结构力学监测方法

结构力学监测方法一、结构力学监测概述

结构力学监测是通过对建筑物、桥梁、隧道等工程结构进行系统性的数据采集和分析，评估其结构安全性能、变形状态和受力情况的重要手段。通过科学监测，可以及时发现结构异常，预防潜在风险，保障工程安全。

二、监测方法分类及原理

结构力学监测方法主要分为以下几类，每种方法基于不同的力学原理和测量技术。

（一）位移监测方法

位移监测主要用于测量结构在荷载作用下的变形情况，是结构力学监测的核心内容之一。

1.激光测量技术

(1)激光扫描：利用激光束高精度测距原理，通过扫描整个结构表面，获取高密度点云数据，生成三维变形图。

(2)激光干涉仪：通过激光干涉原理测量微小位移，精度可达纳米级，适用于精密监测。

2.全球定位系统（GPS）

(1)卫星定位：通过接收多颗卫星信号，计算结构关键点的三维坐标，适用于大范围、长周期的监测。

(2)基准站技术：建立固定基准站，定期校准，提高监测数据的可靠性。

（二）应变监测方法

应变监测用于测量结构内部的应力分布，判断结构受力状态。

1.电阻应变片

(1)粘贴式应变片：将应变片粘贴在结构表面，通过电阻变化计算应变值，成本较低，应用广泛。

(2)导线式应变片：适用于高温或腐蚀环境，但安装复杂。

2.钢弦式传感器

(1)工作原理：通过钢弦振动频率变化反映应变大小，抗干扰能力强，适用于长期监测。

(2)数据采集：通过读数仪实时记录频率变化，计算应变值。

（三）倾角与振动监测方法

倾角和振动监测主要用于评估结构的稳定性和动态响应。

1.倾角监测

(1)电子倾角仪：通过加速度计测量倾斜角度，适用于塔桅结构等高耸工程。

(2)液体摆式倾角仪：利用液体表面水平原理，测量微小倾斜，精度较高。

2.振动监测

(1)加速度传感器：测量结构振动加速度，分析频率和振幅，判断结构动力特性。

(2)位移传感器：测量结构振动位移，适用于大跨度桥梁等柔性结构。

三、监测实施步骤

结构力学监测的实施需遵循科学流程，确保数据准确性和可靠性。

（一）监测方案设计

1.确定监测目标：明确监测目的（如安全评估、变形分析等）。

2.选择监测方法：根据结构特点和监测需求，选择合适的监测技术。

3.布置监测点：在关键部位设置监测点，确保覆盖整个结构受力区域。

（二）设备安装与校准

1.安装监测设备：按照设计位置固定传感器，确保接触良好。

2.校准设备：使用标准仪器校准监测设备，误差控制在±1%以内。

3.连接数据采集系统：确保数据传输稳定，避免信号干扰。

（三）数据采集与分析

1.定时采集数据：根据监测周期（如每日、每周）采集数据，避免遗漏。

2.数据处理：使用专业软件（如MATLAB、ANSYS）分析位移、应变等数据，生成变形趋势图。

3.异常预警：设定阈值，当数据超过安全范围时自动报警。

（四）报告编制与维护

1.编制监测报告：汇总监测数据，分析结构状态，提出建议。

2.设备维护：定期检查传感器，更换损坏部件，确保持续监测。

3.长期跟踪：持续监测，更新分析结果，为结构维护提供依据。

四、监测技术发展趋势

随着传感器技术和数据分析方法的进步，结构力学监测正向智能化、自动化方向发展。

（一）无线监测技术

1.无线传感器网络（WSN）：通过无线传输数据，减少布线成本，适用于复杂结构。

2.低功耗设计：延长传感器电池寿命，实现长期无维护监测。

（二）人工智能分析

1.机器学习：利用历史数据训练模型，预测结构变形趋势。

2.智能预警：结合实时数据，自动识别异常并触发报警。

**一、结构力学监测概述**

结构力学监测是通过对建筑物、桥梁、隧道、大坝、海洋平台等工程结构及其周边环境进行系统性的、有计划的数据采集、分析和评估，以实时掌握结构在自重、环境荷载（如温度、风、水）、使用荷载等作用下的实际工作状态和安全性能的技术手段。其核心目的是验证设计理论，评估结构安全裕度，及时发现潜在损伤和异常变形，预测结构长期性能变化，并为结构的维护决策、加固设计和安全运营提供科学依据。结构力学监测不仅适用于新建工程在施工和运营阶段的质量控制，也广泛应用于既有结构的健康评估和风险管理工作。通过科学的监测，可以有效预防工程事故，延长结构使用寿命，保障人民生命财产安全。

**二、监测方法分类及原理**

结构力学监测方法种类繁多，依据监测对象和原理不同，主要可分为以下几类：

**（一）位移监测方法**

位移监测是结构力学监测中最基本、最重要的内容之一，用于测量结构在各类荷载作用下的整体或局部位置变化，反映结构的变形状态和稳定性。

1.**激光测量技术**

(1)**激光扫描技术（LiDAR-LightDetectionandRanging）**：

***工作原理**：利用激光束发射器向目标结构发射脉冲激光，通过接收反射回来的激光信号，测量发射光与接收光之间的时间差（TimeofFlight,ToF），从而计算出到目标点的距离。通过旋转扫描镜或移动扫描仪，获取结构表面大量点的三维坐标（X,Y,Z），形成高密度的点云数据。

***实施步骤**：

a.**设站**：选择开阔、稳定的测站点，架设激光扫描仪。

b.**扫描**：启动扫描程序，对目标结构进行全方位扫描，确保覆盖所有监测区域。可分多站、多角度扫描以减少盲区。

c.**数据传输与处理**：将扫描原始数据（点云文件）传输至计算机，使用专业点云处理软件（如CloudCompare,AutodeskReCap等）进行拼接、去噪、滤波、分类等处理。

d.**特征提取与变形分析**：在点云数据中提取监测点、监测线等特征，与初始扫描数据或参考模型进行比对，计算点位坐标变化量，生成位移矢量图、变形云图等。

***优点**：测量速度快，精度高（单点精度可达毫米级），非接触式测量，可获取复杂曲面变形。

***缺点**：易受环境因素（如粉尘、雨雪）影响，成本较高，数据后处理工作量大。

(2)**激光干涉仪（如激光测距仪、位移传感器）**：

***工作原理**：基于光的干涉原理。当激光通过精密分束器后，一部分光束射向固定反射镜，另一部分射向移动目标（或与目标连动的反射面）。两束光在分束器处汇合，形成干涉条纹。当移动目标位移时，光程差改变，导致干涉条纹发生移动。通过精确测量干涉条纹的移动数量或相位变化，可以计算出目标的微小位移量（可达纳米级）。

