关于结构健康监测系统在大连市体育馆中的应用的认识

1、关于结构健康监测系统在大连市体育馆中的应用的认识摘要：本文首先介绍了结构健康监测的概念、设计原则和组成部分以及结构的损伤识别，然后主要介绍了结构健康监测系统在大连市体育馆中的应用，分别从工程背景、弦支穹顶结构有限元分析、监测方案及监测方法、健康监测系统的研发和监测结果等5个方面进行展开。最后，通过结论表达了结构健康监测系统给工程实际问题带来的利好。关键词：健康监测；损伤识别；有限元分析Understanding to the Application of Structural Health Monitoring System in Dalian city StadiumAbstract: Fi

2、rstly,this article introduces the concept of structural health monitoring, designing principle, component of structure and the damage identification. Then,the application of structural health monitoring system in Dalian city stadium is introduced respectively from the following five aspects, such as

3、 engineering background,finite element analysis of chord dome structure, monitoring plan and method, research and development of health monitoring system and its monitoring results. Last,the advantage of structural health monitoring system is concluded via its conclusion.Key words：Health M

4、onitoring; damage identification; finite element analysis 1 引言 随着科技的进步及人类未来的需求，现代土木结构正在向大型化、复杂化方向发展，这些大型复杂结构，如飞机场、高层结构、新型桥梁、大跨度网架结构在复杂的环境中将受到各种突发性外在因素的影响而使结构的安全受到威胁。所以，这些现代结构的安全性能必须要引起人们的高度重视。对大型结构的结构性能进行实时的监测，及时发现结构的损伤，预测结构的性能变化并做出维护决定，对提高工程结构的使用效率具有重大意义。根据结构监测系统采集的相关数据，采用一定的损伤识别方法判定结构损伤的程度，并对突发破坏进

5、行预警，是保障大型结构安全的有效手段之一。对大型土木结构的健康监测已经成为近年来土木工程领域内一个重要的学科。本文以大连市体育馆结构健康监测系统的设计与研发为例，简要介绍了结构健康监测系统在工程实际上的应用。2 结构健康监测的概念、设计原则、组成部分和损伤识别2.1 结构健康监测的概念和设计原则 结构健康监测指利用现场的无损传感技术和结构系统的特性分析（包括结构的响应） ，以达到检测结构损伤或退化的一些变化。建立健康监测系统的典型结构有：挪威的Skarnsunder 斜拉桥、我国香港的青马大桥和国家游泳中心等。 不同的监测系统其规模也有较大的差异，这主要是因为各系统的功能要求不同，并且系统的投

6、资也不同。因此，监测系统的设计必须遵循功能和成本两大准则。健康监测系统的设计首先要考虑监测的目的和功能。对于特定的大型结构，建立监测系统的目的可以是设计验证，或者是监控与评测，或者是以研究发展为目的。另外，监测系统的规模和所采用的硬件系统需要考虑投资的限额，因此在设计监测系统时必须要进行成本-效益分析。根据功能要求和成本-效益分析可以最优化的选择并安装系统硬件设施。2.2 结构健康监测的组成部分 结构健康监测是一种在线监测技术，一般健康监测系统由三个子系统组成，如图2.1 所示，即：传感器子系统、数据采集与传输子系统、数据管理与分析子系统。图2.1 结构健康监测系统组成部分2.2.1 传感器子

7、系统 根据监测内容，在大型结构的控制构件及控制部位布设传感器，用于获得大型结构在荷载（重力荷载、风荷载、人群荷载）作用下的响应信息。该子系统是最前端和最基础的子系统。 在大型结构的健康监测项目中，应用最广泛的传感器有光纤光栅式传感器、振弦式传感器和压电式传感器等。不同种类的传感器有不同的应用领域，传感器可以制作成表面附着式或埋入式传感器等，以便实现对结构的实时监测和安全预警的功能。 （1）光线光栅式传感器 光纤光栅监测方法是最近几年发展较为迅速的监测方法之一，光纤在外界因素（如温度，压力等）改变时，光纤的特性（如相位、波长等）会发生变化，通过这些参数的变化量，就可以知道被测物理量的变化。与传统

