既有结构可靠性检测与监测-3课件

2013-09-09结结构构全全寿寿命命维维护护结结构构全全寿寿命命维维护护第四章第四章第四章第四章 既有结构可靠性检测与监测既有结构可靠性检测与监测既有结构可靠性检测与监测既有结构可靠性检测与监测2第四章第四章第四章第四章 既有结构可靠性检测与监测既有结构可靠性检测与监测既有结构可靠性检测与监测既有结构可靠性检测与监测4.1检测样本的抽取与合理的抽样数量检测样本的抽取与合理的抽样数量4.2结构图纸的复核与测绘结构图纸的复核与测绘4.3结构材料性能的检测结构材料性能的检测4.4结构构件损伤和材料性能劣化的检测结构构件损伤和材料性能劣化的检测4.5结构变形的检测结构变形的检测4.6结构使用荷载的调查与分析结构使用荷载的调查与分析4.7结构安全长期监测结构安全长期监测3性能稳定阶段性能稳定阶段R0t施工施工阶段阶段性能退化阶段性能退化阶段服役期服役期环境作用下结构性能退化的监测、检测与预测环境作用下结构性能退化的监测、检测与预测44.7 4.7 4.7 4.7 结构安全长期监测结构安全长期监测结构安全长期监测结构安全长期监测自自19401940年美国年美国Tacoma Narrows Bridge 发生生风毁事故以后，事故以后，桥梁梁结构安全构安全监测的重要性就已的重要性就已经引起人引起人们的注意。如今在的注意。如今在桥梁工程、高梁工程、高层建筑建筑等等领域都得到了不同程度的域都得到了不同程度的应用。欧用。欧美一些国家明确提出了美一些国家明确提出了结构健康构健康监测(StructuralHealthMonitoring(StructuralHealthMonitoring，简称称SHM)SHM)的新理念，并先后在的新理念，并先后在许多重多重要的大跨度要的大跨度桥梁或高梁或高耸结构上建立了构上建立了所所谓的安全或健康的安全或健康监测系系统。Span:853.4m,Opened:July1,19405自然灾害自然灾害社会安全社会安全 地震地震 海洋灾害海洋灾害 气象灾害气象灾害 生态安全生态安全 地下空间安全地下空间安全 公共交通安全公共交通安全 反恐安全反恐安全 火灾火灾 -高楼、地下火灾高楼、地下火灾 环境灾害事故环境灾害事故 生命线工程安全生命线工程安全 -路网、地下管网路网、地下管网人为灾害人为灾害上海城市面临的风险上海城市面临的风险怎样建设安全的国际大都市怎样建设安全的国际大都市56n监测n对装装备、系、系统或其一部分的或其一部分的工作正常性工作正常性进行行实时监视而而采取的任何在采取的任何在线测试手段手段n结构安全构安全监测n对装装备、系、系统或其一部分的或其一部分的工作正常性工作正常性进行行实时监视，并并对结构是否安全做出判断构是否安全做出判断n结构健康构健康监测n对装装备、系、系统或其一部分的或其一部分的工作正常性工作正常性进行行实时监视，并并对结构构是否有安全是否有安全隐患做患做出出判断判断7Central Cities TechnopolisSub-Urban CommunitiesDigitalVillageDigitalCityIntelligent city1940 1950-19601970-19801990-20002001-2010Urban Development Information Society and CitizensInformation Society and CitizensModern CitiesOld Cities1900First Cities3500 bC700 aC城市信息化历程城市信息化历程晓天下晓天下畅天下畅天下感天下感天下烽火传信烽火传信判天下判天下894.7.14.7.14.7.14.7.1结构安全长期监测的目的结构安全长期监测的目的结构安全长期监测的目的结构安全长期监测的目的监测运营期结构工作状况，评估结构的安全性和健康状态，为结构监测运营期结构工作状况，评估结构的安全性和健康状态，为结构的科学施工、正常使用提供必要且可靠的信息。的科学施工、正常使用提供必要且可靠的信息。验证与完善结构的设计理论和相关设计规程。验证与完善结构的设计理论和相关设计规程。实测强风气候、地震、船舶撞击、极端温度变化等极限荷载作用对实测强风气候、地震、船舶撞击、极端温度变化等极限荷载作用对结构的影响。结构的影响。监视结构疲劳、应力分布和沉降情况，以及对结构安全性的影响。监视结构疲劳、应力分布和沉降情况，以及对结构安全性的影响。结构安全监测带来的将不仅仅是监测系统和某种特定结构设计的反结构安全监测带来的将不仅仅是监测系统和某种特定结构设计的反思，它还可能成为结构研究的现场实验室。