結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)

1、重大工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測重大工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）技術(shù)）技術(shù)張 浩涉外土木工程教研室涉外土木工程教研室概述概述1.引言 3.SHM的方法5.SHM內(nèi)容6.SHM 系統(tǒng)設(shè)計7.實例介紹江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院 4.傳感技術(shù)SHMIntro to 2.什么是SHM?8.未來展望Section: 1 1: 引言引言SHMIntro to江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院全球基礎(chǔ)設(shè)施普遍存在安全隱患全球基礎(chǔ)設(shè)施普遍存在安全隱患 人類生活依賴大量的各種基礎(chǔ)設(shè)施 道路, 地下管道, 高速公路, 各種建筑等 各種基礎(chǔ)設(shè)施長期使用中存在各種問題 被忽視、缺少維護、設(shè)計標準底Section: 1

2、1: 引言引言SHMIntro to江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院 天災(zāi)（自然力量） 臺風、海嘯、地震、洪水 損失巨大 可預(yù)報，無法避免。 有什么解決辦法？ 天災(zāi)：氣象、海洋、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報 有何技術(shù)途徑？ 人禍：法規(guī)、規(guī)劃、設(shè)計、監(jiān)測 人禍（人為因素） 無意、蓄意 瀆職、“偷工減料” 可以避免或加以控制結(jié)構(gòu)毀壞主要原因1.引言引言SHMIntro toSection: 1 江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院1996 四川綦江彩虹橋 死41汶川地震后的橋梁Section: 1 1.引言引言 導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能劣化的因素SHMIntro to因素1目前狀況后果既有結(jié)構(gòu)缺乏足夠的檢測和監(jiān)測只有到結(jié)

3、構(gòu)繼續(xù)維修時才引起重視維修費用甚至超出更換費用維修費用甚至超出更換費用江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院橋梁結(jié)構(gòu)日常使用主要問題-結(jié)構(gòu)劣化Section: 1 1.引言引言SHMIntro to因素2狀況結(jié)果鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋銹蝕鋼筋的變形導(dǎo)致混凝土開裂和剝落強度或使用性能的降低導(dǎo)強度或使用性能的降低導(dǎo)致構(gòu)件需要維修或更換致構(gòu)件需要維修或更換江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)劣化因素結(jié)構(gòu)劣化因素Section: 1 1.引言引言SHMIntro to因素3狀況結(jié)果交通荷載量及荷載等級逐年增加，逐漸超出既有橋梁原來的設(shè)計標準結(jié)構(gòu)不安全或使用性不足，構(gòu)件需加固或結(jié)構(gòu)不安全或使用性不足，

4、構(gòu)件需加固或更換更換江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)劣化因素結(jié)構(gòu)劣化因素Section: 1 1.引言引言SHMIntro to因素4狀況結(jié)果結(jié)構(gòu)整體劣化或老化各種有害因素影響結(jié)構(gòu)的可靠度安全性和使用性能結(jié)構(gòu)需要維修、加固甚至更換結(jié)構(gòu)需要維修、加固甚至更換江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)劣化因素結(jié)構(gòu)劣化因素SHMIntro toSection: 1: 引言引言江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院我國土木工程結(jié)構(gòu)安全現(xiàn)狀 工民建 設(shè)計50年，通常2530年需大修，或更短 市政橋梁 設(shè)計50年，1015年就出現(xiàn)嚴重破壞 海工 設(shè)計3050年，515年就出現(xiàn)嚴重破壞 大跨橋梁 設(shè)計5

5、0100年，10年以上的橋就很危險SHMIntro toSection: 1: 引言引言江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院存在問題 非技術(shù)因素 市場、腐敗、管理、做假 技術(shù)因素 標準設(shè)置水平低 無耐久性標準 無詳細監(jiān)測制度解決之道-結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）Section: 1 1.引言引言SHMIntro to江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院 以常用車輛作用于30米跨度簡支梁橋為例 規(guī)范計算的需承受的活荷載效應(yīng)： 美國和英國規(guī)范分別比我國規(guī)范大12%和29% 考慮活荷載安全系數(shù)： 我國1.40，美國1.75，英國的1.73 橋梁需承受活荷載效應(yīng)設(shè)計值： 美國和英國規(guī)范分別比我國規(guī)范大40%

