结构健康监测技术课件

,重大工程结构健康监测（,SHM,）技术,张 浩,涉外土木工程教研室,重大工程结构健康监测（SHM）技术张 浩,概述,1.,引言,3.SHM,的方法,5.SHM,内容,6.SHM,系统设计,7.,实例介绍,江西交通科学研究院,4.,传感技术,SHM,Intro to,2.,什么是,SHM?,8.,未来展望,概述1.引言 3.SHM的方法5.SHM内容6.SHM,Section:,1,1:,引言,SHM,Intro to,江西交通科学研究院,全球基础设施普遍存在安全隐患,人类生活依赖大量的各种基础设施,道路,地下管道,高速公路,各种建筑等,各种基础设施长期使用中存在各种问题,被忽视、缺少维护、设计标准底,Section: 1 1: 引言SHMIntro to江西交,Section:,1,1:,引言,SHM,Intro to,江西交通科学研究院,天灾（自然力量）,台风、海啸、地震、洪水,损失巨大,可预报，无法避免。,有什么解决办法？,天灾：气象、海洋、地质灾害预报,有何技术途径？,人祸：法规、规划、设计、监测,人祸（人为因素）,无意、蓄意,渎职、,“偷工减料”,可以避免或加以控制,结构毁坏主要原因,Section: 1 1: 引言SHMIntro to江西交,1.,引言,SHM,Intro to,Section:,1,江西交通科学研究院,1996,四川綦江彩虹桥 死,41,汶川地震后的桥梁,1.引言SHMIntro toSection: 1 江西交通,Section:,1,1.,引言,导致结构性能劣化的因素,SHM,Intro to,因素,1,目前状况,后果,既有结构缺乏足够的检测和监测,只有到结构继续维修时才引起重视,维修费用甚至超出更换费用,江西交通科学研究院,桥梁结构日常使用主要问题,-,结构劣化,Section: 1 1.引言导致结构性能劣化的因素SHM,Section:,1,1.,引言,SHM,Intro to,因素,2,状况,结果,钢筋混凝土结构中的钢筋锈蚀,钢筋的变形导致混凝土开裂和剥落,强度或使用性能的降低导致构件需要维修或更换,江西交通科学研究院,结构劣化因素,Section: 1 1.引言SHMIntro to因素2状,Section:,1,1.,引言,SHM,Intro to,因素,3,状况,结果,交通荷载量及荷载等级逐年增加，,逐渐超出既有桥梁原来的设计标准,结构不安全或使用性不足，构件需加固或更换,江西交通科学研究院,结构劣化因素,Section: 1 1.引言SHMIntro to因素3状,Section:,1,1.,引言,SHM,Intro to,因素,4,状况,结果,结构整体劣化或老化,各种有害因素影响结构的可靠度安全性和使用性能,结构需要维修、加固甚至更换,江西交通科学研究院,结构劣化因素,Section: 1 1.引言SHMIntro to因素4状,SHM,Intro to,Section:,1:,引言,江西交通科学研究院,我国土木工程结构安全现状,工民建,设计,50,年，通常,2530,年需大修，或更短,市政桥梁,设计,50,年，,1015,年就出现严重破坏,海工,设计,3050,年，,5,15,年就出现严重破坏,大跨桥梁,设计,50100,年，,10,年以上的桥就很危险,SHMIntro toSection: 1: 引言江西交通科,SHM,Intro to,Section:,1:,引言,江西交通科学研究院,存在问题,非技术因素,市场、腐败、管理、做假,技术因素,标准设置水平低,无耐久性标准,无详细监测制度,解决之道,-,结构健康监测（,SHM,）,SHMIntro toSection: 1: 引言江西交通科,Section:,1,1.,引言,SHM,Intro to,江西交通科学研究院,以常用车辆作用于,30,米跨度简支梁桥为例,规范计算的需承受的活荷载效应：,美国和英国规范分别比我国规范大,12%,和,29%,考虑活荷载安全系数：,我国,1.40,，美国,1.75,，英国的,1.73,桥梁需承受活荷载效应设计值：,美国和英国规范分别比我国规范大,40%,和,59%,材料设计强度：,我国的设计承载能力为美、英的,68%,和,60%,我国公路桥梁设计标准偏低,Section: 1 1.引言SHMIntro to江西交通,2:,什么是结构健康监测（,SHM,）,?,利用现场测试、无损检测或各种传感技术和结构特征分析,包括结构响应来识别损伤是否产生、确定损伤位置,、评估损伤程度,以及损伤对结构造成的后果。