***应用实例**：常用于测量桥梁伸缩缝的开启量、大坝变形、精密设备振动等。

***优点**：极高精度，稳定性好，可实现实时连续监测。

***缺点**：通常为点式测量，安装需要精确对准，易受环境温度变化影响（空气折射率变化）。

2.**全球定位系统（GPS）技术**

(1)**卫星定位技术（GNSS-GlobalNavigationSatelliteSystem，如GPS,GLONASS,Galileo,BeiDou）**：

***工作原理**：利用分布在轨面上的多颗导航卫星，向地面发射包含卫星星历、时间等信息的服务信号。地面接收机接收至少四颗及以上卫星的信号，通过测量信号传播时间，计算接收机与各卫星之间的距离，再利用三维坐标解算算法（如伪距三维定位、载波相位差分定位RTK等），确定接收机在三维空间中的精确位置。

***实施步骤**：

a.**基准站建设**：在已知精确坐标的位置建立基准站，连续观测并传输观测数据。

***（可选）移动站/流动站观测**：在结构关键测点上安装GPS接收机，进行观测，获取测点坐标。

b.**数据后处理/实时解算**：

***静态定位**：收集较长时间（如数小时）的观测数据，使用专业软件（如TrimbleBusinessCenter,NovAtelBusinessCenter）进行解算，精度较高（厘米级）。

***动态定位（RTK-Real-TimeKinematic）**：通过基准站实时发送差分改正数据，移动站可实时获得高精度（厘米级）位置结果，适用于需要快速获取变形信息的场景。

***优点**：覆盖范围广，操作简便，可实现全天候、自动化监测，适合大范围、长周期位移监测。

***缺点**：在室内、地下、高大建筑物阴影区信号受遮挡；植被覆盖下信号强度减弱；精度受卫星几何分布、大气延迟等因素影响。

3.**全站仪（TotalStation）测量技术**

(1)**工作原理**：集成了光学经纬仪和测距仪的功能。通过望远镜照准目标点的棱镜，利用光学系统测量水平角、垂直角，再通过内置的测距仪（通常为红外测距）测量目标距离，根据三角函数原理计算出目标点的三维坐标。

(2)**实施步骤**：

a.**设站**：在已知坐标的控制点上架设全站仪。

b.**定向**：照准已知坐标的参考点（后视点），进行水平盘和垂直盘的定向。

c.**观测**：照准各监测点棱镜，读取并记录水平角、垂直角和距离读数。

d.**坐标计算**：通过全站仪内置程序或外业手簿计算各监测点的三维坐标。

e.**数据处理**：将观测数据传输至计算机，进行平差计算，处理测量误差，得到最终坐标结果。

(3)**优点**：测量精度高（毫米级），操作相对简单，可同时测量角度和距离，适用于地面或近地面的点位移监测。

(4)**缺点**：需要设站观测，受通视条件限制，效率相对较低，不适合大范围、自动化的长期监测。

4.**引伸仪与拉线位移计**

(1)**工作原理**：通过测量两端点之间距离的变化来确定位移。引伸仪通常通过内置的位移传感器（如电位计、差动变压器）直接测量两固定端点间的相对位移；拉线位移计则通过一根张紧的钢丝，一端连接移动目标，另一端连接固定的收绳器，通过测量钢丝的伸缩量来推算目标点的位移。

(2)**实施步骤（以引伸仪为例）**：

a.**安装**：将引伸仪的两个测量端分别牢固地安装在结构上相互靠近的两个参考点上。确保安装稳固且两端点连线尽量直。

b.**初始读数**：施加预紧力（如设计要求），记录初始读数。

c.**定期观测**：根据监测频率，重复读取当前读数。

d.**位移计算**：当前读数与初始读数之差即为两点间的相对位移。

(3)**优点**：测量精度高，安装简单，可直接测量相对位移，适用于梁、板、索等构件的变形监测。

(4)**缺点**：通常为点式或短距离测量，易受安装点局部变形影响，长距离监测时布设复杂。

**（二）应变监测方法**

应变监测旨在测量结构内部某点沿特定方向的拉伸或压缩变形程度，是评估结构受力状态和强度储备的关键。

1.**电阻应变片（StrainGauge）**

(1)**工作原理**：电阻应变片是一种将应变转换为电阻变化的敏感元件。它由敏感栅（由细金属丝或箔制成）、基材、覆盖层和引线组成。当应变片与被测结构一起发生变形时，其敏感栅的几何形状（长度和截面积）和电阻率会发生变化，导致电阻值相应改变。通过精确测量电阻值的变化，利用惠斯通电桥等电路，可以计算出应变值（με=ΔR/R*F(R,S,ε)，其中F是修正函数）。

(2)**类型与选择**：

***金属丝式应变片**：灵敏度高，成本较低，但易受温度影响，适用于常温监测。

***金属箔式应变片**：柔韧性好，可粘贴在复杂曲面上，散热性好，精度高，应用最广泛。

***半导体应变片**：灵敏系数极高，体积小，但易受温度影响严重，需配合温度补偿措施使用。

***选择依据**：考虑结构工作温度、环境腐蚀性、应变幅值、测量精度要求等因素。

(3)**实施步骤**：

a.**表面处理**：清洁安装应变片位置的混凝土、钢结构表面，去除浮浆、油污、锈蚀等，确保粘结良好。

***粘贴**：涂布专用胶粘剂，将应变片按照预定方向粘贴在处理好的表面上。注意施压均匀，避免气泡。

***防护**：在应变片表面覆盖防护层（如应变片胶、云母片、环氧树脂等），保护应变片免受环境侵蚀和物理损伤。

***导线连接**：连接导线至数据采集系统，注意绝缘处理，防止短路。

***组桥与补偿**：根据测量需求，将多个应变片组成惠斯通电桥（单臂、半桥、全桥等），必要时配置温度补偿片。

***标定与测试**：施加已知应变，检查测量系统是否正常工作，必要时进行标定。

***数据采集**：使用应变数据采集仪或应变仪，按照设定的频率采集应变数据。

(4)**优点**：测量精度高，成本相对较低，技术成熟，应用广泛。

(5)**缺点**：为有损测量（需在结构表面开槽或打磨），易受安装质量、环境因素（温度、湿度、腐蚀）影响，信号传输易受干扰。

2.**钢弦式传感器（VibratingWireStrainSensor）**

(1)**工作原理**：内部包含一根钢弦，钢弦张紧状态下的振动频率与其张力成正比。当传感器感受到应变时，内部弹性元件变形，带动钢弦张力变化，从而使钢弦振动频率发生改变。通过测量频率变化量，即可换算出应变值。传感器通常还包含温度传感器（如热敏电阻），用于温度补偿。

