结构健康监测技术演示文稿课件

1、结构健康监测技术演示文稿优选结构健康监测技术概述1.引言 3.SHM的方法5.SHM内容6.SHM 系统设计7.实例介绍江西交通科学研究院 4.传感技术SHMIntro to 2.什么是SHM?8.未来展望Section: 1 1: 引言SHMIntro to江西交通科学研究院全球基础设施普遍存在安全隐患人类生活依赖大量的各种基础设施道路, 地下管道, 高速公路, 各种建筑等 各种基础设施长期使用中存在各种问题 被忽视、缺少维护、设计标准底Section: 1 1: 引言SHMIntro to江西交通科学研究院天灾（自然力量）台风、海啸、地震、洪水损失巨大可预报，无法避免。有什么解决办法？天灾

2、：气象、海洋、地质灾害预报有何技术途径？人祸：法规、规划、设计、监测人祸（人为因素）无意、蓄意渎职、“偷工减料”可以避免或加以控制结构毁坏主要原因1.引言SHMIntro toSection: 1 江西交通科学研究院1996 四川綦江彩虹桥 死41汶川地震后的桥梁Section: 1 1.引言导致结构性能劣化的因素SHMIntro to因素1目前状况后果既有结构缺乏足够的检测和监测只有到结构继续维修时才引起重视维修费用甚至超出更换费用江西交通科学研究院桥梁结构日常使用主要问题-结构劣化Section: 1 1.引言SHMIntro to因素2状况结果钢筋混凝土结构中的钢筋锈蚀钢筋的变形导致混凝

3、土开裂和剥落强度或使用性能的降低导致构件需要维修或更换江西交通科学研究院结构劣化因素Section: 1 1.引言SHMIntro to因素3状况结果交通荷载量及荷载等级逐年增加，逐渐超出既有桥梁原来的设计标准结构不安全或使用性不足，构件需加固或更换江西交通科学研究院结构劣化因素Section: 1 1.引言SHMIntro to因素4状况结果结构整体劣化或老化各种有害因素影响结构的可靠度安全性和使用性能结构需要维修、加固甚至更换江西交通科学研究院结构劣化因素SHMIntro toSection: 1: 引言江西交通科学研究院我国土木工程结构安全现状工民建设计50年，通常2530年需大修，或更

4、短市政桥梁设计50年，1015年就出现严重破坏海工设计3050年，515年就出现严重破坏大跨桥梁设计50100年，10年以上的桥就很危险SHMIntro toSection: 1: 引言江西交通科学研究院存在问题非技术因素市场、腐败、管理、做假技术因素标准设置水平低无耐久性标准无详细监测制度解决之道-结构健康监测（SHM）Section: 1 1.引言SHMIntro to江西交通科学研究院以常用车辆作用于30米跨度简支梁桥为例规范计算的需承受的活荷载效应： 美国和英国规范分别比我国规范大12%和29%考虑活荷载安全系数：我国1.40，美国1.75，英国的1.73桥梁需承受活荷载效应设计值：美

5、国和英国规范分别比我国规范大40%和59%材料设计强度：我国的设计承载能力为美、英的68%和60%我国公路桥梁设计标准偏低2: 什么是结构健康监测（SHM）?利用现场测试、无损检测或各种传感技术和结构特征分析, 包括结构响应来识别损伤是否产生、确定损伤位置 、评估损伤程度 以及损伤对结构造成的后果。目标-建立智能结构体系SHMIntro toSection: 2 江西交通科学研究院一个可靠的结构健康监测（SHM）系统应包括： 先进的传感技、数据采集技术、系统识别和损伤定位技术和土木工程技术结构的安全性、强度、整体性、可靠性Section: 2 结构健康监测逐渐普及结构健康监测的发展得益于:逐渐

6、增长的需求既有结构养护管理的需求新设计、新技术和新材料监测的需求SHMIntro to以下技术的发展新型传感技术(如：光纤、智能材料等)数据采集系统网络和无线网络技术数据库系统（传输、收集、储存和分析）数据处理和分析技术江西交通科学研究院Section: 2 结构健康监测（SHM）的定义结构健康监测无损检测结构现场测试和评估使用多种传感器埋入或粘贴到结构表面进行监测SHMIntro to结构的安全性、强度、整体性、可靠性江西交通科学研究院Section: 2 结构健康监测与人类体检的类比医生监测病人的健康状况使用医学设备对人体进行健康检查开处方进行对症治疗SHM 工程师监测结构的健康状况使用各

