
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超声传播法
冲击回波法
Health monitoring is the scientific process of nondestructively identifying characteristics related to the fitness of an engineered component (or system) as it operates.
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建筑结构的损伤问题
• 1994年韩国首尔Sungsoo Grand大桥坍塌，32人死亡 • 1996年广东韶关桥梁倒塌，32人死亡 • 1999年重庆彩虹桥事故，41人死亡
建筑结构的健康状况关系到生命财产安全 和国民经济的正常运转
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建筑结构的损伤问题
- built to accommodate 20 years of traffic growth - by 1985, ½ system reached design life; by 1990‟s, 90% had - system not much more extensive today (pop. 270 M) than when conceived (pop. 150 M) - with 55,000 miles of road currently, the system has grown 30% since 1950‟s, while the population has increased 70%
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压电水泥基材料
wk.baidu.com60
自修复混凝土
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无线传感器技术
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