(2)**实施步骤**：

a.**钻孔与埋设**：根据设计要求，在结构内部或表面钻孔，将传感器埋入预定位置。确保传感器与结构变形区域有效协同。

b.**灌浆**：在传感器周围浇筑早强、无收缩的灌浆料，固定传感器并传递荷载。灌浆质量至关重要。

c.**预张与调平**：对钢弦进行预紧，调整传感器初始状态。部分传感器有调平功能，确保测量方向正确。

d.**接线与供电**：连接传感器至数据采集仪，按照设备要求供电。传感器通常自带温度测量功能。

***（可选）初始标定**：在安装后或特定阶段，对传感器进行标定，建立频率-应变关系。

e.**长期监测**：传感器可长期埋设，通过定期或自动化的数据采集系统读取频率和温度数据。

f.**数据解算**：使用专用软件或公式，根据读取的频率和温度数据，计算出应变和温度修正后的应变值。

(3)**优点**：无源（电池寿命长，可达数十年），抗干扰能力强，稳定性好，精度高，适用于长期、深埋或恶劣环境下的监测。

(4)**缺点**：成本较高，安装埋设复杂，修复困难，数据读取通常需要专业设备。

3.**光纤传感技术（FiberOpticSensing）**

(1)**原理概述**：利用光纤作为传感介质，通过测量光纤中光信号（如相位、振幅、频率、偏振态）的变化来感知外界物理量（如应变、温度、压力等）。主要技术包括：

***光纤光栅（FBG-FiberBraggGrating）**：在光纤中通过紫外光写入周期性折射率变化，形成一个窄带反射中心。当光纤受应变或温度变化时，光栅的布拉格反射波长会发生偏移。通过解调系统测量波长偏移量，即可确定应变和温度。

***分布式光纤传感（如BOTDR,BOTDA,DAS）**：利用激光脉冲沿光纤传输，通过测量返回光的光时域波形或光强分布，实现对光纤沿线应变和温度的分布式、连续测量。

(2)**实施步骤（以FBG为例）**：

a.**FBG制作与安装**：制作FBG传感器，将其埋入结构内部或粘贴在结构表面。

b.**解调系统连接**：将FBG连接至光纤光栅解调仪。

c.**系统校准**：进行系统级校准，建立波长与应变/温度的对应关系。

d.**数据采集**：解调仪自动扫描并记录各FBG传感器的反射波长。

e.**数据处理**：根据校准结果，计算各点应变和温度值。

(3)**优点**：抗电磁干扰，耐腐蚀，可制成分布式测量，光纤本身柔韧，适合复杂结构。

(4)**缺点**：系统成本高，对安装和连接要求较高，数据处理相对复杂。

**（三）倾角与振动监测方法**

倾角和振动监测主要用于评估结构的稳定性（如倾斜、沉降）和动力响应特性（如自振频率、振幅）。

1.**倾角监测**

(1)**电子倾角仪（电子水平仪）**：

***工作原理**：基于加速度传感原理。当仪器倾斜时，内部加速度计感受到重力加速度的分量变化，通过测量该分量，计算出倾斜角度。通常包含两个互相垂直的加速度传感器（一个测量横倾，一个测量纵倾）。

***实施步骤**：

a.**安装**：将倾角仪固定在结构顶部、塔身等关键部位，确保安装稳固且与结构协同变形。

b.**初始读数**：在结构受力状态稳定时，记录初始倾斜角度。

c.**定期观测**：根据监测频率，重复读取倾斜角度。

d.**数据记录**：将数据传输至记录仪或计算机。

***优点**：测量范围宽，可同时测量两个方向的倾斜，使用相对简单。

***缺点**：为点式测量，易受结构局部变形影响，对安装精度要求高。

(2)**液体摆式倾角仪**：

***工作原理**：利用液体的表面始终水平（在重力作用下）的特性。仪器内部有一个气泡或液滴，通过测量气泡（或液滴）偏离中心位置的距离来确定倾斜角度。

***优点**：原理简单，稳定性好，抗冲击能力强。

***缺点**：测量精度相对较低，响应速度慢，需人工读数或配合自动读数装置。

2.**振动监测**

(1)**加速度传感器（Accelerometer）**：

***工作原理**：基于惯性原理。当传感器与结构一起振动时，内部质量块因惯性力作用而相对于传感器壳体运动，通过测量该惯性力（通常转换为电压信号），可以计算出加速度值。

***实施步骤**：

a.**安装**：将加速度传感器固定在结构的代表性部位（如顶部、基础等），确保与结构牢固连接。

b.**标定**：使用标准振动台或力锤进行标定，确定传感器的灵敏度（mV/g）和频率响应特性。

c.**数据采集**：连接传感器至数据采集系统（DAQ），设置采样频率（通常远高于结构自振频率，如100Hz-1kHz）。采集时记录结构的动力响应信号。

d.**数据处理**：使用专业软件（如Spectrum,MATLAB）对采集到的时程数据进行处理，分析其频谱特性（如自振频率、阻尼比、振幅等）。

***优点**：测量范围宽，频率响应高，结构紧凑，可进行多点同步监测。

***缺点**：对安装方式敏感（需注意传感器与结构的耦合），易受环境噪声干扰。

(2)**位移传感器（DisplacementSensor）**：

***工作原理**：测量结构振动时某点相对于基准点的位移量。常见类型有：

***电涡流传感器（EddyCurrentProbe）**：利用高频电磁场在导电目标（如金属结构件）表面产生涡流，通过测量传感器与目标之间的距离变化来反映位移。

***激光位移传感器**：同激光扫描技术中的位移测量原理，用于测量振动位移。

***差动变压器（LVDT）**：通过测量铁芯在差动线圈中的位移来反映被测点的位移。

***实施步骤（以电涡流传感器为例）**：

a.**安装**：将传感器探头固定在结构上，确保探头端部与被测点（通常是钢结构件表面）保持良好接触或近距离。

b.**基准建立**：通常需要建立一个稳定的基准点。

c.**数据采集**：连接传感器至DAQ，采集振动时程数据。

d.**数据处理**：分析位移时程和频谱，获取振动特性参数。

***优点**：直接测量物理位移，抗磁干扰能力强。

***缺点**：测量范围相对有限，电涡流传感器需与金属表面接触或极近距离，激光传感器易受环境干扰。

**三、监测实施步骤**

结构力学监测项目的实施需要遵循科学、规范化的流程，以确保监测结果的准确性和有效性。

**（一）监测方案设计**

1.**明确监测目标**：

*详细阐述需要进行监测的具体问题，例如：验证设计计算、评估施工期结构受力、监测运营期结构长期变形、检测异常现象原因、评估抗震性能等。

*确定需要重点关注的结构部位或构件。

2.**设定监测指标**：

*列出需要监测的具体物理量，如：沉降量、水平位移、倾斜角、裂缝宽度、应变、温度、风速、加速度、位移等。

*为每个监测指标设定合理的监测频率（如每日、每周、每月、每年）、测量精度要求和报警阈值。

3.**选择监测方法与设备**：

*根据监测目标、监测指标、结构特点、环境条件、预算等因素，选择最合适的监测技术（如GPS、激光扫描、应变片、加速度传感器等）。

*选择性能可靠、精度满足要求的监测设备，并考虑设备的安装、维护和数据传输便利性。

4.**布设监测点**：

*在结构上选择具有代表性的部位布设监测点，确保能反映结构的整体变形趋势和关键部位的受力状态。

*绘制监测点平面布置图和立面图，标明点位编号、坐标、高程以及与结构构件的关系。

*说明监测点布设时对结构可能造成的影响，并采取相应的保护措施。

5.**制定监测计划**：

*规划监测周期、持续时间、数据采集和传输方式、数据存储格式、数据处理和分析流程。

*明确监测人员职责、安全操作规程和应急预案。

**（二）监测设备安装与校准**

1.**监测点准备**：

*清洁监测点所在结构表面，确保足够的空间和合适的表面状态（如打磨平整、无油污、无锈蚀）。

*根据需要制作安装基座或预留安装孔洞，确保传感器安装稳固且与结构协同变形。

2.**传感器安装**：

*按照选定的监测方法和设备说明进行安装。注意传感器的方向、标高和紧固方式。

*对于需要埋入结构内部的传感器（如钢弦计、光纤光栅），严格按照埋设工艺操作，确保灌浆质量。

*对于表面安装的传感器（如应变片、倾角仪、加速度计），确保粘贴或固定牢固，并进行必要的防护处理（如防水、防腐蚀）。

3.**数据采集系统连接**：

*连接传感器与数据采集仪（DAQ），检查接线是否正确、牢固，避免短路或断路。

*设置数据采集仪的采样频率、量程、通道等参数。

4.**设备标定**：

*对所有监测设备进行标定，以确定其测量读数与实际物理量之间的转换关系。标定应在设备安装前或安装后进行，选择合适的标定设备和方法（如标准应变梁、振动台、标准重力加速度源等）。

