结构健康监测

结构健康监测

目

录

?1概念

?2过程

?3理想的结构健康监测方法

?4工作流程图

?5研究内容

概念

????? 结构健康监测（Structural Health Monitoring，简称SHM）是一种技术，是智能材料结构在实际工程中的一种很重要的应用。结构健康监测系统是一种仿生智能系统，可以在线监测结构的“健康”状态。它采用埋入或表面粘贴的传感器作为神经系统，能感知和预报结构内部缺陷和损伤。结构整体与局部的变形、腐蚀、支撑失效等一系列的非健康因素，是一种对材料或结构进行无损评估的方法。当遇到突发事故或危险环境，系统可通过调节与控制使整个结构系统恢复到最佳工作状态。系统还可通过自动改变和调节结构的形状、位置、强度、刚度、阻尼或振动频率使结构在危险时能自我保护，并继续生存下去。过程

结构健康监测的过程包括：通过一系列传感器得到系统定时取样的动力响应测量值，从这些测量值中抽取对损伤敏感的特征因子，并对这些特征因子进行统计分析，从而获得结构当前的健康状况。

理想的结构健康监测方法

理想的结构健康监测方法应该能准确的在损伤发生的初期，发现损伤并能够定位及确定损伤的程度，进而提供结构的安全性评估，并能预测损伤结构的剩余寿命。

工作流程图

研究内容

结构健康监测系统在国民生产中的应用非常广泛，特别是在工程中，有很多材料结构需要及时的维护及监测，用传统的监测方法耗时、费力，并且费用昂贵，而运用结构健康监测的技术就可以使这些缺点得到改进。结构健康监测的技术有如下优点：（1）实时在线地监测及安全性评估，节省维护费用。

（2）依靠先进的测试系统，可减少劳动力和降低人工误判。

（3）可以及时的和最新技术相结合。

（4）大多数具有自修复功能。

（5）自动化程度高，可以大大提高安全性和可靠性。

近年来，随着材料和结构损伤特征信号处理技术研究的进展，传感/驱动技术研究的深入，监测系统越来越多地应用于实际的工程实践中，比如先进战斗机和超期服役飞机的健康监控、航天器及空间站的健康监测和民用结构的在线监测。

结构健康监测的主要研究内容包括传感技术、信号处理技术和集成技术。

1）传感技术

在结构健康监测系统中，需要监测的对象主要有应力、应变、声发射、位移、压力、温度、结构损伤等多种参数，而最常用的传感器有：光纤传感器、压电元件和应变元件。光纤传感器有电绝缘、耐腐蚀、能在强电磁干扰等条件下工作等优点，但成本较高，设备也比较复杂，应用范围可以从民用结构到航空航天结构。压电元件既可以作为传感器也可以用作驱动器，灵敏度高，动态性能好，应用也比较广泛，但它有脆性大、不易埋入结构中，低频特性等缺点。应变元件具有灵敏度较高、静态性能好和性能稳定等特点。上述传感器不仅应该满足相应测量点的要求，而且应该能够组成一种经济可靠的分布式传感网络，从而实现大范围连续的健康监测。

2）信号的采集与处理

信号的采集与处理系统可以说是结构健康监测的一个重要部分，目前国内外都在大力开发相应的软件。从传感器采集的信号包含很多信息，通常情况下，由于外界环境噪声的影响及复合材料的复杂特性等原因，使得损伤特征信号的分析和提取异常困难，因此选择合适的信号处理方法就显得尤为重要。

从数学意义上来说，结构健康监测是一个非线性的反问题。在实际中采用模型分析、系统识别、人工神经网络、遗传算法、优化计算等信号处理方法在结构健康监控上已经取得了不少成果。然而大部分的研究是建立在结构简化以及可控制的实验室环境下完成的。因此，无论从实际结构获得测试数据还是对实际结构的理论分析，都要依靠大量历史数据来实现健康监测，仍然都有很多工作要做。

3）系统集成

系统集成包括软件和硬件两部分。在硬件集成上，将传感器及驱动器集成入主体结构会影响主体结构的机械性能，也会影响传感器件的本身性能，从而影响到传感信号的准确性和真实性，这些影响必须减到最小。考虑到结构健康监测在实际的应用中传感点数目一般都是巨大的，所以要求硬件上尽可能的集成化和小型化。

软件上，需要有集成的软件做信号分析和监测判断，这就要求编出可操作性很强的人机交互软件。并且很多的信号处理工作在硬件端的实现比较困难，有时就可以利用软件的方法，来代替硬件处理。这样的好处是节省费用，解决问题实践较短。

结构健康监测具有众多的优势弥补传统监测技术上的缺陷：能够实时监测和预报，节约了损伤探测与维护费用；客观的历史纪录数据减少了人力干扰，从而减少了人为误差和停工时间；自动化测量，保障了测量的可靠性；停工减少和可靠性增加，保障了工程结构高的运营效率，大大降低了运营费用。

正因为结构健康监测具有上述优点，所以该技术被应用于航空航天、船舶工业、民用建筑等诸多领域。例如：

（1）先进战斗机和超期服役飞机的健康监控。目前，超期服役飞机在机群中占有一定的比例，状况令人担忧，飞机的定检及常规检测需要花费很多时间及费用，而使用在线监测系统则有效避免了飞机结构损伤造成的不安全因素，节省了大量的时间、人力及财力。

（2）航天器及空间站的健康监测。航天器在探索宇宙奥秘中发挥着重要的作用，是通往宇宙的桥梁。在它们的帮助下，我们了解了许许多多关于宇宙的奥秘，也了解了我们人类本身的生存环境。但常规的监测需要极高的费用，采用实时在线的健康监测技术可以有效的降低损伤的监测成本。

（3）民用结构的在线监测。在民用结构中，采用在线监测的方法可以代替常规检测方法，提高检测效率和降低成本，可广泛应用于桥梁、铁路和房屋建筑等各个领域。

从上面的论述可以看出，结构健康监测在实际中有着非常广泛的应用。

参考资料：

1.

