（岩土工程专业论文）工程健康监测的分布式光纤传感技术及应用研究.pdf

四川大学工学博士学位论文 y 8 4 6 9 8 7 工程健康监测的分布式光纤传感技术及应用研究 专业：岩土工程 研究生：丁睿指导老师：刘浩吾教授 摘要 工程结构的健康监测关系到工程质量和运营安全，其经济、社会效益极为 显著。茸前，大型土建工程的健康监测已成为国内外的发展趋势。 近年来，我国钢一混凝土组合结构特别是钢管混凝土结构发展迅速，广泛 应用于桥梁、建筑、地下工程等。但钢一混凝土的界面损伤( 脱空) ，会严重影 响工程质量和安全，受到工程界普遍关注。然而，钢管混凝土的脱空一裂缝损 伤的发生发展具有隐蔽性、随机性，其有效监测是国内外尚未解决的难题。脱 空传统检测有开孔法和超声法。钻孔损伤管壁，超声法须依赖经验综合定性评 判，而非定量；误差多：属点式检测，检测范围小，现场工作量大，限用于施 工期，不可长期使用。故迄今尚无监测管内混凝土损伤状态的有效方法。 作为工程结构健康监测和智能材料一结构领域的前沿研究热点，光纤传感 以其独特的优势获得了较多关注，国内外已开始应用于土建工程，特别是桥梁， 主要应用光纤光栅监测应变、温度等，但尚无监测钢管混凝土界面损伤的分布 式光纤传感见诸报道。 本文研究结构健康监测的分布式光纤传感监测技术，采用理论分析、数值 模拟、模型与仿真试验及工程应用相结合的研究路线，研制出分布式光纤脱空 一裂缝传感监测技术和系统，成功应用于巫峡长江大桥工程。 ( 1 ) 首次提出非正交构型的力一光直接转换机制的传感型式和光纤优化组 摘饕 合的核心技术，构懿了检测界顾损伤的分布式光纤传感技术和系统。光纤布设 成与断裂灏非正交的折线状构溅，脱空( 或裂缝) 如现时，光纤受拉一翦复合 力雨直接奄成徽弯鞠光渡导弱部高损耗，实现了力擘量( 脱空变形) 对光学薰 ( 光损耗) 的直接调制，而勿需变形器。传感光纤经优化组台得以具有灵敏、 霹靠、大动态范围戆综合优势。本系统霹实现对黢空一裂缝熬大范围、连续、 长期、定艇化监测，测定损伤部位、量德和发展过程。 ( 2 ) 首次提出了光纤一混凝士复合体分析的细观力学双界面理论模型及其 l i 线往数镶模羧方法。 建立了考虑双接触面的复台体力学模型，给出了该力学模型的基本方程和 定解条件，通过试骏确定了接触面非线髋分析参数，并计入接触面上的摩擦影 响及两经保护侔对光纤周围绷观力学场的扰动。给出了力学横型的非线性有限 元算法，由增广拉格朗日方法加以实现。完成了两种光纤受拉、拉剪、光纤 僚护谗戆靛剪等多耱王嚣懿谤算。善次宠残了巍缚混凝炭舍髂戆鬃溪力学 的非线性理论模拟，用数值试验方法揭示出光纤及界面特肖的细观现象及规 终，在微驽区域出现了双界面脱离、晃颓滑移( 涂覆- 混凝土界面为主) 、涂覆 挤匿变形、纤芯盔灸集中及颧震。羧值分耩表舞涂覆层有j i | 子扩大动态范霾， 但会钝化威力应变的传递；保护件距光纤过近会影响其传感性。以极限拉应变 为刿据，谤算i 、i l 型光纾动态范围与模型试验绩暴总体上旗本相褥；初步验 证了理论方法的正确性，为光纤埋入混凝土后豹力学分析提供了理论警段。 ( 3 ) 提出了传感光纤的力一光本构关系的新檄念，构建了高精度数字化力 一必藕舍试验系统，实瑗了凳纾隧窒簧戆搂鍪l 试验鹣目步自动数蕹采集，解决 了混凝土试件一旦臆性断裂，大量力一光信号数据瞬间丧失的难题；进行了大 比尺预应嶷钢管混凝_ 脱空模型试验，获褥光纾传感盼力一兆本构关系方程( 式 毒5 ) 和光纤传惑酌定要技术靛能，灵敏发商( 脱象分辨率这0 0 2 r a m ) 、动态 范围大( 4 8 哪) 。据此给出了脱空值计算方法、研编了光纤监测系统专用软件， 奄戒软磷箨集残系统。 ( 4 ) 光纤的精巧与土建施工状况间的反差很太，光纤安装埋设工艺是其 工程应用的关键性滚点之一。本文首次采用工程机械进行大觌模仿真试验，研 翻了光纾瓣安装保护工艺和梅潦。该工麓在工程蔽耀串褥戮梭验，基本可行。 踌列天攀工学祷士学位论文 缀过窭羝工程应惩，毖缝了遗一疹疆囊襻溪率戆可行摧藏。 ( s ) 将上述理论鞫嶷验研巍成果波用予钢管混凝土擞桥有“世器第 一跨”之称懿巫蛱长江大耩熬健康整测，宠成4 个主拱霞凝1 2 个美德鼗测区 的光纤传感网络分段遣续布置安装、系统链接、调试和麓测。系统工作趣好， 黢测至漉凝太魏露聪空戆璧蠖、燕鬟、莲蓬、悫量分毒获发黢糕樽。绩暴与 超声法评判定性符合，特别是与歼孔直接检查结聚基本吻合。从而光纤检测结 暴得到了可靠的诋实。必纤监测结果为该掭餍璧评价、脱空事故处理提供了可 镶傣崽帮决策依攒，攒照进行了修复，撬舞了夹轿安全度，收到实效。分布蔽 必绎鼹戆成功应爝予横浆健袋缎测在霞淘步 均麟簧次，燕越瞧楚分蠢式走纾蓑 次应髑予土建工程的损镄监测。 综上，本工佟遵疆多学辩综会鞠必纾健感惑秘援与建传统领域大跨度交 叉的技术发震路线，在必纾a # 蔗交构銎傀纯缀食豹分布筑捷感激盛、淫入集 材酌光纤细观力学模型岛取界猫4 # 线性分桥理谂、力光零梭关系、安装蠼竣 置葱及王程瘦溪努露，敬褥氆耨娥暴，奁三醭霹壤蘩点工程串发撵了实舔敲藏， 究成一次“理论实验一工程实践”鹩较完熬魏辩搿 过程，初步谖察芗磅究藏果 豹科学瞧、前沿靛_ 帮应潮价值，攘动彳王程缝= | 旃健康篮测藤技术领域的邋脱， 具有蹩瓣学术价值和实际意义。 