,目标,-,建立智能结构体系,SHM,Intro to,Section:,2,江西交通科学研究院,一个可靠的结构健康监测（,SHM,）系统应包括：,先进的传感技、数据采集技术、系统识别和损伤定位技术和土木工程技术,结构的安全性、强度、整体性、可靠性,2: 什么是结构健康监测（SHM）?利用现场测试、无损检测或,Section:,2,结构健康监测逐渐普及,结构健康监测的发展得益于,:,逐渐增长的需求,既有结构养护管理的需求,新设计、新技术和新材料监测的需求,SHM,Intro to,以下技术的发展,新型传感技术,(,如：光纤、智能材料等,),数据采集系统,网络和无线网络技术,数据库系统（传输、收集、储存和分析）,数据处理和分析技术,江西交通科学研究院,Section: 2 结构健康监测逐渐普及结构健康监测的发展,Section:,2,结构健康监测（,SHM,）的定义,结构健康监测,无损检测,结构现场测试和评估,使用多种传感器埋入或粘贴到结构表面进行监测,SHM,Intro to,结构的安全性、强度、整体性、可靠性,江西交通科学研究院,Section: 2 结构健康监测（SHM）的定义结构健康监,Section:,2,结构健康监测与人类体检的类比,医生,监测病人的健康状况,使用医学设备对人体进行健康检查,开处方进行对症治疗,SHM,工程师,监测结构的健康状况,使用各种传感器对结构进行健康检查,给出桥梁维护管理方案,SHM,Intro to,ISIS Canada Educational Module 5,Section: 2 结构健康监测与人类体检的类比医生监测病,Section:,2,SHM,系统组成,数据采集,数据传输,数据处理,数据存储,数据恢复,诊断分析,SHM,Intro to,江西交通科学研究院,Section: 2 SHM 系统组成数据采集数据传输数据处,Section:,2,SHM,系统分级,等级,I,识别损伤是否存在,等级,II,识别损伤是否存在及其位置,等级,III,识别损伤是否存在及其位置、程度,等级,IV,识别损伤是否存在、位置、程度和对结构造成的影响,SHM,Intro to,江西交通科学研究院,Section: 2 SHM 系统分级等级 I等级 II等级,等级,I,等级,II,等级,III,等级,IV,定位,识别,定量,损伤影响,精度要求逐步提高,Section:,2,SHM,Intro to,SHM,系统分级,江西交通科学研究院,等级 I等级II等级III等级IV定位识别定量损伤影响精度要,Section:,2,SHM,的优点,优点,长期实时把握结构状态,尽早识别损伤,保证结构强度和使用性能,减少检查、维护时间和费用,制定合理的养护管理方案,提高工作效率,促进新技术新材料的研究和应用,SHM,Intro to,江西交通科学研究院,Section: 2 SHM的优点优点长期实时把握结构状态尽,Section:,3,3:,方法,理想的,SHM,系统,:,提供结构健康信息,出现损伤时给出警告,SHM,系统的发展需要多方面学科发展的支持,SHM,Intro to,数据采集,材料,计算机,传感器,损伤识别,结构工程,通信,智能处理技术,江西交通科学研究院,Section: 3 3: 方法理想的 SHM 系统: SH,需监测的桥梁,Section:,3,系统组成示意图,SHM,Intro to,各种传感器,数据采集系统,(on-site),通信系统,(,如,.,网络）,数据处理,(,计算机自动完成,),数据存储,(,硬盘或刻录光盘,),诊断,状态评估,(,管理养护决策,),江西交通科学研究院,需监测的桥梁Section: 3 系统组成示意图SHMInt,Section:,3,3.1 ,数据采集,(a),传感器的选择,适合的可靠的传感器,根据监测时间（长期、或短期）需求 选择,结构监测项目,?,传感器必须满足功能和耐久性要求,SHM,Intro to,原始数据的收集如：温湿度、风速、应变、变形、,加速度、荷载、交通量、地震等。,江西交通科学研究院,Section: 3 3.1 数据采集(a) 传感器的选,Section:,3,3.1 ,数据采集,(b),传感器安装和布置,传感器的安装必须不影响原有结构性能,传感器的附属设施如：缆线、线槽、,连接箱等,需不妨害结构使用,需考虑传感器优化布置,SHM,Intro to,江西交通科学研究院,Section: 3 3.1 数据采集(b) 传感器安装,Section:,3,(c),数据传输,方法,-,有线系统,传感器与采集系统间直接线路连接,最常用而且费用低廉,对于大型桥梁不使用,缆线过长导致信号噪声大,方法,-,无线传输,更昂贵,信号传输更慢更不安全,技术潜力较大,SHM,Intro to,3.1 ,数据采集,江西交通科学研究院,Section: 3 (c) 数据传输方法 - 有线系统,Section:,3,(d),数据采样和收集,SHM,Intro to,3.1 ,数据采集,基本要求,:,采集数据不能过少导致无法完成监测系统基本功能,也不能过多导致数据处理和分析困难。