结构健康监测系统的无线传感网络及其应用技术开发

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结构健康监测

工程结构健康监测与诊断 姓 名： 查 忍 指 导教 师： 学 号： 专 业： 沈 圣 170527005 建筑与土木工程

琅岐大桥结构健康监测系统初步设计方案 目录 1 桥梁健康监测的必要性 (3) 2琅岐闽江大桥工程概况 (5) 3系统设计原则与功能目标 (9) 3.1 系统设计依据 (9) 3.2 系统设计原则 (10) 3.3 功能目标 (11) 4 健康监测系统方案设计 (11) 4.1 传感器子系统 (11) 4.1.1 环境监测 (12) 4.1.2 视频监测系统 (12) 4.1.3 结构变形监测 (13) 4.1.4 应变(应力)及温度场监测 (14) 4.1.5 斜拉索索力监测 (15) 4.1.6 结构动力性能监测 (15) 4.1.7 监测传感器统计 (16) 4.2 数据采集系统 (17) 4.2.1 数据采集系统设计 (17) 4.2.2 数据采集系统硬件系统 (18)

4.3 数据传输系统 (19) 4.4 监测数据分析与结构安全评定及预警子系统 (19) 4.5 健康监测网络化集成技术和用户界面子系统 (21) 4.6 中心数据库子系统 (21) 4.7 系统后期维护、升级和服务等要求 (21) 4.8 施工注意事项 (22) 4.9 其它 (22) 1桥梁健康监测的必要性 由于气候、环境等自然因素的作用和日益增加的交通流量及重车、超重车过桥数量的不断增加，大跨度桥梁结构随着桥龄的不断增长，结构的安全性和使用性能必然发生退化。自1940年美国Tacoma悬索桥发生风毁事故以后，桥梁结构安全监测的重要性就引起人们的注意。但是受科技水平的限制和人们对自然认识的局限性，早期的监测手段比较落后，在工程应用上一直没有得到很好的发展。20世纪80年代以来，在北美、欧洲和亚洲的一些国家和地区，相继发生了桥梁结构的突然性断裂事件，这些灾难性事故不仅引起了公众舆论的严重关注，也造成国家财产的严重损失，威胁到人民生命安全。国外从20世纪80年代中后期开始建立各种规模的桥梁健康监测系统。例如，英国在总长522m米的三跨变高度连续钢箱梁桥Foyle桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风荷载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场。国外建立

航空结构健康监测的压电夹层设计

传感器与微系统(Transducer and M icr osyste m Technol ogies) 2008年第27卷第7期设计与制造 航空结构健康监测的压电夹层设计3 王　强,袁慎芳 (南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室,江苏南京210016) 摘　要:根据智能夹层思想和真实航空飞行器结构特点,研究了面向航空结构健康监测的压电夹层技术, 并将该技术应用到了某无人机机翼盒段结构健康监测验证实验中。实验结果表明:压电夹层工作性能稳 定,寿命长,压电元件的一致性良好,抗干扰、串扰能力较好,该技术对于结构健康监测技术实用化具有推 动作用。 关键词:结构健康监测;压电夹层;机翼盒段 中图分类号:T B552;V214.8 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2008)07-0072-03 PZTs l ayer techn i que for aerocraft structure hea lth m on itor i n g3 WANG Q iang,Y UAN Shen2fang (The Aeronauti c Key Labora tory for S martM a ter i a l and Structure,Nan ji n g Un i versity of Aeronauti c and A stronauti c,Nan ji n g210016,Ch i n a) Abstract:Based on the ideal of s mart layer and the structure characterastic of aviati on flyer,PZTs Layer technique f or aer ocraft structure health monit oring(S HM)is studied and used in the SH M validati on experi m ent f or a testbox of an UAV wing.The experi m ent result p r oves that the PZTs layer works stably and has l ong service life, and the PZTs have good consistency,l ow interference.A ll of these indicate that the PZTs layer technique is hel pful for the p racticality of SHM. Key words:SH M;PZTs layer;wing testbox 0　引　言 自20世纪后期以来,由于世界各地发生的航空事故所引起的灾难性后果,使得来源于仿生原理的结构健康监测技术得以提出并迅速发展起来[1～4]。该技术研究在结构中安装或集成传感器/激励器、控制器以及信号处理器等功能单元来实现对结构健康状态的在线监测。在众多的传感器和激励器中,压电元件由于具有正逆压电效应,既可作为驱动器也可以作为传感器,因此,得到很多研究学者的关注并大量采用。在安装时,传统的方法是将压电元件逐个粘贴与分别连线,这样的做法会引起各压电元件存在性能差异,且稳定性、电气特性以及使用寿命等方面难以控制。为此,美国斯坦福大学率先进行了分布式传感器系统的研制,将这种分布式传感器系统叫做智能夹层(s mart layer)[5,6],国内南京航空航天大学是首先进行此方面研究的机构,在原理研究和应用等方面取得了一系列成果[7,8]。然而,目前国内压电智能夹层的应用研究还都是以小型结构为主,工作环境也大多局限于实验室内,距离真实工程应用还存在一定差距。本文以航空结构为应用对象,在国内外研究成果的基础上,研究了面向航空结构健康监测的实用化压电夹层技术,并在大型某无人机机翼盒段综合健康监测系统验证实验中得到了成功应用,取得了良好的效果。 1　压电夹层原理 电夹层的设计思想是采用柔性印刷线路工艺将压电传感器/激励器网络设计制作成夹层的形式,其中,压电元件按照一定工艺封装在夹层中,并用印刷线路代替普通导线连线[7,8]。通过这样的方法有效解决压电监测系统中常用的直接将压电元件粘贴在结构上所引起的胶层厚度不均、电绝缘问题、传感性能分散、串扰大的弊端。 2　设计方案 将压电夹层集成到结构中实现航空飞行器健康监测时,需要根据结构的特点和使用环境来确定夹层设计、安装工艺等。机翼盒段是航空飞行器中较为典型的结构部件, 收稿日期:2008-03-25 3基金项目:国家自然科学基金国际合作重大计划资助项目(50420120133);航空科学基金资助项目(20060952);教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET-04-0513);江苏省研究生科技创新计划资助项目(CX07B_076Z) 27