7、种传感器对结构进行健康检查给出桥梁维护管理方案SHMIntro toISIS Canada Educational Module 5Section: 2 SHM 系统组成数据采集数据传输数据处理数据存储数据恢复诊断分析SHMIntro to江西交通科学研究院Section: 2 SHM 系统分级等级 I识别损伤是否存在等级 II识别损伤是否存在及其位置等级 III识别损伤是否存在及其位置、程度等级 IV识别损伤是否存在、位置、程度和对结构造成的影响SHMIntro to江西交通科学研究院等级 I等级II等级III等级IV定位识别定量损伤影响精度要求逐步提高Section: 2 SHMIntro

8、 toSHM 系统分级江西交通科学研究院Section: 2 SHM的优点优点长期实时把握结构状态尽早识别损伤保证结构强度和使用性能减少检查、维护时间和费用制定合理的养护管理方案提高工作效率促进新技术新材料的研究和应用SHMIntro to江西交通科学研究院Section: 3 3: 方法理想的 SHM 系统: 提供结构健康信息 出现损伤时给出警告SHM 系统的发展需要多方面学科发展的支持 SHMIntro to数据采集材料计算机传感器损伤识别结构工程通信 智能处理技术江西交通科学研究院需监测的桥梁Section: 3 系统组成示意图SHMIntro to各种传感器数据采集系统(on-site

9、)通信系统(如. 网络）数据处理(计算机自动完成)数据存储(硬盘或刻录光盘)诊断状态评估(管理养护决策)江西交通科学研究院Section: 3 3.1 数据采集(a) 传感器的选择适合的可靠的传感器 根据监测时间（长期、或短期）需求 选择结构监测项目?传感器必须满足功能和耐久性要求SHMIntro to原始数据的收集如：温湿度、风速、应变、变形、 加速度、荷载、交通量、地震等。江西交通科学研究院Section: 3 3.1 数据采集(b) 传感器安装和布置传感器的安装必须不影响原有结构性能传感器的附属设施如：缆线、线槽、 连接箱等 需不妨害结构使用需考虑传感器优化布置SHMIntro to江西

10、交通科学研究院Section: 3 (c) 数据传输方法 - 有线系统传感器与采集系统间直接线路连接最常用而且费用低廉对于大型桥梁不使用缆线过长导致信号噪声大方法 - 无线传输更昂贵信号传输更慢更不安全技术潜力较大SHMIntro to3.1 数据采集江西交通科学研究院Section: 3 (d) 数据采样和收集SHMIntro to3.1 数据采集基本要求: 采集数据不能过少导致无法完成监测系统基本功能, 也不能过多导致数据处理和分析困难。重点: 传感器的数量和采样频率 数据存储和排序 某些情况下数据量特别大结果: 制定有效的数据采样和存储策略江西交通科学研究院Section: 3 监测内容

11、SHMIntro to荷载变形施加到结构上的荷载的大小和分布 是否为预期的荷载? 荷载是怎么分布的?使用设备测试荷载或由应变数据推导过大的变形, 意味着导致结构需要维修、加固甚至更换 是否在预期的范围之内?可使用不同的传感器测试江西交通科学研究院3.1 数据采集Section: 3 SHMIntro to应变温度应变: 反映变形的强度应变的大小和变化能用于评估结构的安全性和整体性使用各种应变传感器 光纤、电阻式、振弦式等。温度变化可导致变形 热膨胀 周期性的循环变化会导致疲劳破坏 温度会影响应变测量值 需进行温度补偿使用热电偶、光纤等进行测试。江西交通科学研究院3.1 数据采集Section:

12、 3 SHMIntro to加速度风速和风压动力荷载导致结构的动力响应 结构如何抵抗动力荷载?在地震多发区广泛使用通常用加速度传感器测试大跨桥梁和高层建筑往往由风荷载控制设计 不同位置的风速和风压通常用超声风速仪测试江西交通科学研究院3.1 数据采集Section: 3 SHMIntro to声发射视频监测当结构或构件某些部位开裂或断裂，会产生噪音 声发射通过监测噪声, 通过3角测量法进行损伤定位后张预应力混凝土结构和缆索支撑桥梁比较常用使用专用传感器测试 实时追踪的视频或图像可记录突发事件或极端荷载 数据有图片为证 可捕捉超载车辆可使用网络摄像机技术江西交通科学研究院3.1 数据采集Sect

