监控和结构健康监测

工程施工监控和结构健康监测

中国建筑工程总公司公司技术中心

二O一O年三月

目录

1.施工监控和结构健康监测概述......................................1

1.1施工监控和结构健康监测的目的...............................1

1.2施工监控和结构健康监测的依据...............................1

2.结构分析，测试内容确定.........................................2

2.1结构分析软件的选择..........................................2

2.2结构分析....................................................3

2.3优化设计的测点..............................................3

2.3.1结构静力监测下传感器优化配置...........................3

2.3.2结构动态监测下传感器优化配置...........................4

2.4测试内容确定...............................................10

3.仪器选择........................................................10

3.1选择仪器的指标.............................................10

3.2传输方式选择...............................................12

3.2.1有线连接的传输方式....................................12

3.2.2无线+有线连接的传输方式...............................13

3.2.3无线连接的传输方式....................................14

3.3采集仪选择...............................................15

4.仪器设备安装..................................................16

4.1仪器设备的安装............................................16

4.1.1测量土压力传感器的安装...............................16

4.1.2水压力测量传感器安装.................................17

4.1.3测量混凝土应变传感器的安装...........................17

4.1.4钢筋应力传感器的安装................................19

4.1.5结构挠度测量传感器的安装.............................19

4.1.6结构支座沉降监测传感器的安装.........................21

4.1.7构件内力监测传感器的安装.............................22

4.1.8构件温度场以及环境温度测量传感器的安装..............24

4.1.9环境湿度测量传感器的安装.............................25

4.1.10结构加速度测量传感器的安装..........................26

4.1.11构件角度测量传感器的安装............................27

4.2引线优化...................................................28

5.系统调试........................................................29

5.1检查系统的连接情况........................................29

5.2仪器各参数调试............................................29

5.3软件参数调整..............................................30

6.运行管理......................................................31

6.1仪器的维护................................................31

6.2数据管理..................................................33

7.结构健康诊断评估与安全预警....................................34

7.1损伤识别...................................................34

7.1.1基于固有频率变化的损伤识别............................35

7.1.2其它损伤诊断方法......................................37

7.2安全评定...................................................39

1.施工监控和结构健康监测概述

1.1施工监控和结构健康监测的目的

大跨、复杂、空间工程结构，如跨江跨海的超大跨桥梁、超高层建筑、超大

跨空间场馆结构等，近年来在我国蓬勃兴起。这些结构的出现，往往超出我国规

范的限制范围，虽然经过大量的计算分析和模型试验，但是否真正掌握结构的精

确模型和环境荷载，工程设计是否忽视了某种荷载不利工况或结构的破坏模式，

结构本身是否存在安全隐患，这些都是工程建设和设计者非常关心的问题。在服

役期内，由于结构的疲劳效应、腐蚀效应、材料老化、环境荷载变化等因素会造

成结构的累积损伤并因此造成结构破坏，甚至产生突发的安全事故。这些事故除

了会造成重大的人员伤亡和经济损失外，还会带来极坏的政治和社会影响。这些

存在的问题要求对结构施工阶段进行施工监控，以及运营阶段要进行健康监测。

对工程结构进行施工监控和健康监测，可以真实地反应结构的受力状态，对

其进行诊断，能够及时发现结构的损伤，并评估其安全性，预测结构的性能变化

和剩余寿命，并做出维护决定，对提高工程结构的运营效率，保障人民财产安全

具有及其重大的意义。

1.2施工监控和结构健康监测的依据

各种结构的检测或监测应以国家颁布的有关法规、技术标准、设计规范为依

据进行，对于某些新结构以及采用新材.料、新工艺的结构，无相关条款规定时，

可以借鉴国外或国内其它行业的相关规范、规程的有关规定。参考的标准和规范

可以分为：

(1)工业和民用建筑

《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(JGJ/T23-2001)

《超声法监测混凝土缺陷技术规程》(CECS21-2000)

《建筑结构检测技术标准》(GB/T50344-2004)

《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)

《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)

《工业厂房可靠性鉴定标准》(GBJ144-90)

《混凝土结构试验方法标准》(GB50152-92)

《民用建筑可靠性鉴定标准》(GB50292-1999)

《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106-2003)

《钢结构设计规范》(GB50017-2003)

《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)

(2)道路和桥梁

《城市桥梁养护技术规范》(CJJ99-2003)

《公路桥涵养护技术规范》(JTGH11-2004)

《公路工程质量检验评定标准》(JTGF80/1-2004)

《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)

《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ023-85)

《城市桥梁设计荷载准则》(CJJ77-98)

《城市桥梁设计准则》(CJJ11-93)

《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)

《公路桥涵设计通用规范》(JTJ021-89)