6、和59% 材料設(shè)計強度： 我國的設(shè)計承載能力為美、英的68%和60%我國公路橋梁設(shè)計標準偏低2: 什么是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（什么是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）? 利用現(xiàn)場測試、無損檢測或各種傳感技術(shù)和結(jié)構(gòu)特征分析, 包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)來識別損傷是否產(chǎn)生、確定損傷位置 、評估損傷程度 以及損傷對結(jié)構(gòu)造成的后果。目標-建立智能結(jié)構(gòu)體系SHMIntro toSection: 2 江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院一個可靠的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）系統(tǒng)應(yīng)包括： 先進的傳感技、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、系統(tǒng)識別和損傷定位技術(shù)和土木工程技術(shù)結(jié)構(gòu)的安全性、強度、整體性、可靠性結(jié)構(gòu)的安全性、強度、整體性、可靠性Section: 2 結(jié)構(gòu)健

7、康監(jiān)測逐漸普及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測逐漸普及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的發(fā)展得益于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的發(fā)展得益于: 逐漸增長的需求既有結(jié)構(gòu)養(yǎng)護管理的需求新設(shè)計、新技術(shù)和新材料監(jiān)測的需求SHMIntro to 以下技術(shù)的發(fā)展新型傳感技術(shù)(如：光纖、智能材料等)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（傳輸、收集、儲存和分析）數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）的定義）的定義結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測無損檢測結(jié)構(gòu)現(xiàn)場測試和評估使用多種傳感器埋入或粘貼到結(jié)構(gòu)表面進行監(jiān)測SHMIntro to結(jié)構(gòu)的安全性、強度、整體性、可靠性結(jié)構(gòu)的安全性、強度、整體性、可靠性江西交通科

8、學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與人類體檢的類比結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與人類體檢的類比醫(yī)生醫(yī)生 監(jiān)測病人的健康狀況 使用醫(yī)學(xué)設(shè)備對人體進行健康檢查 開處方進行對癥治療SHM 工程師工程師 監(jiān)測結(jié)構(gòu)的健康狀況 使用各種傳感器對結(jié)構(gòu)進行健康檢查 給出橋梁維護管理方案SHMIntro toISIS Canada Educational Module 5Section: 2 SHM 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)恢復(fù)診斷分析SHMIntro to江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 2 SHM 系統(tǒng)分級系統(tǒng)分級等級 I識別損傷是否存在等級 II識

9、別損傷是否存在及其位置等級 III識別損傷是否存在及其位置、程度等級 IV識別損傷是否存在、位置、程度和對結(jié)構(gòu)造成的影響SHMIntro to江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院等級等級 I等級等級II等級等級III等級等級IV定位識別定量損傷影響Section: 2 SHMIntro toSHM 系統(tǒng)分級系統(tǒng)分級江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 2 SHM的優(yōu)點的優(yōu)點優(yōu)點優(yōu)點長期實時把握結(jié)構(gòu)狀態(tài)盡早識別損傷保證結(jié)構(gòu)強度和使用性能減少檢查、維護時間和費用制定合理的養(yǎng)護管理方案提高工作效率促進新技術(shù)新材料的研究和應(yīng)用SHMIntro to江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院S

10、ection: 3 3: 方法方法 理想的理想的 SHM 系統(tǒng)系統(tǒng): 提供結(jié)構(gòu)健康信息 出現(xiàn)損傷時給出警告 SHM 系統(tǒng)的發(fā)展需要多方面學(xué)科發(fā)展的支持 SHMIntro to數(shù)據(jù)采集材料計算機傳感器損傷識別結(jié)構(gòu)工程通信 智能處理技術(shù)江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院需監(jiān)測的橋梁Section: 3 系統(tǒng)組成示意圖系統(tǒng)組成示意圖SHMIntro to各種傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(on-site)通信系統(tǒng)(如. 網(wǎng)絡(luò)）數(shù)據(jù)處理(計算機自動完成)數(shù)據(jù)存儲(硬盤或刻錄光盤)診斷狀態(tài)評估(管理養(yǎng)護決策)江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 3 3.1 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集(a) 傳感器的選擇傳感

11、器的選擇適合的可靠的傳感器 根據(jù)監(jiān)測時間（長期、或短期）需求 選擇結(jié)構(gòu)監(jiān)測項目?傳感器必須滿足功能和耐久性要求SHMIntro to原始數(shù)據(jù)的收集如：溫濕度、風速、應(yīng)變、變形、 加速度、荷載、交通量、地震等。江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 3 3.1 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集(b) 傳感器安裝和布置傳感器安裝和布置傳感器的安裝必須不影響原有結(jié)構(gòu)性能傳感器的附屬設(shè)施如：纜線、線槽、 連接箱等 需不妨害結(jié)構(gòu)使用需考慮傳感器優(yōu)化布置SHMIntro to江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 3 (c) 數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸方法 - 有線系統(tǒng) 傳感器與采集系統(tǒng)間直接線路連接

