目    录

摘  要1

关键词1

1.绪论2

1.1 结构健康监测研究概述2

1.2 结构健康监测意义2

1.3 土木工程结构安全性检测3

1.4 土木工程结构的健康监测3

2. 土木工程结构监测系统理论研究3

2.1 现有的土木工程结构健康监测系统3

2.2 系统功能要求与设计准则4

2.3 监测项目确定4

3.高层土木工程结构实时动态监测系统的设计与应用5

3.1 高层建筑结构工程概况5

3.2 监测系统设计技术依据6

3.3 监测系统软硬件设计6

3.4 监测系统数据采集处理与分析7

4.土木工程结构实时动态监测应用设计8

4.1系统的组成8

4.2系统的特点8

4.3系统的应用9

5.结束语10

参考文献11

致  谢12

摘  要

近年来，结构健康监测系统已经成为世界性土木工程学者的研究热点。结构健康监测是工程理论发展的标志，已经越来越成为重大工程结构设计验证，施工控制、安全运营与维修管理的重要保证。针对目前结构健康监测研究中存在的问题及结构健康监测的发展趋势，进行本课题的研究，主要内容有以下几个方面：对土木工程结构健康监测进行了综合的阐述，完善了结构实时动态监测系统的内涵。较为完整地阐述了结构综合监测系统的设计要点，并将设计要点、思路与原则应用到以高层建筑结构和桥梁结构为载体的试验中，验证了设计应用的可行性。简要介绍了桥梁结构健康监测系统的组成与特点，对甘肃省内某损伤桥梁结构设计应用健康监测系统进行试验验证。分别对该桥梁结构进行静载和动载试验，由布设在桥体应变传感器和加速度传感器组成的实时监测系统实时监测，并通过在线与离线评估，分析出桥梁的损伤情况，达成对桥梁结构进行损伤监测和分析的预期目标，为以后桥梁结构的实时动态监测提供了参考依据。 

关键词

土木工程  结构健康监测  损伤检测  

1.绪论

1.1 结构健康监测研究概述

结构健康监测己成为当前土木工程领域中热点研究课题。由于各种外力作用，尤其在各种突发的自然灾害如强地震、台风作用时，结构会产生一定程度的疲劳损伤。随着时间的推移，材料不断老化，损伤不断积累，强度不断降低，最终导致结构局部破损，乃至结构整体破坏，使得结构不能继续承受载荷的作用。为了使结构寿命得以延长，我们必须对它进行不断的监测，以及时发现其损伤的部位和损伤程度，以便采取适当的措施予进行修复、加固，这一过程称为结构健康监测。结构健康监测是最近十几年才发展起来的一门新兴科学，目前正处在蓬勃的发展之中。这种技术在航空航天、机械等领域已经有了广泛的应用，但在土木工程领域，尤其是在建筑结构方面，还处于发展阶段，很多研究还局限于试验阶段。国际结构控制研讨会形成了关于创建工作组来研究建筑结构健康监测问题的计划，并成立了亚洲、美国、欧洲的工作组。国内外的研究人员在传感器技术、损伤检测、模态识别、数据处理等方面进行了大量的研究，并取得了一系列的成果。

1.2 结构健康监测意义

土木工程结构的使用期限通常长达几十年乃至上百年。在其使用过程中，由于超常载荷、材料老化、构件缺陷等因素的作用，结构将逐渐产生损伤累积，从而使结构的承载能力降低，抵抗自然灾害的能力下降。如遇地震、台风等灾难性荷载作用时，就可能遭受极为严重的破坏，给国家和人民的生命、财产带来巨大损失，并带来极为恶劣的社会影响。一些建筑物在主震中并未倒塌，但是其结构己经损伤而未能及时发现，在此后的余震作用下发生倒塌。因此，监测和诊断土木工程结构的健康状况，及时发现结构损伤，对可能出现的灾害进行预测，评估服役结构的安全性、可靠性、耐久性和适用性，己经得到国内外科技和产业部门的高度重视，并成为土木工程和防灾减灾领域的热点课题。

1.3 土木工程结构安全性检测

土木工程结构的安全性检测这一研究课题是近年来的热门研究课题，它是随着大型桥梁以及高层建筑的快速发展和人们认识的提高而发展起来的。传统的建筑结构可靠性是通过设计来保障的，但是结构设计并不能保障建筑结构在使用阶段的可靠性。结构鉴定是在建筑物建成投入使用后，对结构的作用、结构抗力及其相互关系做出检查、鉴定和综合分析，评估其实际的结构可靠性，并以此为基础进一步在结构的可靠性与经济性之间选择一种合理的平衡，使结构持续正常地满足各种预定功能的要求。结构的可靠性鉴定方法经历了三个过程，从最初的传统经验法到实用鉴定法到最近发展起来的可靠度鉴定法。