13、ion: 3 3.2 数据传输 数据需从采集站传递到监控中心 允许远程监视, 减少现场工作量电话网络无线技术SHMIntro to采集站监控中心江西交通科学研究院Section: 3 3.3 数据预处理更简单传输更快更精确SHMIntro to数据存储前进行目的在于清除一些不可靠的数据、测试噪声 、温度影响等，尽量使存储的数据更真实可靠，以便于将来的数据分析 :江西交通科学研究院可保存较长时间段内的数据数据要易于理解数据尽可能不中断要有足够的存储空间 数据文件格式要好，可读性强 通常存储分析处理后的数据而不存储原始数据存储数据要真实，不能随意更改Section: 3 3.4 数据存储SHMIn

14、tro to江西交通科学研究院Section: 3 3.5 诊断SHMIntro to极端重要的部分将数据信号转换为有价值的结构响应或状况信息没有标准的诊断方法使用的方法取决于结构类型传感器的类型和位置监测的动机所关心的结构响应江西交通科学研究院Section: 3 3.6 数据分析数据分析时需考虑 数据的意义和价值 精简分析的工作量SHMIntro to谨记:SHM的目的 是提供详尽的数据给工程师，以便于作出合理的、专业的工程决策。 江西交通科学研究院多种传感器在广泛使用SHM 选择传感器取决于很多因素传感技术的发展极大推动了SHM的发展光纤传感器(FOSs)新技术土木工程中广泛应用研究开发

15、和应用的热点Section: 4 4: 传感技术SHMIntro to江西交通科学研究院绝缘性不受电磁干扰和电波干涉先进的传感特性稳定性长期稳定性好测试误差小方便性重量轻, 直径小, 不受化学腐蚀, 易埋入或表面粘贴安装易用性可多点或分布式测量Section: 4 光纤传感器的优点SHMIntro to江西交通科学研究院Section: 4 光纤传感器如何测试?传感使用光学特性数据采集系统 再将电压信号转换为应变值激光或光束在光纤内传递，通常有测试标距光特性的改变直接能反映应变变化解码器通过光信号的改变计算应变值，有的转换为电压信号SHMIntro to光束可测试状态变化 (如光纤被拉长或压缩

16、)江西交通科学研究院Section: 4 光纤传感技术典型光纤各种各样的光纤覆盖层保护保护光纤避免减少和避免安装及操作中的磨损防止潮湿环境削弱光纤控制微裂缝增长混凝土结构中使用时避免光纤受损 外护套 芳纶 纤维 内护套 缓冲层 裸光纤SHMIntro to江西交通科学研究院Section: 4 光纤安装方式焊接式嵌入式预制好, 易于安装传感器外套有不锈钢管等保护设施能应用于各种恶劣环境SHMIntro to粘接式手工安装对操作要求稍高避免受湿度影响江西交通科学研究院Section: 4 光纤传感器的种类SHMIntro to常用的光纤传感器:光纤光栅(FBGs)长标距传感器法布里-珀罗 传感器

17、布里渊散射传感器江西交通科学研究院Section: 4 光纤光栅传感器仅可作为点式应变计测量即可测试静力又可动力测试一根光纤可串联多个传感器可嵌入、粘结 和焊接需进行温度补偿SHMIntro to在光纤上刻有格栅当脉冲光打入光纤，在格栅处脉冲光会反射，如光纤粘贴在结构上一起变形，格栅处的的变形会导致反射光波长的变化。通过波长的变化值可以推算出应变大小特点:江西交通科学研究院Section: 4 长标距传感器SHMIntro to通用性强标距可从5cm到100m仅可做静力测试光纤内设有两个极小的 “镜子” 2个镜子的间距就是标据传感器测试2个镜子间的位移利用光的干涉原理进行测试特点:需进行温度补