12、最常用而且費用低廉 對于大型橋梁不使用 纜線過長導(dǎo)致信號噪聲大方法 - 無線傳輸 更昂貴 信號傳輸更慢更不安全 技術(shù)潛力較大SHMIntro to3.1 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 3 (d) 數(shù)據(jù)采樣和收集數(shù)據(jù)采樣和收集SHMIntro to3.1 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集基本要求: 采集數(shù)據(jù)不能過少導(dǎo)致無法完成監(jiān)測系統(tǒng)基本功能, 也不能過多導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理和分析困難。重點重點: 傳感器的數(shù)量和采樣頻率 數(shù)據(jù)存儲和排序 某些情況下數(shù)據(jù)量特別大結(jié)果結(jié)果: 制定有效的數(shù)據(jù)采樣和存儲策略江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 3 監(jiān)測內(nèi)容監(jiān)測內(nèi)容SHMI

13、ntro to荷載荷載變形變形施加到結(jié)構(gòu)上的荷載的大小和分布 是否為預(yù)期的荷載? 荷載是怎么分布的?使用設(shè)備測試荷載或由應(yīng)變數(shù)據(jù)推導(dǎo)過大的變形, 意味著導(dǎo)致結(jié)構(gòu)需要維修、加固甚至更換 是否在預(yù)期的范圍之內(nèi)?可使用不同的傳感器測試江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院3.1 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集Section: 3 SHMIntro to應(yīng)變應(yīng)變溫度溫度應(yīng)變: 反映變形的強度應(yīng)變的大小和變化能用于評估結(jié)構(gòu)的安全性和整體性使用各種應(yīng)變傳感器 光纖、電阻式、振弦式等。溫度變化可導(dǎo)致變形 熱膨脹 周期性的循環(huán)變化會導(dǎo)致疲勞破壞 溫度會影響應(yīng)變測量值 需進行溫度補償使用熱電偶、光纖等進行測試。江西交通科學(xué)研究

14、院江西交通科學(xué)研究院3.1 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集Section: 3 SHMIntro to加速度加速度風速和風壓風速和風壓動力荷載導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng) 結(jié)構(gòu)如何抵抗動力荷載?在地震多發(fā)區(qū)廣泛使用通常用加速度傳感器測試大跨橋梁和高層建筑往往由風荷載控制設(shè)計 不同位置的風速和風壓通常用超聲風速儀測試江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院3.1 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集Section: 3 SHMIntro to聲發(fā)射聲發(fā)射視頻視頻監(jiān)測監(jiān)測當結(jié)構(gòu)或構(gòu)件某些部位開裂或斷裂，會產(chǎn)生噪音 聲發(fā)射通過監(jiān)測噪聲, 通過3角測量法進行損傷定位后張預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)和纜索支撐橋梁比較常用使用專用傳感器測試 實時追蹤的視頻或圖像可

15、記錄突發(fā)事件或極端荷載 數(shù)據(jù)有圖片為證 可捕捉超載車輛可使用網(wǎng)絡(luò)攝像機技術(shù)江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院3.1 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集Section: 3 3.2 數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸 數(shù)據(jù)需從采集站傳遞到監(jiān)控中心 允許遠程監(jiān)視, 減少現(xiàn)場工作量電話網(wǎng)絡(luò)無線技術(shù)SHMIntro to采集站監(jiān)控中心江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 3 3.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理數(shù)據(jù)預(yù)處理更簡單更簡單傳輸更快傳輸更快更精確更精確SHMIntro to 數(shù)據(jù)存儲前進行 目的在于清除一些不可靠的數(shù)據(jù)、測試噪聲 、溫度影響等，盡量使存儲的數(shù)據(jù)更真實可靠，以便于將來的數(shù)據(jù)分析 :江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究

16、院 可保存較長時間段內(nèi)的數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)要易于理解 數(shù)據(jù)盡可能不中斷 要有足夠的存儲空間 數(shù)據(jù)文件格式要好，可讀性強 通常存儲分析處理后的數(shù)據(jù)而不存儲原始數(shù)據(jù) 存儲數(shù)據(jù)要真實，不能隨意更改Section: 3 3.4 數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)存儲SHMIntro to江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 3 3.5 診斷診斷SHMIntro to 極端重要的部分極端重要的部分 將數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為有價值的結(jié)構(gòu)響應(yīng)或狀況信息 沒有標準的診斷方法沒有標準的診斷方法 使用的方法取決于結(jié)構(gòu)類型傳感器的類型和位置監(jiān)測的動機所關(guān)心的結(jié)構(gòu)響應(yīng)江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 3 3.6 數(shù)據(jù)分

