《建筑结构健康监测与智能诊断技术规范》

1建筑结构健康监测与智能诊断技术规范本文件规定了建筑结构健康监测与智能诊断技术的基本要求、健康监测系统、传感器设备选型、结构监测、数据处理分析与监测预警、监测成果与分析评估。本文件适用于新建和既有多高层和大跨度民用建筑结构健康监测和诊断。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T38894无损检测电化学检测总则GB50026工程测量标准GB50057建筑物防雷设计规范GB50343建筑物电子信息系统防雷技术规范GB/T51028大体积混凝土温度测控技术规范HJ/T175降雨自动监测仪技术要求及检测方法JGJ8建筑变形测量规范3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1结构健康监测structuralhealthmonitoring通过安装的各类传感设备，实时在线采集结构的作用和效应信息，并通过网络传输、处理和发布相关信息，评估分析结构的工作性能，对结构损伤进行识别分析与预警，为结构的管理和维护提供决策支持。3.2传感器transducer/sensor能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。3.3环境作用监测monitoringonenvironmentalactions在线实时地获取工程结构项目周边外部环境输入信息的监测过程。3.4结构效应监测monitoringonstructuralperformanceresponses在工程结构上安装传感设备，在线实时地获取结构动力和静力响应信息的监测过程。4基本要求24.1结构健康监测系统应由传感器子系统、数据采集与传输子系统、分析与评估子系统、结构预警子系统组成。健康监测系统应能实现监测数据和信息的实时在线采集和分析评估、网络传输、服务器存储、终端显示查询等功能。4.2结构健康监测的项目可包括下列内容：a)环境作用：风环境、温度、湿度、地震动、工业振动、腐蚀介质等；b)结构响应：结构内力（包括构件表面和内部应力、索拉力、支座反力、紧固力等）、结构变形（包括水平和竖向位移、支座位移、沉降、倾角、滑移等）、结构或构件的振动加速度、混凝土和钢结构疲劳开裂裂缝等；c)结构耐久性：混凝土氯离子浓度、钢管混凝土构件蠕变、钢筋、钢构件的锈蚀，木结构虫病害效应等。4.3既有工程结构需设置健康监测系统时，宜进行结构检测，并将检测相关数据作为健康监测系统的初始数据。4.4结构健康监测应根据国家和地方相关技术规范的要求，由结构设计单位提出监测需求，包括监测系统建设的必要性和基本技术要求。监测需求应在结构初步设计图纸中规定，宜在初步设计图纸中明确具体监测内容和监测测点要求，可向技术经济部门提出初步概算的工程量统计。4.5结构健康监测工作应按健康监测方案和系统安装专项方案进行实施。健康监测方案应包括监测目的、结构特点、监测类型、监测内容、监测系统总体框架、传感器性能参数和测点布置、数据采集与传输线路布置、结构预警方案、数据可视化方案等。系统安装专项方案应包括工程概况、编制依据、安装计划、系统安装技术参数、安装调试流程、安装方法和检查验收、安全保证措施、劳动力安排、系统安装图纸等。健康监测方案应经结构设计确认，系统安装专项方案应与施工总包单位协商确认。4.6结构健康监测的类型、内容、测点布置及数量应根据结构重要性、环境复杂性、结构力学特征、运营管理需求以及经济性进行综合选择并确定。4.7结构健康监测系统的设置宜采用可逆、无损的方式，安装在隐蔽部位，不应对结构的安全性、舒适性、美观性和正常使用造成永久性影响。4.8结构健康监测系统应按照健康监测方案的技术和功能要求进行竣工验收和交付。