土木工程结构健康监测系统的研究状况与进展

土木工程结构健康监测系统的研究状况与进展 发表时间：2018-09-17T16:19:53.787Z 来源：《基层建设》2018年第25期作者：韦广深[导读] 摘要：本文对土木工程结构健康监测系统进行了简单的介绍，阐述了土木工程结构健康监测系统的组成和功能，针对土木工程结构健康监测系统未来的发展展开了深入的研究分析，结合本次研究，发表了一些自己的建议看法，希望可以对土木工程结构健康监测系统的发展起到一定的参考和帮助，提高其在土木工程结构方面应用有效性。 身份证号：45252519760606XXXX 摘要：本文对土木工程结构健康监测系统进行了简单的介绍，阐述了土木工程结构健康监测系统的组成和功能，针对土木工程结构健康监测系统未来的发展展开了深入的研究分析，结合本次研究，发表了一些自己的建议看法，希望可以对土木工程结构健康监测系统的发展起到一定的参考和帮助，提高其在土木工程结构方面应用有效性。关键词：土木工程结构；健康监测系统；研究状况；进展在土木工程发展过程中，人们越来越重视土木工程建设安全性。单一结构设计健康检测系统已经很难满足人们实际需要，相关部门为了更好地实现土木工程结构检测，开大大力建设更加科学的结构检测系统。土木工程结构长时间使用后会因为老化、磨损以及地震、雨雪等因素影响出现一定的损坏，降低建筑物整体质量和荷载能力，尤其是一些重要结构构件，如果建筑损伤较为严重后，将非常有可能使整个建筑结构崩坏，出现更为严重的安全事故，定期做好对土木工程结构健康状况的检查，发现损伤及时修整，能够使土木工程结构安全可靠性得到有效保证。土木工程结构健康监测系统在实际应用中能够更好的实现这一目的，本文就此展开了研究分析。 1.土木工程结构健康监测系统概述土木工程结构健康监测主要是利用无损检测技术对结构的特性进行分析，实现对结构损伤情况的准确判断，明确损伤的部位。土木工程结构健康监测主要是测量超常荷载情况下结构的变化情况，明确工程结构特性变化，以此为基础判断结构损伤程度，明确损伤部位。包含损伤识别以及安全性评估两个方面内容，结构健康监测需要以损伤识别为基础，以安全性检测作为结构健康监测的核心。在损伤识别方面，土木工程结构损伤来源有两种，一种是积累损伤，另一种是外来损伤，积累损伤主要是指工程结构在长期使用过程中所积累的损伤，包含有材料老化、腐蚀、荷载效应等方面内容，外来损伤则指泥石流、爆破等自然灾害以及人为损害所带来的损伤。损伤检测目标可以分为不同步骤，首先是推测结构是否出现损伤，之后明确结构损伤部位，判断损伤类型，最后对损伤程度展开量化评估分析，估计结构使用剩余期限。需要注意的是，在结构损伤的识别和判断过程中，必须要有效区分建模偏差以及结构损伤偏差。在安全评估方面，工程结构安全性评价需要以健康监测和损伤识别为基础，安全状态测试属于一种工程结构安全等级的有效测试方法，工程结构安全等级的评价主要利用工程临界状态比较方式展开，不同工程结构安全等级与该工程结构的重要性密不可分，必须要做好工程结构安全性评估与可靠性评估之间的区分，安全性评估主要是实现对工程结构安全级别的有效判断。 2.结构健康监测系统组成和功能不同土木工程结构所处的环境以及承载存在明显的区别，在结构形式方面存在有较大差异性，但是其监测洗头工结构存在非常大相似性，主要表现在以下几个方面： 2.1 数据采集、处理、传输子系统该子系统包含有软件和硬件两大主要组成结构，通过软件方式将数据信号储存至计算机，常见的数据采集软件有VC++、LabV oew等，硬件系统主要组成包含有传输数据的电缆和相应的数模转换卡。数据采集子系统在实际应用中能够实现将传感器子系统与数据管理子系统有效联系，以此实现对数据的采集和储存。 2.2 传感器子系统传感器子系统属于整个结构健康测试系统最为关键的组成结构，为硬件部分，传感器子系统在实际应用中主要用来感知结构荷载和状态方面信息，并通过物理、光、声音等形式表现出来。 2.3 安全预警子系统该系统的主要组成结构包含有结构安全评定软件和相应的预警设备，当传感器子系统采集到结构信息并发送至数据采集处理子系统后，该系统识别出损伤后会发出相应的报警信号。 2.4 模型修正、结构损伤识别子系统该系统包含有损伤识别软件以及模型修正软件，在实际应用中，先启动结构损伤识别软件，在识别到结构损伤后，模型修正软件以及安全评定软件就会运行发挥作用。结构损伤识别软件的开发一般由计算机分析软件平台进行。损伤识别判断需要以结构感知信息基础上进行，数据采集子系统在接收到来自传感器子系统发送的数据信息后，将信息数据储存至数据管理子系统，结构损伤识别软件的运行需要从数据管理子系统中获取相应的数据信息，同时完成分析后分析结果还会自动保存至数据管理子系统，作为历史数据信息备用。 3.土木工程结构健康监测系统的发展当前土木工程结构健康监测系统尚处于初期发展阶段，在实际工程中的应用还不是十分广泛。未来土木工程结构健康监测系统的发展，需要做好以下几个方面工作：首先，研发更为科学合理的算法，实现对传感器子系统所接收到信息的实时监控，使数据信息的真实性和可靠性得到保证；其次，对工程结构健康监测系统的相关安全标准进行优化和完善，与土木工程结构实际情况相结合，方便工作人员根据监测结构准确判断工程结构的安全状况；最后，统一土木工程结构健康监测系统的设计和开发，提升整个系统的标准化视频，使该系统在实际应用中更好的发挥出价值和作用。结束语 土木工程结构健康监测系统在实际应用中可以实现对土木工程结构健康状况的有效监测，及时发现土木工程结构存在的问题和隐患，提高结构各类隐患问题处理的及时性和有效性，降低土木工程结构问题所带来的影响和损失，在土木工程结构领域有着非常广阔的发展前景。当前土木工程结构健康监测系统尚处于初期发展阶段，还存在有一定的缺陷和问题，在今后使用中，想要更好的发挥土木工程结构健康监测系统的价值和作用，还要从实践和理论等方面对其优化和完善，结合土木工程结构实际情况，提高其应用有效性，为我国建筑行业发展进步打下良好的基础。参考文献：