8、的电信号传统方式相比，光纤光栅监测有许多优点：灵敏度高、动态范围大、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀、寿命长、测量范围广等。目前光纤光栅传感器已应用于多个领域，如：高速公路计费、石油工业监测、古建筑维护、现代大型土木结构的健康监测等。 （2）振弦式传感器 振弦式传感器是一种无源传感器，以拉紧的金属弦作为敏感元件。振弦的材料与质量直接影响传感器的精度、灵敏度和稳定性。钨丝的性能稳定、硬度、熔点和抗拉强度都很高，是常用的振弦材料。此外，还可用提琴弦、高强度钢丝、钛丝等作为振弦材料。它通过外部激励使其中的振弦起振，然后再通过振弦式传感器内的电感线圈接收振弦的脉冲信号并转换成可测定的电信号，然后将此电信号分离

9、出来，送入传感器测量系统加以测评。 （3）压电式传感器 压电式传感器是基于压电效应的传感器，它的敏感元件由压电材料制成，常用的压电材料有石英、压电陶瓷等。压电材料受力后表面产生电荷，此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。在大型结构的健康监测中应用较多的是压电式加速度传感器，用于测量结构的动态响应。2.2.2 数据采集与传输子系统 数据采集与传输子系统是连续传感器子系统与数据管理与分析子系统的桥梁。数据采集系统相当于一个数据信号收集装置，将被收集的信息（如光信号、电信号等）进行存储、处理、变

10、换，转化为应变、加速度等数字信号。数据传输系统的作用有两个：一是将监控中心的控制命令下达给数据采集系统，二是将现场采集数据发送给监控中心。数据传输子系统主要应用的设备是电缆或光缆，数据采集系统需要用到采集设备（图2.2），常用的数据采集设备有：1） 光纤光栅解调仪，对于光纤光栅式传感器，采集光纤信号需要使用光纤光栅解调仪2） 振弦采集仪，对于振弦式传感器必须使用振弦采集设备，如锚索计等；3） 通用采集仪器，主要采集电类传感器信号，如压电式传感器采集仪。数据采集与传输系统主要是与传感器匹配的采集仪器的选择、通道数和采集频率的确定，以及数据传输方案的设计。 （a）光纤光栅解调仪 （b）振弦式锚索计

11、（c）压电式传感器采集仪图2.2 常用的数据采集设备2.2.3 数据管理与分析子系统处理、分析传输来的数字信号，得到所需要的数据，用数据库存储和管理数据，同时为结构维修与评估提供依据。数据管理与分析子系统的主要功能如下：1） 实时显示。显示传感器实时的监测数据；2） 数据管理。通过数据库和工控机实现数据查询、报表生成、数据记录、定期存储等功能；3） 数据分析。统计、分析相关数据，图形显示相关分析结果。 数据管理与分析系统的核心为数据库系统，数据库管理结构的几何信息、监测信息和分析结果等数据，是整个监测系统的核心，承担着整个健康监测系统的数据管理功能。系统的数据分析功能由数据库服务器与工控机共同

12、来完成。2.3 结构的损伤识别 健康监测是一种实时、在线、连续的监测，结构的损伤识别是用健康监测所得的结构响应（如应变、加速度等）来探测可能昭示结构破坏或损伤的参数变化。理想的损伤识别技术应能在结构损伤出现的较早时期发现损伤，在传感器精度允许的情况下确定损伤的位置，估计损伤的程度，并预测出结构的剩余有效寿命。目前较常用的损伤识别方法有：动力指纹法、神经网络法、遗传算法、小波分析法等。 （1）动力指纹法 结构的动力指纹是指能够通过结构动力测试得到的，并且能够反映出结构固有特性的那些指标。结构发生损伤以后，引起相应的动力指纹的变化，因而可以利用结构动力指纹的变化来识别损伤。应用动力指纹法时，首先要