应根据监测系统所获得的监测数据定期进行结构性态的分析和评估。5健康监测系统5.1基本要求5.1.1健康监测系统应在监测方案中进行总体设计，并在系统安装专项方案中细化实施措施。5.1.2健康监测系统可分为现场弱电硬件系统、监测软件系统及配套工程。5.1.3健康监测系统宜选择Client/Server模式、主机/终端模式以及Browser/Server模式。设备信息、监测数据和预警信息应实时在线显示，宜将预警信息分权限传送至相关管理机构。评估结果、报告应有在线链接、存储、调用或显示的接口。监测系统应采用加密、分级授权等网络安全措施。5.1.4健康监测系统应符合雷电防护要求，设计和施工符合GB50057和GB50343的要求。5.2数据采集系统5.2.1数据采集系统性能应与对应监测设备性能匹配，并满足监测物理量的要求。5.2.2数据采集设备应避免潮湿、静电及磁场环境，应有不间断电源保障。5.2.3数据采集设备与传感器之间应有明确的拓扑关系，根据工程特点与现场条件，可选择集中式数据采集、分布式数据采集或混合式数据采集三种方式。5.2.4数据采集系统应对信号进行放大、滤波、去噪、隔离等处理，对信号强度量级有较大差异的不同3信号，应进行采集前的信号隔离。5.2.5数据采集系统应遵循标准协议和标准接口，便于数据传输和存储。5.2.6数据采集系统应根据需求设定采样时间和采样频率，采集到的数据应具有良好的时间同步性。5.2.7数据采集系统应有自动和手工采集功能，振动或地震监测的数据采集应具有触发采集功能。5.3数据传输系统5.3.1数据传输系统应具备对数据进行实时接收、处理、交换和传输的功能，可根据工程需要选择无线、有线或组合的传输方式。5.3.2数据传输系统应保证数据传输过程中传输线路的可靠性、安全性和可更换性。5.3.3有线传输应选取适当的传输介质，可利用监测系统已有的光纤通信网或部门局域互联网等数据传输线路，设置必要的中继器或转发器；应以现场数据采集器的接口为基础，以增加最少的接口转换器为原则，选取适当的接口类型。5.3.4无线传输宜根据工程现场营运的网络、成本和现场实际情况，选择合适的无线传输方式。5.3.5数据传输系统应设计数据备份机制，数据传输设备应在本地保存至少最近7天的监测数据作为备份。5.3.6数据传输系统应根据监测设备单位时间采集的数据量大小，结合传输设备实际通信能力对数据进行分包处理，以包为单位实时传输。数据传输系统应进行误码控制。5.4数据储存系统5.4.1数据存储系统存储内容应包括但不限于：a)建筑结构基本信息；b)实时监测数据和历史监测数据；c)管理数据；d)知识库数据；e)分析处理后的成果数据。5.4.2数据存储方式应支持但不限于关系型数据存储、分布式文件存储、对象存储及文档存储。5.4.3数据存储系统应满足下列要求：a)数据库应建立在标准化的数据元上，能方便、快速、准确地检索到所需信息；b)数据存储系统应能对海量数据高效管理；c)数据库应具有足够的安全性，防止外部系统侵入，当发生异常情况时能及时恢复数据；d)数据存储系统应支持异常情况下的容错功能；e)数据库构架应为后续拓展适用功能预留空间。5.4.4数据存储系统存储周期应根据实际需要进行配置，安全日志存储时间不少于6个月。5.5系统软件平台5.5.1监测系统软件平台的功能应满足监测方案设计要求，并具有兼容性、可扩展性、稳定性和良好合理的使用性能,软件升级期间应做好监测数据的衔接。5.5.2监测系统软件平台应包含数据处理、分析、查询、管理和监测预警功能。5.5.3监测系统软件平台应能对荷载、环境参数、结构几何变形、结构整体响应、结构局部响应、结构材料性能监测数据进行智能分析，为安全评估、监测预警提供基础数据。5.5.4监测系统软件平台应能对监测数据进行分类管理,可自动生成数据分析结果、变化曲线图、监测成果报表。