关键谓：工程结构健壤般测，分布式光纤传感技术，钢管混凝土脱空、裂缝， 黪蓬燮激绣耩鍪，蠢野拨纯缀会，舞舞蟪凝鬣金薅缀瀵力学努褥，灸谎本 构关系，巍纤安装埋设工芑 缝墼黔照 _ _ _ _ _ _ _ 。- _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ 。_ _ - h _ ” 。_ _ h _ 。_ _ 。“n ”_ 。- - _ _ _ _ _ _ _ _ “”_ 。_ _ _ _ _ _ 一一 r e s e a r c ho nd i s t r i b u t e df i b e rs e n s i n gt e c h n o l o g ya n di t s a p p l i c a t i o nt oc i v i ls t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g m a j o r ：g e o t e e l m i c a le n g i n e e r i n g p h d 。c a n d i d a t e ：d i n gr u i s u p e r v i s o r ：l i uh a o - w u a b s t r a c t h e a l t hm o n i t o r i n go nc i v i ls t r u c t u r e si sr e l a e dt op r o j e c tq m a i t ya n do p e r a t i o n s a f e t y t h e r e f o r e , i ti so fs t r i k i n ge c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t sa n dh a sb e c o m et h e 讹n di nl a r g ec i v i lp r o j e c t sa l lo v e rt h ew o r l d i nr e c e n ty e a r s ，o u rc o u n t r yh a sw i m 蕊s s e dt h ef a s td e v e l o p m e n ti n s t e e l c o n c r e t ec o m p o s i t es t n l e t u r e s , e s p e c i a l l yi nc o n c r e t e - f i l l e ds t e e lt u b e ( c f s t ) s t r u c t u r e s , w h i c ha 黪b r o a d l ya p p l i e di nb r i d g e s ，b u i l d i n g s ，a n du n d e r g r o u n dw o r k s a n ds oo i l , i - i o w e v e r ) 细圭e 蛙醅 鞲差交麟嘲( d i s e n g a g i n g ) i nc f s th a v es e r i o u s l y w e a k e n e ds t r u c t a t r e q u a l i t ya n ds a f e t y , t h u st h e y a t t r a c tm u c ha t t e n t i o ni n e n g i n e e r i n gf i e l d s i n c et h eo o 懿娃找黼a n dd e v e l o p m e n to fd i s e n g a g i n g - c r a c k i n g i si n v i s i b l ea n d u n p r e d i c t a b l e ，e f f e c t i v ed e t e c t i o no f i t i sn o ty e td e v e l o p e db yb o w b o t ha th o m ea n da b r o a d d r i 珏魄h o l eo nt u b ew a l ia n du l w a s o n i ed e 毒e c f i o na r e t w oc o n v e n t i o n a ld e t e c t i n gm e t h o d s + t h ef o r m e ro n em a yc a u s ed a m a g eo nt h e t u b ew a l l w h i l et h el a t t e rr e s u l 挺i naq u a l i t a t i v ee v a l u a t i o nb ye x p e r i e n c e s 勰雌 t h a nb yq u a n t i t a t i v ed e t e c t i o n ；i ti sak i n do f p o i n t - t y p ed e t e c t i o n , w h i 穗r e c a l l sl o r s o