传感器在大跨度桥梁健康监测中的应用与发展.doc

传感器在大跨度桥梁健康监测中的应用与发展 传感器在大跨度桥?健康监测中的应用与发展袁煜云，唐中兴（广东恒建高速公?发展有限公司，广东摘广州510100)要文章概述了结构健康监测的重大意义、国内外研究现状。 传感器作为结构健康监测系统的重要组成部分，讨论了其在结构健康监测中的运用现状，分析了各种新型传感器的发展趋势、应用前景。 关键词健康监测；传感器；新型传感器；发展趋势；应用前景U44B我国现有公?桥?20多万座，总长接近10000km（其中特大桥有1139座，1082km），1/4以上的桥?都存在结构性缺陷，?同程度的损伤，其中重要的桥?急需安全监测、评定和维修加固。 为了保障结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，已建成使用的许多重大工程结构和基础设施急需采用有效的手段监测和评定其安全状况、修复和控制损伤。 新建的大型结构和基础设施也在工程建设的同时增设长期的健康监测系统和损伤控制系统，以监测结构的服役安全状况，并为研究结构服役期间的损伤演化规?提供有效直接的方法。 目前，我国正处于大规模的土木工程和基础设施建设时期，许多世界著名的重大工程与基础设施已经建成或正在规划建设中，如世界最长的跨海大桥杭州湾跨海大桥、世界上主跨最大的斜拉桥苏通长江大桥等。 为了确保设计的使用安全性和耐久性达到预期的标准，特别是大跨度桥?这种重要的大型结构，时时了解其健康状态是非常重要的。 重大工程建设和安全运?的需求为重大工程结构健康监测及其集成系统的研究、开发与应用提供了广阔的平台和前所未有的机遇。 ?管?部门及时提供决策依据的要求。 近30?来，土木、宇航和机械工程界一直在寻找一种能适用于复杂结构的整体探伤评估方法，目前得到普遍关注的是综合模态测试，数字信号处?，模态分析与系统辨识等跨学科知识于一体的基于结构动?特征改变识别的监测方法。 土木工程界试图将其应用于大型结构如桥?等已做出了近20?的努?。 现代测试、分析技术，计算机技术，数学?论及无线通讯技术的进步及相互融合，极大地促进了这一技术的初步完善并在桥?工程中探索式地应用，对大跨度桥?而言采用环境随机振动（风脉动，交通脉动，地脉动等低幅值振动)为激励源，?妨碍交通，其适用的02Hz范围一般也是大跨度桥?的主要振动频谱区域，是大跨桥健康监测最实际的，也可能是惟一有前途的方法。 以上谈及的桥?健康监测及安全评价系统综合了现代传感技术、网络通讯技术、信号处?与分析、数据管?方法、计算机视觉、知识挖掘、预测技术、结构分析?论和决策?论等多个领域的知识，极大地延?了桥?检测领域的内涵，提高了预测评估的可靠性。 桥?结构健康监测与安全评价系统，总的目标是通过测?反映大桥环境激励和结构响应状态的某些信息，实时监测大桥的工作性能和评价大桥的工作条件，以保证大桥的安全运营，并为大桥的养护维修提供科学依据。 与传统的桥?检测方法（包括众多的无损检测技术）?同，桥?结构健康监测与安全评价系统，重在诊断可能发生结构损伤或灾难的条件和环境因素，评估结构性能退化的征兆和趋势，以?及时采取养护维修措施。 而传统的检测方法，重在损伤发生后检查损伤的存在，并采取维修加固的手段。 因此，桥?结构健康监测与安全评价系统的概念具有革命性的变革。 桥?结构健康监测与安全评价系1大跨度桥?健康监测的国内外研究现状1.1系统目标与意义当前的以人工定期检测为特征的桥?健康保障体系，其测试手段虽然较1971?美国国家桥?监测标准NBIS）颁布时有了长足的发展，但这类方法所固有的（缺陷却依然存在:要预先知道损伤发生的大概位置；一些重要的结构内部及人员、设备?到达处的损伤?被外观检查所发现；检查设备昂贵，结果需专业人员的专门知识解释，带有很大主观性；检查过程太长，?能应付突发事件后，迅速查明结构状态，为桥作者简介袁煜云（1966-），男，广东阳江人，工程师，从事高速公?养护工作。 xx?04期(总第64期)15养护工程统，主要功能包括: （1）确认桥?的实际性能，确保达2）增加对桥?结构安全程度的把握，到设计目标；（确保大桥能长期安全使用； （3）服务于大桥的施工监测、成桥静动载试验和运营阶段的养护综合管?