5.5.5监测系统软件平台监测预警功能可根据监测数据和数据分析结果进行实时预警，应有监测预警确4认机制。5.5.6监测系统软件平台交互界面应包括工程信息、监测设备信息、数据采集与传输工作状态、监测数据、数据处理与分析结果、监测预警信息，以图形、文字等直观的方式对以上信息进行可视化展示。6传感器设备选型6.1传感器的选择应符合监测工程、监测服务期与监测方法及系统功能的要求，并具有稳定性、耐久性、兼容性和可扩展性。测得信号的信噪比应符合工程分析需求，采样频率应满足采样定理。应符合监测工程对灵敏度、通频带、动态范围、量程、线性度、稳定性、供电方式及寿命等要求。6.2风速及风向传感器宜采用三维超声式风速风向仪，可采用二维超声式风速风向仪或机械式风速风向仪。采样频率不应低于10Hz，风速的量程应大于结构安装高度100年一遇的设计基准风速，并应考虑阵风系数的影响，风速的监测精度宜不大于0.5m/s，风向的监测精度宜不大于2°。6.3风压传感器宜采用防水的表面风压传感器，应可测正负压。风压传感器的精度宜不大于±0.5％FS，且宜不大于10Pa，非线性度宜不大于±0.1％FS，动态响应时间宜小于200ms。6.4温度传感器监测精度宜不大于0.5℃,分辨率0.1℃,量程宜根据上海市历史最高和最低温度值确定。湿度传感器宜采用相对湿度指标，监测精度宜不大于±2％RH，量程范围应为0％～100％RH。太阳辐射强度监测宜采用总辐射计，其量程宜为0～2000W／m2。6.5腐蚀介质监测仪器宜选用合适的离子监测仪。氯离子监测仪工作温度宜为0～50℃,测量允许偏差为±10％，量程宜为0～20000ppm；硫酸盐监测仪，其工作温度宜为0～50℃,测量允许偏差为±2%,量程宜为0～2500mg/L；环境pH值监测应符合HJ/T175的规定。6.6应变传感器宜采用振弦式、光纤光栅式、电阻全桥式应力应变计，不应采用电阻应变片或裸光纤光栅对进行长期监测。量程应与量测范围相适应，宜在30％～80％FS，精度宜不大于±0.5％FS。应变传感器应具备温度补偿功能。振弦式应变传感器配套的频率仪分辨率不应大于1.0Hz；光纤光栅式应变计配套使用的解调仪的分辨率不应大于1pm。电阻全桥式应变计配套使用的全桥式采集仪的分辨率不应大于0.001mV。6.7支座反力监测宜采用直接测力的成品测力支座，误差应小于其竖向承载力的5%。螺杆螺栓的紧固力可采用压力环式传感器监测。6.8位移和变形监测的传感器宜满足下列规定：a)支座位移、关键部位的水平位移宜选用拉线式位移传感器或激光位移传感器，量程宜为测点位移估计值或允许值的2倍～3倍，测量精度不大于1mm；b)倾斜监测宜采用双轴倾角传感器，角度量程宜为-15º~+15º,角度精度不大于0.002º;c)基坑或边坡水平位移监测宜采用固定式测斜仪组，角度量程宜不小于-15º~+15º,角度精度不大于0.002º;d)沉降监测、挠度监测宜采用静力水准仪或CCD引张线仪量程应与量测范围相适应，宜在满量程的30％～80％，精度宜不大于±0.5％FS；e)采用GNSS定位监测系统进行动态监测和静态监测时，动态监测的水平监测精度应优于±（20+1×D）mm，垂直标称精度应优于±（50+1×D）mm；静态监测的水平监测精度应优于±（5+1×D）mm，垂直标称精度应优于±（10+1×D）mm；D是参考站至监测站之间的卫星观测数据计算得到的基线向量；监测设备要求满足GB/T39410的相关规定；f)裂缝监测宜采用振弦式或光纤光栅式裂缝计或CCD型裂缝计，精度应能测量或识别混凝土表面1mm宽度量级的裂缝和钢结构表面0.2mm宽度量级的裂缝；裂缝监测传感器量程宜不小于裂缝预测宽度的1.2倍，最大允许误差不大于0.02mm，分辨率小于等于0.01mm，宜在裂缝可能开展方向的垂直方向布置裂缝传感器；裂缝监测宜采用自动监测、观测或相互结合的方法。