,重点,:,传感器的数量和采样频率,数据存储和排序,某些情况下数据量特别大,结果,:,制定有效的数据采样和存储策略,江西交通科学研究院,Section: 3 (d) 数据采样和收集SHMIntro,Section:,3,监测内容,SHM,Intro to,荷载,变形,施加到结构上的荷载的大小和分布,是否为预期的荷载,?,荷载是怎么分布的,?,使用设备测试荷载或由应变数据推导,过大的变形,意味着导致结构需要维修、加固甚至更换,是否在预期的范围之内,?,可使用不同的传感器测试,江西交通科学研究院,3.1 ,数据采集,Section: 3 监测内容SHMIntro to荷载变形,Section:,3,SHM,Intro to,应变,温度,应变,:,反映变形的强度,应变的大小和变化能用于评估结构的安全性和整体性,使用各种应变传感器,光纤、电阻式、振弦式等。,温度变化可导致变形,热膨胀,周期性的循环变化会导致疲劳破坏,温度会影响应变测量值,需进行温度补偿,使用热电偶、光纤等进行测试。,江西交通科学研究院,3.1 ,数据采集,Section: 3 SHMIntro to应变温度应变:,Section:,3,SHM,Intro to,加速度,风速和风压,动力荷载导致结构的动力响应,结构如何抵抗动力荷载,?,在地震多发区广泛使用,通常用加速度传感器测试,大跨桥梁和高层建筑往往由风荷载控制设计,不同位置的风速和风压,通常用超声风速仪测试,江西交通科学研究院,3.1 ,数据采集,Section: 3 SHMIntro to加速度风速和风压,Section:,3,SHM,Intro to,声发射,视频,监测,当结构或构件某些部位开裂或断裂，会产生噪音,声发射通过监测噪声,通过,3,角测量法进行损伤定位,后张预应力混凝土结构和缆索支撑桥梁比较常用,使用专用传感器测试,实时追踪的视频或图像可记录突发事件或极端荷载,数据有图片为证,可捕捉超载车辆,可使用网络摄像机技术,江西交通科学研究院,3.1 ,数据采集,Section: 3 SHMIntro to声发射视频当结构,Section:,3,3.2 ,数据传输,数据需从采集站传递到监控中心,允许远程监视,减少现场工作量,电话,网络,无线技术,SHM,Intro to,采集站,监控中心,江西交通科学研究院,Section: 3 3.2 数据传输 数据需从采集站传,Section:,3,3.3 ,数据预处理,更简单,传输更快,更精确,SHM,Intro to,数据存储前进行,目的在于清除一些不可靠的数据、测试噪声,、温度影响等，尽量使存储的数据更真实可靠，以便于将来的数据分析,:,江西交通科学研究院,Section: 3 3.3 数据预处理更简单传输更快更,可保存较长时间段内的数据,数据要易于理解,数据尽可能不中断,要有足够的存储空间,数据文件格式要好，可读性强,通常存储分析处理后的数据而不存储原始数据,存储数据要真实，不能随意更改,Section:,3,3.4 ,数据存储,SHM,Intro to,江西交通科学研究院,可保存较长时间段内的数据Section: 3 3.4 数,Section:,3,3.5 ,诊断,SHM,Intro to,极端重要的部分,将数据信号转换为有价值的结构响应或状况信息,没有标准的诊断方法,使用的方法取决于,结构类型,传感器的类型和位置,监测的动机,所关心的结构响应,江西交通科学研究院,Section: 3 3.5 诊断SHMIntro to,Section:,3,3.6 ,数据分析,数据分析时需考虑,数据的意义和价值,精简分析的工作量,SHM,Intro to,谨记,:,SHM,的目的,是提供详尽的数据给工程师，以便于作出合理的、专业的工程决策。,江西交通科学研究院,Section: 3 3.6 数据分析数据分析时需考虑,多种传感器在广泛使用,SHM,选择传感器取决于很多因素,传感技术的发展极大推动了,SHM,的发展,光纤传感器,(FOSs),新技术,土木工程中广泛应用,研究开发和应用的热点,Section:,4,4:,传感技术,SHM,Intro to,江西交通科学研究院,多种传感器在广泛使用Section: 4 4: 传感技术SH,绝缘性,不受电磁干扰和,电波干涉,先进的传感,特性,稳定性,长期稳定性好,测试误差小,方便性,重量轻,直径小,不受化学腐蚀,易埋入或表面粘贴安装,易用性,可多点或分布式测量,Section:,4,光纤传感器的优点,SHM,Intro to,江西交通科学研究院,绝缘性不受电磁干扰和先进的传感稳定性长期稳定性好方便性重量轻,Section:,4,光纤传感器如何测试,?,传感使用光学特性,数据采集系统,再将电压信号转换为应变值,激光或光束在光纤内传递，通常有测试标距,光特性的改变直接能反映应变变化,解码器通过光信号的改变计算应变值，有的转换为电压信号,SHM,Intro to,光束可测试状态变化,(,如光纤被拉长或压缩,),江西交通科学研究院,Section: 4 光纤传感器如何测试?