需要说明的是，上述的是主要参考的标准和规范，其它在此没有提到的相关

标准仍可参考使用。

2.结构分析，测试内容确定

2.1结构分析软件的选择

近些年，随着电脑的飞速发展，有限元软件的开发也是日新月异，以满足人

们对结构分析的要求，确保结构分析的精确性。对结构的分析，特别是对大型复

杂结构的分析，采用有限元分析软件有ANSYS、ABAQUS、MIDAS、SAP2000、MARC、

LS-DYNA等，每个软件都有其独到之处，针对工程的不同特点，可以选择不同的

分析软件，有时候可以起到事半功倍的效果。现介绍不同的结构类型所采用的不

同有限元分析软件，见表1。

表2-1结构分析所需的有限元软件

结构分析主要的

结构类型备注

有限元分析软件

在多高层结构中，如果是对剪力墙进行弹

塑性分析，采用ANSYS对剪力墙的弹塑性

多高层结构ANSYS、ABAQUS等分析存在一些不足；ABAQUS的强项在于实

体分析和壳单元分析，对于杆单元的分析

则不是其优势所在。

SAP2000专用于空间结构，如网壳类、桁

空间结构SAP2000、MIDAS等

架类、不规则结构的分析。

桥梁结构MIDAS＞桥博等一

ANSYS、EASY、3D3S

索膜结构3D3S有单独计算索膜结构的模块

等

另外，对于一些特殊结构，如果需要使用到简单的二次开发，可以选用

ANSYS、ABAQUS等带有编程语言的有限元通用软件。

2.2结构分析

选择适当的有限元分析软件对结构进行分析，以判断结构的薄弱之处。采用

有限元软件分析的整个过程中，为了确保能够真实地反映结构的受力情况，要注

意以下几个方面（以软件ANSYS为例）：

（1）注意单元类型的选择；

（2）材料恢复力模型的选择；

（3）单元大小的划分；

（4）边界条件的简化及模拟；

（5）收敛条件的选择；

通过有限元软件的分析，可以判断出结构的薄弱层、薄弱构件、薄弱截面等

应力比较集中的地方，对这些关键部位进行传感器布设，以时刻掌握结构薄弱处

的受力状态，保证结构的施工及运营的安全。

2.3测点的优化设计

在大型复杂工程结构中进行监测之前，需要对传感器的布点进行优化设计，

即确定传感器的布设位置和布设数量，这样能够节省很多人力、物力、财力。目

前，传感器布点优化设计主要应用于大型复杂的桥梁结构，现分别介绍静力监测

和动态监测下传感器的优化布设。

2.3.1结构静力监测下传感器优化配置

目前对传感器进行优化配置大多是在结构动力监测上，而往往忽略了在静力

作用下，结构进行传感器优化配置时，常常是按常规布置，而实际结构中，特别

是桥梁结构，每一座具体桥梁结构所关心截面位置是不一样的。

复杂的桥梁结构在车辆荷载作用下受有轴力、弯矩、剪力、扭矩等作用，其

截面应力处于复杂应力状态，很难将其应力用一个数学表达式表示。因此，根据

插值拟合的误差最小准则来配置复杂结构静力应变传感器，采用曲线拟合的方

法，即通过采集结构上的传感器的输出值（关键位置的应力值），通过曲线拟合,

拟合出结构上任一点的应力值，然后与计算值比较，得到插值误差。根据调整传

感器位置拟合不同的效应（应力）曲线，取拟合误差最小的传感器布置方案。该

优化方法的步骤如下：

（1）在结构的关键位置布置传感器，在桥面上作用额定荷载，可以测量得

到结构关键位置的效应值y,通过多项式插值拟合——拉格朗日插值拟合出结构

的效应值曲线方程：

〃%）=£n』（2/）

式中：n——已知插值点的个数；

”——插值点相应的效应测量值；

/（%）——拟合效应值曲线方程。

（2）利用拟合曲线方程计算出结构上任一点效应值，为了分析传感器的位

置、数量以及拟合方法的精度，利用结构分析软件（如ANSYS或其他结构计算

软件）计算出上述额定荷载作用下结构的实际效应值，再与拟合曲线方程计算值

进行比较，得到拟合误差，根据拟合误差最小准则，选取优化的传感器位置和数

星

里.O

2.3.2结构动态监测下传感器优化配置

实际上，任何一个结构时刻都处在复杂的荷载作用下，并不只受静力荷载，

所以为了能够真实地判断结构的损伤情况，对结构进行动态的监测更有意义。

通过基于动力响应及振动模态分析的结构损伤识别方法在桥梁健康监测领

域具有非常广阔的应用前景，但其有效性的基础是建立在模态测试的准确性上，

即传感器的位置、数量对测试结果起决定作用。由于传感器本身需要一定的成本,

与其配套适用的数据采集和处理设备的代价也比较高，从经济方面考虑，希望采

用尽可能少的传感器，所以在监测过程中，我们不可能在结构所有的自由度上都

布设传感器，也就不可能取得桥梁结构完整的模态数据，只能应用测试得到的不