17、析數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析時需考慮 數(shù)據(jù)的意義和價值 精簡分析的工作量SHMIntro to謹記謹記:SHM的目的 是提供詳盡的數(shù)據(jù)給工程師，以便于作出合理的、專業(yè)的工程決策。 江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院 多種傳感器在廣泛使用 SHM 選擇傳感器取決于很多因素 傳感技術(shù)的發(fā)展極大推動了SHM的發(fā)展 光纖傳感器(FOSs) 新技術(shù) 土木工程中廣泛應(yīng)用 研究開發(fā)和應(yīng)用的熱點Section: 4 4: 傳感技術(shù)傳感技術(shù)SHMIntro to江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院絕緣性不受電磁干擾和電波干涉先進的傳感特性穩(wěn)定性長期穩(wěn)定性好測試誤差小方便性重量輕, 直徑小, 不受化學(xué)腐蝕, 易埋入或表面

18、粘貼安裝易用性可多點或分布式測量Section: 4 光纖傳感器的優(yōu)點光纖傳感器的優(yōu)點SHMIntro to江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 4 光纖傳感器如何測試光纖傳感器如何測試?傳感使用光學(xué)特性傳感使用光學(xué)特性數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 再將電壓信號轉(zhuǎn)換為應(yīng)變值激光或光束在光纖內(nèi)傳遞，通常有測試標距光特性的改變直接能反映應(yīng)變變化解碼器通過光信號的改變計算應(yīng)變值，有的轉(zhuǎn)換為電壓信號SHMIntro to光束可測試狀態(tài)變化 (如光纖被拉長或壓縮)江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 4 光纖傳感技術(shù)光纖傳感技術(shù)典型光纖各種各樣的光纖覆蓋層保護保護光纖避免減少和避免安裝及

19、操作中的磨損防止潮濕環(huán)境削弱光纖控制微裂縫增長混凝土結(jié)構(gòu)中使用時避免光纖受損 外護套外護套 芳綸 纖維 內(nèi)護套 緩沖層 裸光纖SHMIntro to江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 4 光纖安裝方式光纖安裝方式焊接式焊接式嵌入式嵌入式預(yù)制好, 易于安裝傳感器外套有不銹鋼管等保護設(shè)施能應(yīng)用于各種惡劣環(huán)境SHMIntro to粘接式粘接式手工安裝對操作要求稍高避免受濕度影響江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 4 光纖傳感器的種類光纖傳感器的種類SHMIntro to常用的光纖傳感器:光纖光柵光纖光柵(FBGs)長標距傳感器長標距傳感器法布里-珀羅 傳感器1.布

20、里淵散射傳感器布里淵散射傳感器江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 4 光纖光柵傳感器光纖光柵傳感器僅可作為點式應(yīng)變計測量即可測試靜力又可動力測試一根光纖可串聯(lián)多個傳感器可嵌入、粘結(jié) 和焊接需進行溫度補償SHMIntro to 在光纖上刻有格柵在光纖上刻有格柵 當脈沖光打入光纖，在格柵處脈沖光會反射，如光纖粘貼在結(jié)構(gòu)上一起變形，格柵處的的變形會導(dǎo)致反射光波長的變化。 通過波長的變化值可以推算出應(yīng)變大小 特點特點:江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 4 長標距傳感器長標距傳感器SHMIntro to通用性強標距可從5cm到100m僅可做靜力測試 光纖內(nèi)設(shè)有兩個極

21、小的光纖內(nèi)設(shè)有兩個極小的 “鏡子鏡子” 2個鏡子的間距就是標據(jù) 傳感器測試2個鏡子間的位移 利用光的干涉原理進行測試 特點特點:需進行溫度補償江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 4 法布里-珀羅傳感器 SHMIntro to只可測試點式應(yīng)變即可測試靜力又可動力測試一根光纖不能串聯(lián)多個傳感器可嵌入、粘結(jié) 和焊接 光纖中切有一道光纖中切有一道“槽槽” 利用光學(xué)技術(shù)來探測槽寬度的變化 如果預(yù)先測量出槽的初始寬度，那么久可計算出應(yīng)變值 特征特征:江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 4 布里淵散射傳感器布里淵散射傳感器SHMIntro to分布式大范圍測試目前僅可做靜