*记录标定结果，建立设备标定档案。

5.**系统联调与测试**：

*进行系统联调，确保从传感器到数据采集仪、数据传输到数据记录的整个链条工作正常。

*进行短期测试，检查数据采集是否稳定、准确，有无异常噪声或漂移。

*进行通视测试（针对GPS、全站仪等），确保监测点之间或与基准站之间满足观测要求。

**（三）数据采集与分析**

1.**建立监测数据库**：

*使用统一的格式（如Excel、数据库）建立监测数据存储系统，记录每个监测点的编号、位置、仪器型号、标定信息、监测指标、监测频率等元数据。

*设计规范的数据录入格式，确保数据记录清晰、完整、无歧义。

2.**定期数据采集**：

*按照监测计划设定的频率，手动或自动采集监测数据。

*采集时记录天气状况、结构荷载情况（如交通流量、堆载情况）、设备运行状态等信息，作为数据分析的辅助条件。

*对于长期监测项目，制定详细的现场巡视和设备维护计划，确保持续稳定监测。

3.**数据预处理**：

*对采集到的原始数据进行检查，剔除明显错误数据（如传感器故障、瞬间干扰）。

*对数据进行必要的格式转换、时间对齐、去噪滤波等处理。

*对于有源设备，检查电池电压，必要时进行更换。

4.**数据分析与评估**：

*使用专业软件或计算方法，对预处理后的数据进行统计分析和趋势分析。

*计算关键监测指标（如位移增量、应变平均值、自振频率等），与设计值、预警阈值进行比较。

*绘制时程曲线图、变形云图、频率谱图等，直观展示监测结果。

*分析监测数据的变化规律，判断结构工作状态是否正常，是否存在异常或潜在风险。

*必要时，结合结构计算模型，进行反分析或有限元计算，更深入地评估结构受力。

5.**报告编制与预警**：

*定期（如每月、每季、每年）编制监测报告，汇总监测数据、分析结果和评估结论。

*在监测数据接近或超过预警阈值时，及时发出预警信息，通知相关责任人员。

*在监测报告中发现严重异常情况时，应立即增加监测频率，并进行现场检查，分析原因并提出处理建议。

**（四）监测系统维护与成果应用**

1.**设备维护**：

*定期检查监测设备的工作状态，清洁传感器表面，检查连接线路和电池。

*根据需要，对设备进行校核或重新标定，确保测量精度。

*建立设备维护日志，记录维护时间和内容。

2.**数据管理与成果归档**：

*妥善保存监测原始数据、处理过程文件、分析报告、设备标定文件等。

*按照档案管理要求，对监测成果进行分类、编目和归档。

3.**监测成果应用**：

*将监测结果反馈给设计、施工、管理单位，用于指导结构的维护、加固或运营管理决策。

*长期监测数据可用于验证设计理论、改进计算模型、研究结构老化机理等科研工作。

*监测报告是评估结构健康状态、保障结构安全运行的重要依据。

**四、监测技术发展趋势**

随着传感器技术、通信技术和数据分析方法的快速发展，结构力学监测技术正朝着更高精度、自动化、智能化、网络化的方向发展。

**（一）无线监测技术**

1.**无线传感器网络（WSN）**：

*采用无线通信方式（如Zigbee,LoRa,NB-IoT等）连接大量低功耗传感器节点，实现分布式、自组织的监测。

*优点是布线简单、灵活，适合大范围、难以布线的结构监测。

*应用实例：桥梁、大坝、隧道等大型结构的多点同步监测。

2.**物联网（IoT）集成**：

*将监测传感器接入物联网平台，实现远程实时数据传输、存储、分析和可视化。

*可与云平台结合，提供移动端访问、数据共享和智能报警功能。

**（二）智能化与大数据分析**

1.**人工智能（AI）算法应用**：

*利用机器学习、深度学习算法对海量监测数据进行挖掘分析，识别异常模式，预测结构损伤发展趋势。

***实例**：基于振动数据预测结构疲劳寿命；基于位移数据识别早期损伤。

2.**数字孪生（DigitalTwin）技术**：

*构建与实体结构实时映射的虚拟模型，将监测数据动态加载到虚拟模型中，实现结构的可视化、仿真分析和智能决策。

*优点是可以进行虚拟实验、评估不同维护方案效果。

**（三）新材料与新工艺传感器**

1.**光纤传感的深化应用**：

*分布式光纤传感（BOTDR/BOTDA/DAS）技术不断成熟，测量精度和速度进一步提升，成本逐渐下降。

*开发新型光纤传感器，如用于腐蚀监测、应力腐蚀开裂监测的光纤传感器。

2.**智能材料（如自修复混凝土、形状记忆合金）**：

*将传感功能集成到建筑材料本身，实现结构损伤的自感知和自愈合。

*属于结构健康监测的未来发展方向。

**（四）高精度测量技术融合**

1.**多源数据融合**：

*结合不同监测技术（如GPS位移、应变片应力、激光应变、无人机倾斜摄影等）的数据，进行综合分析，提高评估结果的可靠性和全面性。

***实例**：结合应变和位移数据，进行结构整体受力分析。

2.**无人机与机器人技术**：

*利用无人机搭载高清相机、激光雷达（LiDAR）、热成像仪等进行非接触式监测，快速获取结构表面变形、裂缝、温度等信息。

*开发小型化、自主移动的机器人进行结构内部或难以到达部位的监测。

一、结构力学监测概述

结构力学监测是通过对建筑物、桥梁、隧道等工程结构进行系统性的数据采集和分析，评估其结构安全性能、变形状态和受力情况的重要手段。通过科学监测，可以及时发现结构异常，预防潜在风险，保障工程安全。