完全模态数据直接进行损伤识别，那么传感器布置的位置和数量就对损伤识别的

效果起着至关重要的作用。

这种基于模态分析的传感器优化布点问题最早是在轨道航天器的动态控制

和系统识别中得到广泛的研究，主要方法有以下几种，现在也广泛应用到土木工

程领域。

(1)有效独立法

有效独立法，主要思想是从所有的测点出发，逐步消除对目标模态向量线性

无关贡献最小的自由度，其目的是用有限的传感器采集到尽可能多的模态反应信

息，后来的许多算法都是对这种方法的引申和发展。

对于仅需要对结构的模态振型进行识别的模态实验，当其模态可以确保被充

分激励出来的情况下，待识别参数可以表示为振型的广义坐标q,传感器的输出

可以表示为：

Us=6q+N

式中，5一传感器的输出信息；

①S——所监测模态阵型按候选测点缩减后的模态矩阵；

N——代表具有方差痛的静态高斯白噪声。

假设有s个候选测点，而只有m(m<s)个传感器可用，则这种方法的目标是保

持尽可能多的线性无关信息，从而获得模态振型的最佳估计，即真实的广义坐标

》的最佳估计。对应于.存在着一个偏差，假如这个过程是一个无偏有效估计，

估计偏差的协方差矩阵p由下式给出：

八y

q-q

其中，Q为Fisher信息矩阵。信息矩阵的最大化，将会得到参数q估计偏差的

协方差最小，也就是得到了口的最佳估计。

由于假设测试噪音为静态高斯白噪音，对某一测量过程来说是恒值，Fisher

信息矩阵可以表达为：

工0T0

当°取得最大值也就是4取得最大值，因此可以用4来代表信息矩阵。

候选测点对模态矩阵的线性无关的贡献用矩阵E的对角元来表示，E的表达

式如下:

如果Eii=O,则表示在相应第i测点上无法识别所关心的模态，Eii=l则表示相

应测点是关键点，不能排除。有效独立法通过E矩阵对角元大小来对各个候选测

点的优先顺序进行排序，用迭代算法每次排除相应对角元最小的测点，再进行下

一次迭代，直到得到满意的布点数，最终尽可能的保持了缩减模态矩阵的线性独

立和Fisher信息阵的行列式，从而能够从测试数据中得到模态反应的最佳估计。

有效独立法是至今为止在振动测试中应用最广的一种成熟的布点算法，它利

用复合模态矩阵E的幕等性（2-5）,逐步删除对E的秩贡献最小的自由度，由此来

优化Fisher信息矩阵，使感兴趣的模态向量在最少测点的情况下，尽可能保持线

性无关，从而在测试中可以采集到最大的模态信息。

（2）模态保证标准法（MAC）

由结构动力学原理可知，结构各固有振型在节点上的值形成了一组正交向

量。但由于量测自由度远小于结构模型的自由度并且受到测试精度和测量噪音的

影响，测得的模态向量已不可能保证其正交性。在极端的情况下甚至会由于向量

间的空间交角过小而丢失重要的模态。因此在选择测点时有必要使量测的模态向

量保持较大的空间交角，从而尽可能地把原来模型的特性保留下来。模态保证标

准矩阵是评价模态向量空间交角的一个很好的工具，其公式表达如下：

MAC.=---------------——

y①⑺丁①⑺①3)7①⑺

式中，①——第i阶模态向量；

①⑺——第j阶模态向量。

于是通过检查各模态在量测自由度上形成的向量MAC阵的非对角元，即可

判断出相应两模态向量的交角状况。换句话说，当MAC阵的某一元素时式沾力等

于1时，表面第i向量与第j向量交角为零，两向量不可分辨；而当“声岸"等于

零时，则表明第i向量与第j向量互相正交，两向量可以轻易识别。故测点的布置

应力使MAC矩阵非对角元向最小化发展。

(3)基于特征向量敏感度的方法

这种优化布点方法基于特征值敏感度分析，现介绍如下。

假设结构为小阻尼系统，结构损伤只引起刚度的变化，而质量和阻尼特性不

发生变化。对于一个n自由度的动力系统，当刚度发生一个小的挠动后，忽略阻

尼的振动控制方程为：

[伏+9)—(4+A4)M[(R+A①,)=0(2-7)

其中k和"分别表示结构的刚度和质量矩阵，4和①,表示第i阶特征值和

特征向量，M和AR则分别表示由损伤引起的刚度、特征值和特征向量

的微小变化。再把振型的变化表达为初始系统模态的线性组合：

△①,=宜八①女

k=i(2-8)

其中4%为一个比例系数，n为初始系统的总模态数。把式(2-8)代入式(2-7),

忽略二次项，整理后可得：

A小S-①1A左①

r=l4r—4

r制(2-9)

进而把由损伤引起的刚度减少看作各个单元损伤的总和，表达式如下:

I

△左=£&K*,(-1W%<0)

*=i(2-10)

勺和分别表示结构第K个单元的刚度矩阵和损伤系数，I为损伤单元数。

将式(2-10)代入式(2-9)可得：

3白一①,^中.