18、偿江西交通科学研究院Section: 4 法布里-珀罗传感器 SHMIntro to只可测试点式应变即可测试静力又可动力测试一根光纤不能串联多个传感器可嵌入、粘结 和焊接光纤中切有一道“槽”利用光学技术来探测槽宽度的变化如果预先测量出槽的初始宽度，那么久可计算出应变值特征:江西交通科学研究院Section: 4 布里渊散射传感器SHMIntro to分布式大范围测试目前仅可做静力测试，光纤长度小于10m时可测动力可分别进行温度和应变测量光纤本身即是传感器又可作为数据传输媒介利用后向传播的布里渊散射光谱的中心频率偏移进行应变测试利用一根光纤可测试几十公里的范围测试分布式的应变场和温度场特征:解调

19、仪较为昂贵江西交通科学研究院Section: 4 分布式传感 能进行连续的应变测试并找到应变发生的位置 可用于测量: 光纤光栅通过一系列的传感器串联可实现准分布式测量 可给出连续的空间应变分布裂缝宽度粘结层的应变传递应力集中SHMIntro to分布式传感技术可通过光纤光栅和布里渊散射传感技术实现:江西交通科学研究院Section: 4 多点传感技术多个传感器组成的测试网络通过一个解调仪进行测试1. 多点串联:一根光纤穿有多个传感器2. 多点并联:每根连接一个传感器，解码器需要有多通道。SHMIntro to江西交通科学研究院Section: 4 其他类型的传感器压力盒振弦式应变传感器电阻应变

20、片拾振器、加速度传感器位移计热电偶 SHMIntro to荷载位移加速度温度应变各种温度传感器千分表江西交通科学研究院Section: 5 5: SHM 内容SHMIntro to分类方法:监测的时间特性监测的内容连续的周期性的静力荷载动力荷载环境振动江西交通科学研究院Section: 5 静力域测试 最常见的测试荷载缓慢的施加并长期作用在结构上 动力影响 可忽略 包括3种基本测试:1. 力学行为测试2. 诊断测试3. 验证测试SHMIntro to江西交通科学研究院Section: 5 静力域测试1. 力学行为测试目标主要研究结构力学行为和验证结构计算分析方法 测试荷载 最大使用荷载结论SH

21、MIntro to可反映荷载如何分布在结构上，不能给出结构的承载能力江西交通科学研究院Section: 5 2. 诊断测试目标明确结构各构件间的相互作用和关系 方法同力学行为测试结论SHMIntro to有益的相互作用 进行利用不利的相互作用 进行消除江西交通科学研究院静力域测试Section: 5 3. 验证测试目标测试结构的承载能力结果验证荷载是结构不产生损伤的前提下能承受的最大荷载SHMIntro to不断增加试验荷载直到突破弹性极限江西交通科学研究院静力域测试Section: 5 动力域测试（1） 应力时程测试（2） 冲击系数测试（3） 外界激励试验（4） 横向测试SHMIntro t

22、o 结构的试验荷载工况根据移动荷载确定 一个典型的动力试验 (桥梁): 桥梁的跳车试验 桥梁动力响应的激发、测试及分析 动力试验的四种基本测试类型:江西省交通科学研究院Section: 5 （1） 应力时程测试适用于对疲劳荷载较敏感的桥梁重点在于桥梁构件的应力幅要求具备能快速连续采集信号的动力测试仪保存和分析应变图用于确定结构的疲劳寿命 (直到结构疲劳破坏)SHMIntro to注意: 疲劳失效是一种潜在灾难的失效模式，由重复车辆荷载引起。江西省交通科学研究院动力域测试Section: 5 （2） 冲击系数测试结构设计通常假定荷载都是静力荷载，对于桥梁来说，并不太切合实际动力荷载通常用静力荷载

23、乘以冲击系数来模拟冲击系数的测试方法有多种 (没有标准的测试方法)SHMIntro to江西省交通科学研究院动力域测试Section: 5 （3） 外界激励测试基于风、人为激励及交通荷载激励可测试结构振动特性桥梁振动特性的改变意味着结构发生了严重破坏 (基于动力特性的损伤识别)测试数据经复杂算法计算后得到桥梁的加速度响应SHMIntro to问题:(振动频率)对结构局部损伤的敏感性较低，不宜用做局部损伤识别振动特性易受环境、温度等的影响江西省交通科学研究院动力域测试Section: 5 （4） 横向响应测试通常用于测试桥梁横向动力相应使用拉索将桥梁横拉然后突然放开加速度计用于测试结构动力响应数