13、对结构的损伤进行全面、正确的分类，建立对应各种指纹变化的损伤数据库，然后将损伤后的动力指纹与数据库中的指纹相比较，从而确定损伤状态。常用的动力指纹有: 频率、振型、刚度、功率谱、频响函数等。 （2）神经网络法 神经网络是由大量神经元广泛互连而成的。神经网络用于损伤识别的基本原理是：根据结构在不同状态的反应，通过特征提取，选择对结构损伤敏感的参数作为网络的输入向量，结构的损伤状态作为输出，建立损伤分类训练样本集，将样本集送入神经网络进行训练，建立输入参数与损伤状态之间的映射关系，训练后的网络具有模式分类功能。将待测结构进行测试的动力参数输入网络，得出损伤状态信息。神经网络法不仅适用于线性系统，尤

14、其适用于非线性系统。神经网络法利用其特有的学习能力，可以将反问题的映射关系以网络权值的方式保存下来，即将这种关系分布式地存储于网络权值中，而使用者无需关心网络内部具体是如何操作的。 （3）遗传算法 遗传算法是模拟达尔文的自然选择和遗传学进行计算的数学模型，其基本原理是将问题的解表示成染色体，从而构成一个染色体群，将它们置于问题的环境中，遵循优胜劣汰的原则，通过不断循环执行选择、变异等操作，逐渐逼近全局的最优解。遗传算法可以同时处理多个结构关键点，进行多角度的数据评估反馈，极大地减少了局部检测造成的漏检现象，操作方便，鲁棒性强，容易得到全局最优解。 （4）小波分析法与傅里叶变换相比，小波变换是时

15、间（空间）频率的局部化分析，它通过伸缩平移运算对信号逐步进行多尺度细化，最终达到高频处时间细分，低频处频率细分，能自动适应时频信号分析的要求，从而可聚焦到信号的任意细节。通过小波分析局部扩大和局部压缩的特性，可以对微弱信号进行检测，这在结构损伤初期的检测中是非常重要的。结构模型在环境激励下，结构的损伤可以从对相应数据进行小波离散后的细节突变上检验出来，这些突变的位置可以精确地指出损伤发生的时刻。结构发生损伤后，某些线性连接点变为非线性，造成其固有频率和刚度的改变，而使得结构的动力响应发生变化。线性和非线性系统动力特性的主要差别之一是非线性系统具有高次谐波和亚谐波。利用小波变换分析结构损伤前后的

16、时域和频域响应，可以确定诸如高次谐波、亚谐波以及混沌现象等系统响应的动力学特性，进而检测结构的非线性。3 大连市体育馆结构健康监测系统的设计与研发3.1 工程背景大连市体育馆总建筑面积约8. 1万平方米，座位数1. 8万个，建筑总高度41.26 m，其效果图如图3.1a 所示。屋盖采用新型杂交空间结构体系弦支穹顶，最大跨度为145.4 m，整个钢屋盖形状在空间上呈椭球体，通过46个支座固定于下部混凝土柱上。弦支穹顶单层网壳中心部位为弦支穹顶内环，外围的网格形式为肋环型正交立体桁架，网壳杆件采用圆钢管。预应力索撑体系形式与上部桁架的形式对应，由环向索、径向索和撑杆构成，共设3 环。撑杆采用圆钢管

17、，上下端铰接，杆与索系之间采用铸钢节点连接，如图3.1b 所示。 由于1/4区域内每段环向索和每根径向索的索力以及撑杆的轴力存在差异，故本工程采用张拉径向索的方法进行弦支穹顶结构预应力张拉。整个张拉过程分为4级：分别张拉到设计值的10%、50%、70%和105%。其中第1级和第2 级由内向外张拉，第3级和第4级由外向内张拉。为了保证张拉的均匀性，同时考虑张拉设备数量，每一级又按照分组、分批的顺序进行张拉。整个张拉过程历时9d。 （a）效果图 （b）屋盖结构简图图3.1 大连市体育馆3.2 弦支穹顶结构有限元分析在确定体育馆的监测内容之前，必须对该弦支穹顶结构进行有限元分析，以确定哪些因素的变化

