结构健康监测系统好

1、结构健康监测与智能信息处理读书学院：土木:好专业：桥梁与隧道工程学号：140510010导师：教授混凝土拱桥健康监测系统的应用综述摘要：本文从监测内容、监测系统的组成和系统功能特点等方面对桥梁结构健康监测系统进行了简要介绍，同时阐述了桥梁健康监测系统的重要性，特别是对于混凝土拱桥，对其结构特点进行了详细的分析，并以此为基础介绍了通顺路大桥健康监测系统的，对该系统的主要特点进行重点说明。为混凝土拱桥的健康监测系统提供参考。：混凝土拱桥；健康监测；系统；通顺路大桥1、引言进入二十世纪九十年代，我国成为世界经济发展速度最快的国家之一，基础交通建设投入占国民生产总值的很大部分。随着科学技术的不断进步，

2、作为基础交通建设的咽喉，大量大跨和特大桥梁不断涌现:1997 年建成的青马大桥(1377m)为目前世界上跨度最大的公路铁路两用悬索桥长江大桥(1490m)和江阴长江大桥(1385m)也居于世界大跨度悬索桥前列。长江二桥南汉桥(628m)、白沙洲长江大桥(618m)、青州闽江桥(605m)、扬浦大桥(602m)和大桥(590m)都位于世界斜拉桥跨度前十名之列。这些大跨和特大桥梁不仅标志我国建筑水平的不断提高，也为保证国民经济持续稳定发展、改善人民物质和文化生活条件发挥了巨大作用1。大跨和特大桥梁在长达几十年，甚至上百年的服役过程境侵蚀、材料老化和荷载效应、人为的或自然的突变效应等和抗力衰减，从而

3、使得抵抗自然等耦合作用将不可避免地导致结构的损伤累计、正常荷载以及环境作用的能力下降，性的突发事故2。早在 1967 年 12 月，西弗吉尼亚州的(Silver)桥垮塌，导致 46 人丧生；美国的塔科玛(a)海峡大桥发生突然断裂的事件，造成了的伤亡和经济损失；1994 年 10 月，韩国首尔 Han 河上 Sungsoo Grand 大桥发生垮塌，导致 32 人丧生，另有 17人受伤；另外，我国 1996 年 12 月韶关特大桥梁坍塌，32 人，51 人受伤；1999 年1 月重庆市綦江县的彩虹桥倒塌，导致 41 人，14 人受伤的悲剧。一旦结构关键构件的损伤积累到一定程度，如没有被及时发现和

4、处理，损伤将迅速扩展，从而导致整个结构的毁坏。这些突然的失效或坍塌造成的危害使得人们对现代桥梁结构的安全性能越来越重视。对 全性，人民生命工程结构的结构性能进行实时的监测和，及时发现结构的损伤，并评估其安结构的性能变化和剩余并做出决定，对提高工程结构的运营效率，保障安全具有极其的意义，已经成为现代工程越来越迫切的要求，也是土木工程学科发展的一个重要领域3。结构健康监测系统可以实时反应结构服役状况的相关数据，采用一定的损伤识别算法判断损伤的位置与程度，及时有效地评估结构的安全性，结构的性能变化并对突发事件进行，因而可以较全面地把握结构建造与服役全过程的受力与损伤演化规律，是保障大型土木工程结构的

5、建造和服役安全的有效之一。目前国内混凝土拱桥应用十分广泛，因此混凝土拱桥的健康监测也成为了研究的热点。但从前文的介绍也可以了解到，现在对于拱桥的健康监测研究还处于起步阶段。大量的研究工作都集中在斜拉桥以及悬索桥等桥型当中，针对拱桥的健康监测研究较少。因此不论是在理论研究还是方案实施上，混凝土拱桥的健康监测都有很大的研究发展空间。2、健康监测系统的组成桥梁结构健康监测（Health Monitoring for Bridge Structure，缩写为 HMBS）系统是以桥监测对象的结构健康监测系统中的一个分支。利用实时健康监测系统实现对桥梁结构健康状况的评估是近年来桥梁健康监测领域的发展趋势，