24、据分析与外界激励测试类似SHMIntro to江西省交通科学研究院动力域测试Section: 5 周期性监测SHMIntro to桥梁结构健康监测系统对结构可能发生的不利变化进行周期性调查结构特性按特定时间间隔（天、周、月、年等）监控实时周期监控包括: 外界激励监控; 移动交通荷载下结构监测; 静力试验; 裂缝开展; 结构修补江西省交通科学研究院Section: 5 连续监测SHMIntro to监测在一定时期内是实时连续的仅在现代运用，因为系统造价昂贵且系统复杂实时监测及数据采集 1. 存储在磁盘当中在后续工作中分析 2. 与远程计算机连接进行实时分析通常运用在重要结构上或对整体性能存在疑问

25、的结构上江西省交通科学研究院Section: 5 监控数据融合SHMIntro to江西省交通科学研究院 多传感器数据融合技术以其强大的时空覆盖能力和对多源不确定性信息的综合处理能力,可以有效地进行结构系统的监测和诊断。 现有健康监测系统多停留在数据采集和简单数据分析阶段，同时桥梁健康监测系统会产生大量测试数据, 对这些测试数据与信息进行整合与解释，以及对结构真实状态的进行合理评估仍存在很大困难。 目前已经发展起来的数据融合技术主要有：加权平均、卡尔曼滤波、贝叶斯估估计、统计决策理论、证据理论、模糊推理、神经网络。 Section: 5 SHMIntro to江西省交通科学研究院基于振动的结构

26、损伤识别方法：结构损伤识别作为结构状态评估的重要组成部分，是近年来健康监测方向的研究热点之一，出现了如基于结构频率、位移模态、应变模态、曲率模态、应变能、刚度、柔度、能量法、频响函数等一系列损伤识别方法； 模型修正方法：这类方法主要是基于运动方程、测试结果和有限元模型构造约束优化问题不断修正结构刚度、质量和阻尼分布，使其响应尽可能的接近实际响应。结构的模型修正能够为健康监测提供基准模型，同时也为基于测试结果的反演进行结构损伤识别和性能模拟提供了很好的基础； 目前尚待研究的主要课题有：结构的损伤及性能退化机理、结构性能的各种参数的时变特性、结构状态的在线预警、实际安装健康监测系统的复杂结构的适用

27、性、结构小损伤和非线性损伤的识别等。系统与损伤识别Section: 5 状态评估SHMIntro to江西省交通科学研究院 结构状态评估方法的研究：结构状态评估方法主要是运用可能获得的反映结构性能的内部信息对结构的施工运营等工作状态进行评估，目前主要有可靠度理论、层次分析法、模糊理论、神经网络以及专家系统等。 健康监测系统的结构状态评估需要从结构监测的大量数据中提取能够反映结构特性的特征，以完成对结构实时和定期的评估，而这其中必然会涉及到结构数据的特征提取、数据融合及性能决策等方面，但目前这个方面所作的工作较少。Section: 6 6.桥梁结构健康监测系统设计定义健康监测系统目标确定传感器种

28、类、型号监测项目确定系统寿命及耐久性SHMIntro to1. 设计流程在FRP加强格栅浇筑混凝土前先安装传感器江西省交通科学研究院Section: 6 6.健康监测系统设计 2. 安装流程传感器标定承包商培训避免施工过程中的传感器损坏避免安装健康监测系统引起结构损害保护系统免受环境及人为破坏SHMIntro to承包商培训及传感器标定是健康监测系统安装工程中最关键的部分江西省交通科学研究院Section: 6 6.健康监测系统设计3. 使用流程数据收集及管理知识的连续性监测数据传输及显示SHMIntro to江西省交通科学研究院信息发布Section: 6 6.健康监测系统设计： 操作方法S

29、HMIntro to江西省交通科学研究院结构损伤识别及预警机制结构劣化-响应对应关系结构数值分析模型建立关键参数的特征反应 确定识别每级损伤的灵敏度选择的参数和定义性能指标 ：不同结构劣化程度与结构响应变化的联系设计系统 ：传感器选用、数据采集及数据管理 数据分析安装调试系统 (设置基准参数)适时评估数据及系统调整7.实例介绍加拿大联邦大桥跨越诺森伯兰 海峡1997建成通车世界最大预应力混凝土跨海大桥（箱形梁）建立了极其有价值的SHM系统Section: 7 SHMIntro to江西交通科学研究院Section: 7 Confederation BridgeSHMIntro to桥梁简介新不