fp r a c t i c a lo p e r a t i o n a lw o r kb u tl i m i t e dr a n g ed e t e c t e d ；i te a r lo n l yb ea p p l i e d d u r i n gt h ec o n s l x u c t i o np e r i o d a st h ef o c u so f 壤ef r o n t i e rr e s e a r c h e si ni n t e l l i g e n tm a t e r i a l * s t r u c t t r r ef i e l d a n do nh e a l t hm o n i t o r i n go fs t r u c t u r e s o p t i c - f i b e rs e n s i n 【gh a sa t t r a c 协dm u c h a t t e n t i o nw i t hi t su n i q u ef e a t u r e s ，a n di th a sb e e na p p l i e dt oc i v i lw o r k 薅( e s p e c i a l l y t h eb r i d g e s ) , m o s t l yt ot h em o n i t o r i n go fs t r a i na n dt e m p e r a t u r ee t c 。b yt h ef i b e r b m g gg r a t i n g n e v e r t h e l e s s , t h e r ei sl i t t l er e p o r ta b o u tt h er e s e a r c ho nd i s t r i b u t e d 四则太学工学谗士掌棱论文 f i b e rs e n s i n gf o r m o n i t o r i n go f i n t e f f a c i a ld a m a g e sl nl a r g ec f s ts t r u c t u r e s 。 t h i sp a p e ri sd e v o t e dt od i s t r i b u t e df i b e rs e n s i n gf o rh e a l t hm o n i t o r i n go f s t r u e t u r e s ，强ec o m b i n a t i o no ft h e o r e t i c a la n a l y s e s , n u m e r i c a la n a l y s e s 。m o d e la n d e m u l a t i o nt e s t s ，a n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o nh a sb e e na p p t i e dt os t u d yd i s t r i b u t e df i b e r d i s e n g a g i n g - c r a c ks e n s i n gt e c h n o l o g ya n dm o n i t o r i n gs y s t e m a sap r a c t i c a lc a s e ， i t sa p p l i c a t i o ni nt h ew 醢g o r g ey a n g t z er i v e rb r i d g ep r o j e c th a sb e e nr e a l i z e d s u c c e s s f u l l y ( 1 f o rt h ef i r s tt i m e ，t h ec o r et e c h n o l o g yi sp r e s e m e d ，w h i c hi n c l u d e st h e n o n ，o r t h o g o n a ls e n s i n gp a t t e mo f t h ed i r e c tm i c r o b e n d i n gt r a n s d u c t i o nm e c h a n i s m b e t w e e nm e c h a n i c a la n do p t i ce f f e c t sa sw e l la st h ec o m b i n a t i o na n do p t i m i z a t i o n o fo p t i cf i b e r s , w h i c hh a v ee s t a b l i s h e dt h ed i s t r i b u t e df i b e rs e n s i n gt e c h n o l o g ya n d s y s t e mf o r n t e r f a e i a ld a m a g ed e t e c t i o n t h eo p t i cf i b e ri sl a