△①:尸(K)bA

k=\r=l4r-4

r^i

、(2-11)

F(K)二.一①*总①方-①/R①)-①1R①

r=l4r-Ar=l4r-Ar=l4r一A

Lrwirwirwi7(2-12)

6A={aa.....a,}

}2(2-13)

其中，F(K)一第i阶模态的敏感向量；

§A——损伤系数向量。

如果需要监测多阶模态，F(k)就成为敏感度矩阵。然后，按照线性独立的分

析过程，可以构造F(k)矩阵的Fisher信息矩阵及E矩阵：

A=F(k)】F(k)(2.14)

TT⑵]5)

E=F(k)\LF(k)F(k)j'F(k)

E矩阵的对角元表示相应测点对结构损伤定位的贡献，那么就可以构造和有

效独立法相同的迭代过程，从而得到基于此种思想的传感器最优布点方案。

(4)基于运动能的方法

这种方法是以传感器测得的结构运动能最大为优化目标，所得到的布点方案

能为模态识别提供更高的信噪比。结构的运动能分布公式为：

KE=①7M①(2-16)

第i个测点对所监测的结构第n阶模态的运动能的贡献为：

KEm=9》M®j,(2-17)

j

对所有监测模态的运动能贡献为：

K耳=Z%ZM®#(2-18)

k=lj

其中m为所监测的模态总数。从而，以所监测某一阶模态的运动能最大或

所有模态的运动能平均值最大为优化目标，根据各个候选测点对目标值的贡献进

行排序，就可得到布点方案。

由优化算法选定的一组测点，有必要建立一个标准对其进行评价，也是对相

应的传感器优化布点算法的优劣进行评价。目前，关于测点布设的评估标准主要

有五个：

(1)模态保证标准(MAC)