30、伦瑞克省到爱德华王子岛省的必经之路，全长13.1 km 的预应力混凝土箱梁桥。44 跨，跨度均为250 m先悬臂拼装190 的悬臂梁端，后吊装跨中60米长的简支梁段采用了多种先进施工技术设计寿命100 年实例介绍江西交通科学研究院联邦桥SHM系统的价值:Section: 7 Confederation Bridge1. 桥址处自然环境恶劣3. 设计寿命是普通桥的2倍4. 可用于验证设计假设，以保证桥梁的安全性和使用性能5. 开发出新的养护和维修策略2. SHM 数据在加拿大将用于指定行业标准，并用于指导其他大桥SHMIntro to实例介绍江西交通科学研究院SHM 系统Section: 7 C

31、onfederation Bridge箱梁横截面 光纤传感器 安装位置典型跨悬臂段简支段SHMIntro to短期和长期行为均进行了监测不同部位安装有大量传感器箱梁截面安装有FBG 传感器:实例介绍江西交通科学研究院监测内容?Section: 7 Confederation Bridge桥梁变形温度影响交通荷载动力测试 钢筋锈蚀SHMIntro to冰荷载倾斜计, 加速度计, 冰荷载板, 视频监控, 声纳技术应变传感器(电阻式和光纤式), 视频摄像仪机械式,光纤, 振弦式应变传感器监测短期和长期变形热电偶,振弦式应变传感器,日辐射计, 76个 加速度计, 超声风速仪, 动位移传感器腐蚀探头实例

32、介绍江西交通科学研究院Section: 7 Confederation Bridge数据采集系统采集仪监控中心数据分析中心Carlton 大学SHMIntro to传感器2种数据采集模式: 定期采集模式 事件触发模式实例介绍江西交通科学研究院苏通大桥苏州-南通最大跨径斜拉桥主跨1088米Section: 7 SHMIntro to2008年建成通车实例介绍江西交通科学研究院Section: 7 SHMIntro to桥梁特点 最大主跨：苏通大桥跨径为1088米，是当今世界跨径最大斜拉桥。 最深基础：苏通大桥主墩基础由131根长约120米、直径2.5米至2.8米的群桩组成，承台长114米、宽48

33、米，面积有一个足球场大，是在40米水深以下厚达300米的软土地基上建起来的，是世界上规模最大、入土最深的群桩基础。最高桥塔：原先世界上已建成最高桥塔为多多罗大桥224米的钢塔，苏通大桥采用高300.4米的混凝土塔，为世界最高桥塔。最长拉索：苏通大桥最长拉索长达577米，比日本多多罗大桥斜拉索长100米，为世界上最长的斜拉索。实例介绍江西交通科学研究院Section: 7 SHM 系统SHMIntro to由4 个子系统构成(见下图) ：传感器系统 数据采集与传输系统 数据处理与控制系统结构健康状况评价系统。实例介绍江西交通科学研究院Section: 7 SHM 系统SHMIntro to 传感

34、器子系统由超声风速仪、车速车轴仪、全球定位系统、加速度传感器等16 类传感器组成。 其中包括由788 个各类传感器所构成上部结构固定式传感器系统； 由16 只高精度加速度传感器构成的便携式传感器系统及包含636 只传感器的基础监测传感器系统； 传感器总数达到1 440 只。实例介绍江西交通科学研究院Section: 7 SHM SystemSHMIntro to实例介绍江西交通科学研究院润扬大桥镇江到扬州南汊悬索桥（1490）北汊斜拉桥Section: 7 SHMIntro to2005年4月建成通车实例介绍江西交通科学研究院Section: 7 SHMIntro to桥梁特征由北接线、北汊桥、世业洲互通高架桥、南汊桥、南接线及延伸段等部分组成，主桥(包括北汊桥、世业洲互通高架桥和南汊桥)长7.21公里,北引桥及北接线高架桥长1.74公里，其中南汊主桥采用单孔双铰钢箱梁悬索桥，