56.9结构动力特性监测宜采用磁电式加速度/速度传感器、ICP式加速度传感器。加速度传感器量程应大于计算振动最大响应的1.2倍，且不宜小于±1.0g，横向灵敏度小于等于5%，频响范围0～100Hz。6.10地震动监测传感器选型应采用强震仪，宜配置三个独立方向的加速度/速度传感器，量程宜在±2g，频响范围宜在0～100Hz，分辨率优于0.1mg。6.11氯离子监测传感器宜采用固态Ag/AgCl参比电极；碳化和酸雨侵蚀监测传感器宜采用固态pH值参比电极。普通钢筋锈蚀监测宜采用电化学腐蚀传感器，可采用电阻式、电感式或光纤光栅非电化学腐蚀传感器；钢材锈蚀监测可采用电阻探针、超声波或电化学方法。涂层脱落监测宜采用薄片式电阻传感器。6.12传感器安装前应经全数标定和检验，符合技术指标方可使用。标定和检验资料应作为结构健康监测报告的附件。6.13智能监测常用传感器可按表1选择。表1智能监测传感器选用表表1智能监测传感器选用表（续）风7结构监测7.1环境作用监测7.1.1风环境及风致作用监测应符合下列规定：a)监测内容包括风速、风向和结构表面风压；b)风速仪避开结构绕流影响区域并安装在结构顶面的专设支架上，采用自动采集系统进行连续监测；c)结构中绕流风影响区域宜采用计算流体动力学数值模拟或风洞试验的方法分析确定；d)机械式风速测量装置和超声式风速测量装置宜成对设置；6e)风压传感器的安装避免对工程结构外立面造成影响，并对设备采取有效保护措施，相应的数据采集设备具备时间补偿功能；f)风速风向监测数据分析10min平均风速、风向和风玫瑰图、风压监测数据宜分析10min平均风压和均方根值。7.1.2温度监测可包括大气环境温度监测和构件表面温度监测，湿度监测为环境湿度监测。温度、湿度监测宜符合下列规定：a)大体积混凝土温度监测按GB/T51028有关规定执行；b)后浇带和结构合龙等于温度密切相关的施工前，宜监测温度日变化规律指导后续施工；c)温度监测的测点布置在温度梯度变化较大位置，布置方式宜对称、均匀，监测结果应反映结构竖向及水平向温度场变化规律；d)监测整个结构温度场的不同部位构件温度与环境温度对应关系时，测点宜覆盖整个结构区域；在相对独立空间设1～3个点，面积或跨度较大时，以及结构构件应力及变形受环境温度影响大的区域，宜增加测点；e)当日照引起的结构温差较大时，宜在结构迎光面和背光面分别设置温度传感器，结构表面温度监测应紧贴构件表面；f)大气温度仪可通过支架安装在建筑内外表面附近的环境空间，直接置于大气中获得监测区域有代表性的环境温度值；g)监测频次宜与结构应力监测和变形监测保持一致；温度日变化规律宜在线实时采集，施工过程无在线实时采集条件时，采集频次不宜少于每小时1次；h)长期温湿度监测时，监测结果应包括平均温度和湿度、最高温度和湿度、最低温度和湿度、最大温差和湿度差以及超限持续时间；结构温湿度分布监测时，宜绘制结构温度分布图和湿度分布图。7.1.3地震动和工业振动监测应符合下列规定：a)地震仪布置在结构大底板或承台的中心位置；工业振动监测设备宜布置在集中振源或振动敏感的底板、楼板、梁等位置；b)设置合理的触发地震仪启动的地面运动加速度阈值；c)可结合风、撞击、交通等振动响应统筹布置监测系统，并与振害检查设施结合。7.1.4腐蚀介质监测应符合下列规定：a)位于高腐蚀环境的工程结构，腐蚀介质监测仪安装在基础支座等易于遭受侵蚀的部位；监测地质环境的腐蚀介质，将监测设备埋入相应的地下土层相应部位；b)监测大气环境或酸雨污染等腐蚀介质，监测系统安装在易淋雨和易积水区域。7.2应力应变监测7.2.1应变监测应根据工程结构特点，结合监测部位、监测对象、监测精度、环境条件、监测频次等因素，选用合适的监测方法，宜布设在结构受力较大或影响结构整体安全的关键构件、截面和部位。