MAC经常用来验证理论和实测模态振型之间的相关性，此处我们只有理论

分析模态振型。MAC的非对角元越大，振型向量的相关性越强，于是通过检查

各阶模态振型在量测自由度上形成的MAC阵的非对角元，即可判断出相应两个

振型向量的交角情况。为了得到各个振型向量之间相关性的一个平均量值，可以

采用非对角元的均方根值作为标准。

（2）修正模态保证标准

通常MAC矩阵的非对角元不为零，因为振型向量是关于质量或刚度矩阵正

交，而MAC矩阵中并未考虑这些因素。我们可以引入质量矩阵，定义修正模态

保证矩阵：

①⑺T

ModMAC=--7^=----——―———

V；i①①⑴①①⑺（2.19）

其中M为缩减质量矩阵，通常由总的质量矩阵直接划去相应的行和列得到。

修正后的模态保证准则在测点布设方案评估中有一定的优势。但是，由于引入了

质量阵会使计算变得繁琐。

（3）振型矩阵的条件数

设A为n阶可逆方阵，⑶表示A的任意一种范数，则A的条件数定义为：

网（2-20）

鉴于矩阵A的范数有多种定义，因此条件数的定义也有多种，最常用的条件

数是由谱范数।儿导出的谱条件数。一个可逆矩阵的条件数等于它的最大特征值

和最小特征值之商；假若A为一个病态阵，则A的条件数定义为最大奇异值和最

小非零奇异值之商。

一个矩阵A被称为是病态的，如果它的列向量近似的线性相关，此时相应的

条件数将很大。因此可以用振型矩阵的条件数来评价传感器布置的好坏，如果条

件数接近1，说明布点较好，反之则较差，其本质和MAC类似。

（4）模态运动能

结构运动能的分布公式见（2-16）,可以用某一阶振型运动能的大小或各阶

振型运功能的总和作为标准来评价布点方案。此标准比较直观地评估出测点方案

对结构反应的数据采集能力，但不保证测量模态向量的正交独立性。

（5）Fisher信息矩阵

Fisher信息矩阵的行列式值表示布点中保留的振型信息的多少，因此我们希

望它的值尽可能的大。Fisher信息矩阵的一个不利因素是它没有一个固定的范围，

不能对布点方案进行定量的评价，而只能定性比较不同方案的优劣。

综合上述测点布设方案的五个评估标准，标准1、标准2、标准3在保障实验

模态向量的正交性方面起到了基本的作用，但不能保证测点对结构待识别参数的

敏感性达到最优。标准4能保证传感器布设在反应的高幅点，有利于数据的采集

及提高测量的抗噪能力。标准5依赖于待识别参数q,当q为广义坐标向量时，它

能够保证实验模态向量的正交性。

2.4测试内容确定

通过结构监测的目的和布点的优化设计，可以确定在结构上所要监测的测

点，再根据结构的有限元分析，可以确定在结构中每个测点所要监测的结构参数。

一般来说，监测的内容比较多，主要包括以下几个方面：

（1）结构构件截面上应力的分布状态及其大小；

（2）结构的各种静态变形，也括水平位移、挠度、相对滑移、转角等。结

构局部的损坏现象如裂缝的分布及其宽度、深度等；

（3）结构的动力特性，如自振频率、周期、衰减特性等，以及在动力荷载

下的结构的动应力、动位移、速度和加速度等。

3.仪器选择

3.1选择仪器的指标

目前，最常见的检测仪器分类见表2。

表2T检测仪器分类

分类依据仪器类型

机械式测试仪器、电测仪器、光学仪器、声学仪器、

仪器的工作原理

复合式仪器、伺服式仪器等

仪器的用途测力计、应变计、位移计、倾角计、测振仪等

测定的方法平衡式和非平衡式

结构显不与记录方式直读式、自动记录式、模拟式、数字式

仪器与结构的相对关系附着式、接触式、手持式、遥测式等

在选择仪器之前，需要了解衡量各种仪器的性能指标，一般包括以下几个方

布:

（1）量程：指仪器的最大测量范围，如百分表的的量程一般有5cm和10cm。

（2）最小刻度：指仪器指示装置的每一最小刻度所代表的数值，如百分表

的最小刻度为0.01mm,千分表的最小刻度为0.OOlmmo

（3）灵敏度：是指仪器对被测参数变化的灵敏程度，或者说是对被测的量

变化的反应能力，是在稳态下输出变化增量对输入变化增量的比值，灵敏度有时

也称“放大比”，增加放大倍数可以提高仪器灵敏度，单纯加大灵敏度并不改变

仪器的基本性能，即仪器精度并没有提高，相反有时会出现振荡现象，造成输出

不稳定。仪器灵敏度应保持适当的量。

（4）绝对误差：指被测参数测量值和被测参数标准值之差。（所谓标准值是

精确度比被测仪表高3-5倍的标准表测得的数值）

（5）精确度：又称准确度，精确度和误差可以说是李生兄弟，因为有误差

的存在，才有精确度这个概念。简而言之就是仪表测量值接近真值的准确程度，

通常用相对百分误差（也称相对折合误差）表示。精确度是仪表很重要的一个质

量指标，常用精度等级来规范和表示。精度等级就是最大相对百分误差去掉正负

号和百分号。按国家统一规定划分的等级有0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.35、

1.0、1.5、2.5、4等，仪器精度等级-一般都标志在仪器标尺或标牌上。要提高

仪器精确度，就要进行误差分析。误差通常可以分为疏忽误差、缓变误差、系统

误差和随机误差。

（6）复现性（重复性）：测量复现性是在不同测量条件下，如不同的方法，

不同的观测者，在不同的检测环境对同•被检测的量进行检测时，其测量结果一

致的程度。测量复现性必将成为仪器的重要性能指标。

（7）稳定性：在规定工作条件内，仪器某些性能随时间保持不变的能力称

为稳定性（度）。通常用仪器零漂移来衡量仪器的稳定性。

（8）可靠性：可靠性和仪器维护量是相反相成的，仪器可靠性高说明仪器

维护量小，反之仪器可靠性差，仪器维护量就大，通常用平均无故障时间MTBF

来描述仪器的可靠性。

了解了仪器的各种性能指标，再根据结构检测或监测的需要来确定所需仪器

的类型、型号等，现以国内儿种主流应变传感器为例子，分别比较它们的主要参

数以及适用范围。

国内传统的测量结构应变所使用的测量仪器主要有儿种类型：电阻应变片、

振弦式应变传感器、光纤光栅式应变传感器。

(1)应变片的使用是一种比较传统的应变检测方法，其存在着不足之处，

如贴片工作量大，安装不方便且成活率低，每一测点都需要连一个单独的线到二

次仪表上，使用的导线多而复杂，易受温度和电磁场、潮湿等的影响，特别是野

外测量时对仪器的抗干扰性能要求高，应变片不能重复使用，不适合于做长期监

测等。

(2)振弦式应变传感器的对测点的频率响应过慢，不能很好的测试动态应

变，数据不稳定，而且读数很慢，需要一个个测点的读数。弦式传感器也存在安

装不方便，一般较难粘在表面，使用焊接安装，而且不能很好的将混凝土的应变

传递到采集仪上，这是由弦式传感器的构造决定的。振弦传感器的工作原理是源

于一根张紧的钢弦振动的谐振频率与钢弦的应变或者张力成正比。钢弦外面用钢

管封装着，属于铠装，不是柔性的，因此不能很好的将测点的变形传递到钢弦上

(在支座有损失)。

(3)光纤光删式传感器可以串接在一根线上，因此线会少些，但是光纤光

栅式传感器安装的成活率不高，稳定性问题主要表现在传感元件的蠕变效应，主

要是由于黏合剂的蠕变引起的。

3.2传输方式选择

3.2.1有线连接的传输方式

总线上可接多个

RS485集线盒

每•个集线盒上

都可按不同类型

的传感器多个

HY-65050F由5485集线盒

位移传感器u

电源"