传感使用光学特性数,Section:,4,光纤传感技术,典型光纤,各种各样的光纤覆盖层保护保护光纤避免,减少和避免安装及操作中的磨损,防止潮湿环境削弱光纤,控制微裂缝增长,混凝土结构中使用时,避免光纤受损,外护套,芳纶 纤维 内护套 缓冲层 裸光纤,SHM,Intro to,江西交通科学研究院,Section: 4 光纤传感技术典型光纤各种各样的光纤覆盖,Section:,4,光纤安装方式,焊接式,嵌入式,预制好,易于安装,传感器外套有不锈钢管等保护设施,能应用于各种恶劣环境,SHM,Intro to,粘接式,手工安装,对操作要求稍高,避免受湿度影响,江西交通科学研究院,Section: 4 光纤安装方式焊接式嵌入式预制好, 易于,Section:,4,光纤传感器的种类,SHM,Intro to,常用的光纤传感器,:,光纤光栅,(FBGs),长标距传感器,法布里,-,珀罗 传感器,布里渊散射传感器,江西交通科学研究院,Section: 4 光纤传感器的种类SHMIntro to,Section:,4,光纤光栅传感器,仅可作为点式应变计测量,即可测试静力又可动力测试,一根光纤可串联多个传感器,可嵌入、粘结,和焊接,需进行温度补偿,SHM,Intro to,在光纤上刻有格栅,当脉冲光打入光纤，在格栅处脉冲光会反射，如光纤粘贴在结构上一起变形，格栅处的的变形会导致反射光波长的变化。,通过波长的变化值可以推算出应变大小,特点,:,江西交通科学研究院,Section: 4 光纤光栅传感器仅可作为点式应变计测量即,Section:,4,长标距传感器,SHM,Intro to,通用性强,标距可从,5cm,到,100m,仅可做静力测试,光纤内设有两个极小的,“,镜子,”,2,个镜子的间距就是标据,传感器测试,2,个镜子间的位移,利用光的干涉原理进行测试,特点,:,需进行温度补偿,江西交通科学研究院,Section: 4 长标距传感器SHMIntro to通用,Section:,4,法布里,-,珀罗传感器,SHM,Intro to,只可测试点式应变,即可测试静力又可动力测试,一根光纤不能串联多个传感器,可嵌入、粘结,和焊接,光纤中切有一道“槽”,利用光学技术来探测槽宽度的变化,如果预先测量出槽的初始宽度，那么久可计算出应变值,特征,:,江西交通科学研究院,Section: 4 法布里-珀罗传感器 SHMIntro,Section:,4,布里渊散射传感器,SHM,Intro to,分布式大范围测试,目前仅可做静力测试，光纤长度小于,10m,时可测动力,可分别进行温度和应变测量,光纤本身即是传感器又可作为数据传输媒介,利用后向传播的布里渊散射光谱的中心频率偏移进行应变测试,利用一根光纤可测试几十公里的范围,测试分布式的应变场和温度场,特征,:,解调仪较为昂贵,江西交通科学研究院,Section: 4 布里渊散射传感器SHMIntro to,Section:,4,分布式传感,能进行连续的应变测试并找到应变发生的位置,可用于测量,:,光纤光栅通过一系列的传感器串联可实现准分布式测量,可给出连续的空间应变分布,裂缝宽度,粘结层的应变传递,应力集中,SHM,Intro to,分布式传感技术可通过光纤光栅和布里渊散射传感技术实现,:,江西交通科学研究院,Section: 4 分布式传感 能进行连续的应变测试并找到,Section:,4,多点传感技术,多个传感器组成的测试网络通过一个解调仪进行测试,1.,多点串联,:,一根光纤穿有多个传感器,2.,多点并联,:,每根连接一个传感器，解码器需要有多通道。