22、力測試，光纖長度小于10m時可測動力可分別進行溫度和應(yīng)變測量光纖本身即是傳感器又可作為數(shù)據(jù)傳輸媒介 利用后向傳播的布里淵散射光譜的中心頻率偏移進利用后向傳播的布里淵散射光譜的中心頻率偏移進行應(yīng)變測試行應(yīng)變測試 利用一根光纖可測試幾十公里的范圍 測試分布式的應(yīng)變場和溫度場 特征特征:解調(diào)儀較為昂貴江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 4 分布式傳感分布式傳感 能進行連續(xù)的應(yīng)變測試并找到應(yīng)變發(fā)生的位置 可用于測量: 光纖光柵通過一系列的傳感器串聯(lián)可實現(xiàn)準分布式測量 可給出連續(xù)的空間應(yīng)變分布裂縫寬度粘結(jié)層的應(yīng)變傳遞應(yīng)力集中SHMIntro to分布式傳感技術(shù)可通過光纖光柵和布里淵散射

23、傳感技術(shù)實現(xiàn):江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 4 多點傳感技術(shù)多點傳感技術(shù)多個傳感器組成的測試網(wǎng)絡(luò)通過一個解調(diào)儀進行測試1. 多點串聯(lián):一根光纖穿有多個傳感器2. 多點并聯(lián):每根連接一個傳感器，解碼器需要有多通道。SHMIntro to江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 4 其他類型的傳感器其他類型的傳感器壓力盒振弦式應(yīng)變傳感器電阻應(yīng)變片拾振器、加速度傳感器位移計熱電偶 SHMIntro to荷載荷載位移位移加速度加速度溫度溫度應(yīng)變應(yīng)變各種溫度傳感器千分表江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 5 5: SHM 內(nèi)容SHMIntro to分

24、類方法: 監(jiān)測的時間特性監(jiān)測的時間特性監(jiān)測的內(nèi)容連續(xù)的周期性的靜力荷載動力荷載環(huán)境振動江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 5 靜力域測試 最常見的測試荷載緩慢的施加并長期作用在結(jié)構(gòu)上 動力影響 可忽略 包括3種基本測試:1. 力學(xué)行為測試2. 診斷測試3. 驗證測試SHMIntro to江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 5 靜力域測試1. 力學(xué)行為測試力學(xué)行為測試目標目標主要研究結(jié)構(gòu)力學(xué)行為和驗證結(jié)構(gòu)計算分析方法 測試荷載測試荷載 最大使用荷載最大使用荷載結(jié)論結(jié)論SHMIntro to可反映荷載如何分布在結(jié)構(gòu)上，不能給出結(jié)構(gòu)的承載能力江西交通科學(xué)研究院江西

25、交通科學(xué)研究院Section: 5 2. 診斷測試診斷測試目標目標明確結(jié)構(gòu)各構(gòu)件間的相互作用和關(guān)系 方法同力學(xué)行為測試方法同力學(xué)行為測試結(jié)論結(jié)論SHMIntro to有益的相互作用 進行利用不利的相互作用 進行消除江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院靜力域測試Section: 5 3. 驗證測試驗證測試目標目標測試結(jié)構(gòu)的承載能力結(jié)果結(jié)果驗證荷載是結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生損傷的前提下能承受的最大荷載SHMIntro to不斷增加試驗荷載直到突破彈性極限不斷增加試驗荷載直到突破彈性極限江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院靜力域測試Section: 5 動力域測試動力域測試（1） 應(yīng)力時程測試（2） 沖擊系數(shù)測試

26、（3） 外界激勵試驗（4） 橫向測試SHMIntro to 結(jié)構(gòu)的試驗荷載工況根據(jù)移動荷載確定 一個典型的動力試驗 (橋梁): 橋梁的跳車試驗 橋梁動力響應(yīng)的激發(fā)、測試及分析 動力試驗的四種基本測試類型:江西省交通科學(xué)研究院江西省交通科學(xué)研究院Section: 5 （1） 應(yīng)力時程測試應(yīng)力時程測試適用于對疲勞荷載較敏感的橋梁重點在于橋梁構(gòu)件的應(yīng)力幅要求具備能快速連續(xù)采集信號的動力測試儀保存和分析應(yīng)變圖用于確定結(jié)構(gòu)的疲勞壽命 (直到結(jié)構(gòu)疲勞破壞)SHMIntro to注意注意: 疲勞失效是一種潛在災(zāi)難的失效模式，由重復(fù)車輛荷載疲勞失效是一種潛在災(zāi)難的失效模式，由重復(fù)車輛荷載引起。引起。江西省交通