应变数据应分析平均值、绝对最大值。7.2.2构件表面的应变传感器应选择具有代表性的应变较大的区域布置传感器。构件截面的平均应变无法通过应变计直接测量时，也可通过测量力、位移、自振频率或磁通量等变量后换算得到。7.2.3支座反力监测宜根据支座类型、构造和安装方式确定，宜选择易发生横向倾覆、易发生沉降或有承重监测需求的支座。7.3变形监测7.3.1工程结构变形和位移监测测量精度应根据地质条件、工程规模、工程高度、结构类型、结构跨度、结构复杂程度和设计要求等因素确定，监测基准站应选取在变形稳定、远离人为和电磁干扰的位置。77.3.2变形监测分为水平变形监测、垂直变形监测、倾角变形监测、支座位移监测、不均匀沉降监测等，宜布设在工程结构受温度和荷载作用变形较大的部位，沉降传感器宜布置在需要反映结构及地基变形特征的位置。工程变形和位移监测不应低于JGJ8中二级变形测量等级对应的精度要求。7.3.3变形和位移监测的频次应符合下列规定：a)当监测项目包括水平位移与垂直位移时，两者监测频次宜一致；b)结构监测可从基础垫层或基础底板完成后开始；c)首次监测应连续进行两次独立量测，取其中数作为变形量测的初始值；d)结构施工开工应监测初始值，当施工过程遇暂时停工，停工时及复工时应各量测一次，停工期间可根据具体情况进行监测；e)监测过程中，监测数据达到预警阈值或发生异常变形时应增加监测次数；f)位移监测数据应分析平均值、绝对最大值、均方根值及随时间变化规律；支座位移、关键部位的平动位移应分析平均值、绝对最大值、均方根值及绝对值累积值。7.3.4全球卫星定位设备宜布设在结构顶部，周边15°范围内不应有遮挡。监测数据应转换到结构的独立坐标系下。7.3.5倾斜及挠度监测应符合下列规定：a)倾斜监测方法的选择及相关技术要求应按GB50026有关规定执行；b)倾斜监测宜布设在结构墙面、柱的顶部，当发现倾斜增大时应及时增加监测数据评估频数；c)倾角和挠度应分析平均值、绝对最大值、均方根值及随时间变化规律、变形趋势预测。7.3.6裂缝监测宜采用量测、观测、检测与监测方法独立或相互结合的方式进行。裂缝测点宜布设在既有病害裂缝位置、易发生腐蚀及拉应力较大的裂缝敏感位置。裂缝监测参数包括裂缝的长度和宽度，传感器测量方向应与裂缝走向垂直。既有病害已发生开裂的结构，宜监测裂缝的宽度变化；尚未发生开裂结构，宜监测结构的应变变化。裂缝监测数据宜分析裂缝长度、宽度、数量、位置及随时间变化规律。7.4振动监测7.4.1振动监测应包括振动响应监测和振动激励监测，监测参数可包括加速度、速度、位移及应变。7.4.2绝对测量法宜采用惯性式传感器，以空间不动点为参考坐标，可测量工程结构的绝对振动位移、速度和加速度，并符合下列规定：a)加速度量测可选用力平衡加速度传感器、电动速度摆加速度传感器、ICP型压电加速度传感器、压阻加速度传感器；速度量测可选用电动位移摆速度传感器，也可通过加速度传感器输出于信号放大器中进行积分获得速度值；位移测量可选用电动位移摆速度传感器输出于信号放大器中进行积分获得位移值；b)结构在振动荷载作用下产生的振动位移、速度和加速度，测定一定时间段内的时间历程；c)振动加速度监测数据分析绝对最大值、均方根值、频谱，进行模态参数分析，模态参数剔除环境因素的影响。7.4.3动态响应监测时，测点应选在工程结构振动敏感处；当进行动力特性分析时，振动测点宜布置在需识别的振型关键点上，且宜覆盖结构整体，也可根据需求对结构局部增加测点；测点布置数量较多时，可进行优化布置。7.4.4动应变监测设备量程不应低于量测估计值的2倍～3倍，监测设备的分辨率应满足最小应变值的量测要求，确保较高的信噪比。振动位移、速度及加速度监测的精度应根据振动频率及幅度、监测目的等因素确定。7.4.5宜根据振动监测数据进行结构动力特性的参数分析。