现代防护与防灾技术（PPT）

1、 ； 现代防护防灾技术第三章结构健康诊断3-1 概述 一、定义 利用现场的无损传感与结构系统特性分析(包括结构反应),探测结构的变化,揭示结构损伤与结构性能劣化。 并不是一个新的概念,对结构的应变、加速度、速度、位移、旋转等参数的测量一直是结构工程的基本方法。二、健康诊断的发展及意义20世纪90年代以来,随着大跨度铁路公路两用桥、大型水利发电机组、大型核能发电机组、国际空间站计划、火星无人探测计划等大型工程项目的实施,基于动力特性的大型结构体系的健康自动诊断问题迅速成为国际学术界和工程界关注的热点。 以国际空间站计划的实施为契机,美、英、法、德、日等发达国家相继投入了大量的研究与发展资金用于支

2、持该领域的探索性研究。我国自90年代中期开始,先后在863航天高科技计划和攀登计划重大项目中投入了一定的资金用于支持大型结构体系健康自动诊断问题的探索性研究 疲劳损伤累积,及有损结构在动力荷载作用下的裂纹失稳扩展是造成大型结构体系发生灾难性事故的主因之一。损伤监测(检测)、预警及适时维修制度的建立,有助于在一定程度上消除隐患及避免灾难性事故的发生。结构健康诊断两个核心技术问题:一是损伤的有效识别、定位和标定,二是对有损结构系统的使用风险进行定量评估。 3-2 结构检测与诊断系统 一、传感元件土木工程结构与设施往往处于较恶劣的环境中,要求传感器必需满足耐久性、稳定性、与结构相容性等,传统的传感器

3、很难满足工程实际的需要。智能传感材料的出现,如光纤、压电材料、形状记忆合金、碳纤维、电阻应变丝、疲劳寿命丝、半导体材料等,为土木工程长期智能监测打下了坚实的基础 1.电阻应变片（丝）电阻应变片是结构表面局部应变测量最常用的传感元件，性能受基底和胶层的影响，使用寿命短、电阻应变丝可埋入结构中，与基底材料胶合，性能较稳定，而且可组成各种形状和面积的阵列,防电磁干扰及耐久性较好.技术成熟、外部设备要求较少的电阻应变丝是比较理想的材料,但其存在性能不稳、易受干扰等问题。2.光纤传感器 光纤作为传感元件主要是光纤的局部变形通过光纤中光的传播发生变化反映出来。光导纤维很细，可传输数据，反应灵敏；对埋置材料

4、性能影响小，对电磁干扰不敏感，熔点高耐腐蚀，适用于高、低温及有害环境，可沿单线多路复用，能实现点测量、线测量和网测量。光纤是用于长期监测的最理想材料,虽然它所需的外部设备最为复杂且昂贵,但它具有信号稳定、抗干扰、多参数准分布测量等优点,这也是近10年来在土木工程方面受到重视的原因。法布里-珀罗干涉传感器与布拉格光栅传感器是最具前途的两种传感器。3.疲劳寿命丝 疲劳寿命丝（箔）外形上与电阻应变丝（片）相同，但合金成分与热处理方式不同。疲劳寿命丝（箔）的电阻值随交变应变幅值和循环次数单调增加，荷载卸除后，增加的电阻值保持不变。 因具有记录损伤积累的功能，可以用于结构构件和节点的剩余疲劳寿命预报。疲

5、劳寿命丝是寿命预测、健康评估用最理想的材料,4.光纤与碳纤维融合传感器若将几种材料在制作传感器时相融合会得到更好的效果,如将光纤与碳纤维融合,在小变形时用光纤监测,大变形时用碳纤维。 5.形状记忆合金形状记忆效应是指材料在高温下定形后冷却至低温（或室温）并施加变形使其存在残余变形，然后加热到一定温度时仍然恢复到变形前原始形状的能力这种只能记住高温或低温状态形状的效应称为单程形状记忆如果材料具有重复记住高低温两种形态形状筋能力，则称为双程形状记忆。除传感功能外,还具有驱动功能6.压电材料压电材料产生机械变形时，有产生电势的能力，称为正压电效应；当施加电压时，有变形的能力，称为逆压电效应。利用正压

6、电效应，压电材料可以制作传感元件；利用逆压电效应，压电材料可制作驱动元件，给结构施加控制力。压电材料制作的传感元件很薄，可以附着或埋置于结构中3-3 结构健康诊断与安全评定方法1.局部诊断与评定和整体诊断与评定局部诊断与评定针对的对象是具体可疑的结构构件,即通常的无损检测与无损评价,其技术已比较成熟,几乎涉及现代科学的每一分支,如射线检测、声与超声检测、电学与电磁检测、热力学与化学检测等,具体而言,如射线法、超声回弹法、硬度测试法、涡流法、磁粉法、同位素法等。 整体诊断与评价是对结构的特性参数如频率、相位、振型、阻尼及状态量等进行测量,通过分析这些量的变化对结构进行诊断与评价。2.整体诊断与评

7、价方法(1)模型修正法 通过有限元模型修正和误差定位,得到一组修正的物理参数以再现测量数据,依据修正的模型对结构进行评定其安全状况。这种方法的缺点是其可靠性难以确定。 (2)对比方法也称为动力指纹法，假设有一系列的损伤情况,包括损伤机制及位置,预测损伤的动态响应变化,将结构的实测值与之比较,最相近的也就是最可能的损伤位置。该方法的缺点是工作量太大,费用高。 (3)神经网络方法融合自动控制、数理统计、计算机技术、以及相应的识别方法,通过神经网络的系统辨识原理,充分利用其自适应、自反馈、自学习功能,以实验模态测试为手段,输入模态参数,运算处理得到损伤的位置,并对结构进行评价。由于神经网络的容错性好

8、,对输入参数的准确性要求不高,因此,其前景比较看好。 (4)体系可靠度分析方法从概率的角度评价结构整体的安全程度。由于结构体系复杂,结构的失效模式惊人之多,加之各失效模式之间的相关性很强,所以它是一个很难的研究课题,离实际应用尚有一段距离。目前的常用方法是指标计算法,即把结构的安全状况按损伤程度人为地划分等级,通过鉴定结构的实际情况,评定它所处的安全等级。 (5)专家系统法是一种模拟土木工程专家解决土木工程健康诊断与安全评定领域问题的计算机程序系统,其内部含有大量的土木工程领域的健康诊断与安全评定的知识与经验,可以用来解决健康诊断与安全评定问题。专家系统具有准确、效率高、不受环境影响等优点,能带来巨大的经济与社会效益,因此,各国都竞相开发专家系统。其开发费用是一个值得考虑的问题。 (6) 3S系统技术 3S系统指地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)与遥感系统(RS)。 由于土木工程分布广,结构的个性很强,如何对其安全状况很好的把握,单靠独立的监测系统是不可能的,而且重复设置浪费将很大。 GIS系统将不同结构和子系统的监测系统形成一个网络式的大系统,最终实现大规模的智能监测与诊断系统