27、科學(xué)研究院江西省交通科學(xué)研究院動力域測試動力域測試Section: 5 （2） 沖擊系數(shù)測試沖擊系數(shù)測試結(jié)構(gòu)設(shè)計通常假定荷載都是靜力荷載，對于橋梁來說，并不太切合實際動力荷載通常用靜力荷載乘以沖擊系數(shù)來模擬沖擊系數(shù)的測試方法有多種 (沒有標準的測試方法)SHMIntro to江西省交通科學(xué)研究院江西省交通科學(xué)研究院動力域測試動力域測試Section: 5 （3） 外界激勵測試外界激勵測試基于風、人為激勵及交通荷載激勵可測試結(jié)構(gòu)振動特性橋梁振動特性的改變意味著結(jié)構(gòu)發(fā)生了嚴重破壞橋梁振動特性的改變意味著結(jié)構(gòu)發(fā)生了嚴重破壞 (基于動力特性的損傷識別)測試數(shù)據(jù)經(jīng)復(fù)雜算法計算后得到橋梁的加速度響應(yīng)SHM

28、Intro to問題問題:(振動頻率)對結(jié)構(gòu)局部損傷的敏感性較低，不宜用做局部損傷識別振動特性易受環(huán)境、溫度等的影響江西省交通科學(xué)研究院江西省交通科學(xué)研究院動力域測試動力域測試Section: 5 （4） 橫向響應(yīng)測試橫向響應(yīng)測試通常用于測試橋梁橫向動力相應(yīng)使用拉索將橋梁橫拉然后突然放開加速度計用于測試結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)數(shù)據(jù)分析與外界激勵測試類似SHMIntro to江西省交通科學(xué)研究院江西省交通科學(xué)研究院動力域測試動力域測試Section: 5 周期性監(jiān)測周期性監(jiān)測SHMIntro to橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的不利變化進行周期性調(diào)查結(jié)構(gòu)特性按特定時間間隔（天、周、月、年等）監(jiān)控實時周期

29、監(jiān)控包括: 外界激勵監(jiān)控; 移動交通荷載下結(jié)構(gòu)監(jiān)測; 靜力試驗; 裂縫開展; 結(jié)構(gòu)修補江西省交通科學(xué)研究院江西省交通科學(xué)研究院Section: 5 連續(xù)監(jiān)測連續(xù)監(jiān)測SHMIntro to監(jiān)測在一定時期內(nèi)是實時連續(xù)的僅在現(xiàn)代運用，因為系統(tǒng)造價昂貴且系統(tǒng)復(fù)雜實時監(jiān)測及數(shù)據(jù)采集實時監(jiān)測及數(shù)據(jù)采集 1. 存儲在磁盤當中在后續(xù)工作中分析 2. 與遠程計算機連接進行實時分析通常運用在重要結(jié)構(gòu)上或?qū)φw性能存在疑問的結(jié)構(gòu)上江西省交通科學(xué)研究院江西省交通科學(xué)研究院Section: 5 監(jiān)控數(shù)據(jù)融合監(jiān)控數(shù)據(jù)融合SHMIntro to江西省交通科學(xué)研究院江西省交通科學(xué)研究院 多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)以其強大的時空覆蓋

30、能力和對多源不確定性信息的綜合處理能力,可以有效地進行結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的監(jiān)測和診斷。 現(xiàn)有健康監(jiān)測系統(tǒng)多停留在數(shù)據(jù)采集和簡單數(shù)據(jù)分析階段，同時橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)會產(chǎn)生大量測試數(shù)據(jù), 對這些測試數(shù)據(jù)與信息進行整合與解釋，以及對結(jié)構(gòu)真實狀態(tài)的進行合理評估仍存在很大困難。 目前已經(jīng)發(fā)展起來的數(shù)據(jù)融合技術(shù)主要有：加權(quán)平均、卡爾曼濾波、貝葉斯估估計、統(tǒng)計決策理論、證據(jù)理論、模糊推理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。 Section: 5 SHMIntro to江西省交通科學(xué)研究院江西省交通科學(xué)研究院基于振動的結(jié)構(gòu)損傷識別方法：結(jié)構(gòu)損傷識別作為結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估的重要組成部分，是近年來健康監(jiān)測方向的研究熱點之一，出現(xiàn)了如基于結(jié)構(gòu)頻率、位移模態(tài)