HY-65DJ3000B

.变传感器

RS-

RC65D工程结构

体动静态挠度沉

降测试仪

图3-1有线连接传输示意图

有线连接的数据传输，这种传输方式运用于早期的施工监控和结构监控中,

适用于小型的工程。采用这种的传输方式，存在弊端有以下几个方面：

（1）不能远程监控（RS485最大传输距离是1219米）；

（2）浪费了大量的电缆线或光缆线；

（3）浪费大量的时间来布引线；

（4）在施工中，容易造成引线的破坏，使得检测或监测失败。

3.2.2无线+有线连接的传输方式

]无线数据中继收发器

HY-65O5OF[0

位移传感器U□（接到集线盒上）

无线传输有效距离可以有100〜200米、

1000〜2000米、2000〜5000三种供用户选择

HY-65DJ3000B

应变传感器每一个集线盒上

调]都可按不同类型

12VI1源的传感器共20个

RS-

RC65D工程结构

体动静态挠度沉

降测试仪

J以有多个无线数据收发盒来组成多达数百个传感器的测试网络

[无线数据中继收发器

1□（接到集线盒上）

HY-65DJ3000B

应变传感器每一个集线盒上

无线数据中继收发器■都可按不同类型

（接电脑端）12V也源的传感器共20个

笔记本电脑

RC65D工程结构

体动静态挠度沉

12Vl瞒

降测试仪

图3-2无线+有线连接传输示意图

无线+有线连接的数据传输，这是目前普遍采用的一种传输方式，它不但降

低了在施工现场拉接引线带来的劳动量，也能够实现远程的监控要求。如果想远

距离传输，可以通过CDMA手机GPRS网络无线数据透明传输，即用远端的计算机

来和现场测试的计算机之间数据通信。使用手机用的GPRS网络来传输信号，这

样传输和通信的距离就可以无限远了。在这个传输示意图中，要注意连接电脑的

无线数据中继收发器有的需要电源供电，有的靠电脑的USB口供的电就能够满

足。

3.2.3无线连接的传输方式

HY45DJ3000B应变

传感器（询）

某个测试梁或某个截面

中继收发

器（接盒RS-

子端）IRC65D工程结构体动

静态挠度沉降测试仪

传感器无线数据收发器

传感器无线数据收发器

12V电源用于无线的传输接力红外线遥控器

无线数据中用来控制传感器电源的接通和关闭

继收发器

（接电脑

□、端）

笔记本电脑

可以组成多达数百个无线传输传感器的测试网络

12V电源

图3-3无线连接传输示意图

完全无线连接方式安装快捷，能节省很多的时间，也能省去了很多布线和查

线的麻烦，大大提高了工作效率。但在实际工程的适用中，其造价比较高，并且

要注意：如果有条件，尽量使每个天线间处在可视（不遮挡），这么对信号传输

质量有帮助。如有有遮挡的情况，那么可尽量把天线放高点，这样有利于信号传

输质量。

通过上面三种传输方式的介绍，分别了解了它们的优缺点，根据工程的实际

情况来确定采用哪种的传输方式。选择依据是：

（1）实际工程布线的可行性；

（2）是进行长期监测还是短期监测。长期监测一般采用后两种传输方式；

（3）工程监测经费的预算。

3.3采集仪选择

一般来说，采集仪会给传感器一个激励信号，然后得到传感器传回的响应信

号，从响应信号中来判断传感器所测参数的变化，所以采集仪中各参数对数据采

集也有一•定的影响。

对采集仪的选择，应该结合工程的实际情况和监测需要，需要从以下儿个方

面来考虑：

（1）从采集仪通道数来选择；

（2）从最高采样频率来选择；

（3）传感器参数的设置；

（4）传感器的标定；

（5）从采集方式来选择，即是否可进行动态采集能力；

（6）A/D分辨率；

（7）供电方式；

（8）整个采集仪箱子是否设有保护措施，如防雷击装置等。

4.仪器设备安装

4.1仪器设备的安装

在整个工程检测或结构健康监测系统中，所用到的主要仪器有数据采集仪和

各种传感器。数据采集仪主要固定在一个安全、不影响施工和以后运营的地方。

除了采集仪的安置以外，更重要的是传感器的安装，因为它关系到整个健康监测

系统测量结果的准确度，也就关系到整个结构是否能够安全施工和安全运营的关

键，是整个系统中的重点。下面将介绍各种比较常见的传感器的用途，以及安装

方法和注意事项。

4.1.1测量土压力传感器的安装

目前，测量土压力的常用传感器有单膜土压力盒和双膜土压力盒，适用与建

筑基础、挡土墙、隧道、土坝、沉井、桥墩等结构边界土压力的长期观察。在土