思，它还可能成为结构研究的现场实验室。进一步发展工程监测的理论和技术。进一步发展工程监测的理论和技术。10监测监测监测监测系统的结构系统的结构系统的结构系统的结构传感传感系统系统灾变灾变预警预警安全监测安全监测预警系统预警系统信息信息融合融合系统系统集成集成114.7.2 4.7.2 4.7.2 4.7.2 建立结构长期安全监测系统的主要问题建立结构长期安全监测系统的主要问题建立结构长期安全监测系统的主要问题建立结构长期安全监测系统的主要问题大跨桥梁结构安全长期监测的策略。大跨桥梁结构安全长期监测的策略。结构状态识别和结构安全评估模型的确定。结构状态识别和结构安全评估模型的确定。大跨桥梁结构损伤识别技术和方法。大跨桥梁结构损伤识别技术和方法。建立针对桥梁结构健康状态评估体系、结构安全性评价系统和安全预警建立针对桥梁结构健康状态评估体系、结构安全性评价系统和安全预警系统。系统。数据采集与通信网络系统的设计。数据采集与通信网络系统的设计。科学的系统软件设计原则和流程图。科学的系统软件设计原则和流程图。建立科学完善的结构原始指纹数据库、结构安全在线监测数据库和阶段建立科学完善的结构原始指纹数据库、结构安全在线监测数据库和阶段运营评估资料库。运营评估资料库。124.7.3 4.7.3 4.7.3 4.7.3 安全长期监测系统一般构成和设计原则安全长期监测系统一般构成和设计原则安全长期监测系统一般构成和设计原则安全长期监测系统一般构成和设计原则可靠性原可靠性原则先先进性原性原则可操作性和易可操作性和易维护性原性原则完整性和可完整性和可扩容性原容性原则一个完整的大跨度一个完整的大跨度桥梁梁结构安全构安全长期期监测系系统包括采集包括采集测量和数据分量和数据分析析处理两大部分内容，一般可分理两大部分内容，一般可分为四个子系四个子系统。即：。即：传感器子系感器子系统、数据、数据采集与采集与传输存存储子系子系统；数据信号；数据信号处理与控制子系理与控制子系统；数据管理与分析；数据管理与分析评估子系估子系统。13 传传感器的感器的感器的感器的选择选择及布置及布置及布置及布置 14传传感器的分感器的分感器的分感器的分类类声学光学电学化学其它：磁学、卫星、热学超声、声发射、音频光纤、激光、摄影电阻、电压、压电电解质、生物电等红外、重力、网络、卫星、表面波等15传感感器器的的分分类环境监测类温度传感器、湿度传感器、风环境传感器和地震动传感器等外部荷载监测类车速传感器、车载传感器、风速仪、波浪传感器几何监测类位移传感器、转动传感器和全球卫星定位系统（GPS）结构反应监测类应变传感器、位移传感器、加速度传感器和内力传感器材料特性监测类锈蚀传感器、裂缝传感器和疲劳传感器16主要传感器主要传感器17传传感器的感器的感器的感器的选选型原型原型原型原则则保证结构全寿命周期安全根据结构状态、体系和形式以及经济条件合理地提出传感器的需求结合健康监测中具体内容和目的选择适宜的传感器类型和数量确保传感器在监测期间具有良好的稳定性和抗干扰能力，采集信号的信噪比应满足实际工程需求性价比最优监测完整性能稳定18应应注意注意注意注意的的的的4 4个方面个方面个方面个方面宜建立比较精确的力学模型，并进行适当的分析选择合适的传感器类型选择恰当的监测位置、数量及安装方式选择可靠的数据采集和通讯方式19传传感器性能参数及相关要求感器性能参数及相关要求感器性能参数及相关要求感器性能参数及相关要求量程以被测量参数处在整个量程的80-90%之内为最好采样频率应根据监测参数和传感器类型选择适当的采样频率，如加速度，应为需监测到的结构最大频率的2 倍以上，为了避免混频现象，采样频率宜为 结构最大频率的3-4 倍线性度传感器应具有良好而稳定的线性度，在对结构位移及应变等反应进行监测时需要满足较高的线性度要求20传传感器性能参数及相关要求感器性能参数及相关要求感器性能参数及相关要求感器性能参数及相关要求灵敏度传感器应具有良好而稳定的灵敏度和信噪比分辨率传感器应具有良好而稳定的分辨率，且不应低于所需监测参数的最小单位量级迟滞传感器应具有满足监测要求且足够小的迟滞差值重复性传感器应具有良好而稳定的重复性21传传感器性能参数及相关要求感器性能参数及相关要求感器性能参数及相关要求感器性能参数及相关要求漂移应严格控制传感器测量值的漂移，如漂移由温度等环境因素产生，应同时对环境因素进行监测供电方式根据实际情况和监测要求确定不同类型的传感器的供电形式，力求供电形式灵活使用环境应根据结构实际的环境因素选择满足使用环境温度、湿度等要求的传感器寿命应根据结构健康监测的时间或周期选择满足使用年限的传感器，并充分考虑置换方案和时间22传传感器布置的感器布置的感器布置的感器布置的总总体原体原体原体原则则n测得的数据得的数据应对实际结构的静、构的静、动力参数或力参数或环境条件境条件变化化较为敏敏感感 