系统，减少非重点部位的人工检查次数，在意外发生期间和事后评估安全度，辅助和改进大桥的检测方法，为大桥的4）发展先进的大跨桥?的监测、维护决策提供依据；（控制和评估技术和方法。 1.2桥?结构健康监测技术在国内外的应用很多研究者正致?于研究并制定桥?健康监测系统的设计，如:Lauzon等研究者提出了一个桥?监测系统设计建议；美国Dexrel大学的Aktan教授等制定了比较详细的健康监测系统的设计指南；加拿大ISIS组织的主席Mufti教授也主持起草了一份结构健康监测指南。 英国的研究者制定了一个指导健康监测系统设计的指南。 受国际结构健康监测工作委员会委托，香港?工大学以高赞明教授为首的课题组也正致?于研究制定专门用于大跨索桥监测系统的设计指南。 从实际应用来看，通过对传感器的革新和自动远程监控技术的?新换代，桥?结构健康监测与安全评价系统正向简单?装、经济可?、持久可靠的方向发展。 美国上世纪80?代中后期开始在多座桥?上布设了监测传感器，监测环境荷载、结构振动和局部应?状态，用以监视施工质?、验证设计假定和评定服役安全状态。 1987?，英国在总长522m的三跨变高度连续钢箱?桥Foyle桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风载作用下主?的振动、扰度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场，它实现了实时监测、实时分析和数据网络共享。 此后，还有其他一些典型桥?建立的健康监测系统，如挪威的Skarnsundet斜拉桥，美国的Sunshine SkywayBridge斜拉桥，?麦的Faroe跨海斜拉桥和主跨1624m的Great BeltEast悬索桥，墨西哥的Tampico斜拉桥，英国的Flintshire独塔斜拉桥，加拿大的Confederation连续刚构桥，日本的明石海峡大桥，韩国的SeoHae斜拉桥，泰国的Rama8桥等。 我国内地自1997?起也在一些大型桥?上建立了?同规模的结构监测系统。 如上海的徐浦大桥和卢浦大桥，江阴长江大桥，香港青马大桥等。 香港青马大桥为桥长2160m、主跨1337m的公?、铁?两用悬索桥，是连接香港新机场的重要交通枢纽。 由于香港经常遭受台风袭击，同时公铁两用导致结构所受荷载特别大，为保障桥?健康运营，在桥?上安装了规模较大的结构健康监测系统。 该系统包括风、车辆和温度等荷载和环境作用监测系统，风载通过安在桥面板图1大跨桥?结构健康监测与安全评价系统和主塔塔顶的6个风速仪测?，车辆荷载用地秤监测，另在桥面板和主塔安装了115个温度传感器；结构的整体响应主要采用加速度传感器、位移传感器、水平测距仪和GPS系统测?，在桥面和主索上安装了12个单向加速度传感器、3个双向加速度传感器和2个三向加速度传感器，在桥面板和主塔上安装了2个位移传感器和9个水平测距仪；局部响应主要通过埋设的应变片进?测?，应变片在桥面板和主塔上共粘贴了110个应变计；另外，在该桥上还配置了相应的速据采集、传输和处?系统。 该系统能对桥?的主塔、缆索锚头、吊杆、桥面格架和桥体支座的安全状况进?实时监测。 除青马大桥外，香港的另外两座大型斜拉桥Kap ShunMun和Ting Kau桥上都安装了健康监测系统，三座桥?的传感器总数达到900个。 美国休斯顿的Fred Hartman大桥是另一个较为典型的安装监测系统的大跨度斜拉桥。 Fred Hartman大桥由三跨组成，中间跨为381m，两边跨为147m，桥面宽48m。 锥形桥塔，一个锥面内24根斜拉索，索间距为15m，共192根斜拉索。 为降低斜拉索的振动和监测桥?的安全状况，美国Johns Hopkins大学的Jones和Main在斜拉索上安装了粘滞阻尼器，同时安装了健康监测系统。 该系统包括安装在桥面板水平位置的2个三向风速仪和安装在南塔顶部的1个螺旋叶片风速仪，环境监测传感器包括2个雨水?测计，温度计和气压计，记录外界环境条件的改变；结构整体响应采用加速度传感器和位移传感器，在桥面板上安装了4个单向和1个双向加速度计，在斜拉索上安装了19个两向加速度计和8个位移传感器；此外，还在安装粘滞阻尼器的索上安装了?