7.5耐久性监测87.5.1腐蚀监测宜选用电化学方法，监测腐蚀电位、腐蚀电流、腐蚀速率等参数根据振动监测数据，监测参数宜满足GB/T38894的相关规定。腐蚀监测设备安装不应改变结构环境条件。7.5.2腐蚀监测宜布置在结构常年潮湿或易积水的位置，测点位置和数量可根据氯离子浓度梯度测试确定。新建结构应预埋安装，既有结构宜采用钻孔埋入，腐蚀监测设备安装不应改变结构环境条件。混凝土氯离子传感器安装方向与混凝土保护层厚度方向一致；钢筋和钢构件腐蚀监测传感器宜布置在构件表面。7.5.3螺栓可采用位移监测或视频监测方法。8数据处理分析与监测预警8.1数据处理分析8.1.1监测数据处理应结合设计、施工、运维阶段的分析和检测数据进行分析。8.1.2监测的数据处理宜包括监测数据消噪和滤波、监测数据异常与修复、监测数据统计分析、监测数据专项分析。8.1.3监测数据中存在的工频噪声、尖峰噪声、起伏噪声和其他噪声在数据分析前应进行去噪处理。8.1.4数据分析前应检测出异常数据，并进行异常原因判别。数据分析时，应剔除或修复检测系统问题引起的异常数据，但不应该剔除或修复结构状态变化与荷载变化引起的异常数据。8.1.5监测数据的统计分析包括基本统计分析、概率密度函数估计、极值分析和相关分析，统计分析宜按有关规定执行。8.1.6监测数据宜根据需要，进行结构模态参数识别、结构损伤识别和结构疲劳分析的专项分析，专项分析宜按有关规定执行。8.1.7监测数据统计分析可采用平均值、最大值、最小值、均方根值、标准差、最大幅值等统计值。监测数据应以小时、日、月、年为时间间隔计算统计值，也可选取特殊时间段计算统计值。8.1.8监测数据评估分析可采用频谱分析、时域分析、时频域分析、相关分析、拟合分析、趋势预测分析等。8.1.9动力监测数据分析可采用频谱分析、时域分析和时频域分析方法，并符合下列要求：a)平稳信号宜采用离散傅里叶变换的频谱分析方法，且应选择合适的窗函数进行信号截断；b)非平稳信号宜采用时频域分析方法；c)时域分析方法宜利用自相关和互相关函数，检验数据相关性与信号源位置，以及受通道噪声干扰的周期信号。8.1.10监测数据相关分析宜包括位移与温度、振动加速度与风压、振动加速度与风速、应力与温度、应力与位移等相关性分析。8.1.11监测数据拟合分析可采用多项式插值、样条插值、最小二乘法等方法。8.1.12施工过程监测宜进行监测数据趋势预测分析。趋势分析可采用滑动平均法、时间序列预测法、经验模态分解法（EMD）等。8.1.13监测数据分析应定期形成分析报告，采用月季报、半年报、年报以及特殊事件报告等方式提交。8.2监测预警8.2.1监测的安全预警应根据监测数据流和数据分析结果进行实时预警。8.2.2监测预警体系应包括预警指标选择、预警值设定、预警发出、预警应急预案启动、预警升降级与消除。8.2.3监测预警指标应选取多个能直接反映荷载作用、构件安全和整体结构安全的参数。8.2.4监测应设定监测预警值，监测预警值应满足工程设计及被监测对象的控制要求。8.2.5监测预警值应以明确、分级的方式，形成多层次的预警等级。98.2.6预警发出应采取实时、智能、明显的方式通知委托方及相关单位。8.2.7预警发出后，应立即启动相应级别的预警应急预案，采取相应的措施。8.2.8监测应建立预警升降级与消除的程序。9监测成果与分析评估9.1监测成果9.1.1监测成果应包括现场监测资料、计算分析资料、数据和表格、图像和曲线、文字报告等，监测报告应签字盖章齐全。9.1.2监测数据的初步报告和信息反馈由监测系统软件自动生成、报送。9.1.3监测报告可分为日报、阶段性报告和总结报告等。检测报告应采用文字、表格、图形、照片等形式，内容应真实、准确、完整，结论明确，并及时报送。9.1.4监测的观测记录、计算资料和监测成果等应定期