2026-08-23
工程结构健康监测;内容 引言 健康监测的组成 健康诊断与安全评定、损伤识别的方法 智能传感技术 高层（超高层）建筑健康监测 大跨度空间结构健康监测 总结与展望 参考文献;1.引言 土木工程结构健康监测（structural?health?monitoring）是目前国内外的研究热点领域，其核心思想是通过监测结构在不同时段（施工阶段，运营阶段，维护阶段）的响应（应力、应变，挠度，频率，振型等）变化，来探测结构可能发生的损伤，进而评价结构的安全性和剩余使用寿命。通过对重点工程（高层建筑、体育场馆、大跨度桥梁、大型水利工程、隧道等）的实时监控，可以有效发现结构在超常荷载下发生的静动力特性的改变，及时提出预警。 在房屋建筑的健康监测方面，目前主要分为高层（超高层）建筑健康监测和大型空间结构（体育场馆、会堂、重要厂房等）健康监测两类以及在遗产建筑方面的应用。;1.引言;1.引言;1.引言;1.引言;1.引言;1.引言;1.引言;1.引言;1.引言;1.引言;1.引言;2.健康监测的组成 ;2.健康监测的组成 一个完整的健康监测系统一般由以下几部分组成： 1）结构健康监测智能铸成元件 智能传感元件将待测物理量转变为电信号。土木工程结构与设施往往处于较恶劣的环境中，要求传感器必需满足耐久性，稳定性、与结构相容性等，传统的传感器很难满足工程实际的需要。 2）信号智能处理 建筑健康监测的结构参数较多，如应变，加速度、速度、位移、温度等，再则，大型结构的多自由度特性要求的监测布点尽可能多，从而就要求采用尽可能多的传感器。不同的参数测量采用的原理大多不一样，尤其智能传感器的出现使得测量的信号差异很大。如何综合利用来自多传感器的多源不确定性信息以提高确诊率成为建筑结构健康监测系统亟需解决的问题。 ;2.健康监测的组成 3）健康诊断与安全评定 利用具备诊断功能的软硬件对接收到的数据进行诊断，判断损伤的发生、位置、程度，对结构健康状况做出评估，如发现异常，发出报警信息。健康诊断与安全评定可分为局部诊断与评定和整体诊断与评定两种。局部诊断依靠无损检测技术对特定构件进行精确的检测、查找、描绘缺陷的部位；而整体诊断试图评价整体结构的状态，可以间断或连续的评价结构的健康，确定损伤存在的可疑区域。在大型土木工程结构的健康监测中多综合利用局部法和整体法。 ;3.健康诊断与安全评定、损伤识别的方法 ;3.健康诊断与安全评定、损伤识别的方法 ;3.健康诊断与安全评定、损伤识别的方法 ;4. 智能传感技术 ;4. 智能传感技术 ;5 高层（超高层）建筑健康监测 5.1 超高层结构健康监测系统功能 （1）实时监控结构的整体和局部状态； （2）对结构损伤位置和损伤程度做出诊断； （3）评估结构的服役情况、可靠性、耐久性以及剩余寿命； （4）发生台风、地震或爆炸等突发灾难事件或结构发生异常状态时，判断结构的安全等级，保证人员的生命与财产安全，并且在事后为结构的维护和管理决策提供依据； （5）设计验证与理论研究。 ;5 高层（超高层）建筑健康监测 5.2 主要监测项目 （1）结构动力特性监测：通过记录结构加速度时程，分析得到频响函数和模态参数，为后续的模型修正和损伤识别提供依据。 （2）结构变形监测：主要监测顶端位移和层间水平位移。结构水平位移过大，将会导致结构开裂、倾斜、或损伤等承载力的下降，甚至达到一定程度时，结构加速度过大而引起用户感官上的不适。此外，结构水平变形曲线也是变形监测的一项重要内容，其在一定程度上反映了结构垂直方向的刚度变化，是损伤判断的重要依据之一。 （3）结构局部监测：包括巨型柱、核心筒墙体、外伸桁架等重要构件和一些结构重要节点。这些构件或节点的强度降低或损伤容易引起结构整体的不稳定，易发生安全隐患。需要对这些构件的内力状态、强度、耐久性（混凝土碳化、钢筋腐蚀以及开裂等）和温度等进行监测。 ;5 高层（超高层）建筑健康监测 （4）荷载监测：记录各种可变荷载及其时间历程，为结构自诊断分析提供荷载数据。一般来说，主要监测风荷载和地震荷载。超高层结构属于风荷载敏感建筑。随着高度的增加，风荷载往往成为超高层结构设计中的控制荷载，频发的风力作用容易引起构件或关键子结构发生过大的永久变形，增加结构二阶效应和屈服破坏的可能，从而降低结构的可靠度。地震荷载的记录，为环境激励下的结构振动响应分析提供依据。获得的地震观测资料可推动我国关于地震动的研究。 ;5 高层（超高层）建筑健康监测 5.4 深圳市民中心屋顶网架结构健康监测 深圳市民中心是深圳市的政治中心和标志性建筑。总建筑面积约210000m2,占地面积91000m2，深圳市民中心的大屋盖网架结构两边以树状钢柱为支撑,中部有一个圆塔和一个方塔从下而上穿出屋面,同时也作为大屋盖的支点。该屋盖长486m,宽度由两端154m向中间缩小至120m,其厚度由2.25m变至9.00m。屋盖上下表面均为曲面,下表面为开孔率达13.6%的开孔板。 ;5 高层（超高层）建筑健康监测 5.4 深圳市民中心屋顶网架结构健康监测 整个网架结构被分为独立的三部分,两个对称的翼部和一个中部。屋盖中部是要监测的部分。屋盖中部由圆形塔楼和矩形塔楼四周主桁架之间的网架以及主桁架与两端树状支撑间的网架组成空间结构体系。如下图所示。主桁架采用焊接箱型截面,网架为三层正放四角锥焊接空心球节点,网格水平间距为6m, 杆件采用圆钢管。网架与主桁架的连接采用带肋的半球节点连接。 ;5 高层（超高层）建筑健康监测 5.4 深圳市民中心屋顶网架结构健康监测 ;5 高层（超高层）建筑健康监测 5.4 深圳市民中心屋顶网架结构健康监测 ;5 高层（超高层）建筑健康监测 5.4 深圳市民中心屋顶网架结构健康监测 ;6 大跨度空间结构健康监测 大跨度空间结构广泛应用在各种大型体育场馆、剧院、会议展览中心、机场候机楼等重要标志性建筑，此类建筑外形独特，体系复杂、建造技术高难度，大量采用钢材、膜材、高强钢束等新型材料。环境的侵蚀、材料的老化、地基的不均匀沉降和复杂荷载、疲劳效应等因素的耦合作用，不可避免地导致结构系统的损伤积累和抗力衰减，极端情况下引发灾难性的突发事件。虽然空间结构属于超静定结构，但空间受力比较复杂，当结构关键部位发生破坏，可能发生整体破坏。大跨度空间结构通常是大型活动的举办场所，人群密集，一旦发生安全事故，所造成的生命损失和社会影响是无法估量的。因此，对其进行长期健康监测和安全性评估是非常必要的。 大跨度结构的健康监测内容包含外部荷载作用和结构响应两大部分。外部荷载作用主要为地面运动加速度和风环境及结构表面风压等；结构响应主要为结构应力、位移、振动加速度、表面温度、表面裂缝开展等。鉴于大跨度结构的特点，风环境及结构表面风压是大跨度结构外部荷载作用监测的重点，而结构应力监测包含钢结构表面应力、索拉力、膜面应力等。 ;6 大跨度空间结构健康监测 6.1 主要监测项目 1、钢构件的应力监测：可以采用应变计方法、X射线、索力监测：磁通量法、频率法。 3、膜面应力监测：采用膜材张力测量仪进行。 4、焊缝裂纹监测。 5、风荷载监测：一般可采用三维超声风速仪、螺旋桨式风速仪或杯式风速仪。 6、风压监测：风压监测应与风致振动响应监测相结合，以建立起有效的荷载-响应关系。 7、风振监测：可以采用加速度传感器进行结构风致振动的加速度时间历程测量，以获取相关频响函数和模态参数。 ;6 大跨度空间结构健康监测 6.2 世博轴阳光谷 采用应变计方法进行构件表面应力的监测 ;6 大跨度空间结构健康监测 采用磁通量法对世博轴膜结构水平索以及背索索力进行监测 ;6 大跨度空间结构健康监测 ;6 大跨度空间结构健康监测 针对世博轴屋面结构进行风环境、风压和风振监测。 ;6 大跨度空间结构健康监测 ;7 总结与展望 7.1 结构健康监测项目的特点 1.多专业结合．技术性强 2.集软件、硬件及应用于一体 3.用户需求的不确定性 4.管理的复杂性 5.施工难度大 6.实施周期长 7.维护工作量大 ;8 参考文献 [1]王开凤，张谢东.土木工程结构损伤识别研究[J].公路，2008，1(1): 154-158. [2]李宏男，高东伟，伊廷华.土木工程结构健康监测系统的研究状况与进展[J].力学进展，2008??38(2): 151-166. [3]周奎，王琦，刘卫东，张简.土木工程结构健康监测的研究进展综述[J].工业建筑，2009，39(3): 96-102. [4]孙腾阁，朱彤，杨广辉，卞梅，冯俊福.土木工程结构健康监测的现状及发展[J].山东建筑工程学院学报，2006，21(1): 81-85. [5]姜绍飞.结构健康监测-智能信息处理及应用[J].工程力学，2009，26(2): 184-212. [6]张其林，陈鲁，朱丙虎，李大林.大跨度空间结构健康监测应用研究[J].施工技术，2011，40(4): 3-8. [7]汪菁.深圳市民中心屋顶网架结构健康监测系统及其关键技术研究[D].武汉：武汉理工大学土木工程与建筑学院，2008. [8] Hong-Nan Li，Dong-Sheng Li，Gang-Bing Song. Recent applications of fiber optic sensors to health monitoring in civil engineering[J]. Engineering Structures ，2004，26: 1647–1657. [9] YI TingHua，LI HongNan，GU Ming. Recent research and applications of GPS based technology for bridge health monitoring[J]. SCIENCE CHINA，2010，53(10): 2597-2610. ;谢谢！
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