土木工程健康监测

建筑及结构健康监测

姓名：刘彦辰

学号：10231081

指导教师：卢文良

班级：土木1004

单位：北京交通大学土建学院

时间：2012年10月27日

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工程结构的健康问题是目前研究的热点问题，它对于提高建筑物的安全性耐久性有着极为重要的意义。文章以介绍为主，参考大量相关前沿科技论文，简要概括了建筑及结构检测技术的原理、研究思路现有技术和发展前景。

关键词：健康监测（SHM），信号采集，损伤检测，GPS监测技术，长期挠度，光纤传感技术，微机电系统，无线网络传感器，压电技术，超声波技术，桥梁监测，隧道监测，超高层建筑监测，遗产建筑监测。1健康监测概述

1.1概念

结构的健康监测(Structural Health Monitoring简称SHM) 指利用现场的无损传感技术通过包括结构响应在内的结构系统特性分析

达到检测结构损伤或退化的目的。

1.2健康监测的组成

(1)传感系统用于将待测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）通讯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。

1.3监测技术

1.3.1信号采集

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。此外还应考虑采集数据的时间间隔、数据的标准化问题、测量过程的不确定性以及数据的净化问题。1.3.2损伤检测

损伤检测技术可分为局部法和整体法。局部法依靠无损检测技术（NDE) 对特定构件进行精确的检测、查找、描绘缺陷的部位；而整体法试图评价整体结构的状态可以间断或连续的评价结构的健康确

定损伤存在的可疑区域。在大型土木工程结构的健康监测中多综合利用局部法和整体法。

1.4检测内容

包括(1)荷载监测：包括风、地震、温度和交通荷载；

(2)几何监测：监测结构各部位的静态位移(如桥塔和锚锭的沉降和倾斜、主缆和加劲梁的线性变化等)；

(3)结构的静、动力反应：如应变、加速度及频率和模态信息等。

1.5 工程应用

SHM系统成本高在土木工程结构中主要应用于大型桥梁，但在一

些经济发达地区，如美国、加拿大、日本、德国等，健康监测系统的应用已经扩展到高层建筑、大型复杂结构、重要历史建筑的监测系统在我国目前主要在一些重要的大跨桥上使用。

2主要研究方法

2.1结构荷载识别

实时监测作用在结构上的荷载是实现结构健康监测的前提。从力学的角度来讲，就是在已知结构系统参数的情况下，根据结构承受的荷载时测得的内部有限点的响应(位移、速度和加速度等)反演作用于结构的荷载，其关键技术是对响应信号的处理方法。根据所用方法不同，可以大概分为以下几个方面：

(一)利用三角函数、幂函数等数学工具构造新的函数来近似模拟实测的位移或应变信号，对这些信号进行数学上的处理就可以得到速度和加速度响应信号，然后结合有限元法和结构动力学方程来反演作用于结构上的荷载。

(二)根据实测的结构位移或应变信号，在时域内或频域内进行识别。Rao等建立了基于荷载总体平方差的平均值最小的数学方程，并利用Wiener理论进行荷载识别。

(三)利用压电智能材料进行荷载识别

(四)基于神经网络的非线性映射方法。

2．2结构扭伤诊断

(一)基于静态测试数据的(位移或应变)的静态识别方法，这类方法属

于反分析的方法，大都使用优化算法去解决方程数目不足的问题。(二)基于动态测试数据的识别方法

（1）模式匹配法：该方法需要事先获取结构的损伤方案(Damage Case)，并计算各种损伤方案中损伤指示器的值，将根据实测数据得

到的指示器的值与各损伤方案中指示器的值进行比较，最吻合的一种损伤方案即是结构最有可能发生的损伤情况。

（2）损伤指标法：利用结构动力特性的测试结果构造出合适的损伤

指标，用于指示损伤的存在，即损伤位置和程度。这类方法比较简单，可以很直观地识别损伤。

（3)模型修正法：模型修正法的提出是为了修正原模型与实际结构的误差，更准确地建立结构的有限元模型。

（三）基于神经网络的非线性映射方法和基于遗传算法的优化方法等。基于神经网络的结构损伤方法在损伤识别中应用的关键问题是输入

参数的选择问题，研究人员已经利用各种不同的结构参数或响应成功地对结构的损伤进行了识别，这些结构参数或响应包括固有频率、模态振型及阻尼等结构参数，位移和应变响应以及他们的组合参数。遗传算法是模拟生物进化理论的一种优化算法，它与传统的优化算法有很大的不同，它是以设计参数的编码(二进制数)进行操作，而不像传统的优化方法直接对参数进行优化操作；最优解的寻找是从一个设计的群体中产生的，而不同于传统的设计方法中只寻找一个设计点；遗传算法是基于概率分布准则，不同干以往的确定性准则。

3健康监测技术

传感技术传统的传感技术有射线检测法、核子激活法、离子渗透、超声波、谐振频率法、局部破坏钻芯法、拔出法和光纤法等。

3.1 gps技术

3.1.1

GPS技术具有速度快、全天候作业、自动化程度高、观测时间短、定位精度高、可消除或削弱系统误差的影响、能同时测定点的动静态三维坐标、并可直接用大地高程进行垂直形变测量、无误差积累等优点。

3.1.2精度及误差分析

在GPS健康监测过程中，GPS测量误差按其性质可分为系统误差和偶然误差两类。系统误差主要包括卫星的轨道误差、卫星钟误差、接收机钟误差以及大气折射误差等；偶然误差主要包括信号的多路径效应、接收机的位置误差、天线相位中心位置误差等。其中系统误差无论从误差的大小还是对定位误差的危害性来讲都比偶然误差要大得多，它是GPS测量的主要误差来源⋯。

3.1.3数据处理

在数据处理时，周跳的探测与修复成为数据解算过程中必须面对的问题。目前，周跳的探测与修复方法主要包括：利用载波相位及其变化率的多项式拟和来探测和修复周跳的多项式拟和法；利用高次差法；利用三次差法；利用双频载波相位组合观测值来探测和修复周跳