18、可能对结构造成破坏或者结构状态变化能造成哪些物理量的显著变化。使用ANSYS 有限元分析软件对结构进行受力分析以及施工模拟，并对预应力索的张拉过程进行跟踪分析。分析过程中考虑结构的预应力刚化以及大变形效应，上部网壳结构杆件连接均视为刚接，因此上部网壳结构杆件采用PIPE 16单元来模拟；环索和径向拉索采用拉杆单元LINK 10单元来模拟，撑杆单元采用LINK 8单元来模拟，撑杆与上部网壳连接为铰接，环梁采用BEAM 4单元模拟。采用张力补偿法来施加径向预应力。 （1）模态分析弦支穹顶结构属于预应力钢结构，其模态分析首先要进行静力计算，将预应力施加到结构上，其次还要考虑屋面板等恒荷载对结构振动的

19、影响，本模型通过MASS 21将屋面板等恒荷载施加在结构上。 （2）预应力施工模拟目前弦支穹顶结构的预应力张拉数值模拟主要有正分析和反分析两种方法。本文采用正分析法对张拉过程进行模拟。正分析法中常用的是张力补偿法，张力补偿法可以针对索的分组分批张拉进行施工模拟。在本次数值模拟中，同一圈索定义为一组，同一时间张拉的索定义为一批。3.3 监测方案及监测方法 （1）监测内容根据体育馆结构有限元分析结果，本项目针对以下几个物理量进行重点监测：1）径向索和环形索的应力监测；2）竖向撑杆的应力；3）弦杆的应力；4）结构整体的位移变化；5） 支座位移和倾角；6）温度；7）结构整体和局部的振动。 1）弦杆应力

20、监测 根据有限元分析结果，对网壳结构应力最大的杆件进行监测。使用大连理工大学结构健康监测与控制研究中心研制的光纤光栅应变传感器对弦杆的应力进行监测，同时使用光纤光栅温度传感器进行温度补偿。弦杆的应力测点布置如图3.2所示。光纤光栅应变与温度传感器如图3.3a所示。 2）支座倾角监测 本结构允许其支座在限定的范围内发生径向位移和倾角，来释放结构振动时产生的能量。结构如果发生变形或振动，支座的位移和倾角就会发生变化。根据有限元分析结果，对弦支穹顶结构24个支座的倾角进行监测。监测使用PM-TSI 系列单轴倾角传感器，如图3.3b所示，倾角的测点位置如图3.2所示。 3）结构的振动监测 对结构进行振

21、动监测，根据监测获得的模态参数对有限元分析模型进行修正，经过修正后的有限元分析模型能够更准确地反映实际结构的动力特性、更可靠地预测结构的动力响应，同时还可以结合实测结果对结构进行损伤识别和状态评估。另外，利用振动监测结果还可以判断体育馆内所发生的重大事件的次数及事件发生的时间。使用ANSYS 有限元分析软件对体育馆结构进行模态分析，并依据传感器布置优化算法对加速度的测点位置进行优化。本次动态监测共安装30个三维加速度传感器，位置如图3.2所示。本次监测使用LC0161 内装IC压电加速度传感器，如图3.3c所示。 （2）索撑体系的监测方法及测点布置 弦支穹顶结构的索撑体系由环向索、径向索和撑杆

22、构成。索撑体系在施加预应力前，结构刚度较小，实际上是处于准机构状态。对索施加适当的预应力，可以增大结构的刚度，使结构形成一个可以承担外荷载的闭合力系。因此对弦支穹顶结构索撑体系的预应力进行安全监测，是保证结构正常施工和安全运营的重要环节和有力措施。本项目结构健康监测系统采用近期发展起来的光纤光栅传感器技术对索力进行监测，光纤光栅传感器价格便宜，耐久性好，灵敏度高，适合大规模使用。图3.2 网壳结构的静态及动态监测位置图3.3a 光纤光栅应变和温度传感器 图3.3b倾角传感器 图3.3c加速度传感器 索力灵敏度系数还与传感器的安装位置密切相关。如果安装位置不正确，很可能会导致监测结果的过大误差。