,SHM,Intro to,江西交通科学研究院,Section: 4 多点传感技术多个传感器组成的测试网络,Section:,4,其他类型的传感器,压力盒,振弦式应变传感器,电阻应变片,拾振器、加速度传感器,位移计,热电偶,SHM,Intro to,荷载,位移,加速度,温度,应变,各种温度传感器,千分表,江西交通科学研究院,Section: 4 其他类型的传感器压力盒振弦式应变传感器,Section:,5,5:,SHM,内容,SHM,Intro to,分类方法,:,监测的时间特性,监测的内容,连续的,周期性的,静力荷载,动力荷载,环境振动,江西交通科学研究院,Section: 5 5: SHM 内容SHMIntro t,Section:,5,静力域测试,最常见的测试,荷载缓慢的施加并长期作用在结构上,动力影响,可忽略,包括,3,种基本测试,:,1.,力学行为测试,2.,诊断测试,3.,验证测试,SHM,Intro to,江西交通科学研究院,Section: 5 静力域测试 最常见的测试1. 力学行为,Section:,5,静力域测试,1.,力学行为测试,目标,主要研究结构力学行为和验证结构计算分析方法,测试荷载,最大使用荷载,结论,SHM,Intro to,可反映荷载如何分布在结构上，不能给出结构的承载能力,江西交通科学研究院,Section: 5 静力域测试1. 力学行为测试目标主要研,Section:,5,2.,诊断测试,目标,明确结构各构件间的相互作用和关系,方法同力学行为测试,结论,SHM,Intro to,有益的相互作用,进行利用,不利的相互作用,进行消除,江西交通科学研究院,静力域测试,Section: 5 2. 诊断测试目标明确结构各构件间的相,Section:,5,3.,验证测试,目标,测试结构的承载能力,结果,验证荷载是结构不产生损伤的前提下能承受的最大荷载,SHM,Intro to,不断增加试验荷载直到突破弹性极限,江西交通科学研究院,静力域测试,Section: 5 3. 验证测试目标测试结构的承载能力结,Section:,5,动力域测试,（,1,）,应力时程测试,（,2,）,冲击系数测试,（,3,）,外界激励试验,（,4,）,横向测试,SHM,Intro to,结构的试验荷载工况根据移动荷载确定,一个典型的动力试验,(,桥梁,):,桥梁的跳车试验,桥梁动力响应的激发、测试及分析,动力试验的四种基本测试类型,:,江西省交通科学研究院,Section: 5 动力域测试（1） 应力时程测试（2）,Section:,5,（,1,）,应力时程测试,适用于对疲劳荷载较敏感的桥梁,重点在于桥梁构件的应力幅,要求具备能快速连续采集信号的动力测试仪,保存和分析应变图用于确定结构的疲劳寿命,(,直到结构疲劳破坏,),SHM,Intro to,注意,:,疲劳失效是一种潜在灾难的失效模式，由重复车辆荷载引起。,江西省交通科学研究院,动力域测试,Section: 5 （1） 应力时程测试适用于对疲劳荷载较,Section:,5,（,2,）,冲击系数测试,结构设计通常假定荷载都是静力荷载，对于桥梁来说，并不太切合实际,动力荷载通常用静力荷载乘以冲击系数来模拟,冲击系数的测试方法有多种,(,没有标准的测试方法,),SHM,Intro to,江西省交通科学研究院,动力域测试,Section: 5 （2） 冲击系数测试结构设计通常假定荷,Section:,5,（,3,）,外界激励测试,基于风、人为激励及交通荷载激励可测试结构振动特性,桥梁振动特性的改变意味着结构发生了严重破坏,(,基于动力特性的损伤识别,),测试数据经复杂算法计算后得到桥梁的加速度响应,SHM,Intro to,问题,:,(,振动频率,),对结构局部损伤的敏感性较低，不宜用做局部损伤识别,振动特性易受环境、温度等的影响,江西省交通科学研究院,动力域测试,Section: 5 （3） 外界激励测试基于风、人为激励及,Section:,5,（,4,）,横向响应测试,通常用于测试桥梁横向动力相应,使用拉索将桥梁横拉然后突然放开,加速度计用于测试结构动力响应,数据分析与外界激励测试类似,SHM,Intro to,江西省交通科学研究院,动力域测试,Section: 5 （4） 横向响应测试通常用于测试桥梁横,Section:,5,周期性监测,SHM,Intro to,桥梁结构健康监测系统对结构可能发生的不利变化进行周期性调查,结构特性按特定时间间隔（天、周、月、年等）监控,实时周期监控包括,:,外界激励监控,;,移动交通荷载下结构监测,;,静力试验,;,裂缝开展,;,结构修补,江西省交通科学研究院,Section: 5 周期性监测SHMIntro to桥梁结,Section:,5,连续监测,SHM,Intro to,监测在一定时期内是实时连续的,仅在现代运用，因为系统造价昂贵且系统复杂,实时监测及数据采集,1.,存储在磁盘当中在后续工作中分析,2.,与远程计算机连接进行实时分析,通常运用在重要结构上或对整体性能存在疑问的结构上,江西省交通科学研究院,Section: 5 连续监测SHMIntro to监测在一,Section:,5,监控数据融合,SHM,Intro to,江西省交通科学研究院,多传感器数据融合技术以其强大的时空覆盖能力和对多源不确定性信息的综合处理能力,可以有效地进行结构系统的监测和诊断。