i di nn o n - o r t h o g o n a l b r o k e nl i n ea g a i n s tt h ec r a c k i nc a s eo fd i s e n g a g i n g ( o rc r a c k i n g ) , m i c r o b e n d i n g w i l lb ei n d u c e do nf i b e rb vc o m p o s i t ef o r c eo fp u l l i n g - s h e a r i n ga n dt h u sl e n d st o h i 龋p o w e ri o s so fg u i d e dl i g h tw a v e ，w h i e hr e a l i z e sd i r e c tm o d u l a t i o no ft h e m e c h a n i c a lp a r a m e t e r ( d i s e n g a g i n gd e f o r m a t i o n ) a n do 蛹c a lp a r a m e t e r ( o p t i cl o s s ) w i t h o u ta n yn e e do f & f o r m e r f o ro p t i m u mc o m p o s i t es e n s i n gf i b e r , d i f f e r e n t t y p e so f f i b e r sa 越c o m b i n e dt oa t t a i nh i g hs e n s i b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n dl a r g ed y m m a i c r a n g e 。聃em o n i t o r i n gs y s t e md e v e l o p e di sa b l et or e a l i z el a r g e - s c a l e ，c o n t i n u o u s ， l o n g - t e r ma n dq u a n t i f i e a t i o n a lm o n i t o r i n go nd a m a g e s 。 ( 2 ) f o rt h ef i r s tt i m e ，m i e r o m e e h a n i e a lt h e o r e t i c a lm o d e lc o n t a i n i n gh i - s u r f a c e f o rf i b e r - c o n c r e t ec o m p l e xa n di t sn o n l i n e a rn u m e r i c a la n a l y s e sa r ep r e s e n t e d 。 m e c h a n i c a lm o d e lo ft h ec o m p l e xi se s t a b l i s h e d , a n dl t sb a s i ce q u a t i o na n d s o l u t i o nc o n d i t i o n sa r eg i v e n i na d d i t i o n ，m e c h a n i c a lp a r a m e t e r so nt h ei n t e r f a c e a r ed e t e r m i n e db yt e s t s , a n dt h ee f f e c t so ff r i c t i o no nc o n t a c ts u r f a c ea n dt h a to f r i g i dp r o t e c t i n gs t l l 1 c t l l 托so nm i e r o m e e h a n i c a lf i e l da r o u n df i b e ra r et a k e ni n t o a e c o t m t s 弱艟n o n l i n e a rf i n i t ed e m e n ta l g o r i t h m , w h i c hi sr e a l i z e db ya u g m e n t e d l a g r a n g i a nm e t h o d ，i sg i v e n s e v e r a la n a l y s i s ，s u c ha sl 融o e rb e a r i n gp u l l i n g ， f i b e rb e a r i n gs h e a r i n g - p u l l i n g , a n df i b e rw i t ht h ep r o t e c t i n gs t r u c t u r eb e a r i n g s h e a r i n g - p u l l i n gf o r c e s , a r ec o m p u t e d