压力测量之前，土压力盒的埋设问题非常重要，直接关系到土压力测试精度以及

传感器成活率的最重要因素。土压力盒主要应用于以下三种情况。

（1）测量基底接触压力时传感器的埋设

测量基底接触压力时，要求土压力盒承压板与基础底板下的垫层面齐平。埋

设时，据现场情况可采用直接埋设、预留孔埋设及混凝土块体埋设等方法。

（2）测量结构物接触压力时传感器的埋设

测量采用大开挖-回填方法施工的地下结构物（如浅埋地下铁道、人防工事）

以及桥台、挡土墙等所受的接触压力，可在结构物施工过程中预留土压力盒位置,

即在结构物混凝土浇注前，将预埋件安装于内外模板间。在测量深基坑围护结构

（如地下连续墙）的接触压力时，土压力盒的埋设工艺比较复杂，通常采用水压

（或气压）活塞式埋设法、挂布法及土压力盒埋设器法等。

（3）测量自由场土压力时传感器的埋设

测量填土中的应力、土压力盒的埋设方法简单，只需控制土压力盒周围土体

的密实度及埋设面的水平度。测试软土中深层水平应力，则需在现场钻孔，然后

在孔中埋设铲式侧向土压力盒。

4.1.2水压力测量传感器安装

在施工中，土体孔隙水压力变化对结构的影响不可忽视。尤其是水泥粉煤灰

碎石桩在软土地基中采用振动沉管法施工会产生较大的超孔隙水压力，这使得在

后期的基坑开挖过程中桩隆起成为可能，影响结构的安全。为了减小桩基施工对

上体的扰动，必须采取相应的监测手段对打桩的全过程进行信息化指导，这包含

了对土体孔隙水压力的监测。

目前常用的空隙水压力计可用于建筑基础、沉井、桥梁墩台、隧道等结构的

地下空隙水压力的测量，若与土压力盒配合适用，可同时测量地基总压力和地下

空隙水压力。

空隙水压力计其锥型透水石联有金属锥头，它适合在钻孔中使用。在予埋设

的位置先铺垫10cm厚的细砂，用结实的细绳钩挂住传感器，沿钻孔慢慢放入，

锥头接触到细砂后，再向孔中置放细砂将透水石完全裹住，以利透水。

4.1.3测量混凝土应变传感器的安装

用于测量混凝土应变的传感器有很多种，根据传感器的安装位置可分为表面

式和埋入式，根据测量原理可分为光纤光栅传感器、振弦式传感器等。混凝土应

变传感器在结构的布置时，应该注意以下几点：

（1）不管是光纤光栅传感器还是振弦传感器，是表面式布置还是埋入式布

置，其应用于测量构件某一方向混凝土应变变化时，传感器的轴线方向务必平行

于应力测量方向。当采用埋入式时，如图4T的采用振弦传感器，用细铁丝缠住

定位，绑在与应力测量方向一致的钢筋上；当采用表面式传感器时，如图4-2

的采用光纤光栅传感器，在监测点上，沿着混凝土应变监测的方向，要使得传感

器牢牢地固定在混凝土表面上。常用的方法有：表面植筋法、黏贴法等。

图4-1埋入式传感器图4-2表面式传感器

（2）在钢结构应变测量中，传感器多采用表面式安装。如采用光纤光栅应

变传感器，则要在被测点焊接两个和传感器长度相对应的底座，然后将传感器用

螺栓固定在底座上。这种安装方式可靠性高、安装简单，但要注意在焊接底座时

采用就弧焊满焊（并且应将光纤光栅钢筋传感器部分（中间段）浸泡在水中或布

包浇水，以免过热损坏光纤光栅钢筋传感器），可防止底座与钢结构产生相对位

移，保证测量精度，并且传感器用螺栓固定后，还需用特殊胶封盖，可以防止因

钢结构振动造成的螺栓松动，增加测量的可靠性，见图4-2。

（3）当采用埋入式布设传感器时，要把传感器布在受力主筋下方，防止布

设好的传感器方向受到浇筑混凝土的冲击而改变所测的方向，见图4-1o

（4）钢筋混凝土结构的施工过程属于典型的粗放式作业，如何很好的保护

传感器的引线，以免在浇筑、振捣和压模等施工过程中导致的冲击折断是在布设

感器时所必须要考虑的问题。传感器的引线沿结构钢筋引出，用细铁丝或者胶带

绑在钢筋底下，并且在引线出构件表面处要对引线套上软质塑料管悬空于钢筋笼

上方，以免在施工时引起导线损坏，见图4-1。另外，应尽量减小传感器引线在

混凝土内部的布设长度，可以在离传感器较近处的模板上开洞，将引线引出。对

于光纤光栅传感器，在引出时还需要注意不要把光纤弯折太大，否则会造成反射

的光信号很弱，甚至没有信号。

图4-3钢结构上表面式传感器图4-4传感器光缆的保护

4.1.4钢筋应力传感器的安装

对钢筋应力的测量，目前采用的钢筋应力计有光纤光栅传感器、振弦传感器

等。在结构上对选定的测试点布设钢筋应力计要注意以下几点：

（1）根据预先确定的方案选定测点，将钢筋应力计沿着所要监测的应力方