1.4 土木工程结构的健康监测

结构的健康监测与结构的安全性检测是不同的概念。结构健康监测是采用现场的无损传感技术和结构特性分析的手段，包括结构响应来探测和揭示结构状态退化或损伤发生的一个过程，是一种在线技术，能够利用监测数据对结构状态做出实时评估，也能够在地震、台风等突发性灾害事件发生后，对结构的整体性迅速做出近似实时的诊断。因此通过结构健康监测技术来获取有关结构状态的信息，可以为工程结构的设计验证、施工控制、安全运营和维修决策提供有力的技术保障，对评价结构生命过程的安全性、完整性、耐久性和适用性具有极其重要的意义。

2. 土木工程结构监测系统理论研究

2.1 现有的土木工程结构健康监测系统

一个完整的综合监测系统应包括最终的结构评估和管理决策，目前结构评估管理系统与监测系统相互独立，功能重叠，界限模糊。系统的智能化程度将成为结构监测系统的一个重要指标。智能化是一个综合指标，有文献把它分为内部智能、操作智能、描述智能三个方面。本章描述了土木工程结构健康监测的一般构架、监测的一般内容，并从监测项目实施的目的、监测项目确立的原则出发，对具体监测项目的具体实施方法进行了评述。最后，结合甘肃省内某高层建筑和桥梁结构的实际情况，确定了其结构状态综合监测系统的监测项目与功能要求。

2.2 系统功能要求与设计准则

监测系统功能要求。对于一个土木工程结构结构监测系统，设计科研单位、施工单位、业主单位、维护管理部门、用户等关心的问题各有不同。一般来说，业主部门比较重视监测的规模和效益，如何才能达到最大效益成本比；设计科研单位希望监测能够获取建筑结构的真实工作环境和工作状态信息，以利于设计验证和改进；施工单位则希望监测与监控结合起来，实时反映结构状态，用以指导施工；维护管理部门要求系统有良好的人机交互操作平台、良好的数据可视化功能以及预警、评估决策等功能；用户关心的首要问题当然是建筑结构的安全性，其次是适用性等。这些不同的要求必将影响到监测内容、系统功能和结构的不同。 抗风方面：包括风场特性、结构在自然风场中的行为以及抗风稳定性。抗震方面：包括研究各种场地地面运动的空间与时间变化、土结构相互作用、行波效应、多点激励对结构响应的影响等。通过对结构应变、变形及加速度的监测建立恢复力模型对结构抗震分析具有重要的意义。结构整体行为方面：包括研究结构在强风、强地面运动下的非线性特性，结构与荷载共同作用，结构所处环境条件变化对结构动力特性、静力状态的影响等。这对于发展基于监测数据的整体性评估方法非常重要。

监测系统设计准则。监测系统的设计首先应该考虑建立该系统的目的和功能，上节所述的土木工程结构健康监测三方面的意义也正是结构健康监测的目的和功能所在。对于特定的建筑，建立健康监测系统的目的可以是结构监控与评估，或是设计验证，甚至

以研究发展为目的。一旦建立系统的目的确定，系统的监测项目就可以基本上确定，另外，监测系统中各监测项目的规模以及所采用的传感仪器和通信设备等的确定需要考虑投资的限度。因此在设计监测系统时必须对监测系统方案进行成本效益分析。根据功能要求和成本。效益分析可以将监测项目和测点数设计到所需的范围，可以最优化地选择并安装系统硬件设施。在设计土木工程结构监测系统时，监测系统的设计必须遵循功能要求和效益成本分析两大准则。

2.3 监测项目确定

结构工作环境监测。结构处风速、风向监测通过结构处的风向、风速的观测，获得结构不同部位的风向、风速，可与气象部门提供的资料进行比较，根据实测的风特性资料，根据结构的风致振动响应可以对抗风研究中的一些分析方法检验。环境温度及结构温度分布监测，通过环境温度和结构各部分温度分布的测量，可以将监测结果与设计时的假定取值比较，对结构在实际温度作用下的安全性作出评价。通过对结构处相对湿度的监测，可以为土木工程结构的耐久性评价提供依据。荷载监测，通过对荷载监测资料的分析可以对设计用的荷载规范进行校核。另外，通过荷载谱的分析可以为结构的疲劳分析提供更接近实际的依据。对需要进行地震设防的结构进行地震荷载的监测，可为震后对结构进行受地震作用的响应分析积累资料，从而可以对震后结构的健康状态作出更符合实际的评估。