6、它综合现代传感技术、网络通讯技术、信号处理与分析、数据管理方法、计算机技术、知识挖掘、理论等多个领域的知识和技术3。技术、结构分析理论和决策健康监测系般应包括下列 4 个部分：(1)传感器系统，包括感知元件的选择和传感嚣网络在结构中的布置方案。和分析系般由强大的计算机系统组成。结构的异常行为。(2)(3)中心，能够及时(4)实现功能的各种软硬件，包括结构中损伤位置、程度类型识别的最佳判据。这4 个子系统将运行于 4 个层次:第 1 层次是单元传感器系统拾取的信号；第 2 层次是将到的信号转换成数字信号并通过光纤网络输送到数据处理与控制系统；第3 层次是由计算机系统完成数据的后处理、归档、显示及

7、；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告，并且对状态提供，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3。万一某一层次的硬件出现故障，其他修提供直接依据，并提交监测和结构健康评价层次的硬件将继续正常运行；同时，当某一独立出现故障时，其他的不受影响。3、桥梁结构健康监测内容根据各种桥型的特点，桥梁所需要监测的物理变量，一般可分为 4 类，即：环境荷载、运营荷载、桥梁特征和桥梁响应4。环境荷载是指监测桥址在特定的自然环境和地理状况下，由于气候或地理的变化而对大桥产生的作用，如强风、温度、腐蚀及冲刷等；运营荷载是指交通运营对大

8、桥产生的荷载，如公路、铁路、船舶失控撞击等；桥梁特征是指桥系的静态特征和动态特征，如静力影响系数及影响线，模态频率、振动模态、模态阻尼比、模态质量参与系数等；桥梁响应是指索力、几何变形、应力状况、疲劳状况、连接件受力与位移状况等。一般桥梁结构主要对以下几个方面进行监测：(1)桥梁结构在正常车辆荷载及风载作用下的结构响应和力学状态；(2)桥梁结构在突发事件砖、意外大风或其它严重事故等之后的损伤情况；(3)桥梁结构构件的耐久性，主要是提供构件疲劳状况的真实情况；(4)桥梁重要非结构构件(如支座)和附属设施(如斜拉桥振动控制装置)的工作状态；(5)大桥所处的环境条件，如风速、温度、等。因此，桥梁结构

9、健康监测不只是传统的桥梁检测技术的简单改进，而是运用现代化传感设备与光电通信及计算机技术，实时监测桥梁运营阶段在各种环境条件下的结构响应和行为，获取反映结构状况和环境的信息，由此分析桥梁结构健康状态，评估桥梁结构的可靠性，为桥梁的管理与提供科学依据。4、桥梁健康监测系统应用现状自 20 世纪 50 年代以来，人们就结构安全监测的重要性，但由于早期的监测比较，所以在应用上一直受到相对的限制。80 年代中后期，欧美一些国家首先明确的提出了结构健康监测（SHM)的新概念。到了 90 年代，亚洲一些国家如、韩国等开始研究并在一些大型桥梁上安装健康监测系统。近年来，我国的一些大跨度桥梁，如虎门大桥、江阴

10、长江大桥和杭州四桥都在施工阶段就开始安装各种传感设备以及运营期间对桥梁的健康状态进行监测。目前，桥梁健康监测系统的主要特点表现在以下几个方面5：（1）在桥梁主要构件及关键部位布设各类型性传感器，测量并桥梁的工作状态；注重对桥梁所处环境的监测，如桥址处的温度、风、交通荷载等；各桥梁健康监测系统都注重对桥梁动力加速度、速度的监测；由于通讯技术和现代测量技术的发展，新型传感器的相继问世，使得桥梁健康监测系统能够获取桥梁运营期间相对准确的信息，并且可以实现系统的大容量、网络化的数据自动、和入库。随着材料科学、仪器仪表与测试技术、信号处理、计算机科学与技术、通讯技术、大型结构分析、结构动力学、结构可靠度