现代桥梁健康安全监测系统++

目录 一、传统桥梁结构检查与评估概述 (1) 二、现代桥梁健康监测系统概述 (2) 三、健康监测系统研究现状 (3) 四、健康监测系统实施现状 (5) $ 五、健康监测系统应用效果与存在问题 (9) 六、健康监测系统改善建议与发展前景 (10) "

一、传统桥梁结构检查与评估概述 桥梁在建成后，由于受到气候、腐蚀、氧化或老化等因素，以及长期在静载和活载的作用下易于受到损坏，相应地其强度和刚度会随时间的增加而降低。这不仅会影响行车的安全，并会使桥梁的使用寿命缩短。为保证大桥的安全与交通运输畅通，加强对桥梁的维护管理工作极为重要。桥梁管理的目的在于保证结构的可靠性，主要指结构的承载能力、运营状态和耐久性能等，以满足预定的功能要求。桥梁的健康状况主要通过利用收集到的特定信息来加以评估，并作出相应的工程决策，实施保养、维修与加固工作。评估的主要内容包括：承载能力、运营状态、耐久能力以及剩余寿命预测。承载能力评估与结构或构件的极限强度、稳定性能等有关，其评估的目的是要找出结构的实际安全储备，以避免在日常使用中产生灾难性后果。运营状态评估与结构或构件在日常荷载作用下的变形、振动、裂缝等有关。运营状态评估对于大桥工件条件的确认和定期维修养护的实施十分重要。耐久能力评估侧重于大桥的损伤及其成因，以及其对材料物理特性的影响。 传统上，对桥梁结构的评估通过人工目测检查或借助于便携式仪器测量得到的信息进行。人工桥梁检查分为经常检查、定期检查和特殊检查。但是人工桥梁检查方法在实际应用中有很大的局限性。美国联邦公路委员会的最近调查表明，根据目测检查而作出的评估结果平均有56%是不恰当的。传统检测方式的不足之处主要表现在： （i）需要大量人力、物力并有诸多检查盲点。现代大型桥梁结构布置极其复杂，构件多且尺寸大，加之大部分的构件和隐蔽工程部位难于直接接近检查，因此，这对现代大型桥梁尤其突出； （ii）主观性强，难于量化。检查与评估的结果主要取决于检查人员的专业知识水平以及现场检测的经验。经过半个多世纪的发展，虽然桥梁的分析设计与施工技术已日趋完善，但对某些响应现象，尤其是损伤的发展过程，尚处于经验积累中，因此定量化的描述是很重要的； （iii）缺少整体性。人工检查以单一构件为对象，而用于现代机械、光学、超声波和电磁波等技术的检测工具，都只能提供局部的检测和诊断信息，而不能

结构健康监测

结构健康监测 【结构健康监测】是指对工程结构实施损伤检测和识别。我们这里所说的损伤包括材料特性改变或结构体系的几何特性发生改变，以及边界条件和体系的连续性，体系的整体连续性对结构的服役能力有至关重要的作用。结构健康监测涉及到通过分析定期采集的结构布置的传感器阵列的动力响应数据来观察体系随时间推移产生的变化，损伤敏感特征值的提取并通过数据分析来确定结构的健康状态。对于长期结构健康监测，通过数据定期更新来估计结构老化和恶劣服役环境对工程结构是否有能力继续实现设计功能。监测简介 监测起源 长期以来，我们一直使用针对质量的不连续的方法来评估结构是否有能力继续服役以实现设计目的。从19世纪初开始，列车员借助小锤通过听锤击铁轨的声音来确定是否存在损伤。在旋转机械行业，几十年来振动监测一直作为检测手段。在过去的十到十五年里，结构健康监测技术开始兴起并产生一个联合不同工程学科分支的新的领域，而且专注于这个领域的学术会议和科学期刊开始产生。因此这些技术变得更为常见。 识别算法 结构健康监测的问题可归入数据模式识别算法的范畴[3-4] 。这个算法可分解为四部分:(1)实用性评估，(2)数据采集和提纯，(3)特征提取和数据压缩，(4)统计模型的发展。当你试图将此算法应用于实际工程结构上获取的数据时，很明显的是，第2-4部分，即数据提纯、压缩、正规化和数据融合来贴近工程实际服役环境是非常关键的环节，我们可通过硬件、软件以及二者的有机结合来实现。 实用性评估 对于健康监测对结构的损伤识别能力，实用性评估涉及到四个方面:

(1)结构健康监测的应用对于生命安全和经济效益有什么好处, (2)怎样对结构进行损伤定义，多重损伤同时存在的可能性，哪种类型最值得关注, (3)什么条件下(不同用途、不同环境)的体系需要监测 (4)使用过程中采集数据的局限性 使用环境对监测的体系和监测过程的完成形成限制条件。这种评估开始将损伤识别的过程和损伤的外部特征联系起来，当然也用到独特的损伤特征来完成检测。 数据采集和提纯 结构健康监测的数据采集部分涉及到选择激励方法、传感器类型、数量和布置，以及数据采集、存储、传输设备。经济效益是选择方案一个重要的参考因素，采样周期是另一个不可忽视的因素。因为数据可在变化的环境中获取，将这些数据正规化的能力在损伤识别过程中变得非常重要。当应用于结构健康监测时，数据正规化是一个分离出由于环境或操作而导致的传感器测得的不准确的数值。最常见的方法是通过测量输入参数来正规化测得的响应。当环境或操作影响比较显著时，我们需要来对比相似时间段的数据或对应的操作周期。数据的不 稳定性的来源需要认识到并把它对系统监测的影响降到最低。总的来说，不是所有的影响因素都可以消除，因此，我们有必要才去适当的措施来确保这些无法消除的因素对监测系统的影响作用大小。数据的不稳定性会因为变化的环境因素、测试条件以及测试的不连续性而加剧。 数据提纯是一个筛选部分有价值数据以完成传递的过程，与特征提取的过程相反。数据提纯很大程度上基于个人相关数据采集的经验。举例来说，通过检查测试设备的安装或许会发现某个传感器的固结已经松动，因此基于个人经验可以在数据