传感器，以监测阻尼器的阻尼?。 数据采集系统采用了4极点的Bessel滤波器，其截至频率为10Hz，数据采样频率为40Hz，每次连续现场采集5min，并将采集的数据保存到硬盘上，之后通过远距离传输技术进?数据通讯和系统控制。 1.3桥?结构健康监测系统的构成大跨桥?结构健康监测与安全评价系统，主要将包括以下4个子系统，传感器系统（SS）；数据采集与传16xx?04期(总第64期)输系统（DA TS）；数据处?与控制系统（DPCS）；结构SHES)。 如图1所示。 健康状况评价系统（这4个子系统将运?于4个层次:第1层次是数据采集单元采集传感器系统拾取的信号；第2层次是将采集到的信号转换成数字信号并通过光纤网络输送到数据处?与控制系统；第3层次是由计算机系统完成数据的后处?、归档、显示及存储；第4层次是由高性能计算机系统完成大桥结构健康状况的评价工作，提供大桥在整个运营过程中工作状态的实时报告，并且对非正常状态提供预警，实时评估大桥的安全性、适用性，以及为大桥的定期检查和维修提供直接依据，并提交监测和结构健康评价报告。 万一某一层次的硬件出现故障，其他层次的硬件将继续正常运?；同时，当某一独立部件出现故障时，其他部件的运作?受影响。 估用最?想的智能材?和传感元件，特别适合疲劳效应的监测。 （1）光纤传感器。 光纤传感器研究的时间虽?长，进展却非常迅速，目前已有70多种光纤传感器用于各种物?的测?。 从光纤传感器的传感机?来看，主要分为强度型、干涉型和布拉格光栅波长型三种。 自从美国Morey （1989）等人首次对光纤光栅的应变与温度传感特性研究以后，世界各国都对器十分关注并开展了广泛的应用研究，取得了丰硕的成果，在短短的10多?时间?光纤光栅已成为传感领域发展最快的技术，目前的研究已发展到从实验室走向实际工程应用阶段。 （2）压电传感器。 监测结构的裂纹萌生与扩展是结构损伤定位和安全评定的最直接、有效的方法，因此，裂纹萌生和扩展的监测是健康领域的重要研究课题。 光纤传感技术只能实现线式的分布式测?，难以实现真正意义上的面式与体式分布式测?。 压电材?的迅猛发展，尤其是压电薄膜材?的出现，为解决这以难题提供了新的途径。 在各种压电材?中，压电陶瓷的驱动功能和感知功能得到了广泛的研究，取得了很多的研究成果。 （3）形状记忆合金。 形状记忆合金与压电材?相似，同时具有感知和驱动功能，可以将形状记忆合金制作成传感器和驱动器，发展结构损伤监测与应急控制系统。 国内外对其性能进?了系统的研究，研究表明，形状记忆合金的电阻变化率较大，具有变形敏感的特性，但其感知特性与应变片感知特性的机?同，形状记忆合金的电阻变坏?仅与其变形有关，还与变形中的相变有关。 在相变之前，形状记忆合金的应变与电阻基本呈线性关系，但在相变过程中，电阻与应变之间明显表现为非线性关系，微小的应变变化将导致较大的电阻变化；相变完成之后，电阻和应变之间的关系又呈现为线性关系。 尽管人们对形状记忆合金的感知特性及其机?进?了初步研究，但至今还没有建立其应变、电阻、温度和应?之间的本构关系模型，?没有实用的传感系统。 （4）疲劳寿命丝（铂）传感器。 疲劳效应是影响重大工程结构健康的主要因素之一。 至今，承受变幅交变荷载的结构寿命预测仍是有待解决的难题。 虽然一些?论，如结构累积损伤?论已经比较成熟，但因缺乏可以信赖的实测数据（如疲劳荷载谱等）而难以在实际结构中应用。 我国在疲劳寿命计的研究方面取得了较好的成果，进一步对疲劳寿命传感器进?改性研究并建立可靠的疲劳寿命监测系统，针对疲劳效应突出的重大土木工程结构，如海洋平台结构、桥?结构和大跨度空间结构2传感器的应用研究现状尽管结构健康监测系统已经在一些实际工程中得到应用，但是这些结构健康监测的?论研究和应用尚处于起步阶段。 传感器作为结构健康监测系统的重要组成部分，相关研究也显得格外的重要，以下将国内外传感器的研究现状做进一步阐述。 在实际工程中安装的监测系统大部分使用的是传统的传感器；而结构损伤识别还主要建立在对结构动?特性的识别基础上。 然而，重大工程结构与基础设施系统体积大、跨度长、使用期限长，传统的传感元件和设备组成的监测系统性能稳定性和耐久性都?能很好的满足工程实际的需要。 