,现有健康监测系统多停留在数据采集和简单数据分析阶段，同时桥梁健康监测系统会产生大量测试数据,对这些测试数据与信息进行整合与解释，以及对结构真实状态的进行合理评估仍存在很大困难。,􀂄 目前已经发展起来的数据融合技术主要有：加权平均、卡尔曼滤波、贝叶斯估估计、统计决策理论、证据理论、模糊推理、神经网络。,Section: 5 监控数据融合SHMIntro to江西,Section:,5,SHM,Intro to,江西省交通科学研究院,􀂄,基于振动的结构损伤识别方法：结构损伤识别作为结构状态评估的重要组成部分，是近年来健康监测方向的研究热点之一，出现了如基于结构频率、位移模态、应变模态、曲率模态、应变能、刚度、柔度、能量法、频响函数等一系列损伤识别方法；,􀂄 模型修正方法：这类方法主要是基于运动方程、测试结果和有限元模型构造约束优化问题不断修正结构刚度、质量和阻尼分布，使其响应尽可能的接近实际响应。结构的模型修正能够为健康监测提供基准模型，同时也为基于测试结果的反演进行结构损伤识别和性能模拟提供了很好的基础；,目前尚待研究的主要课题有：结构的损伤及性能退化机理、结构性能的各种参数的时变特性、结构状态的在线预警、实际安装健康监测系统的复杂结构的适用性、结构小损伤和非线性损伤的识别等。,系统与损伤识别,Section: 5 SHMIntro to江西省交通科学研,Section:,5,状态评估,SHM,Intro to,江西省交通科学研究院,结构状态评估方法的研究：结构状态评估方法主要是运用可能获得的反映结构性能的内部信息对结构的施工运营等工作状态进行评估，目前主要有可靠度理论、层次分析法、模糊理论、神经网络以及专家系统等。,健康监测系统的结构状态评估需要从结构监测的大量数据中提取能够反映结构特性的特征，以完成对结构实时和定期的评估，而这其中必然会涉及到结构数据的特征提取、数据融合及性能决策等方面，但目前这个方面所作的工作较少。,Section: 5 状态评估SHMIntro to江西省交,Section:,6,6.,桥梁结构健康监测系统设计,定义健康监测系统目标,确定传感器种类、型号,监测项目确定,系统寿命及耐久性,SHM,Intro to,1.,设计流程,在,FRP,加强格栅浇筑混凝土前先安装传感器,江西省交通科学研究院,Section: 6 6.桥梁结构健康监测系统设计定义健康监,Section:,6,6.,健康监测系统设计,2.,安装流程,传感器标定,承包商培训,避免施工过程中的传感器损坏,避免安装健康监测系统引起结构损害,保护系统免受环境及人为破坏,SHM,Intro to,承包商培训及传感器标定是健康监测系统安装工程中最关键的部分,江西省交通科学研究院,Section: 6 6.健康监测系统设计 2. 安装流程,Section:,6,6.,健康监测系统设计,3.,使用流程,数据收集及管理,知识的连续性,监测数据传输及显示,SHM,Intro to,江西省交通科学研究院,信息发布,Section: 6 6.健康监测系统设计3. 使用流程数,Section:,6,6.,健康监测系统设计：,操作方法,SHM,Intro to,江西省交通科学研究院,结构损伤识别及预警机制,结构劣化,-,响应对应关系,结构数值分析模型,建立关键参数的特征反应,确定识别每级损伤的灵敏度,选择的参数和定义性能指标,：不同结构劣化程度与结构响应变化的联系,设计系统 ：,传感器选用、数据采集及数据管理,数据分析,安装调试系统,(,设置基准参数,),适时评估数据及系统调整,Section: 6 6.健康监测系统设计： 操作方法SHM,7.,实例介绍,加拿大联邦大桥,跨越诺森伯兰 海峡,1997,建成通车,世界最大预应力混凝土跨海大桥（箱形梁）,建立了极其有价值的,SHM,系统,Section:,7,SHM,Intro to,江西交通科学研究院,7.实例介绍加拿大联邦大桥跨越诺森伯兰 海峡1997建成通车,Section:,7,Confederation Bridge,SHM,Intro to,桥梁简介,新不伦瑞克省到爱德华王子岛省的必经之路，全长,13.1 km,的预应力混凝土箱梁桥。