整体结构性能监测。对于高层建筑结构来说，在水平荷载作用下，各楼层总水平力是已知的，但这水平力如何分配到各框架、各片剪力墙却是未知的。由于各抗侧结构的刚度、形式不同，变形特征亦不同，不能简单地按受荷面积分配。高层建筑的整体工作特性，主要是由各层楼板作用的结果，楼板在自身平面内的刚度是很大的，几乎不产生变形，故在高层建筑中，一般都假定楼板在自身平面内只有刚度位移，不改变形状，并不考虑平面外的刚度，因而，在高层建筑中的任一楼层高度处，各抗侧结构都要受到板刚度移动的制约，即所谓的位移协调，此时，对于抗侧刚度大的竖向平面结构，必然要分担较多的水平力。而在震区，高层的结构设计，起控制作用的是水平荷载，之所以如此，根本原因在于侧移和内力随高度的增加而迅速增长，所以，高层结构侧向位移监测是必要的。

3.高层土木工程结构实时动态监测系统的设计与应用

3.1 高层建筑结构工程概况 

某高层建筑，该楼18层，高约50m，建筑面积约40000m2。剪力墙结构，采用筏型基础。为保证此楼的施工过程与运营期间的安全，对该楼从建筑施工进行沉降监测，现根据监测结果对其进行综合分析。沉降监测是建筑变形测量的重要内容，其结果是衡量建筑物是否健康、稳定的重要指标，也是建筑物竣工验收的重要依据之一。该工程地基为湿陷性黄土，基础采用筏板基础。由于工程修建，增加了地基上的荷载，造成地基沉降，这种沉降量能达到多少，其沉降是否均匀，对工程的安全是否会造成影响，基于以上原因，在工程施工和工程使用期间应进行严密沉降监测，通过对监测数据研究和分析沉降原因及其发展的趋势，及时采取措施，以保障工程的施工和使用安全，并通过对沉降监测数据的分析，结合地质资料，综合分析研究其地基沉降的规律，对其稳定性进行评价。

3.2 监测系统设计技术依据

系统设计基本原则。建筑物沉降观测点布设的一般原则：布设在建筑物四角，拐角处及沿外墙8-12米每根柱子基础上；高低层建筑物，新旧建筑物等交接的两侧；建筑物沉降缝两侧，基础深埋相差悬殊处或人工地基和天然地基接壤的两侧，结构不同的部位；邻近堆置重物或受振动影响的部位；框架结构建筑物的每个承重柱基上。采用自动监测报警为主与人工检测相结合的方法。在实时健康监测系统对结构整体性能发出安全预警后，采用人工检测方法对结构进行损伤检测。合理地确定监测内容、测点布设位置与数量等，使得监测内容具有代表性。

基准网的布设。为了监测该建筑物地基的沉降情况，必须在其变形影响区域之外的相对稳定地区选择基准点，组成基准网。按技术要求，基准点位必须远离待测建筑物，设置于稳定、可靠、无剧烈震动及地基附加应力影响范围以外的坚实土层中。在两端有高级点的附和水准路线中，最弱点位于水准路线的中间，即距离基准点最远的沉降观测点为最弱点，综合沉降观测水准路线的具体情况，确定B1号楼的4号点为最弱点。

3.3 监测系统软硬件设计

监测系统软件设计原则。优化界面设计，方便用户使用界面是结构健康监测系统的“造型”，是系统显示功能信息的主要表现。美观、大方且使用方便的界面反映了系统设计者的技术水平和审美观。 使用编制、修改、调试、运行和升级方便的应用软件软件是实现、完善和提高结构健康监测系统功能的重要手段。软件设计人员应充分考虑应用软件在编制、修改、调试、运行和升级方面的方便，为结构健康监测系统的后续升级、换代设计做好准备。近年来发展较快的虚拟仪器技术也为结构健康监测系统的软件化设计提供了诸多方便。丰富软件功能， 无论智能仪器、自动测试系统，还是专家系统，设计时都应在程序运行速度和存储容量许可的情况下，尽量用软件实现设备的功能，简化硬件设计。事实上，利用软件设计，可以很方便地实现测量量程转换、数字滤波、FFT变换、数据融合、故障诊断、逻辑推理、知识查询、通信、报警等多种功能，大大提高了结构智能化程度。 