超大跨径【桥梁】结构健康监测关键技术模板

《超大跨径桥梁结构健康监测关键技术》 2017年度湖南省科技进步奖项目公示材料 一、项目名称：超大跨径桥梁结构健康监测关键技术 二、项目简介 桥梁是公路交通的重要节点，而超大跨径桥梁由于结构形式与结构安全的重要性，成为交通线路的重中之中。大桥在投入使用后，不可避免地会受到外界因素（自然灾害、外荷载等）的影响，造成结构安全隐患，最终影响社会经济发展和人民生命财产的安全。 超大跨径桥梁结构健康监测关键技术主要以矮寨特大悬索桥（吉茶高速公路控制性工程，创造了最大峡谷跨径、塔梁完全分离结构设计、轨索滑移法架梁以及岩锚吊索结构四项世界第一）为工程依托，在课题组累积的前期研究基础之上，从监测系统整体效能优化设计、健康监测元器件开发、结构损伤分析与评估等方面开展了深入系统的研究，主要内容及创新点包括： （1）针对桥梁健康监测与评估系统功能划分不明确、系统框架不完全等问题，结合现代计算机通信技术，提出了基于网格的超大跨径桥梁结构健康监测系统。对桥梁结构健康监测系统中评估分析模块效率低、系统间存在信息孤岛等问题进行了优化，最终实现健康监测系统评估功能共享。 （2）针对超大跨径桥梁监测任务点繁多，数据量大等问题，以K-L信息距离为理论基础，提出了K-L信息距离准则。利用该准则研究了超大跨径桥梁传感器优化布置方法，达到用最少测点监测桥梁全面状态的目的。 （3）研究了超大跨径桥梁有限元模型修正方法，提出了基于径向基函数的桥梁有限元模型修正方法，避免了传统的矩阵型和参数型模型修正中修正目标众多、监测自由度与有限元模型自由度不匹配的问题。 （4）根据桥梁的损伤机理与车匀速过桥时与桥梁的耦合特性，提出了基于动能能量比和小波包能量比边缘算子的桥梁结构损伤识别方法。 （5）提出了基于健康监测系统的桥梁拉索疲劳寿命预测方法，研发了低功耗便携式索力在线监测设备等桥梁结构监测元器件。 （6）研发了超大跨径桥梁结构健康监测综合系统，编制了《湖

健康监测系统设计方案

天津市海河大桥结构健康监测系统初步设计方案 天津市市政工程研究院 2009年3月

天津市海河大桥结构健康监测系统初步设计方案 1桥梁健康监测的必要性 由于气候、环境等自然因素的作用和日益增加的交通流量及重车、超重车过桥数量的不断增加，大跨度桥梁结构随着桥龄的不断增长，结构的安全性和使用性能必然发生退化。自1940年美国Tacoma悬索桥发生风毁事故以后，桥梁结构安全监测的重要性就引起人们的注意。但是受科技水平的限制和人们对自然认识的局限性，早期的监测手段比较落后，在工程应用上一直没有得到很好的发展。20世纪80年代以来，在北美、欧洲和亚洲的一些国家和地区，相继发生了桥梁结构的突然性断裂事件，这些灾难性事故不仅引起了公众舆论的严重关注，也造成国家财产的严重损失，威胁到人民生命安全。国外从20世纪80年代中后期开始建立各种规模的桥梁健康监测系统。例如，英国在总长522mM的三跨变高度连续钢箱梁桥Foyle桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风荷载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场。国外建立健康监测的典型桥梁还有英国主跨194mM的Flintshire独塔斜拉桥、日本主跨为1991mM 的明石海峡大桥和主跨1100m的南备赞濑户大桥、丹麦主跨1624m的Great Belt East悬索桥、挪威主跨为530m的Skarnsunder斜拉桥、美国主跨为440m的Sunshine Skyway Bridge斜拉桥以及加拿大的Confederatio Bridge桥。中国自20世纪90年代起也在一些大型重要桥梁上建立了不同规模的长期监测系统，如香港的Lantau Fixed Crossing和青马大桥、内地的虎门大桥、徐浦大桥，江阴长江大桥等在施工阶段已安装健康监测用的传感设备，以备运营期间的实时监测。 导致桥梁结构发生破坏和功能退化的原因是多方面的，有些桥梁的破坏是人为因素造成的，但大多数桥梁的破坏和功能退化是自然因素造成的。自然原因中，循环荷载作用下的裂缝失稳扩展是造成许多桥梁结构发生灾难性事故的主要原因。近年来，国内发生的几起大桥坍塌或局部破坏事故在很大程度上是由于构件疲劳和监测养护措施不足，从而严重影响构件的承重能力和结构的使用，进而发生事故。理论研究和经验都表明，成桥后的结构状态识别和桥梁运营过程中的损伤检测，预警及适时维修，有助于从根本上消除隐患及避免灾难性事故的发生。 现代大跨桥梁设计方向是更长、更轻柔化、结构形式和功能日趋复杂化。虽然在设计阶段已经进行了结构性能模拟实验等科研工作，然而由于大型桥梁的力学和结构特点以及所处的特定气候环境，要在设计阶段完全掌握和预测结构在各种复杂环境和运营条件下的结构特性和行为是非常困难 的。为确保桥梁结构的结构安全、实施经济合理的维修计划、实现安全经济的运行及查明不可接受的响应原因，建立大跨桥梁结构健康监测系统是非常必要的。通过健康监测发现桥梁早期的病害，能大大节约桥梁的维修费用，避免出现因频繁大修而关闭交通所引起的重大经济损失。 桥梁健康监测就是通过对桥梁结构进行无损检测，实时监控结构的整体行为，对结构的损伤位置和程度进行诊断，对桥梁的服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行智能评估，为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，为桥梁的维修、养护与管理决策提供依据和指导。安装结构健康监测系统是提高桥梁的养护管理水平，保证桥梁安全运营的高效技术手段。 特别值得一提的是，桥梁的健康监测和施工监控系统均是通过检测和监测手段，测试桥梁结构的内力、变形、环境和荷载，因此，它们在传感器系统、数据传输系统和数据采集系统都具有很大的共享性和重复性。此外，两个阶段在时间顺序上具有衔接性，施工监控阶段的监测数据是健康监测阶段的基础。为了节约资源、降低工程造价，应充分发挥两个系统的共享性，对上述两个系统进行统筹规划和实施，即采取统一设计、统一施工和统一管理的方式，以实现海河大桥的健康监测和施工监控两位一体的工程实施。 2海河大桥工程简况 集疏港公路二期中段工程起点于津沽一线立交以北，向北过津沽公路、海河大桥南侧收费站，与现状海河大桥相邻向北跨越海河后沿现状临港路、东海路向北分别跨越进港铁路一线，新港二号路，三号路，进港铁路二线，新港四号路，泰达大街，会展中心入口，第五大街，第八大街，第九大街，丰田七号路，与疏港二线立交相接。该段桩号范围K9+342.802~K20+419.245，路线全长11.076公里，除起点引路约500M和海河大桥南侧收费站前后各约300M为道路外，其余将近9.8公里均为高架桥。从南向北依次有津沽公路支线上跨分离式立交一座，海河特大桥一座，临港立交、泰达大街立交、第九大街立交互通式立交三座，其他与现状及规划道路交叉位置为直线上跨。海河特大桥工程为海滨大道工程的一部分，设计速度V＝80km/h，双向八车道。