近?来研究和发展起来的诸如光纤、压电、形状记忆合金以及疲劳寿命丝（箔）等高性能、大规模分布式智能传感元件和无线传感器网络、具有自感知、自增强和自修复特性的智能本征材?和构件、以及互联网通讯技术和信息融合技术等为重大工程的灾变?为与健康监测研究和发展提供了基础。 目前发展起来的智能感知材?与传感元件主要有光导纤维、电阻应变丝、疲劳寿命丝（铂）、压电材?、碳纤维、半导体材?和形状记忆合金。 用这些感知材?和传感元件可以制作大规模表面附着式或埋入式传感分布阵列，从而使结构的重要构件或整体具有感知特性，以?实现结构的实时监测与安全预警功能。 在上述各种智能感知材?中，压电元件和形状记忆合金同时具有感知和驱动功能，可以同时实现损伤的监测和控制，使结构健康监测与损伤控制的?想元件。 光纤是用于长期监测的?想传感元件，虽然它所需的外部设备最为复杂且昂贵，但它具有性能稳定、多参数测?、分布测?等优点。 疲劳寿命丝是构件寿命预测、评xx?04期(总第64期)17养护工程研究疲劳损伤监测与寿命估计和预测具有重要的意义。 （5）碳纤维混凝土。 美国Chung及其课题组首先发现了碳纤维水?浆具有压敏特性，由此诞生了碳纤维智能混凝土。 在此基础上，李卓球发现了弹性范围内碳纤维混凝土的电阻是可逆的，而在弹塑性范围内或开裂后，其电阻是?可逆的。 因此，根据碳纤维混凝土的电阻变化规?就可以预测其自身的损伤状况。 近?来，碳纤维混凝土的制备工艺、碳纤维表面处?技术、碳纤维混凝土的配合比及其压敏特性等得到了广泛研究。 （6）纳米混凝土。 纳米材?因其独特的功能特性已经成为材?领域的热点研究方向。 通过在混凝土或砂浆中添加纳米材?以形成纳米混凝土，试验表明，纳米材?可以有效增加砂浆的抗压和抗折强度；纳米砂浆的电阻随应变的增加而线性降低，因此，纳米砂浆具有良好的自感知特性，也可用作标准的应变传感器。 （7）碳纤维筋。 由于碳纤维筋具有良好的?学性能和耐锈蚀特性，碳纤维筋已经成为在腐蚀环境中服役的钢筋混凝土结构中钢筋的替代品。 此外，碳纤维筋还具有自感知特性，即其电阻随应变的变化而变化，因此，碳纤维筋混凝土结构是具有自感知特性和良好耐久性的智能混凝土结构。 进入21世纪，美国科学基金委员会机械与土木工程学科成立了专门的传感器技术计划，每?投入300余万美元开展此项研究，并设定短期目标是提升结构安全性与完整性评定和实时环境条件和健康监测的技术，长期目标是发展智能结构设计、制作和建造的新的知识和技术。 我国国家自然科学基金会1999?组织讨论的“十五”优先资助领域重大工程灾害于防治、xx?工重程与材?学部组织讨论的“十五”重大研究方向大工程的灾变?为与健康监测学术研讨会以及2000?在中国?京召开的中美地震工程新千?研讨会，重大工程结构的灾变?为与健康监测都是与会专家一致认为应该重点投入和深入开展研究的重大项目和重要内容。 897653423结语随着智能传感元件和无线传感网络的研究开发和产业化，我国重大工程结构健康监测系统的研究与应用也取得了长足的发展。 它已经愈来愈成为结构运营安全保障的关键技术。 我国一批以先进传感元件和无线传感网络应用为特征、融结构损伤识别和安全评定于一体的重大工程结构健康监测系统将进入实施和运?阶段，从而为相关应用基础研究提供真实的工程背景和研究平台。 参考文献1Ko JM，Ni YQ，Chan TH T.Dynamic monitoringof structuralhealthincable-supported bridges.Smart Structuresand Materials:and Highways，SPIE Vo l1Smart Systems forBridges.Structures，1999.3671，Ni YQ，J iangS F，Ko JM.Application ofadaptive probabilistieural work todamage detection ofTsing Ma SuspensionBridge1Health Monitoringand Managementof CivilInfrastructureS1B1Chase andA1E1A ktan Systems，x