11、等多门交叉学科的飞速发展，桥梁结构健康监测系统也日趋完善，得到了不断的发展和应用。据不完全统计，到目前为止，我国已安装规模不等的结构健康监测系统的各类桥梁已达 100 余座6。本文将从桥梁结构健康系统组成的 4 个子系统出发，分别对桥梁结构健康监测系统的研究现状进行阐述。4.1 传感器子系统传感器子系统是桥梁健康监测系统中的硬件系统，功能为感知结构的荷载和效应信息，并以电、光、声、热等物理量形式输出，传感器就是该子系统的主要组成。在实际工程中安装的监测系统，大部分使用的都是传统的传感器，其对应的传感元件和设备组成的监测系统的稳定性和耐久性都不能很好的满足工程实际的需要，特别是对于体积大、跨度长

12、、使用期限长的工程与基础设施结构7。有学者针对智能传感元件的特征指标，对常用的传感元件进行了分类总结以供实际工程选用。光纤是用于长期监测的理想传感元件。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、多参数测量、分布测量等优点，因而近几年来在桥梁工程应用中倍受重视；疲劳丝是构件、评估用最理想的智能材料和传感元件。对桥梁结构进行短期监测，使用这些智能材料都是可行的；技术成熟、外部设备要求较少的电阻应变丝、压电元件是比较理想的传感元件8-11；智能混凝土是廉价的结构本征型智能材料，与结构具有天然的兼容性，显示了美好的应用前景。4.2与传输子系统12-15现代的三大基础是传感器技术、通信技术、

13、计算机技术，它们分别完成对信息、传输和处理。传感器网络将三种技术结合在一起，从而实现信息、传输和处理的真正。由于传感器网络的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注。国防部和各军事部门都对传感器网络给予了高度重视，在C4ISR 的基础上提出了 C4KISR 计划，强调战场的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能力，把传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目。英特尔公司、微软公司等信息工业界巨头也开始了传感器网络方面的工作，纷纷设立或启动相应的行动计划。、英国、意大利、巴西等国家也对传感器网络了极大的，纷纷展开了该领域的研究工作。随着

14、技术的发展，部分桥梁在施工过程中布设了传感器,对桥梁关键部位进行应力监测，采用有线布网的方式建立了桥梁监测系统。经实践证明，基于无线传感器网络技术的桥梁健康监测系统体积小，安装方便，实时性好，检测结果可靠，适用于对桥梁健康状态的实时监测。4.3 数据处理与控制子系统12-15由于传感器的工作环境和布设位置等原因，其的大部分信号微弱，或掺杂了与结构工作性能及损伤状态无关的噪声，需要对信号进行放大、去噪声，才能得到对损伤敏感的特征因子，数据的分析和处理就是特征因子的提取过程。对于信号的处理，近年来出现了数字滤波技术、自适应卡尔曼滤波技术、基变换的小波分析技术、分形几何技术、模糊技术等。另外，数据融

15、合技术开始用于数据处理和结构健康监测的整体评价上。对于常见的数据处理方法，大量的文献都有详细的介绍和说明，在此不再累述，重点对新的数据处理方法进行介绍。在数据处理方面还存在着另外一个突出问题，就是海量检测数据的分析和提取，如何从海量数据中提取有用信息，从中获取结构长期环境条件和荷载的作用、以及结构损伤和性能规律并建立相应的模型。为了解决这一问题，近年来数据的挖掘技术19-21得到了迅速地发展，大学和公路署就数据挖掘的方法，并结合统计分析的，涅狄格州的 4 座大型桥梁的健康检测数据进行了分析和处理，得到了结构模态参数的概率分布，同时进行了其他相关的研究16-18。4.4状况评估子系统19-24结