二、监测方法分类及原理

结构力学监测方法主要分为以下几类，每种方法基于不同的力学原理和测量技术。

（一）位移监测方法

位移监测主要用于测量结构在荷载作用下的变形情况，是结构力学监测的核心内容之一。

1.激光测量技术

(1)激光扫描：利用激光束高精度测距原理，通过扫描整个结构表面，获取高密度点云数据，生成三维变形图。

(2)激光干涉仪：通过激光干涉原理测量微小位移，精度可达纳米级，适用于精密监测。

2.全球定位系统（GPS）

(1)卫星定位：通过接收多颗卫星信号，计算结构关键点的三维坐标，适用于大范围、长周期的监测。

(2)基准站技术：建立固定基准站，定期校准，提高监测数据的可靠性。

（二）应变监测方法

应变监测用于测量结构内部的应力分布，判断结构受力状态。

1.电阻应变片

(1)粘贴式应变片：将应变片粘贴在结构表面，通过电阻变化计算应变值，成本较低，应用广泛。

(2)导线式应变片：适用于高温或腐蚀环境，但安装复杂。

2.钢弦式传感器

(1)工作原理：通过钢弦振动频率变化反映应变大小，抗干扰能力强，适用于长期监测。

(2)数据采集：通过读数仪实时记录频率变化，计算应变值。

（三）倾角与振动监测方法

倾角和振动监测主要用于评估结构的稳定性和动态响应。

1.倾角监测

(1)电子倾角仪：通过加速度计测量倾斜角度，适用于塔桅结构等高耸工程。

(2)液体摆式倾角仪：利用液体表面水平原理，测量微小倾斜，精度较高。

2.振动监测

(1)加速度传感器：测量结构振动加速度，分析频率和振幅，判断结构动力特性。

(2)位移传感器：测量结构振动位移，适用于大跨度桥梁等柔性结构。

三、监测实施步骤

结构力学监测的实施需遵循科学流程，确保数据准确性和可靠性。

（一）监测方案设计

1.确定监测目标：明确监测目的（如安全评估、变形分析等）。

2.选择监测方法：根据结构特点和监测需求，选择合适的监测技术。

3.布置监测点：在关键部位设置监测点，确保覆盖整个结构受力区域。

（二）设备安装与校准

1.安装监测设备：按照设计位置固定传感器，确保接触良好。

2.校准设备：使用标准仪器校准监测设备，误差控制在±1%以内。

3.连接数据采集系统：确保数据传输稳定，避免信号干扰。

（三）数据采集与分析

1.定时采集数据：根据监测周期（如每日、每周）采集数据，避免遗漏。

2.数据处理：使用专业软件（如MATLAB、ANSYS）分析位移、应变等数据，生成变形趋势图。

3.异常预警：设定阈值，当数据超过安全范围时自动报警。

（四）报告编制与维护

1.编制监测报告：汇总监测数据，分析结构状态，提出建议。

2.设备维护：定期检查传感器，更换损坏部件，确保持续监测。

3.长期跟踪：持续监测，更新分析结果，为结构维护提供依据。

四、监测技术发展趋势

随着传感器技术和数据分析方法的进步，结构力学监测正向智能化、自动化方向发展。

（一）无线监测技术

1.无线传感器网络（WSN）：通过无线传输数据，减少布线成本，适用于复杂结构。

2.低功耗设计：延长传感器电池寿命，实现长期无维护监测。

（二）人工智能分析

1.机器学习：利用历史数据训练模型，预测结构变形趋势。

2.智能预警：结合实时数据，自动识别异常并触发报警。

**一、结构力学监测概述**

结构力学监测是通过对建筑物、桥梁、隧道、大坝、海洋平台等工程结构及其周边环境进行系统性的、有计划的数据采集、分析和评估，以实时掌握结构在自重、环境荷载（如温度、风、水）、使用荷载等作用下的实际工作状态和安全性能的技术手段。其核心目的是验证设计理论，评估结构安全裕度，及时发现潜在损伤和异常变形，预测结构长期性能变化，并为结构的维护决策、加固设计和安全运营提供科学依据。结构力学监测不仅适用于新建工程在施工和运营阶段的质量控制，也广泛应用于既有结构的健康评估和风险管理工作。通过科学的监测，可以有效预防工程事故，延长结构使用寿命，保障人民生命财产安全。

**二、监测方法分类及原理**

结构力学监测方法种类繁多，依据监测对象和原理不同，主要可分为以下几类：

**（一）位移监测方法**

位移监测是结构力学监测中最基本、最重要的内容之一，用于测量结构在各类荷载作用下的整体或局部位置变化，反映结构的变形状态和稳定性。

1.**激光测量技术**

(1)**激光扫描技术（LiDAR-LightDetectionandRanging）**：

***工作原理**：利用激光束发射器向目标结构发射脉冲激光，通过接收反射回来的激光信号，测量发射光与接收光之间的时间差（TimeofFlight,ToF），从而计算出到目标点的距离。通过旋转扫描镜或移动扫描仪，获取结构表面大量点的三维坐标（X,Y,Z），形成高密度的点云数据。

***实施步骤**：

a.**设站**：选择开阔、稳定的测站点，架设激光扫描仪。