23、为此采用有限元分析软件ANSYS对锚头进行了三维数值模拟。锚头的屈服强度为315 MPa，弹性模量为206 GPa；索的屈服强度为1 330 MPa，弹性模量为190 GPa。索与锚头以及销轴与销孔之间都采用标准的接触类型来模拟，锚头本身的螺纹采用始终黏结的接触类型来模拟。对索截面50级施加到拉应力为600 MPa 时，在索力的作用下，叉耳的底部以及两侧的应力比较大。所以为了获得更高的索力灵敏度系数，将传感器焊接在上述应力较大且均匀的部分。光纤光栅应变传感器相对传统传感器而言，其具有以下优点：1）精度高，量程范围大；2）抗潮湿、抗电磁干扰、抗疲劳、耐久性好；3）可实现索全寿命实时监测；4）体积

24、小、价格低、便于维修。根据有限元分析模拟结果，对索撑体系应力最大的部分进行监测，以径向索的应力监测为主，环向索和撑杆的应力监测为辅。索力及应力测点布置如图3.5所示图3.5 径向拉索应变传感器布置3.4 健康监测系统的研发3.4.1 性能要求 为了实现结构健康监测系统的连续实时运行、无人值守以及自动报警，其必须具有以下功能： 1）监测系统应能同时从不同种类的传感器采集数据：加速度传感器、位移传感器、倾角传感器以及应变和温度传感器； 2）根据不同的传感器使用不同的采样频率：位移、倾角、应变和温度传感器采用20 Hz，加速度传感器采用512 Hz； 3）智能的存储数据：根据不同的日期以及不同种类的

25、传感器自动创建不同的文件夹以存放不同时期不同种类的数据； 4）处理数据及报警功能：将采集到的位移、倾角及加速度与设定的阈值进行比较，如果超过阈值就发出报警；5）具有可升级及改造的空间。3.4.2 硬件配置目前现有的数据采集系统，一般是针对单一种类的传感器专门设计的，无法实现将多种不同的物理量同时采集到一个数据采集系统中，这就难以保证各物理量之间的同步性。基于以上的功能需求，本文开发了可以同时采集多物理量的分布式健康监测系统。如图3.6所示，该系统由五部分组成：上位机、实时控制器、可编程逻辑控制器( FPGA）、数据采集模块和传感器。图3.6 健康监测系统的单元3.4.3 功能介绍 （1）硬件级

26、别的多物理量实时同步采集本健康监测系统在一个CompactIO 机箱中同时使用CIO-9208 电流输入模块、CIO-9234 压电输入模块以及大连理工大学结构健康监测与控制实验室研发的光纤光栅模块。利用CIO-9208 模块采集位移、倾角传感器信号，利用CIO-9234 模块采集加速度传感器信号，利用光纤光栅模块采集光纤光栅应变传感器和温度传感器信号，在上位机中同时同步显示三种信号，实现随时调用目标传感器。 本系统中利用FPGA 直接与数据采集I /O 模块互联，进行高速并行的数据采集、计算和控制操作。利用FPGA 并行处理的特点，针对三种不同类型的数据采集模块，设计同步执行的数字逻辑电路，

27、实现了不同数据采集模块在硬件级别的同步采集；NI CompactIO FPGA 具有40 MHz 基准时钟，利用此高精度基准时钟来执行三种不同类型数据采集模块的定时、触发和自定义控制循环，实现了25 ns 的通道间数据采集同步精度。 本系统利用基于Vxworks 实时操作系统的嵌入式实时控制器模块( real-time controller） 实现已采集数据的实时传输。该模块主要实现两大功能：1）作为与FPGA 直接硬件级联的模块，采用定时的方式将采集到的数据写入实时控制器内存中；2）利用TCP /IP 协议，实时的将内存中的数据发送至PC上位机中，并接受上位机命令，来控制FPGA 及实时控制

28、器的程序执行。 （2）数据自动存储功能本系统的数据存储方式与以往相比具有较大不同，改变了以往人为操作触发存储的方式，采用24小时不间断连续自动存储方式，当日期变化时，便建立新的数据文件，所有存储触发都由系统自动识别完成。 （3）自动生成报表功能 针对监测项目的需求，本系统还具备自动生成报表功能。当系统的日期发生改变时，系统就会自动建立excel 报表文件。文件中加入了分析算法，自动分析数据，形成可视化的图表，形象地反映结构安全状态。 （4）多途径自动报警功能 数据传送到主机后，系统会首先对数据进行处理，判断其是否超过设定的阈值，如位移和倾角是否超过允许值。如果接受到的数据超过设定的阈值，系统会