31、、應(yīng)變模態(tài)、曲率模態(tài)、應(yīng)變能、剛度、柔度、能量法、頻響函數(shù)等一系列損傷識別方法； 模型修正方法：這類方法主要是基于運動方程、測試結(jié)果和有限元模型構(gòu)造約束優(yōu)化問題不斷修正結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量和阻尼分布，使其響應(yīng)盡可能的接近實際響應(yīng)。結(jié)構(gòu)的模型修正能夠為健康監(jiān)測提供基準模型，同時也為基于測試結(jié)果的反演進行結(jié)構(gòu)損傷識別和性能模擬提供了很好的基礎(chǔ)； 目前尚待研究的主要課題有：結(jié)構(gòu)的損傷及性能退化機理、結(jié)構(gòu)性能的各種參數(shù)的時變特性、結(jié)構(gòu)狀態(tài)的在線預(yù)警、實際安裝健康監(jiān)測系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的適用性、結(jié)構(gòu)小損傷和非線性損傷的識別等。系統(tǒng)與損傷識別系統(tǒng)與損傷識別Section: 5 狀態(tài)評估狀態(tài)評估SHMIntro to

32、江西省交通科學(xué)研究院江西省交通科學(xué)研究院 結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估方法的研究：結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估方法主要是運用可能獲得的反映結(jié)構(gòu)性能的內(nèi)部信息對結(jié)構(gòu)的施工運營等工作狀態(tài)進行評估，目前主要有可靠度理論、層次分析法、模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及專家系統(tǒng)等。 健康監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估需要從結(jié)構(gòu)監(jiān)測的大量數(shù)據(jù)中提取能夠反映結(jié)構(gòu)特性的特征，以完成對結(jié)構(gòu)實時和定期的評估，而這其中必然會涉及到結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的特征提取、數(shù)據(jù)融合及性能決策等方面，但目前這個方面所作的工作較少。Section: 6 6.橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計定義健康監(jiān)測系統(tǒng)目標確定傳感器種類、型號監(jiān)測項目確定系統(tǒng)壽命及耐久性SHMIntro to

33、1. 設(shè)計流程在FRP加強格柵澆筑混凝土前先安裝傳感器江西省交通科學(xué)研究院江西省交通科學(xué)研究院Section: 6 6.健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 2. 安裝流程傳感器標定承包商培訓(xùn)避免施工過程中的傳感器損壞避免安裝健康監(jiān)測系統(tǒng)引起結(jié)構(gòu)損害保護系統(tǒng)免受環(huán)境及人為破壞SHMIntro to承包商培訓(xùn)及傳感器標定是健康監(jiān)測系統(tǒng)安裝工程中最關(guān)鍵的部分江西省交通科學(xué)研究院江西省交通科學(xué)研究院Section: 6 6.健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計3. 使用流程數(shù)據(jù)收集及管理知識的連續(xù)性監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸及顯示SHMIntro to江西省交通科學(xué)研究院江西省交通科學(xué)研究院信息發(fā)布Section: 6

34、6.健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計：健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計： 操作方法SHMIntro to江西省交通科學(xué)研究院江西省交通科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)損傷識別及預(yù)警機制結(jié)構(gòu)劣化-響應(yīng)對應(yīng)關(guān)系結(jié)構(gòu)數(shù)值分析模型建立關(guān)鍵參數(shù)的特征反應(yīng) 確定識別每級損傷的靈敏度選擇的參數(shù)和定義性能指標 ：不同結(jié)構(gòu)劣化程度與結(jié)構(gòu)響應(yīng)變化的聯(lián)系設(shè)計系統(tǒng) ：傳感器選用、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)管理 數(shù)據(jù)分析安裝調(diào)試系統(tǒng) (設(shè)置基準參數(shù))適時評估數(shù)據(jù)及系統(tǒng)調(diào)整7.實例介紹實例介紹加拿大聯(lián)邦大橋跨越諾森伯蘭 海峽1997建成通車世界最大預(yù)應(yīng)力混凝土跨海大橋（箱形梁）建立了極其有價值的SHM系統(tǒng)Section: 7 SHMIntro to江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究

35、院Section: 7 Confederation BridgeSHMIntro to橋梁簡介 新不倫瑞克省到愛德華王子島省的必經(jīng)之路，全長13.1 km 的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋。 44 跨，跨度均為250 m 先懸臂拼裝190 的懸臂梁端，后吊裝跨中60米長的簡支梁段 采用了多種先進施工技術(shù) 設(shè)計壽命100 年實例介紹實例介紹江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院聯(lián)邦橋SHM系統(tǒng)的價值:Section: 7 Confederation Bridge1. 橋址處自然環(huán)境惡劣3. 設(shè)計壽命是普通橋的2倍4. 可用于驗證設(shè)計假設(shè)，以保證橋梁的安全性和使用性能5. 開發(fā)出新的養(yǎng)護和維修策略2. SHM