b.**扫描**：启动扫描程序，对目标结构进行全方位扫描，确保覆盖所有监测区域。可分多站、多角度扫描以减少盲区。

c.**数据传输与处理**：将扫描原始数据（点云文件）传输至计算机，使用专业点云处理软件（如CloudCompare,AutodeskReCap等）进行拼接、去噪、滤波、分类等处理。

d.**特征提取与变形分析**：在点云数据中提取监测点、监测线等特征，与初始扫描数据或参考模型进行比对，计算点位坐标变化量，生成位移矢量图、变形云图等。

***优点**：测量速度快，精度高（单点精度可达毫米级），非接触式测量，可获取复杂曲面变形。

***缺点**：易受环境因素（如粉尘、雨雪）影响，成本较高，数据后处理工作量大。

(2)**激光干涉仪（如激光测距仪、位移传感器）**：

***工作原理**：基于光的干涉原理。当激光通过精密分束器后，一部分光束射向固定反射镜，另一部分射向移动目标（或与目标连动的反射面）。两束光在分束器处汇合，形成干涉条纹。当移动目标位移时，光程差改变，导致干涉条纹发生移动。通过精确测量干涉条纹的移动数量或相位变化，可以计算出目标的微小位移量（可达纳米级）。

***应用实例**：常用于测量桥梁伸缩缝的开启量、大坝变形、精密设备振动等。

***优点**：极高精度，稳定性好，可实现实时连续监测。

***缺点**：通常为点式测量，安装需要精确对准，易受环境温度变化影响（空气折射率变化）。

2.**全球定位系统（GPS）技术**

(1)**卫星定位技术（GNSS-GlobalNavigationSatelliteSystem，如GPS,GLONASS,Galileo,BeiDou）**：

***工作原理**：利用分布在轨面上的多颗导航卫星，向地面发射包含卫星星历、时间等信息的服务信号。地面接收机接收至少四颗及以上卫星的信号，通过测量信号传播时间，计算接收机与各卫星之间的距离，再利用三维坐标解算算法（如伪距三维定位、载波相位差分定位RTK等），确定接收机在三维空间中的精确位置。

***实施步骤**：

a.**基准站建设**：在已知精确坐标的位置建立基准站，连续观测并传输观测数据。

***（可选）移动站/流动站观测**：在结构关键测点上安装GPS接收机，进行观测，获取测点坐标。

b.**数据后处理/实时解算**：

***静态定位**：收集较长时间（如数小时）的观测数据，使用专业软件（如TrimbleBusinessCenter,NovAtelBusinessCenter）进行解算，精度较高（厘米级）。

***动态定位（RTK-Real-TimeKinematic）**：通过基准站实时发送差分改正数据，移动站可实时获得高精度（厘米级）位置结果，适用于需要快速获取变形信息的场景。

***优点**：覆盖范围广，操作简便，可实现全天候、自动化监测，适合大范围、长周期位移监测。

***缺点**：在室内、地下、高大建筑物阴影区信号受遮挡；植被覆盖下信号强度减弱；精度受卫星几何分布、大气延迟等因素影响。

3.**全站仪（TotalStation）测量技术**

(1)**工作原理**：集成了光学经纬仪和测距仪的功能。通过望远镜照准目标点的棱镜，利用光学系统测量水平角、垂直角，再通过内置的测距仪（通常为红外测距）测量目标距离，根据三角函数原理计算出目标点的三维坐标。

(2)**实施步骤**：

a.**设站**：在已知坐标的控制点上架设全站仪。

b.**定向**：照准已知坐标的参考点（后视点），进行水平盘和垂直盘的定向。

c.**观测**：照准各监测点棱镜，读取并记录水平角、垂直角和距离读数。

d.**坐标计算**：通过全站仪内置程序或外业手簿计算各监测点的三维坐标。

e.**数据处理**：将观测数据传输至计算机，进行平差计算，处理测量误差，得到最终坐标结果。

(3)**优点**：测量精度高（毫米级），操作相对简单，可同时测量角度和距离，适用于地面或近地面的点位移监测。

(4)**缺点**：需要设站观测，受通视条件限制，效率相对较低，不适合大范围、自动化的长期监测。

4.**引伸仪与拉线位移计**

(1)**工作原理**：通过测量两端点之间距离的变化来确定位移。引伸仪通常通过内置的位移传感器（如电位计、差动变压器）直接测量两固定端点间的相对位移；拉线位移计则通过一根张紧的钢丝，一端连接移动目标，另一端连接固定的收绳器，通过测量钢丝的伸缩量来推算目标点的位移。