16、构健康状况评价系统是整个健康监测系统的和，该系般采用功能强大的完成可视化的结果多台服务器或工作站来共同完成结构健康状态评估，并利用图形处理分析与显示。通过采用合理的权值系数和构件损伤指标参数，选取合理的数理统计评估模型，对桥梁运营状态进行打分，并通过预订的分值区间，对结构运营状态做出科学评估。目前用来进行损伤评估的方法有动力分析法、模型修正与系统识别法、神经网络法、遗传算法和小波分析法。其中动力分析法是寻找与结构特性有关的“”变化，通过结构的参数，如刚度、质量、阻尼等会发生改变，从而导致相应的动力的变化，并将这些动力的变化可以看作结构损伤发生的标志，借以结构的损伤。小波分析是数学理论中调和分析

17、技术发展的成果，其优点在于利用一个可以伸缩和平移的视窗能够聚焦到信号的任意细节进行时频域处理，提供多个水平的细节以及对原始信号多尺度的近似，既可看到信号的全貌，又可分析信号的细节，并且可以保留数据的瞬时特性。系统识别与模型修正，是建立和修正一个系统精确数学模型的过程。传统的系统识别技术都可以用于损伤检测，但收敛比较，寻求改进算法是值得尝试的。因此，在现有研究基础上，学者开发了各种基于频率、振型、模态曲率、模态应变等改，在处理方法上探寻了 MAC（模态保证准则）法、COMAC（坐变量的损伤识别标模态保证准则）法、柔度矩阵法、矩阵振动修、非线性迭代法及神经网络法等。5、通顺路大桥健康监测系统5.1

18、 通顺路大桥结构特点市通州区通顺路大桥采用混凝土简支拱梁组合体系，上部结构采用刚性系梁刚性拱结构形式见图 1，此类结构具有以下几个特点：（1）该桥采用简支拱梁组合体系，为外部静定，超静定结构，受力复杂；（2）吊杆穿过上下载能力；，较大地削弱了混凝土拱肋的截面，降低了拱肋的整体承（3）通顺路大桥作为城市桥梁，车流量大，容易使吊杆产生疲劳损伤甚至破坏。图 1 通顺路大桥主桥桥型布置图5.2 通顺路大桥桥梁健康监测系统结构健康监测是根据结构在同一位置上不同时间的测量结果的变化来识别结构的状态，因此历史数据，识别的精度依赖于传感器和解释算法。桥梁健康监测有可能将目前广泛采用的离线、静态的损伤检测，转变

19、为、动态、实时的监测与控制。通常结构健康监测系统应由监测、和状态评估三方面。针对通顺路大桥的力学特点及参考国内桥梁健康监测方面的研究成果，通顺路大桥桥梁健康监测系统采用分层管理模式，其系统可由图 2 表示。图 2 通顺路大桥健康监测系统5.2.1.监测项目基于通顺路大桥结构特点，通顺路大桥桥梁健康监测系统监测项目主要由环境状况监测、结构静力性能监测和结构动力性能监测组成，通过在桥梁主要构件的关键部位布置相应的传感器，对桥梁运营过程中的整体动、静力行为进行监测。具体如下：（1）环境状况监测：在主梁上布设温度传感器、同时利用施工控制所布设的温度传感器，监测温度等环境对桥梁性能的长期影响；（2）静力

20、特征监测：通过在吊杆、系梁、主拱肋弦杆等关键部位布设相关传感器，对桥梁运营中的静力特性进行监测；（3）动力特性监测：通过在主梁及拱肋上布设加速度传感器，监测桥梁结构运营中的动态反应。5.2.2.与常规检测的结合我国公路养护技术规范中规定必须对桥梁进行检测和维修。通顺路大桥的健康监测系统实现桥梁监测与检测的结合，其目的在于：通过对桥梁的技术状况及缺陷和损伤的性质、部位、严重程度及发展趋势，弄清出现缺陷和损伤的主要原因，以便于分析和评价既有缺陷和损伤对桥梁质量和使用承载力的影响，并未桥梁维修和加固设计提供可靠的技术数据和依据。按照监测及检测的范围、深度、方式和检测结果的用途等的不同，通顺路大桥的监