,44,跨，跨度均为,250 m,先悬臂拼装,190,的悬臂梁端，后吊装跨中,60,米长的简支梁段,采用了多种先进施工技术,设计寿命,100,年,实例介绍,江西交通科学研究院,Section: 7 Confederation Bridg,联邦桥,SHM,系统的价值,:,Section:,7,Confederation Bridge,1.,桥址处自然环境恶劣,3.,设计寿命是普通桥的,2,倍,4.,可用于验证设计假设，以保证桥梁的安全性和使用性能,5.,开发出新的养护和维修策略,2.,SHM,数据在加拿大将用于指定行业标准，并用于指导其他大桥,SHM,Intro to,实例介绍,江西交通科学研究院,联邦桥SHM系统的价值:Section: 7 Confede,SHM,系统,Section:,7,Confederation Bridge,箱梁横截面,光纤传感器,安装位置,典型跨,悬臂段,简支段,SHM,Intro to,短期和长期行为均进行了监测,不同部位安装有大量传感器,箱梁截面安装有,FBG,传感器,:,实例介绍,江西交通科学研究院,SHM 系统Section: 7 Confederation,监测内容,?,Section:,7,Confederation Bridge,桥梁变形,温度影响,交通荷载,动力测试,钢筋锈蚀,SHM,Intro to,冰荷载,倾斜计,加速度计,冰荷载板,视频监控,声纳技术,应变传感器,(,电阻式和光纤式,),视频摄像仪,机械式,光纤,振弦式应变传感器监测短期和长期变形,热电偶,振弦式应变传感器,日辐射计,76,个,加速度计,超声风速仪,动位移传感器,腐蚀探头,实例介绍,江西交通科学研究院,监测内容?Section: 7 Confederation,Section:,7,Confederation Bridge,数据采集系统,采集仪,监控中心,数据分析中心,Carlton,大学,SHM,Intro to,传感器,2,种数据采集模式,:,定期采集模式,事件触发模式,实例介绍,江西交通科学研究院,Section: 7 Confederation Bridg,苏通大桥,苏州,-,南通,最大跨径斜拉桥,主跨,1088,米,Section:,7,SHM,Intro to,2008,年建成通车,实例介绍,江西交通科学研究院,苏通大桥苏州-南通最大跨径斜拉桥主跨1088米Section,Section:,7,SHM,Intro to,桥梁特点,最大主跨：,苏通大桥跨径为,1088,米，是当今世界跨径最大斜拉桥。,最深基础：,苏通大桥主墩基础由,131,根长约,120,米、直径,2.5,米至,2.8,米的群桩组成，承台长,114,米、宽,48,米，面积有一个足球场大，是在,40,米水深以下厚达,300,米的软土地基上建起来的，是世界上规模最大、入土最深的群桩基础。,最高桥塔：,原先世界上已建成最高桥塔为多多罗大桥,224,米的钢塔，苏通大桥采用高,300.4,米的混凝土塔，为世界最高桥塔。,最长拉索：,苏通大桥最长拉索长达,577,米，比日本多多罗大桥斜拉索长,100,米，为世界上最长的斜拉索。,实例介绍,江西交通科学研究院,Section: 7 SHMIntro to桥梁特点,Section:,7,SHM,系统,SHM,Intro to,由,4,个子系统构成,(,见下图,),：,传感器系统, 数据采集与传输系统,数据处理与控制系统,结构健康状况评价系统。,实例介绍,江西交通科学研究院,Section: 7 SHM 系统SHMIntro to由4,Section:,7,SHM,系统,SHM,Intro to,传感器子系统由超声风速仪、车速车轴仪、全球定位系统、加速度传感器等,16,类,传感器组成。,其中包括由,788,个各类传感器所构成上部结构固定式传感器系统；,由,16,只高精度加速度传感器构成的便携式传感器系统及包含,636,只传感器的基础监测传感器系统；,传感器总数达到,1 440,只。,实例介绍,江西交通科学研究院,Section: 7 SHM 系统SHMIntro to,Section:,7,SHM System,SHM,Intro to,实例介绍,江西交通科学研究院,Section: 7 SHM SystemSHMIntro,润扬大桥,镇江到扬州,南汊悬索桥（,1490,）,北汊斜拉桥,Section:,7,SHM,Intro to,2005,年,4,月建成通车,实例介绍,江西交通科学研究院,润扬大桥镇江到扬州南汊悬索桥（1490）北汊斜拉桥Secti,Section:,7,SHM,Intro to,桥梁特征,由北接线、北汊桥、世业洲互通高架桥、南汊桥、南接线及延伸段等部分组成，,主桥,(,包括北汊桥、世业洲互通高架桥和南汊桥,),长,7.21,公里,北引桥及北接线高架桥长,1.74,公里，,其中南汊主桥采用单孔双铰钢箱梁悬索桥，主跨径,1490,米，为目前中国第一、世界第三。,北汊桥采用,176+406+176,米的三跨双塔双索面钢箱梁斜拉桥，长,758,米。