(2)**实施步骤（以引伸仪为例）**：

a.**安装**：将引伸仪的两个测量端分别牢固地安装在结构上相互靠近的两个参考点上。确保安装稳固且两端点连线尽量直。

b.**初始读数**：施加预紧力（如设计要求），记录初始读数。

c.**定期观测**：根据监测频率，重复读取当前读数。

d.**位移计算**：当前读数与初始读数之差即为两点间的相对位移。

(3)**优点**：测量精度高，安装简单，可直接测量相对位移，适用于梁、板、索等构件的变形监测。

(4)**缺点**：通常为点式或短距离测量，易受安装点局部变形影响，长距离监测时布设复杂。

**（二）应变监测方法**

应变监测旨在测量结构内部某点沿特定方向的拉伸或压缩变形程度，是评估结构受力状态和强度储备的关键。

1.**电阻应变片（StrainGauge）**

(1)**工作原理**：电阻应变片是一种将应变转换为电阻变化的敏感元件。它由敏感栅（由细金属丝或箔制成）、基材、覆盖层和引线组成。当应变片与被测结构一起发生变形时，其敏感栅的几何形状（长度和截面积）和电阻率会发生变化，导致电阻值相应改变。通过精确测量电阻值的变化，利用惠斯通电桥等电路，可以计算出应变值（με=ΔR/R*F(R,S,ε)，其中F是修正函数）。

(2)**类型与选择**：

***金属丝式应变片**：灵敏度高，成本较低，但易受温度影响，适用于常温监测。

***金属箔式应变片**：柔韧性好，可粘贴在复杂曲面上，散热性好，精度高，应用最广泛。

***半导体应变片**：灵敏系数极高，体积小，但易受温度影响严重，需配合温度补偿措施使用。

***选择依据**：考虑结构工作温度、环境腐蚀性、应变幅值、测量精度要求等因素。

(3)**实施步骤**：

a.**表面处理**：清洁安装应变片位置的混凝土、钢结构表面，去除浮浆、油污、锈蚀等，确保粘结良好。

***粘贴**：涂布专用胶粘剂，将应变片按照预定方向粘贴在处理好的表面上。注意施压均匀，避免气泡。

***防护**：在应变片表面覆盖防护层（如应变片胶、云母片、环氧树脂等），保护应变片免受环境侵蚀和物理损伤。

***导线连接**：连接导线至数据采集系统，注意绝缘处理，防止短路。

***组桥与补偿**：根据测量需求，将多个应变片组成惠斯通电桥（单臂、半桥、全桥等），必要时配置温度补偿片。

***标定与测试**：施加已知应变，检查测量系统是否正常工作，必要时进行标定。

***数据采集**：使用应变数据采集仪或应变仪，按照设定的频率采集应变数据。

(4)**优点**：测量精度高，成本相对较低，技术成熟，应用广泛。

(5)**缺点**：为有损测量（需在结构表面开槽或打磨），易受安装质量、环境因素（温度、湿度、腐蚀）影响，信号传输易受干扰。

2.**钢弦式传感器（VibratingWireStrainSensor）**

(1)**工作原理**：内部包含一根钢弦，钢弦张紧状态下的振动频率与其张力成正比。当传感器感受到应变时，内部弹性元件变形，带动钢弦张力变化，从而使钢弦振动频率发生改变。通过测量频率变化量，即可换算出应变值。传感器通常还包含温度传感器（如热敏电阻），用于温度补偿。