36、數(shù)據(jù)在加拿大將用于指定行業(yè)標準，并用于指導(dǎo)其他大橋SHMIntro to實例介紹實例介紹江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院SHM 系統(tǒng)Section: 7 Confederation Bridge箱梁橫截面箱梁橫截面 光纖傳感器光纖傳感器 安裝位置安裝位置典型跨懸臂段簡支段簡支段SHMIntro to 短期和長期行為均進行了監(jiān)測 不同部位安裝有大量傳感器 箱梁截面安裝有FBG 傳感器:實例介紹實例介紹江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院監(jiān)測內(nèi)容?Section: 7 Confederation Bridge橋梁變形橋梁變形溫度影響溫度影響交通荷載交通荷載動力測試動力測試 鋼筋銹蝕鋼筋銹蝕SH

37、MIntro to冰荷載冰荷載傾斜計, 加速度計, 冰荷載板, 視頻監(jiān)控, 聲納技術(shù)應(yīng)變傳感器(電阻式和光纖式), 視頻攝像儀機械式,光纖, 振弦式應(yīng)變傳感器監(jiān)測短期和長期變形熱電偶,振弦式應(yīng)變傳感器,日輻射計, 76個 加速度計, 超聲風速儀, 動位移傳感器腐蝕探頭實例介紹實例介紹江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 7 Confederation Bridge數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集儀監(jiān)控中心數(shù)據(jù)分析中心Carlton 大學(xué)SHMIntro to傳感器2種數(shù)據(jù)采集模式種數(shù)據(jù)采集模式: 定期采集模式1. 事件觸發(fā)模式實例介紹實例介紹江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院蘇通大橋蘇州-南

38、通最大跨徑斜拉橋主跨1088米Section: 7 SHMIntro to2008年建成通車實例介紹實例介紹江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 7 SHMIntro to橋梁特點 最大主跨：最大主跨：蘇通大橋跨徑為1088米，是當今世界跨徑最大斜拉橋。 最深基礎(chǔ)：最深基礎(chǔ)：蘇通大橋主墩基礎(chǔ)由131根長約120米、直徑2.5米至2.8米的群樁組成，承臺長114米、寬48米，面積有一個足球場大，是在40米水深以下厚達300米的軟土地基上建起來的，是世界上規(guī)模最大、入土最深的群樁基礎(chǔ)。最高橋塔：最高橋塔：原先世界上已建成最高橋塔為多多羅大橋224米的鋼塔，蘇通大橋采用高300.4米

39、的混凝土塔，為世界最高橋塔。最長拉索：最長拉索：蘇通大橋最長拉索長達577米，比日本多多羅大橋斜拉索長100米，為世界上最長的斜拉索。實例介紹實例介紹江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 7 SHM 系統(tǒng)SHMIntro to由4 個子系統(tǒng)構(gòu)成(見下圖) ：傳感器系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng) 數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康狀況評價系統(tǒng)。實例介紹實例介紹江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 7 SHM 系統(tǒng)SHMIntro to 傳感器子系統(tǒng)由超聲風速儀、車速車軸儀、全球定位系統(tǒng)、加速度傳感器等16 類傳感器組成。 其中包括由788 個各類傳感器所構(gòu)成上部結(jié)構(gòu)固定式傳感器

40、系統(tǒng)； 由16 只高精度加速度傳感器構(gòu)成的便攜式傳感器系統(tǒng)及包含636 只傳感器的基礎(chǔ)監(jiān)測傳感器系統(tǒng)； 傳感器總數(shù)達到1 440 只。實例介紹實例介紹江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 7 SHM SystemSHMIntro to實例介紹實例介紹江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院潤揚大橋鎮(zhèn)江到揚州南汊懸索橋（1490）北汊斜拉橋Section: 7 SHMIntro to2005年4月建成通車實例介紹實例介紹江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 7 SHMIntro to橋梁特征 由北接線、北汊橋、世業(yè)洲互通高架橋、南汊橋、南接線及延伸段等部分組成， 主橋(包括北汊橋、世業(yè)洲互通高架橋和南汊橋)長7.21公里,北引橋及北接線高架橋長1.74公里， 其中南汊主橋采用單孔雙鉸鋼箱梁懸索橋，主跨徑1490米，為目前中國第一、世界第三。 北汊橋采用176+406+176米的三跨雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，長758米。全線采用雙向六車道高速公路標準，橋面平均寬31.5米實例介紹實例介紹江西交通科學(xué)研究院江西交通科學(xué)研究院Section: 7 健康監(jiān)測系統(tǒng)SHMIntro to結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)包括硬件和軟件2 個部分,其中硬件部分包括4 個系統(tǒng),即:傳感器系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ；數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)；數(shù)據(jù)分析和處理系統(tǒng)。各系統(tǒng)間通過光纖網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系而進行運作。實