n测得的数据得的数据应能充分并准确地反能充分并准确地反应结构的静、构的静、动力特性力特性 n测得的参数得的参数应能能够与理与理论分析分析结果建立起果建立起对应关系关系 n宜在宜在结构反构反应最不利最不利处或已或已损伤处布置布置 n可合理利用可合理利用结构构对称性减少称性减少传感器感器数量数量n传感器的布置宜便于安装和更感器的布置宜便于安装和更换 23数据的采集和数据的采集和数据的采集和数据的采集和调调理理理理采集设备的性能应与对应传感器性能匹配，并满足被测物理量的要求为保证所采集数据的质量，采集设备宜对信号进行放大、滤波、去噪、隔离等预处理，对信号强度量级有较大差异的不同信号，应严格进行采集前的信号隔离，避免强信号对弱信号的干扰采集设备应设置在环境适当之处，避免潮湿、静电及磁场环境，信号采集仪应有不间断电源保障24数据的数据的数据的数据的净净化与取舍化与取舍化与取舍化与取舍数据采集前，应对含噪信号进行降噪处理，提高信号的信噪比数据分析处理之前，应正确处理粗差、系统误差、偶然误差等正确判断异常数据是由结构状态变化引起还是监测系统自身异常引起，剔除由监测系统自身引起的异常数据对于交变类型的较高频连续监测数据，可根据数据存储准则存储数据25 数据的数据的数据的数据的标标准化准化准化准化监测系统中存储数据的单位，宜采用国际单位制数据的时间应采用公历，最低精度为秒26数据的数据的数据的数据的处处理理理理监测数据主要用于后续的结构损伤识别、模型修正和安全评定等，相关的数据处理方法将随不同结构对象而不同。一些常用的数据统计方法也经常用于监测数据的处理，处理结果可以用于判定监测数据是否异常的参考，这些结果包括:极大/小值查找、平均值、均方差、直方图、概率分布图、相关曲线、频谱图等。27数据数据数据数据时间时间同步同步同步同步基于信号的同步技术基于时间的同步技术28数据数据数据数据传输传输WirelessSensorNetworksWirelessSensorNetworks29无无无无线传线传感器网感器网感器网感器网络络的的的的特点特点特点特点大规模自组织动态性能源有限通信和计算能力有限30大型工程大型工程大型工程大型工程结结构构构构监测监测的网的网的网的网络络31Zigbee协议的发展2001年8月，ZigBee Alliance成立。2004年,ZigBee V1.0诞生。它是Zigbee的第一个规范.但由于推出仓促，存在一些错误。2006年，推出ZigBee 2006，比较完善.2007年底，ZigBee PRO推出2009年3月，Zigbee RF4CE推出，具备更强的灵活性和远程控制能力GPRSCDMA3G32Zigbee技术的特点低能耗短距离低成本Zigbee技术常用射频芯片低复杂度自组织33Zigbee的技术优势低功耗。在低耗电待机模式下，2 节5 号干电池可支持1个节点工作624个月，甚至更长低成本。通过大幅简化协议（不到蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求，而且Zigbee免专利费。低速率。Zigbee工作在20250 kbps的较低速率近距离。传输范围一般介于10100 m 之间，在增加RF 发射功率后，亦可增加到13 km短时延。Zigbee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15 ms高容量。Zigbee可采用星状、片状和网状网络结构，最多可组成65000 个节点的大网34拓扑形式星形拓扑簇状拓扑网状拓扑Add your picture35Company Logo系系系系统统的集合与关系的集合与关系的集合与关系的集合与关系结构处置系统结构处置系统 损伤识别系统损伤识别系统 数据采集系统数据采集系统 结构健康监测系统结构健康监测系统硬件：各种类型的传感器、数据采集卡、数硬件：各种类型的传感器、数据采集卡、数 据传输设备、计算机据传输设备、计算机软件：数据融合算法软件：数据融合算法硬件：计算机硬件：计算机软件：基于不同指标的损伤识别算法软件：基于不同指标的损伤识别算法36小波谱小波谱 自振频率自振频率位移模态位移模态HHT谱谱应变柔度应变柔度损伤指标损伤指标应变模态应变模态模态曲率模态曲率应变能应变能 结构柔度结构柔度 位移频响位移频响 应变频响应变频响 37冲刷冲刷应力应力倾斜倾斜锈蚀锈蚀挠度挠度安全指标安全指标加速度加速度渗漏渗漏荷载荷载沉降沉降温度温度裂缝裂缝3839健康健康健康健康监测监测系系系系统统研究研究研究研究n健康健康监测系系统软件件 n根据监测系统的设计，采用delphi语言编制了健康监测系统软件。