2026-08-30
工程施工监控和结构健康监测 中国建筑工程总公司公司技术中心 二〇一〇年三月 目 录 1.施工监控和结构健康监测概述 1 1.1 施工监控和结构健康监测的目的 1 1.2 施工监控和结构健康监测的依据 1 2. 结构分析，测试内容确定 2 2.1 结构分析软件的选择 2 2.2 结构分析 3 2.3 优化设计的测点 3 2.3.1结构静力监测下传感器优化配置 3 2.3.2结构动态监测下传感器优化配置 4 2.4 测试内容确定 10 3. 仪器选择 10 3.1 选择仪器的指标 10 3.2 传输方式选择 12 3.2.1有线. 仪器设备安装 16 4.1 仪器设备的安装 16 4.1.1 测量土压力传感器的安装 16 4.1.2 水压力测量传感器安装 17 4.1.3 测量混凝土应变传感器的安装 17 4.1.4 钢筋应力传感器的安装 19 4.1.5 结构挠度测量传感器的安装 19 4.1.6 结构支座沉降监测传感器的安装 21 4.1.7 构件内力监测传感器的安装 22 4.1.8 构件温度场以及环境温度测量传感器的安装 24 4.1.9 环境湿度测量传感器的安装 25 4.1.10 结构加速度测量传感器的安装 26 4.1.11 构件角度测量传感器的安装 27 4.2引线 检查系统的连接情况 29 5.2 仪器各参数调试 29 5.3 软件参数调整 30 6. 运行管理 31 6.1 仪器的维护 31 6.2 数据管理 33 7. 结构健康诊断评估与安全预警 34 7.1 损伤识别 34 7.1.1 基于固有频率变化的损伤识别 35 7.1.2 其它损伤诊断方法 37 7.2 安全评定 39 1.施工监控和结构健康监测概述 1.1 施工监控和结构健康监测的目的 大跨、复杂、空间工程结构，如跨江跨海的超大跨桥梁、超高层建筑、超大跨空间场馆结构等，近年来在我国蓬勃兴起。这些结构的出现，往往超出我国规范的限制范围，虽然经过大量的计算分析和模型试验，但是否真正掌握结构的精确模型和环境荷载，工程设计是否忽视了某种荷载不利工况或结构的破坏模式，结构本身是否存在安全隐患，这些都是工程建设和设计者非常关心的问题。在服役期内，由于结构的疲劳效应、腐蚀效应、材料老化、环境荷载变化等因素会造成结构的累积损伤并因此造成结构破坏，甚至产生突发的安全事故。这些事故除了会造成重大的人员伤亡和经济损失外，还会带来极坏的政治和社会影响。这些存在的问题要求对结构施工阶段进行施工监控，以及运营阶段要进行健康监测。 对工程结构进行施工监控和健康监测，可以真实地反应结构的受力状态，对其进行诊断，能够及时发现结构的损伤，并评估其安全性，预测结构的性能变化和剩余寿命，并做出维护决定，对提高工程结构的运营效率，保障人民财产安全具有及其重大的意义。 1.2 施工监控和结构健康监测的依据 各种结构的检测或监测应以国家颁布的有关法规、技术标准、设计规范为依据进行，对于某些新结构以及采用新材料、新工艺的结构，无相关条款规定时，可以借鉴国外或国内其它行业的相关规范、规程的有关规定。参考的标准和规范可以分为： （1）工业和民用建筑 《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（JGJ/T 23-2001））））））））））））近些年，随着电脑的飞速发展，有限元软件的开发也是日新月异人们对结构分析的精确性每个软件都有其独到之处，针对工程的不同特点，可以选择不同的分析软件，有时候可以起到事半功倍的效果。ANSYS对剪力墙的弹塑性分析一些不足对于一些特殊结构，使用到简单的二次开发，选用ANSYS、ABAQUS等带有编程语言的通用软件。 复杂的桥梁结构在车辆荷载作用下受有轴力、弯矩、剪力、扭矩等作用，其截面应力处于复杂应力状态，很难将其应力用一个数学表达式表示。