桥梁结构健康监测

桥梁结构健康监测

目录 1. 桥梁结构健康监测的概念 0 2. 桥梁结构健康监测系统 0 2.1. 监测内容 0 2.2. 数据传输 (1) 2.3. 数据分析处理和控制 (2) 2.4. 大型桥梁结构健康监测系统 (2) 2.5. 桥梁结构健康监测的现状与发展方向 (3) 3. 桥梁结构健康监测系统的意义 (4) 3.1. 桥梁结构健康监测系统的主要作用包括： (4) 3.2. 桥梁健康监测意义 (4) 4. 现有桥梁结构监测系统存在的问题 (5) 5. 结语 (6)

桥梁结构健康监测 1.桥梁结构健康监测的概念 交通是社会的经济命脉，桥梁是交通的咽喉，交通不畅会制约社会的经济发展，所以保障桥梁的功能性、耐久性，尤其是安全性至关重要。为保证桥梁安全运行、避免严重事故发生,对桥梁结构进行健康监测应运而生，桥梁结构健康监测是以科学的监测理论与方法为基础，采用各种适宜的检验、检测手段获取数据，为桥梁结构设计方法、计算假定、结构模型分析提供验证；对结构的主要性能指标和特性进行分析，及早预见、发现和处理桥梁结构安全隐患和耐久性缺陷，诊断结构突发和累计损伤发生位置与程度，并对发生后果的可能性进行判断与预测。通过对桥梁结构健康状态的监测与评估，为桥梁在各种气候、交通条件下和桥梁运营状况异常时发出预警信号，为桥梁维护、维修与管理措施提供依据，并通过及时采取措施达到防止桥梁坍塌、局部破坏，保障和延长桥梁的使用寿命的目的。 2.桥梁结构健康监测系统 2.1.监测内容 数据采集与测量的内容主要为：变形(沉降、位移、倾斜)、应力、动力特性、温度、外观检测等。 1)变形监测 采取适宜的测量手段，对桥梁主体结构关键部位的沉降、位移、倾斜量进行监测。常用监测变形的方法有：导线测量法、几何水准测量法、GPS测定三维位移量法、自动极坐标实时差分测量法和自动全站仪三维坐标非接触量测等。 2)应力监测 桥梁运营状态中主体结构的应力变化是由于主体结构的外部条件和内部状态变化引起