29、自动执行以下3个步骤： 1）将监测系统中模型的危险部分以高亮显示；2）将异常情况发生时的数据以及时间记录到系统的文本中；3）以手机短信和email的形式通知相关人员。 （5）多方式显示功能本监测系统使用了两种显示方式：LED 显示方式和三维动态显示方式，如图14 所示。在LED 显示方式中，按下左侧模型区监测点位置的LED 灯，就可以在右侧数据显示区观察其监测数据的变化趋势。在三维动态显示方式中，通过模型颜色的深浅变化来反映关键部位的受力状态，从而更加形象地反映目前结构的安全状态。利用三维模型的动态显示功能还可以对模型进行移动、缩放、旋转操作，提高系统的可视化程度。3.5 监测结果3.5.1

30、径向索张拉过程监测结果 对径向索进行张拉，使结构形成一个可以承担外荷载的闭合力系，是本工程的施工重点。本次张拉施工历时9d，在张拉施工过程采用上述健康检测系统对结构的各物理量进行实时连续的监测。 （1）径向索力 预应力张拉完成后，发现径向索C20 的拉力只达到1150 kN，与张拉设计值1250 kN相差较大。所以在第4级张拉完成之后，重新对C20径向索进行了张力补偿，使其拉力达到张拉设计值，如图3.7a所示。预应力张拉完成后，将每一级张拉的监测结果与张拉设计值进行比较。图3.7b为径向索C17 的张拉设计值与监测结果的比较。从图3.7a可以看出，每级张拉监测结果和设计值的误差不超过10%，这

31、种误差是由于钢节点加工误差，钢索磨损、钢索折角以及环向索和径向索相互影响造成的。 （2）环向索力张拉过程中，以径向索索力监测为主，环向索索力监测为辅。图3.8为第1 级张拉过程中，环向索C10 的拉力时程图。从图3.8可以看出，在第1 级张拉过程中，C10 的轴力增加了270 kN( 从80 kN 增加到350 kN） 。图中的拉力突变是由传感器自身的温度变化引起的，所以在监测的过程中，必须对传感器进行温度补偿。 图3.7a 径向索C20的张拉时程 图3.7b 径向索C17 索力设计值和 监测结果的比较 图3.8 张拉过程中环向索C10的拉力时程 图3.9 撑杆Z1-2在第2级张拉过程 中应力

32、变化时程 （3）撑杆应力在张拉过程中，同时监测撑杆的应力变化，以了解施加预应力对结构的影响。图18 为第2 级张拉过程中撑杆Z1-2 的应力变化时程。从图3.9可以看出，在第1批张拉过程中，撑杆的压应力增加了12 MPa，在第2 批张拉过程中，撑杆的应力增加了5 MPa。这是因为第1 批张拉直接作用在撑杆Z1-2 对应的径向索上，而第2 批张拉作用在撑杆Z1-2 的相邻索上。这也说明相邻索系的张拉对撑杆的影响不可忽略。 （4）支座倾角在整个张拉过程中对支座倾角进行了连续实时的监测。图3.10为34#支座在2级张拉过程中倾角的变化时程。从图3.10可以看出，随着张拉过程的进行，34#支座的倾角由

33、-0.888°增加到-0.851°，支座平面与水平面的夹角不断增大。图3.11为部分支座在张拉结束时的倾角监测结果，从图中可以看出，张拉结束时，19#支座的倾角最大为-1. 2°，并没有超过规定的限值( ± 1. 5°）。 图3.10 34#支座倾角在第2 级张拉 图3.11 张拉结束后部分支座的倾角 过程中的倾角变化时程 4 结论 大连市体育馆结构健康监测系统已稳定运行了将近两年，期间对其进了一次系统升级，获得了大量有关体育馆结构状态的有用信息。通过本健康监测系统得到的结论： （1）通过有限元分析，可以有效地判定导致结构失效的物理量，针对这些物理量制定相应的监测方案