21、测及检测可归纳为下列 4 类，即巡视检测、日常检测、定期检测和特殊检测。该 4 类检测与健康监测的结合关系如图 3 所示。图 3 检测、养护与健康监测的结合关系桥梁健康监测系统将检测及监测的项目进行打分并通过设计规范、桥梁承载力验算公式及有限元模型修正与分析结果确定桥梁的实际承载能力，并将结果作为健康加入到整体数据库中。同时须判断出桥梁当前的健康状态并指明下一步检测的重点项目。如果承载能力发生较大改变，需要进行、向上一级决策层进行案及下一步监测和检测及荷载试验方案。并生成管理和养护方5.2.3.与桥梁管理系统的结合在国际范围内桥梁管理系统发展日趋成熟，我国则相对因此，追踪国际发展前沿，在加大传

22、统桥梁管理系统开发力度的同时，在其中加入健康监测的元素和，实现将健康监测与桥梁管理系统相结合，将大大地推动我国桥梁管理的水平。通顺路大桥健康监测系统即遵照此理念进行设计。5.2.4.桥梁状态评估近年来，由于计算机技术、通讯技术及各类传感技术的发展，使得桥梁的养护和管理模式由以往的外观目测分析及借助部分仪器设备的检测判断为主逐渐发展为综合运用各种现代科技和，这一切使得进行全方位的监测检测和计算机管理变为可能。目前大型桥梁和结构的状态评估技术在国内外已经受到广泛的关注和重视。针对通顺路大桥的结构型式特点以及健康监测的需求。根据桥梁结构的构造特点，将桥粱系统分为桥面系(包括桥面铺装完茬程度、平整度、

23、伸缩缝等)、上部结构(包括拱肋、吊杆、主粱等)、下部结构(包括桥墩、桥台和支座等)、和附属结构四个子系统，再将各个子系统分为若干二级子系统，二级子系统又分别由若干损伤评估指标组成，从而建立了桥梁损伤评估的层次结构模型，并结合现有资料和相关规范，利用层次分析法确定混凝上桥梁各底层指标评估等级向量以及各层指标的权重，最终形成综合评估系统。6、结语大型桥梁的健康监测系统的建设还在不断摸索和创新的阶段，桥梁结构的差异对桥梁健康监测系统设计也有较大差别，特别在不同桥梁结构的伤识别、结构评估等方面还有待更加深入研究和处理、动态参数、损本文就桥梁健康监测系统的应用现状进行了总结，对通顺路大桥的结构特点进行了

24、分析，阐述了该桥健康监测系统的主要，并对该系统的主要特点进行了详细的说明。通顺路大桥健康监测系统在参考目前桥梁健康监测发展成果的基础上，针对桥梁的实际特点，运用现有技术，实现了桥梁健康监测与常规检测、桥梁综合管理系统的有效结合，掌握了大桥运营期间的健康状态，从而确保了大桥的安全运营，为今后统建设提供参考。混凝土拱桥健康监测系参考文献12土木工程结构的性能监测系统与损伤识别方法研究D，2006，余璟，2011，28(2)：1-11结构损伤动力监测与健康监测研究现状与展望J工程力学，3，唐中兴传感器在大跨度桥梁健康监测中的应用与发展J公路交通科技应用技术版，2010， 64(4)：15-184及其进展J桥梁建设，2009，大跨桥梁健康监测系统设计(增刊 2)：7-12，刘文明56.混凝土拱桥健康监测系统研究J科学，2010（15）：127-128，大型桥梁健康监测研究进展J中国铁道科学，2005，26(2)：1-7孙全胜智能桥梁结构健康监测的研究D东北林业大学，2005，腾军基于数据融合的传感器优化布置方法J振动与冲击，2009，28(9)：52-55789如 斜拉桥传感器优化布点的研究J工程力学，2005，22(5)：，171-176飞，10 基于易损性分析的桁架桥传感