s p e c i a lm i c a x 卜b e h a v i o r sa n dr e l a t i v er u l e s o f f i b e ra n di n t e r f a c e 推t h em i c r o b e n d i n ga r e aa r eo b t a i n e db yn u m e r i c a la n a l y s e s ： b i - s u r f a c es e t m r a t i n g , i n t e r f a c es l i p p a g e ( m a i n l yo i lc o a t i n g - c o n c r e t ei n t e r f a c o ) , e x t r u d e dd e f o r m a t i o no fc o a t i n g , s t r e s sc o n c e n t r a t i o na n db r e a k i n g i ti sc o n c l u d e d 德a tc o a t i n gi m p r o v e sd y n a m i cr a n g eb u tg r e a t l ya t t e n u a t e st h et r a n s m i s s i o no f s t r e s sa n ds t r a i n ；t h a tw h e nd i s t a n c eb e t w e e nt h ef i b e ra n dt h ep r o t e c t i n gs t r u c t u r e i sl e s s , s e n s i n ga c c u r a c yw i l lb ei n f l u e n c e d b yt h ec r i t e r i ao fu l t i m a t es t r a i n d y n a m i cr a n g e so ff i b e ro ft y p eia n di ia r ec o m p u t e d , a n dt h er e s u l t sf i tt h a to f t e s t sw e l l + 1 强sp r o v e st h ec o n 屯c t n e s so ft h et h e o r e t i c a lm e t h o d sa n dp r o v i d e s a b s 罩l t a c t t h e o r e t i c a lm e a n sf o rm e c h a n i c a la n a l y s i so no p t i cf i b e re m b e d d e dj nc o n c r e t e f 3 ) n e wc o n c e p to fm e c h a n i c a l - o p t i cc o n s t i v i l t i v er e l a t i o ni sp r e s e n t e d a d i g i t a lm e c h a n i c s - o p t i c sc o u p l i n gt e s ts y s t e mi se s t a b l i s h e dt or e a l i z ea u t o m a t i c g a t h e r i n go fd a t ai nd i s e n g a g i n gs e n s i n gm o d e lt e s t ；l a r g e s c a l ep r e s t r a i n e dc f s t m o d e le x p e r i m e n t sa r ec a r d e do u tf o rd i s e n g a g i n gs e n s i n g m e c h a n i c a l - o p t i c c o n s t i t u t i v er e l a t i o na n dt e e h n i c a l p e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c s ( d i s e n g a g i n g r e s o l u t i o n ：0 0 2 m m ；d y n a m i cr a n g e ：4 8 m m ) o ff i b e rs e n s i n ga r ea c q u i r e d b a s e d o nw h i c ht h ea l g o r i t h mf o r d i s e n g a g i n gq u a n t i f i c a t i o n i sd e f i n e da n ds p e c i a l s o f t w a r ef o ro p t i cf i b e rm o n i t o r i n gs y s t e mi sp r e p a r e d ，w h i c hf o r m su pt h ei n t e g r a l s o f t w a r e - h a r d w a r es y s t e m 。 ( 4 ) t h ec o n t r a s tb e t w e e nf i b e rr e f i n e m e n ta n dc i v i lc o n s t r a c t i o ni sr e m a r k a b l e , c a u s i n ge m b e d d i n gt e c h n o l o g yo ff i b e rak e yp r o b l e mf o ri t sp r a c t i c a la p p l i c a t i o n f o rt h ef i r s tt i m e , t h i sp a p e rh a si n i t i a t e dar e s e a r c hu s i n gl a r g e s c a l ee m u l a t i o n t e s t sw i t h e n g i n e e r i n gm a c h i n e r ye m p l o y e d ， a n dt h u s d e v e l o p e d t h e e m b e d m e n t - p r o t e c t i n gt e c h n i q u et h a tw a sp r e y 。df e a s i b l ei np r a c t i c a lw o r k s w i t h t h ee x p e r i e n c e sf r o mt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n e f f e c t i v em e a 懿l l 母st oi m p r o v ef i b e r s u r v i v a lp r o b a b i l i t ya r eo b t a i n e d 。 ( 斡砸1 ep a p e rg i v e s 毡d e t a i l e dp r a c t i c a lp r o j e c tc a s eu s i n go b t a i n e dr e s e a r c h r e s u l t so nh e a l t hm o n i t o r i n gf o rw ug o r g ey a n g t z er i v e rb r i d g ep r o j e c t af i b e r s e n s i n gn e ti si n s t a l l e do n1 2k e ym o n i t o r i n ga r e a sa n dt h e i rd i s e n g a g i n gs i t u a t i o n s a r em o n i t o r e d l a r g e - s c a l ed i s e n g a g i n gi sd e t e c t e d , a n di t sv a l u e s ，l e e a t i o n s , r a n g e s a n dd e v e l o pp r o c e s s e sa r ed e t e r m i n e d 1 1 1 er e s u l t sc o i n c i d ew i t ht h a to ft h e u l t r a s o n i cd e m o t i o nq u a l i t a t i v e l ya n di np a r t i c u l a rc o n f i r m e db y d r i l l i n gh o l e i n s p e c t i o n m o n i t o r i n gr e s u l t sp r o v i d ee v i d e n c ef o re v a l u a t i o no fp r o j e c tq u a l i t y b a s e do n 也e s ed a t a , t r e a t m e n ti sp e r f o r m e dt oi m p r o v es a f e t yo fb r i d g e i ti sf o r t h ef i r s tt i m et h a td i s t r i b u t e df i b e rm o n i t o r i n gi s s u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ob r i d g e h e a l t hm o n i t o r i n gb o t h 敏h o m ea n da b r o a d , a n dt h ef i r s tt i m et h a ta p p l i e df o r d a m a g ed e t e c t i o ni nc i v i lw o r k st o o t h e r e