监测系统硬件设计原则。简化电路设计，以最简单的电路实现最完善的功能始终是电路设计者应当遵循的设计原则。硬件电路越简单，可靠性越高，功耗越低。低功耗设计，低功耗设计对于降低系统的功耗与干扰有积极意义。通用化、标准化设计，一个高层建筑结构健康监测系统，可能包括多种测量参数，没计中采用通用化、标准化硬件电路，有利于系统的商品化生产和现场安装、调试、维护；也有利于降低系统的生产成本，缩短加工周期。可扩展性设计，结构健康监测系统是大型关键设备，因此，设计时要结合系统使用部门的发展，充分考虑系统的可扩展性，为系统的升级和扩展奠定基础。采用通用化接口，结构健康监测系统的设计者应当根据用户单位的其他设备情况和发展意向，选用通用化的接口与总线系统，以方便用户。

3.4 监测系统数据采集处理与分析

为了确保沉降观测的稳定性，在基准点埋设稳定后、沉降点观测之前，对基准点观测两次，以后定期检测，为了保证每期成果具有统一性，每次观测路线相同，采用固定测站固定转站法，即预先用皮尺丈量将每站分好，并照顾到两基点间为偶数，每站的转点和仪器位置都用钢筋钉做好标记，每次观测都按照钢筋钉的位置立尺，由基准点、工作基点与观测点布设成附合、闭合水准线路，按照二等水准测量的精度要求，采用几何水准测量方法，施测各沉降观测点，监测个点变化。实践证明：采用此措施，不仅观测方便，而且精度较高。

沉降点的监测。本项目按计划共观测25次。首期连续观测两次，取其平均值作为起始数据，确保其准确可靠，由基准点、工作基点与观测点布设成附合、闭合水准线路，按照二等水准测量的精度要求，采用几何水准测量方法，施测各沉降观测点，监测个点变化。此后该楼施工期间荷载每增加一层观测一次；主体竣工后第一年每季度观测一次，第二年每半年观测一次。沉降观测均从基准点按二等水准测量的精度要求进行，如果发现沉降观测点有下沉现象，即说明地基已经开始下沉。当沉降速率过大，应增加观测次数，对观测数据进行分析，找出原因，并通知甲方采取相应措施。

沉降监测数据分析。数据采集、内业计算沉降监测网复测及沉降观测，外业采用国产S1型自动安平精密水准仪，配合刻有基本和辅助两种分划的精密铟钢水准尺进行现场观测，利用日产 PC-E500型袖珍型计算机记录观测数据。每次观测采用固定线路，使用同一仪器，固定专人观测，选择气象条件较好的时间进行，所使用的仪器、水准尺需在每次观测前进行严格检查。内业数据处理，将采集的外业原始数据输入到计算机上，在计算机上进行严密的水准网平差计算，打印出合格结果。各期观测完后，对观测资料、观测结果及时整理分析。掌握建筑物各个部位的沉降动态、沉降规律。如发现异常，应及时反馈给建设方。由沉降观测成果原始数据表，可以获得观测点的每次平均沉降量和每个点累计沉降量与每日平均沉降速率。 

4.土木工程结构实时动态监测应用设计

4.1系统的组成

传感系统。系统应用各种传感器，将被测量重量、位移、应变、温度、振动加速度等，转变成便于记录及再处理的电压或电流等信号。由于从传感器输出的电信号一般很弱，通常各种传感器都有与之相匹配的放大器。放大器的功能是将传感器输出的信号进行放大或转换。传感系统包括风速仪、加速度计、位移计、温度计、信号放大器。

数据采集处理系统。该系统的功能是将经传感器变换、放大器放大后的信号，直接以模拟量的式记录下来或者经过模数转换后以数字量的方式进行记录。另外，为了达到实时监控或远程监测的目的，还要将这些数据通过合理的传输方式传送到监控室，设备包括信号采集器及相应的数据存储和处理设备。 

数据分析系统。从数据测量系统获得的数据经初步处理后或在终端上显示，然后直接进入数据库。该子系统的目的是根据各监测项目的特点，使各不同类型的数据通过恰当的组织，被有效地存储起来，在保证必要信息存储的前提，尽量减少数据的冗余皮，必要时进行实时分析和处理。

预警系统。预警系统又称为评估系统，是对测量的桥梁状态指标进行判断、分析评估，对异常测试值进行报警的系统，为桥梁结构的养护维修提供依据。

数据管理系统。数据管理方面，可以使用合适的数据库管理系统，商业软件对原始采集数据和分析结果建立日志和索目。建立海量数据的档案管理；可写光盘等保存数据档案；数据的显示和报告等可以使用形象的图形界面，甚至可以设计合适的二维和三维的动画来描述实时和非实时的数据。

 远程控制。在数据采集和远程传输方面，可以采用在商业上已经取得了巨大成功的客户端显务器网络系统，使用光纤或电缆可以实现计算机之间的远程数据传输，甚至可以将监测网络系统联接到Internet，实现方便和真正的远程全球范围的监测。