基于无线传感网络的大型结构健康监测系统_尚盈

文章编号:1004-9037(2009)02-0254-05 基于无线传感网络的大型结构健康监测系统 尚　盈　袁慎芳　吴　键　丁建伟　李耀曾 (南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室,南京,210016) 摘要:针对大型碳纤维复合材料机翼盒段壁板结构,实现了基于无线传感网络的多点应变结构健康监测系统,采用自组织竞争神经网络成功判别了集中载荷模拟的损伤位置。本系统由传感采集子系统、无线传感网络子系统和终端监控子系统三部分组成。为了降低系统网络功耗及成本,提高系统的稳定性和可靠性,改善传感网络的实时性和同步性,设计了可直接配接无线传感网络节点的低功耗多通道应变传感器信号调理电路和基于无线传感网络的层次路由协议,开发了多通道应变数据采集、网络簇头转发和中继节点接收等主要软件模块。实验证明,相比于传统有线的监测方法和数据采集系统,基于无线传感网络的结构健康监测系统具有负重轻、成本低、易维护和搭建移动方便等优点。 关键词:无线传感网络;结构健康监测;层次路由协议;自组织竞争网络中图分类号:T P2;T P9 文献标识码:A 　基金项目:国家“八六三”高技术研究发展计划(2007AA 032117)资助项目;国家自然科学基金(60772072,50420120133)资助项目;航空基金(20060952)资助项目。　收稿日期:2007-09-05;修订日期:2008-04-17 Large -Scale Structural Health Monitoring System Based on Wireless Sensor Networks S hang Ying ,Yuan Shenf ang ,Wu J ian ,Ding J ianw ei ,L i Yaoz eng (T he A ero nautic Key La bo rat or y o f Smart M ater ial and Str uct ur e,N anjing U niv ersit y o f Aer onautics and A str onautics,N anjing,210016,China) Abstract :Aimed at the large-scale structure and anisotropy nature o f the carbon fiber compos-ite material w ing box ,a large-scale structural health m onitoring system based on w ireless sen-sor netw orks is presented .A kind of artificial neural netw ork is designed to distinguish the damag e locatio n simulated by the co ncentrated load .The sy stem co nsists o f the sensor data ac-quisition,the w ireless sensor netw or ks,and the terminal monitoring sub-sy stem s.To im pro ve the performance o f the system ,the signal conditio ning circuit and the hierarchical routing pro -to col are designed based o n w ireless sensor netw orks ,the prog rams of data acquisition and Sink node are ex ploited.Experimental result pro ves that the system has advantag es of flexibili-ty o f deplo yment,low maintenance and deploym ent costs . Key words :w ir eless senso r netw or ks ;str uctural health monitoring ;hierarchical routing ;self -org anizing com petitive netw o rk 引 言 结构健康监测技术是采用智能材料结构的新概念,利用集成在结构中的先进传感/驱动元件网络,在线实时地获取与结构健康状况相关的信息(如应力、应变、温度、振动模态、波传播特性等),结 合先进的信号信息处理方法和材料结构力学建模 方法,提取特征参数,识别结构的状态,包括损伤,并对结构的不安全因素在其早期就加以控制,以消除安全隐患或控制安全隐患的进一步发展,从而实现结构健康自诊断、自修复、保证结构的安全和降低维修费用[1]。 无线传感网络节点具有局部信号处理的功能, 第24卷第2期2009年3月数据采集与处理Jour nal of D ata A cquisition &P ro cessing Vo l.24N o.2M a r.2009

浅议桥梁结构健康监测系统

文章编号：1009-6825（2011）17-0188-02 浅议桥梁结构健康监测系统 收稿日期：2011-02-24作者简介：王 兰（1983-），女，助理工程师，中交路桥技术有限公司，北京100029 王 明（1982-），男，工程师，中铁二十二局集团第一工程有限公司，北京100040 王兰 王明 摘 要：对桥梁结构健康监测的传感器系统、数据采集与传输系统、数据处理与控制系统及桥梁健康评估系统进行了论述，指出了目前国内外桥梁结构健康监测系统存在的差距，阐述了应用桥梁结构健康监测系统的意义，旨在保证桥梁运 营安全。 关键词：桥梁，健康监测，系统中图分类号：U446 文献标识码：A 尽管（截止到2006年）我们国家现有桥梁已经达到了50万余座， 但是有些地方的桥梁管理者对现有桥梁的管理仍然是“被动式”的，也就是当桥梁发生安全事故的时候才对桥梁进行维护（检测和加固）。这种被动式的管理不可避免的会带来桥梁安全事故的频繁发生，如近几年的重庆彩虹桥、宜宾小南门桥、苏州堰月桥以及辽宁盘锦的田庄台桥等塌桥事故。随着桥梁管理理念的发展和桥梁检测、 健康监测以及评估方法的进步，使得变“被动式”的桥梁管理为“主动式”桥梁安全管理成为可能。“主动式”的桥梁管理核心是建立桥梁维护管理制度，定期对 桥梁进行检测（对重大桥梁安装桥梁结构健康监测系统，对其进行“实时检测”），及时了解桥梁的安全状况，并采取相应的修理措 施，避免安全事故的发生。 1桥梁结构健康监测系统基本框架 一个较为完整的桥梁结构健康监测系统一般包括以下四个 子系统：传感器系统、数据采集与传输系统、数据处理与控制系统和桥梁健康评估系统。 1．1传感器系统 一般桥梁结构健康监测系统选用的传感器包括两大类：一类 是监测桥梁荷载（系统输入）的传感器，一类是监测桥梁结构反应（系统输出）的传感器。 监测桥梁荷载的传感器包括以下几种：温度计、风速仪、空气温湿度计和汽车动态称重系统等；监测桥梁结构响应的传感器包括以下几种：应变计、加速度计、GPS 、倾角仪、位移计、锚索计等。 根据不同的桥梁结构形式和工程预算的约束，不同的工程可以选择不同的传感器种类和数量。传感器系统设计主要是传感器种类和数量的选择，重点是传感器布点优化设计。 1．2数据采集与传输系统 数据采集设备一般包括五种：1）通用采集仪器，主要采集电类传感器信号，一般可针对具体的项目进行特殊设计。2）光纤光栅解调仪，光纤传感器是近些年来兴起的传感器种类，对于桥梁 监测系统光纤应变计和温度计得到了日益广泛的应用，采集光纤传感器信号使用光纤光栅解调仪。3）振弦采集仪，对于振弦原理 设计的传感器必须用振弦采集设备，如锚索计等。4）GPS 接收机， GPS 数据采集由专门的系统设备完成，GPS 天线通过同轴电缆连接至相应的GPS 接收机。5）动态称重主机， WIM 系统的数据通过高速称重主机接收压电传感器和地感线圈的信号来进行采集。 数据传输包括三个层次：1）从传感器到采集设备的局部传输网络；2）从采集设备到桥头交换机二级传输网络；3）从桥头交换 机到监控中心的骨干传输网络。数据采集与传输系统主要是与 传感器匹配的采集仪器的选择、通道数和采集频率的确定，以及数据传输方案的设计。 1．3数据处理与控制系统 在结构健康监测系统中，对系统监测数据的处理根据处理方 式、处理内容以及处理顺序的不同分为数据预处理和数据后处 理。系统的数据处理功能由数据库服务器与工控机共同来完成。数据采集系统中的原始监测数据的预处理是在各子系统采 集仪上完成， 包括通用数据采集仪、光纤解调仪、GPS 接收机、WIM 称重主机。预处理后的数据经桥头交换机通过光纤传回监控中心，监控中心的工控机接收预处理后的数据并实时显示。 经预处理后的数据实时的传输至监控中心，在各工控机中通过数据处理软件进行数据后处理，由于数据后处理涉及更为复杂的处理方式，因此有时可能需要进行人机交互的数据处理方式。 1．4桥梁结构健康评估系统 桥梁结构健康监测系统直接目的是为了桥梁结构评估。桥梁结构评估包括两个层次：一个层次是基于对监测数据的分析判定桥梁上是否发生了病害，并确定病害大致位置，辅以人工检查确定病害程度和性质。第二个层次是在上述病害下桥梁是否安全，是否需要维修加固。第一个层次是桥梁损伤识别的研究范畴；第二个层次一般有基于可靠度理论的分项系数评估方法和基于精细有限元分析的力学方法。桥梁健康评估系统是桥梁健康监测系统的核心。桥梁健康评估系统主要功能是根据采集的数据和分析结果对桥梁承载能力进行评估， 为桥梁维护提供决策依据。2桥梁结构健康监测系统国内外应用现状 20世纪60年代以来，由于发达国家桥梁严重退化，安全事故不断发生和事故后果的严重性，工程技术人员对桥梁结构监测展开了积极的探索。一方面是桥梁管理系统的研究，美国、英国、日本、加拿大和德国等一些发达国家最先开发了基于计算机的桥梁管理系统，美国从20世纪60年代起就开始使用桥梁管理系统，建成了大量的数据库，以便对桥梁进行科学管理。另一方面是监测系统的研究，到90年代国内外许多大型桥梁安装了健康监测系统，如日本的明石海峡大桥、丹麦的Great Belt 和中国的江阴桥等。 中国香港的青马大桥、汀九桥和汲水门桥三座桥梁同时安装了风与结构健康监测系统WASHMS （Wind And Structural Health Monitoring System ），为便于集中管理，相关部门建立了一个整体监控中心，三座桥梁共用一套整体的数据处理与控制系统和结构健康评价系统，三座桥梁的数据采集与传输作业的控制在监控中心 · 881·第37卷第17期2011年6月 山西 建筑 SHANXI ARCHITECTURE Vol．37No．17Jun．2011