向安装，通常选择与该方向的主筋对焊在一起，即在该主筋的中间段截去与钢筋

应力计一样长度的钢筋，把钢筋应力计两端与主筋焊接上。在焊接时，一般采用

电弧焊，焊接的面积应不小于钢筋的有效面积；或者采用两根钢筋短头夹在焊点

两侧并焊牢，在焊接的过程中，宜用软布将钢筋计壳体裹住，或者采用水流冷却,

这是普遍采用的有效方法。

（2）在监测方向，所选的与钢筋应力计焊接的主筋，其截面面积必须与钢

筋应力计两端的钢筋截面面积相当，这样通过传感器测得的应力值才能真实反应

钢筋的受力。

（3）如何保护好钢筋应力计的引线以免在浇筑、振捣和压模等施工过程中

导致的冲击折断是在布设应力计时所必须要考虑的问题。传感器的引线沿主筋引

出，用系铁丝或者胶带绑在主筋上，并且在引线出结构表面处要对引线套上铅塑

管，以免在浇筑混凝土时而引起导线损坏。

（4）应尽量减小钢筋应力计的引线在混凝土内部的布设长度，我们可以在

离应力计较近处的模板上开洞，将引线引出。

4.1.5结构挠度测量传感器的安装

目前常用的挠度测量方法有经纬仪、水准仪、百分表等，已广泛用于结构施

工现场检测及验收鉴定中，但这些廉价、结构简单的测量方法存在费时费力、使

用不便、实时测量困难等不足。因此，一些基于传感技术的新型挠度测量方法，

如测量机器人（全自动全站仪）、倾角仪、GPS、激光图像法、连通管法、光电成

像法等逐渐应用于结构挠度监测中，比如大型的桥梁结构，可实现长期、远程、

自动测量。下面将介绍几种新型挠度测量传感技术其监测技术原理以及性能特点

的比较，见表4-1。

表4T结构挠度监测技术原理及性能特点的比较

方原理性能特点

法

该仪器主要由棱镜和主机组成，由

主机的红外测距仪发出的红外线经安

高度的智能化、很快

装于结构上棱镜的反射后又被接受到，

测量的测量速度、大的量程和

从而测得结构被测点到测量机器人之

机器人很高的测量精度是测量机

间的距离，同时，集成在主机上的电子

器人独一无二的特点

经纬仪测出棱镜相对于主机的水平方

位角和垂直角，从而计算出结构的变形

不需现场测量基准

利用地心引力（铅垂线）为基准，采及不受日光、雨、雾等影

倾角仪用电学方法，测量结构变形后相对于铅响，适合自动化测量，测

垂线的倾斜角，从而计算出结构变形量范围较大，可实现一维/

二维测量

在2台以上的GPS接收机同步接收

卫星信息的情形下，将其中一部接收机

能动态实时、自动三

设为参考站，通过无线电将参考站所接

GPS维测量，便于与计算机接

收的卫星信息加以广播，而装在其他结

口，且测量范围大

构物上的GPS接收机藉此确定其三维坐

标

利用激光良好的方向性，固定在结

激光构被测点的激光器随着结构不同程度测量精度高，且采样

图像法的变形，照射在光电接收器上的激光光速率高，成本较低

斑中心也随之发生等量变化，因此只要

获取光斑中心位置就可得到结构挠度

测量准确度高，可实

利用连通管中各处液位相同的原

现自动化及一维测量，不

理，将液位作为基准，利用液位计测量

连通管法受测量距离限制及日光、

各个连通管中的液位变化，从而判断出

雨、雾影响，但只能测量

该连通管所处的挠度变化

垂直位移

利用工业摄像机摄取安装在桥梁

准确度及采样速率

光电上某点的测量标志图像，通过测量标志

较高，测量范围大，且测量

图像法图像的变动，计算出测量标志处的二维

距离较远

变形

目前，常用于测量结构挠度的是机器人挠度传感技术，测量机器人也称为全

自动全站仪器。测量机器人测定一个目标棱镜空间位置后，会自动切换到下一个

目标棱镜，所测得的数据有目标的距离、水平角和垂直角，从而来确定其位置。

之后，继续切换到下一个目标，这样循环扫描便可依次获得不同时刻各个点的空

间坐标，各点在竖直方向不同时刻空间位置变化即反映出结构挠度的变化。

4.1.6结构支座沉降监测传感器的安装

根据现行的规范要求，高层建筑物、高耸构筑物、重要古建筑物及连续生产

设施基础、动力设备基础、滑坡监测等均要进行沉降观测。特别在高层建筑物施

工过程中应用沉降观测加强施工过程监控，指导合理的施工工序，预防在施工过

程中出现不均匀沉降，及时反馈信息为勘察设计施工部门提供详尽的一手资料，

避免因沉降原因造成建筑物主体结构的破坏或产生影响结构使用功能的裂缝，造

成巨大的经济损失。

目前，通常采用的是静力水准系统来测量监测点彼此之间的垂直高