4.2系统的特点

建测量过程软件控制。桥梁结构健康监测系统应实现自稳零放大、自动极性判断、自动量程切换、自动报警、过载保护、非线性补偿、多功能测试和自动巡回检测。由于有了计算机，上述过程可采用软件控制。测量过程的软件控制可以简化系统的硬件结构，缩小体积，降低功耗，提高检测系统的可靠性和自动化程度。

智能化数据处理。智能化数据处理是桥梁结构健康监测系统最突出的特点。计算机可以方便、快捷地实现各种算法。因此，桥梁结构健康监测系统可用软件对测量结果进行及时、在线处理，提高测量精度。另一方面，桥梁结构健康监测系统可以对测量结果进行再加工，获得并提供更多更可靠的高质量信息。

高度的灵活性。桥梁结构健康监测系统应以软件为工作核心，生产、修改、复制都较容易，功能和性能指标更改方便。

实现多参数检测与信息融合。桥梁结构健康监测系统配备多个测量通道，可以由计算机对多路测量通道进行高速扫描采样。因此，桥梁结构健康监测系统可以对多种测量参数进行检测。在进行多参数检测的基础上，依据各路信息的相关特性，实现桥梁结构健康监测的多传感器信息融合，从而提高检测系统的准确性、可靠性和容错性。

测量速度快。高速测量是桥梁结构健康监测系统追求的目标之一。所谓检测速度，是指从测量开始，经过信号放大、整流滤波、非线性补偿、A/D转换、数据处理和结果

输出的全过程所需的对间。随着电子技术的迅猛发展，高速显示、高速打印、高速绘图设备也日臻完善，这些都为桥梁结构健康监测系统的快速监测提供了条件。

智能化功能强。以计算机为信息处理核心的桥梁结构健康监测系统应具有较强的智能功能，可以满足各类用户的需要。

4.3系统的应用

通过布设传感器系统，对桥梁在动载、静载作用下检测内容的实时观测、记录和理论计算分析，达到如下监测目的：检测桥梁是否存在施工的隐蔽病害；实测桥梁结构的实际工作状态；检验桥梁的整体受力性能；为工程竣工鉴定验收提供实测依据；为工程的运营、养护和维修提供必要的参考资料。此外，还要对其进行静载测试，静载试验是在指定位置对该桥梁进行加载，测试静态荷载作用下肋拱的弯曲应变、扭转应变、桥梁控制截面的应力增量。试验首先进行理论分析，在试验前计算出各控制截面的内力影响线，进行静力加载计算，然后根据计算结果与监测数据进行比较，再结合原施工控制所获得成桥状态恒载应力以确定桥梁结构的实际工作状态与设计期望值是否相符，并判定结构的运营安全度。试验荷载按照桥梁的静力试验活载内力与设计活载内力之比不小于0.85且不大于1.05的原则确定。

对该桥梁进行准确地识别结构损伤、建立精确的修正模型，进行整体的安全评定还面临着一定的困难，因此，该测试在进行在线评估的同时，还结合了其它更为细致的离线评估。对静载试验数据进行整理和演算，分析出，在静荷载作用范围内的拱肋应变值偏大，其它的拱肋应变值偏小，横向连接不能起到增强横截面整体刚度的作用。而且相邻跨拱肋应变值偏小，连拱效应不能得到体现。根据桥梁相应部位动应变及加速度传感器实测结果，采用随机波傅立叶变换分析方法，得到该桥的幅频曲线或功频曲线，可以获得该桥的固有频率，固有频率最小值为第一固有（自振）频率，用跑车法对余震进行观测结果与随机波分析完全吻合，实测该桥基频为3.07Hz。综合上述结果，试验达成对桥梁进行损伤监测和分析的预期目标。

5.结束语

本文对土木工程结构监测系统进行了新的定义，完善了结构实时动态监测系统的内涵。完整地阐述了结构综合监测系统的设计要点，并将设计要点、思路与原则应用到以高层建筑结构和桥梁结构为载体的试验中，验证了设计应用的可行性。对结构进行准确地识别结构损伤、建立精确的修正模型，进行整体的安全评定还面临着一定的困难，试验测试在进行在线评估的同时，还结合了其它更为细致的离线评估。因此，应多关注人工智能领域内涌现的多主体实现平台，开发适合工程者使用的在线平台，选择最优。研究利用结构损伤识别的结果进行结构健康状态和剩余寿命的评估，实现结构健康监测的最终目的，从而避免人员财产损失、减少结构维修费用。  

参考文献

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