4041结构位移监测反演实时荷载整个隧道的变形隧道荷载安全系数隧道设计荷载相关规范和理论及工程实际经验隧道允许荷载界限值隧道荷载预警隧道变形预警隧道监测系统组织42隧道安全评定及预警43上海恒丰北路立交上海恒丰北路立交桥连接天目路与沪太路，跨越接天目路与沪太路，跨越进出上海的出上海的铁路主要路主要干干线，于，于1986年建成通年建成通车。2008年由同年由同济大学大学桥梁工程系梁工程系实施了大施了大桥安全安全监测系系统。4.7.64.7.6 大跨度桥梁结构安全长期监测系统的大跨度桥梁结构安全长期监测系统的 工程工程实例实例（1 1）44上海恒丰北路立交上海恒丰北路立交桥结构布置示意构布置示意图4.7.64.7.6 大跨度桥梁结构安全长期监测系统的大跨度桥梁结构安全长期监测系统的 工程实例工程实例45项目的目的总体体设计是主要由多参量是主要由多参量传感器子系感器子系统、现场无人无人值守站守站组成的数据成的数据测量系量系统和控制中心的数据和控制中心的数据处理系理系统等二大部分等二大部分组成恒丰北路立交成恒丰北路立交桥结构安全构安全长期期监测系系统传感器(放大器)系统数据采集与传输系统监测数据管理系统桥梁安全评估系统预警系统数据测量系统数据处理系统4.7.64.7.6 大跨度桥梁结构安全长期监测系统的大跨度桥梁结构安全长期监测系统的 工程实例工程实例46恒丰路立交恒丰路立交桥结构安全构安全监测系系统示意示意图47应变应力力传感感变送系送系统斜拉索索力斜拉索索力传感感变送系送系统216通道通道数模数模转换数据采集数据采集处理理显示示储存存传输温度温度传感感变送系送系统主梁振主梁振动传感感变送系送系统监测项目目系系统框框图48测压挠度自度自动测量系量系统示意示意图高速高速A/D数字数字处理理单元元 传输接接口口存存储器器传感感器器49加速度加速度传感器感器放大器放大器加速度加速度传感器感器放大器放大器加速度加速度传感器感器放大器放大器采集采集仪计算机算机接口接口斜拉索索斜拉索索力力及主梁及主梁动力特性力特性测试系系统示意示意图50沪太路侧全站仪与系统测试值对比沪太路侧全站仪与系统测试值对比天目路侧全站仪与系统测试值对比天目路侧全站仪与系统测试值对比为了考核整个监测系统的正确有效性，于为了考核整个监测系统的正确有效性，于20082008年年6 6月月2727日夜里进行了一次车辆加载试日夜里进行了一次车辆加载试验。考核主要内容是监测系统测量值的精度和与车辆荷载的同步性。限于篇幅，仅给出验。考核主要内容是监测系统测量值的精度和与车辆荷载的同步性。限于篇幅，仅给出挠度测量子系统的考核结果挠度测量子系统的考核结果。图。图中分别给出按照两个跨径内中分别给出按照两个跨径内6 6个测点的试验全过程的测试个测点的试验全过程的测试值以及理论计算值，全站仪和挠度监测子系统的采样频率都是值以及理论计算值，全站仪和挠度监测子系统的采样频率都是1 1秒一次。秒一次。4.7.64.7.6 大跨度桥梁结构安全长期监测系统的大跨度桥梁结构安全长期监测系统的 工程实例工程实例514.7.64.7.6 大跨度桥梁结构安全长期监测系统的大跨度桥梁结构安全长期监测系统的 工程工程实例实例（2 2）52海南省海口世纪大桥全长2663.606米，其中主桥长636.60米，主桥为双塔双索面三跨(147+340+147)连续预应力混凝土边主梁斜拉桥，桥面宽29.8米，两侧设人行道。主塔呈钻石型，塔高106.9米，主塔基础为圆端型沉井，上口面积29.8米18.6米，下口面积30.4米19.2米，深40.1米，斜拉索每一单面22根，共176根。大桥于1998年5月29日开工，到2003年8月1日竣工通车。总投资6.66亿元，其中利用日本资金协力贷款5000万美元，海口市财政配套资金2.5亿元。海口世纪大桥施工建设利用国际招标，按FIDIC条款实施管理，工程监理实行国内招标。2003年由同济大学桥梁工程系实施了大桥安全监测系统。53桥面挠度监测液压传感器照片54斜拉索动力特性传感器安装照片55实测全桥一阶振动模态56实测全桥二阶振动模态57实测全桥三阶振动模态58实测全桥四阶振动模态59实测全桥五阶振动模态谢谢谢谢！