全线采用双向六车道高速公路标准，桥面平均宽,31.5,米,实例介绍,江西交通科学研究院,Section: 7 SHMIntro to桥梁特征由北接线,Section:,7,健康监测系统,SHM,Intro to,结构健康监测系统包括硬件和软件,2,个部分,其中硬件部分包括,4,个系统,即,:,传感器系统；数据采集系统,；数据通信与传输系统；数据分析和处理系统。各系统间通过光纤网络联系而进行运作。,实例介绍,江西交通科学研究院,Section: 7 健康监测系统SHMIntro to结构,Section:,7,SHM,Intro to,实例介绍,江西交通科学研究院,Section: 7 SHMIntro to实例介绍江西交通,Section:,7,SHM,Intro to,实例介绍,江西交通科学研究院,Section: 7 SHMIntro to实例介绍江西交通,日本明石海峡大桥,日本神户市与淡路岛之间,悬索桥,世界最大跨径,Section:,7,SHM,Intro to,1998,年正式通车,实例介绍,江西交通科学研究院,日本明石海峡大桥日本神户市与淡路岛之间悬索桥世界最大跨径Se,Section:,7,SHM,Intro to,桥梁简介,明石海峡大桥，位于本州岛与四国岛之间，全长,3911,米（,960+1991+960,），主跨,1991,米，为三跨二铰加劲桁梁式吊桥，桥宽,35.5,米，双向六车道。,抗震强度按,1/150,的频率，承受,8.5,级强烈地震和抗,150,年一遇的,80m/s,的暴风设计，,1995,年,1,月,17,日，日本坂神发生里氏,7.2,级大地震，该桥经受住了考验，只是南岸的岸墩和锚锭装置发生了轻微位移，使桥的长度增加了,0.8m,。,为目前世界上跨度最大的悬索桥，也是世界上最长的双层桥，,实例介绍,江西交通科学研究院,Section: 7 SHMIntro to桥梁简介明石海峡,Section:,7,SHM,系统,SHM,Intro to,实例介绍,江西交通科学研究院,Section: 7 SHM 系统SHMIntro to实例,Section:,7,传感器布置,SHM,Intro to,实例介绍,江西交通科学研究院,Section: 7 传感器布置SHMIntro to实例介,美国,Commodore Barry,大桥,新泽西和宾夕法尼亚之间,钢桁架桥,主跨,501,米,Section:,7,SHM,Intro to,1974,年正式通车,实例介绍,江西交通科学研究院,美国Commodore Barry大桥新泽西和宾夕法尼亚之间,Section:,7,SHM,Intro to,桥梁简介,为美国最大的悬臂钢桁架桥，主跨,501,米，有,5,个车道。,2,片桁架间距为,72,英尺，每片桁架有,73,个节点，节点间距约为,45,英尺，上下弦杆为焊接箱形截面，斜杆和竖杆为箱形和,I,形截面,桥面系为,8,英寸厚的钢筋混凝土支撑在间距为,7,英尺的钢横梁上,实例介绍,江西交通科学研究院,Section: 7 SHMIntro to桥梁简介,Section:,7,SHM,Intro to,系统总体架构图,实例介绍,江西交通科学研究院,Section: 7 SHMIntro to系统总体架构图实,Section:,7,传感器布置,SHM,Intro to,实例介绍,江西交通科学研究院,Section: 7 传感器布置SHMIntro to实例介,8.,未来展望,Section:,8,结构健康监测正成为基础设施可持续养护的重要工具,该技术正在不断发展中。,主要以下方向,:,智能复合材料,“活”结构,SHM,Intro to,ISIS Canada Educational Module 5,8.未来展望Section: 8结构健康监测正成为基础设施可,未来展望,Section:,8,肌肉,/,构件,类比,:,复合材料有传感器可获得结构构件的状态信息。,肌肉内有神经细胞，,可给大脑传递肌肉状态等信息,SHM,Intro to,ISIS Canada Educational Module 5,复合材料（如,FRP,）内嵌有传感器既可与结构共同受力又可获得结构构件的状态信息。,智能复合材料,未来展望Section: 8肌肉/构件 类比:复合材料有传感,未来展望,Section:,8,“,活,”,结构,SHM,Intro to,ISIS Canada Educational Module 5,土木工程设计和分析的尖端水准,具备以下能力,:,监测荷载、变形和损伤,纠正和记录荷载影响,由自传感材料组成,未来展望Section: 8“活”结构SHMIntro to,