(2)**实施步骤**：

a.**钻孔与埋设**：根据设计要求，在结构内部或表面钻孔，将传感器埋入预定位置。确保传感器与结构变形区域有效协同。

b.**灌浆**：在传感器周围浇筑早强、无收缩的灌浆料，固定传感器并传递荷载。灌浆质量至关重要。

c.**预张与调平**：对钢弦进行预紧，调整传感器初始状态。部分传感器有调平功能，确保测量方向正确。

d.**接线与供电**：连接传感器至数据采集仪，按照设备要求供电。传感器通常自带温度测量功能。

***（可选）初始标定**：在安装后或特定阶段，对传感器进行标定，建立频率-应变关系。

e.**长期监测**：传感器可长期埋设，通过定期或自动化的数据采集系统读取频率和温度数据。

f.**数据解算**：使用专用软件或公式，根据读取的频率和温度数据，计算出应变和温度修正后的应变值。

(3)**优点**：无源（电池寿命长，可达数十年），抗干扰能力强，稳定性好，精度高，适用于长期、深埋或恶劣环境下的监测。

(4)**缺点**：成本较高，安装埋设复杂，修复困难，数据读取通常需要专业设备。

3.**光纤传感技术（FiberOpticSensing）**

(1)**原理概述**：利用光纤作为传感介质，通过测量光纤中光信号（如相位、振幅、频率、偏振态）的变化来感知外界物理量（如应变、温度、压力等）。主要技术包括：

***光纤光栅（FBG-FiberBraggGrating）**：在光纤中通过紫外光写入周期性折射率变化，形成一个窄带反射中心。当光纤受应变或温度变化时，光栅的布拉格反射波长会发生偏移。通过解调系统测量波长偏移量，即可确定应变和温度。

***分布式光纤传感（如BOTDR,BOTDA,DAS）**：利用激光脉冲沿光纤传输，通过测量返回光的光时域波形或光强分布，实现对光纤沿线应变和温度的分布式、连续测量。

(2)**实施步骤（以FBG为例）**：

a.**FBG制作与安装**：制作FBG传感器，将其埋入结构内部或粘贴在结构表面。

b.**解调系统连接**：将FBG连接至光纤光栅解调仪。

c.**系统校准**：进行系统级校准，建立波长与应变/温度的对应关系。

d.**数据采集**：解调仪自动扫描并记录各FBG传感器的反射波长。

e.**数据处理**：根据校准结果，计算各点应变和温度值。

(3)**优点**：抗电磁干扰，耐腐蚀，可制成分布式测量，光纤本身柔韧，适合复杂结构。

(4)**缺点**：系统成本高，对安装和连接要求较高，数据处理相对复杂。

**（三）倾角与振动监测方法**

倾角和振动监测主要用于评估结构的稳定性（如倾斜、沉降）和动力响应特性（如自振频率、振幅）。

1.**倾角监测**

(1)**电子倾角仪（电子水平仪）**：

***工作原理**：基于加速度传感原理。当仪器倾斜时，内部加速度计感受到重力加速度的分量变化，通过测量该分量，计算出倾斜角度。通常包含两个互相垂直的加速度传感器（一个测量横倾，一个测量纵倾）。

***实施步骤**：

a.**安装**：将倾角仪固定在结构顶部、塔身等关键部位，确保安装稳固且与结构协同变形。

b.**初始读数**：在结构受力状态稳定时，记录初始倾斜角度。

c.**定期观测**：根据监测频率，重复读取倾斜角度。

d.**数据记录**：将数据传输至记录仪或计算机。

***优点**：测量范围宽，可同时测量两个方向的倾斜，使用相对简单。

***缺点**：为点式测量，易受结构局部变形影响，对安装精度要求高。

(2)**液体摆式倾角仪**：

***工作原理**：利用液体的表面始终水平（在重力作用下）的特性。仪器内部有一个气泡或液滴，通过测量气泡（或液滴）偏离中心位置的距离来确定倾斜角度。

***优点**：原理简单，稳定性好，抗冲击能力强。

***缺点**：测量精度相对较低，响应速度慢，需人工读数或配合自动读数装置。

2.**振动监测**

(1)**加速度传感器（Accelerometer）**：

***工作原理**：基于惯性原理。当传感器与结构一起振动时，内部质量块因惯性力作用而相对于传感器壳体运动，通过测量该惯性力（通常转换为电压信号），可以计算出加速度值。

***实施步骤**：

a.**安装**：将加速度传感器固定在结构的代表性部位（如顶部、基础等），确保与结构牢固连接。

b.**标定**：使用标准振动台或力锤进行标定，确定传感器的灵敏度（mV/g）和频率响应特性。

c.**数据采集**：连接传感器至数据采集系统（DAQ），设置采样频率（通常远高于结构自振频率，如100Hz-1kHz）。采集时记录结构的动力响应信号。

d.**数据处理**：使用专业软件（如Spectrum,MATLAB）对采集到的时程数据进行处理，分析其频谱特性（如自振频率、阻尼比、振幅等）。

***优点**：测量范围宽，频率响应高，结构紧凑，可进行多点同步监测。

***缺点**：对安装方式敏感（需注意传感器与结构的耦合），易受环境噪声干扰。

(2)**位移传感器（DisplacementSensor）**：

***工作原理**：测量结构振动时某点相对于基准点的位移量。常见类型有：

***电涡流传感器（EddyCurrentProbe）**：利用高频电磁场在导电目标（如金属结构件）表面产生涡流，通过测量传感器与目标之间的距离变化来反映位移。

***激光位移传感器**：同激光扫描技术中的位移测量原理，用于测量振动位移。

***差动变压器（LVDT）**：通过测量铁芯在差动线圈中的位移来反映被测点的位移。

***实施步骤（以电涡流传感器为例）**：

a.**安装**：将传感器探头固定在结构上，确保探头端部与被测点（通常是钢结构件表面）保持良好接触或近距离。

b.**基准建立**：通常需要建立一个稳定的基准点。

c.**数据采集**：连接传感器至DAQ，采集振动时程数据。

d.**数据处理**：分析位移时程和频谱，获取振动特性参数。

***优点**：直接测量物理位移，抗磁干扰能力强。

***缺点**：测量范围相对有限，电涡流传感器需与金属表面接触或极近距离，激光传感器易受环境干扰。

**三、监测实施步骤**

结构力学监测项目的实施需要遵循科学、规范化的流程，以确保监测结果的准确性和有效性。

**（一）监测方案设计**

1.**明确监测目标**：

*详细阐述需要进行监测的具体问题，例如：验证设计计算、评估施工期结构受力、监测运营期结构长期变形、检测异常现象原因、评估抗震性能等。

*确定需要重点关注的结构部位或构件。

2.**设定监测指标**：

*列出需要监测的具体物理量，如：沉降量、水平位移、倾斜角、裂缝宽度、应变、温度、风速、加速度、位移等。

*为每个监测指标设定合理的监测频率（如每日、每周、每月、每年）、测量精度要求和报警阈值。

3.**选择监测方法与设备**：

*根据监测目标、监测指标、结构特点、环境条件、预算等因素，选择最合适的监测技术（如GPS、激光扫描、应变片、加速度传感器等）。

*选择性能可靠、精度满足要求的监测设备，并考虑设备的安装、维护和数据传输便利性。

4.**布设监测点**：

*在结构上选择具有代表性的部位布设监测点，确保能反映结构的整体变形趋势和关键部位的受力状态。

*绘制监测点平面布置图和立面图，标明点位编号、坐标、高程以及与结构构件的关系。

*说明监测点布设时对结构可能造成的影响，并采取相应的保护措施。

5.**制定监测计划**：

*规划监测周期、持续时间、数据采集和传输方式、数据存储格式、数据处理和分析流程。

*明确监测人员职责、安全操作规程和应急预案。

**（二）监测设备安装与校准**

1.**监测点准备**：

*清洁监测点所在结构表面，确保足够的空间和合适的表面状态（如打磨平整、无油污、无锈蚀）。

*根据需要制作安装基座或预留安装孔洞，确保传感器安装稳固且与结构协同变形。

2.**传感器安装**：

*按照选定的监测方法和设备说明进行安装。注意传感器的方向、标高和紧固方式。

*对于需要埋入结构内部的传感器（如钢弦计、光纤光栅），严格按照埋设工艺操作，确保灌浆质量。

*对于表面安装的传感器（如应变片、倾角仪、加速度计），确保粘贴或固定牢固，并进行必要的防护处理（如防水、防腐蚀）。

3.**数据采集系统连接**：

*连接传感器与数据采集仪（DAQ），检查接线是否正确、牢固，避免短路或断路。

*设置数据采集仪的采样频率、量程、通道等参数。

4.**设备标定**：

*对所有监测设备进行标定，以确定其测量读数与实际物理量之间的转换关系。标定应在设备安装前或安装后进行，选择合适的标定设备和方法（如标准应变梁、振动台