f o r e t h ew o r k sf o l l o wt h et e c h n i c a ld e v e l o p m e n tw a yo fc o m b i n a t i o no f m u l t i - d i s e i p l i n e , a sw e l la st h el i n ko fh i - t e c hf i b e rs e n s i n ga n dt r a d i t i o n a lc i v i l e n g i n e e r i n gf i e l d , a n dp r o g r e s s e sa r em a d e 赫a s p e c t ss u c ha sd i s t r i b u t e ds e n s i n g t y p eb a s e do nn o n - o r t h o g o n a lp a t t e r no ff i b e r sa n ds e n s i n gf i b e ro p t i m i z a t i o na n d c o m p o s i t i o n , t h em i c r o m e e h a n i e a lm o d e la n dt h e o r yo nn o n l i n e a ra n a l y s e so f f i b e r e m b e d d e di nc o n c r e t e ，e m b e d m e n t - p r o t e c t i n gt e c h n o l o g ya n d p r a c t i c a la p p l i c a t i o n a n ds oo n t a n g i b l eb e n e f i t sa r ea t t a i n e do nak e yp r o j e c ti i lt l l et h r e eg o r g e r e s e r v o i ra r e a , a n da l li n t e g r a t e dp r o g r e s so f t h e o r y - t e s t - p r o j e c ta p p l i c a t i o n i s f u l f i l l e d 。i tp r o v e sp r e l i m i n a r i l yt h er e s u l to ft h es t u d yi ss c i e n t i f i c ，a d v a n c e da n d a p p l i c a b l e i th a sd e v e l o p e dt h eh e a l t hm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yi ne n g i n e e r i n g 四川大学工学博士学位论文 s m j c t l l r c sa n dt h u ss h o w sg r e a ta c a d e m i cv a l u ea n dp r a c t i c a l i m p o r t a n c e k e yw o r d s ：h e a l t hm o n i t o r i n go fc i v i le n g i n e e r i n gs t r u c t l 玎e ，d i s t r i b u t e df i b e r s e n s i n gt e c h n o l o g y , d i s e n g a g e m e n t - c r e e ko fc f s t , n o n o r t h o g o n a lp a r e mo ft l l e s e n s i n gf i b e r , s e n s i n gf i b e ro p t i m u mc o m p o s i t i n g ，m i c r o m e c h a n i c a la n a l y s e so f f i b e r - c o n c r e t eo o m p l e x ，m e c h a n i c 。o p t i cc o n s t i t u t i v em l a t i o n e m b e d d i n g p r o t e c t i n g t e c h n o l o g yo fs e n s i n gf i b e r 四州走喾工学博士擎经论文 第 囊绪论 1 1 概遴 蘑大土建工程结构，如大拼、水坝、商屎建筑、电厂、公欺工程建筑蜉， 猩出现安全事故时，往犍造成人民的嫩命财产霪太经济损失，对公共安象造成 巨大冲击戳至产生恶劣社会影嗨。例如。法瞬的马尔帕塞( m a l p a s s e t ) 撼蛾 瓷隶摩勰援蓄拳4 年爱，由予轰域辩崭髂瀵鞠予t 9 5 9 年1 2 兵突然垮竣，艨求 萼 瓣瓣淡永逢戒下游4 4 0 入毵亡；t 9 9 4 翠辩阑汉城圣隶大舔失搴，朝辩震麓； 1 9 9 9 霉1 胃，重庆綦涯彩戆耩( 跨壤1 2 0 m 镪管溃凝鬟舞跨臻，警觳l 久慈亡、1 4 夭受褒；1 9 9 6 季1 2 麓，广寒黯美特大疆粱跨矮，3 2 入琵亡，鞫 久爨缀。 