桥梁健康监测系统方案

桥梁健康监测系统方案

目录 1 项目概况---------------------------------------------------------------- 1 1.1 桥梁概述----------------------------------------------------------- 1 1.2 监测目的----------------------------------------------------------- 1 1.3 监测依据----------------------------------------------------------- 1 1.4 监测内容----------------------------------------------------------- 1 2 基本思路--------------------------------------------------------------- 2 3 巴河特大桥健康监测断面及测点布置----------------------------------- 2 3.1 主梁关键截面竖向变形-------------------------------------------- 2 3.2 主梁关键截面应变监测-------------------------------------------- 3 3.3 箱梁温度、湿度--------------------------------------------------- 3 3.4 车辆荷载---------------------------------------------------------- 4 3.5 监测仪器设备------------------------------------------------------- 4 4 监测系统---------------------------------------------------------------- 4 4.1系统组成---------------------------------------------------------- 4 4.2 监测系统实施方案------------------------------------------------ 5

结构健康监测

工程结构健康监测与诊断 姓名：查忍 指导教师：沈圣 学号： 专业：建筑与土木工稈 琅岐大桥结构健康监测系统初步设计方案 目录 1桥梁健康监测的必要性 .............................. 2琅岐闽江大桥工程概况 .............................. 3系统设计原则与功能目标 ............................ 3.1系统设计依据.............................. 3.2系统设计原则.............................. 3.3 功能目标............................... 4健康监测系统方案设计 .............................. 4.1传感器子系统.............................. 4.1.1 环境监测 .......................... 4.1.2视频监测系统.......................... 4.1.3结构变形监测.......................... 4.1.4应变（应力）及温度场监测................... 4.1.5斜拉索索力监测.......................... 4.1.6结构动力性能监测........................

4.1.7监测传感器统计.......................... 4.2数据采集系统.............................. 4.2.1 数据采集系统设计....................... 4.2.2数据采集系统硬件系统....................... 4.3数据传输系统.............................. 4.4监测数据分析与结构安全评定及预警子系统 ................. 4.5健康监测网络化集成技术和用户界面子系统 ................. 4.6中心数据库子系统........................... 4.7系统后期维护、升级和服务等要求 .................... 4.8 施工注意事项............................. 4.9其它................................. 1桥梁健康监测的必要性 由于气候、环境等自然因素的作用和日益增加的交通流量及重车、超重车过桥数量的不断增加，大跨度桥梁结构随着桥龄的不断增长，结构的安全性和使用性能必然发生退化。自1940年美国Tacoma悬索桥发生风毁事故以后，桥梁结构安全监测的重要性就引起人们的注意。但是受科技水平的限制和人们对自然认识的局限性，早期的监测手段比较落后，在工程应用上一直没有得到很好的发展。20世纪80年代以来，在北美、欧洲和亚洲的一些国家和地区，相继发生了桥梁结构的突然性断裂事件，这些灾难性事故不仅引起了公众舆论的严重关注，也造成国家财产的严重损失，威胁到人民生命安全。国外从20世纪80年代中后期开始建立各种规模的桥梁健康监测系统。例如，英国在总长522m米的三跨变高度连续钢箱梁桥Foyle桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风荷载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场。国外建立健康监测的典型桥梁还有英国主跨194m米的Flintshire 独塔斜拉桥、日本主跨为1991m米的明石海峡大桥和主跨1100m的南备赞濑户大桥、丹麦主跨1624m的Great Belt East 悬索桥、挪威主跨为530m的Skarnsunder斜拉桥、美国主跨为440m的Sunshine Skyway Bridge斜拉桥以及加拿大的Confederatio Bridge桥。中国自20世纪90年代起也在一些大型重要桥梁上建立了不同规模的长期监测系统，如香港的Lantau Fixed Crossing 和青马大桥、内地的虎门大桥、徐浦大桥，江阴长江大桥等在施工阶段已安装健康监测用