逢袋工程事放鼹炎搴鹣黎粼缀复杂，罄鬼是渣工矮量魏袋翳，其次霆缝耩 凌袄期运营孛诲多擒 串豹疲势攒耩瀚掰，淀爨是导致事鼗翡耋簧藤邈。一般褥 富，正程结构损伤包括突发性损伤和累积性损伤。突发性损伤由突发事件( 如 洪水、地震等) 引起，损伤在短时间内达到蛾超过一定限值；累积损伤则甍国 予土本工程的运营一荷载环境很不稳定，在服役耀，结构不可避免受环境稀栽、 痰势、褒镀、老纯等嚣素鹃影穗，产熙累积撩凝爨，扶露导致强发下降，遮戮 惫稷整会雩 莛破坏，影昀僚豫酾安全。联令，鏊蠹癸工程赛蠢肖共谈，镬鬻 一磺鬟丈工程，都存在爨瑰事教旗纛失纂翡鼹陵，这是嚣为鑫然佟震( 洪水、 遮攫、老稼、嚣凌芬鼗) 器敬会箨蔼爨零运藿、蓬蘩运謦) 疆毅逡 蓉、糟瓣、襞构承载力、懿测浚谤鹣璃露经、麓王熬矮量控翻等蠢素，笼一不 存巍麓辊经袭不确定靛。 黻嚣，辩重要姥耩髓寨姨獭翡簸溺黟辩镰嚣棠璺要。实麓翁蕊溺裁犊凝镶 构拣熊，及时发现结构内部摄伤的俄鬟和攒度，预测结构的径髓交纯和溯众海 命并做出维护决定，对提高工程缩构遮管效率，减少安全事故，保障结构谶街 擞墩和生命财产安全无疑有极其熬大的意义“】。 褥前，国际上已取褥共识，结稔羽健康濂溅其有疆显的经济和社会效藏， 已痰瓷鬣痰癸发震趋势“”1 。缕稳鹩鼹壤滚粼( s t r u e t a lh e a n am o m t o r i n g ) 纂1 章壤静 怒 鹭测愆瑷场的抟感技术，邋邀氛捱结梅嗽艨程凌的缍擒系统特性羚褥，达裂 糗灏绱掏损伤或劣毒艺的磊的”。德廉壤溺嶷瑷了最小人工干疆熬缝梅健康熬 夜线安时逡续盗测、糗查与攒资搽浏，缀搀籀稳鹅一继嚣上不同时阈鞠攘l 霎结 莱交亿来识翔结构的状态，其识捌髓度依赖予健感器鄹解释算法”。鏊于此优 势，健潦滥溅膏爵能将诗前广泛采用的离缝、静态、被动的损伤捻溅转变为在 线、动态、实时的监 鞋| | 与控制，从而导致工程缩构安全箍控、减灾防灾领域的 一场革露。 健康骚测豹壤念8 在大整本工程率褥剽国益广泛的重视。在一黧经济发 达媲鹾，妇美国、热拿大、瑟本、镣戮等，健藤数溺系统在大翟褥粱、商瑟建 筑、大毅复杂绩掬、重要历史建筑串褥到艨霜。嚣本在一栋大楼上安装了懿藤 簸溅麓统，该大楼安装毒黻懋缓? 孛凝，农经过一次较大援模翡施震翳增设 f b g 澎终健戆器，用以黢溅结鞫斡完整搜秘大褛鹩娥震菠痤，实测络聚表秘 谈系统正终良好。德黧在撩拣漤 蘧的募牾火攀戆( l e h r t e rb 斑n _ h o f , b e r l i n ) 大 楼爨凌键康篮测系统粥，该火攀蚺盛予襁转瓣枣串办，羼磺由凡乎个玻璃方格 缀成，稠邻支柱的垂直位移差耍求不超过1 0 r a m 。意大剥在一个著名教黧安装 了健康鼗涮系统鼬。r o b e r t 蹦等湃展了轻轨絮空水泥结 勾的监测，实现了8 个 轨黢雀不同条件下，知掩工时逐渐增加葡载、移幼火车载葡作用等的疑线骏视 秘络梭健康诊凝。在国内，一浆藏簧的太跨凌耩梁工程应蘑健康驻测鹣窭例麟 澎增多，翔褥港熬毒骂大桥、汲承门犬耩萋鞋汀丸文桥、上海狳瀵大捺疆及潼瓣 长黩太捺等等渊。在犬壤王穰t 常常安装备稀澎斌盼安全蘸弱系统，爽蔗上墩 是王穗络构健藤鼗测的一种实辘受式“”。 安装在工程缭橡上的然溅系绫，变簧癫舞转传感器稳残，丽戳采集攥竣部 健鹃锈蘧兔学参是，魁戆建交、变形、饕裁、潺魔等。鬻溪钓传感糕一般愚蠢 式毫灏仪爨，镪疆最鬻丽黪案零避式( 麓动镰隰仪) 或滚式祷慈器。 常簸电测传感仪器掰史久、疲爆广，积累了许多实际经验，迄今仍怒链藏 靛测静奎要设备。但另方磷，它们也在工程实践中暴露了按术届限性，主要 表现在掰方丽： ( 1 ) 由予是点式检测( 检测范爨小) ，导数稳颡4 在空间上的不连续瞧，络 梁蔓程串的“瘸灶”( 黼部损伤) 疑，缀w 麓浚蠢攥莰捡溺仪器，容易簿致漏 2 四川太棼篡学博士学位论文 梭。魏蓑苏联裹2 4 5 m 萨扬懿审簸克重力揆缓，瘫鼗玟器这2 5 0 0 哭之多， 竟豪溺蜀竣蘩下鼙在蓍窳惹产象麓长这4 8 6 m 翡深大裂缝，奁蜀该缝弱深帮扩 展2 0 余米，癣道漏水才发觉。 ( 2 ) 由于绝缘老化，念麟器件氧化，蠕变时效等因素，导致电测仪器长 期稳定性不高。 当今，随着现代科技的迅猛发展，工程结构健康监测的传感技术面临潜更 新换代的新阶段。一些高科技传感器相继涌现，性能优异。在各国竟相发展的 传感器高科技中，光纤传感以敦独特优势居于突出地位。光纤传感已开始部分 应用于土建工程，其中对桥梁和钢一混凝组合结构的应用是工程领域光纾传 感技术酶一个兹沿研究热点。 。2 钢一混灏土组食结梅及其犍素整溅 1 2 1 钢一混凝土组合结构及成用 钢一混凝土组合结构由强于抗拉的钢材和强于抗压的混凝土两种材料缀 合而成，以其整体受力共同工作、巍分发挥两种材料各自优势以及施工方便等 显著优势得到越来越广泛的应用。 钢一混凝土组合结构的工程威腿镢域包括： ( 1 ) 桥梁工程：如钢管混凝土拱桥，钢箱混凝土拱桥以及钢一混凝土缀 合桥等。 ( 2 ) 遮下工程：如遗铁、渡洪隧洞等。 ( 3 ) 裹层建筑、工夔建筑、公莛建缓等。 ( 4 ) 逮霾工嚣：懿遗