因此，根据插值拟合的误差最小准则来配置复杂结构静力应变传感器，采用曲线拟合的方法，即通过采集结构上的传感器的输出值（关键位置的应力值），通过曲线拟合，拟合出结构上任一点的应力值，然后与计算值比较，得到插值误差。根据调整传感器位置拟合不同的效应（应力）曲线，取拟合误差最小的传感器布置方案。该优化方法的步骤如下： （1）在结构的关键位置布置传感器，在桥面上作用额定荷载，可以测量得到结构关键位置的效应值y，通过多项式插值拟合——拉格朗日插值拟合出结构的效应值曲线） 式中：n——已知插值点的个数； ——插值点相应的效应测量值； ——拟合效应值曲线）利用拟合曲线方程计算出结构上任一点效应值，为了分析传感器的位置、数量以及拟合方法的精度，利用结构分析软件（如ANSYS 或其他结构计算软件) 计算出上述额定荷载作用下结构的实际效应值，再与拟合曲线方程计算值进行比较，得到拟合误差，根据拟合误差最小准则，选取优化的传感器位置和数量。 2.3.2结构动态监测下传感器优化配置 实际上，任何一个结构时刻都处在复杂的荷载作用下，并不只受静力荷载，所以为了能够真实地判断结构的损伤情况，对结构进行动态的监测更有意义。 通过基于动力响应及振动模态分析的结构损伤识别方法在桥梁健康监测领域具有非常广阔的应用前景，但其有效性的基础是建立在模态测试的准确性上，即传感器的位置、数量对测试结果起决定作用。由于传感器本身需要一定的成本，与其配套适用的数据采集和处理设备的代价也比较高，从经济方面考虑，希望采用尽可能少的传感器，所以在监测过程中，我们不可能在结构所有的自由度上都布设传感器，也就不可能取得桥梁结构完整的模态数据，只能应用测试得到的不完全模态数据直接进行损伤识别，那么传感器布置的位置和数量就对损伤识别的效果起着至关重要的作用。 这种基于模态分析的传感器优化布点问题最早是在轨道航天器的动态控制和系统识别中得到广泛的研究，主要方法有以下几种，现在也广泛应用到土木工程领域。 （1）有效独立法 有效独立法，主要思想是从所有的测点出发，逐步消除对目标模态向量线性无关贡献最小的自由度，其目的是用有限的传感器采集到尽可能多的模态反应信息，后来的许多算法都是对这种方法的引申和发展。 对于仅需要对结构的模态振型进行识别的模态实验，当其模态可以确保被充分激励出来的情况下，待识别参数可以表示为振型的广义坐标q，传感器的输出可以表示为： （2-2） 式中，——传感器的输出信息； ——所监测模态阵型按候选测点缩减后的模态矩阵； ——代表具有方差的静态高斯白噪声。 假设有s个候选测点，而只有m(ms)个传感器可用，则这种方法的目标是保持尽可能多的线性无关信息，从而获得模态振型的最佳估计，即真实的广义坐标的最佳估计。对应于存在着一个偏差，假如这个过程是一个无偏有效估计，估计偏差的协方差矩阵p由下式给出： (2-3) 其中，Q为Fisher信息矩阵。信息矩阵的最大化，将会得到参数q估计偏差的协方差最小，也就是得到了的最佳估计。 由于假设测试噪音为静态高斯白噪音，对某一测量过程来说是恒值，Fisher信息矩阵可以表达为： (2-4) 当取得最大值也就是取得最大值，因此可以用来代表信息矩阵。 候选测点对模态矩阵的线性无关的贡献用矩阵E的对角元来表示，E的表达式如下： （2-5） 如果Eii=0，则表示在相应第i测点上无法识别所关心的模态，Eii=1则表示相应测点是关键点，不能排除。有效独立法通过E矩阵对角元大小来对各个候选测点的优先顺序进行排序，用迭代算法每次排除相应对角元最小的测点，再进行下一次迭代，直到得到满意的布点数，最终尽可能的保持了缩减模态矩阵的线性独立和Fisher信息阵的行列式，从而能够从测试数据中得到模态反应的最佳估计。 有效独立法是至今为止在振动测试中应用最广的一种成熟的布点算法，它利用复合模态矩阵E的幂等性（2-5），逐步删除对E的秩贡献最小的自由度，由此来优化Fisher信息矩阵，使感兴趣的模态向量在最少测点的情况下，尽可能保持线性无关，从而在测试中可以采集到最大的模态信息。 （2）模态保证标准法（MAC） 由结构动力学原理可知，结构各固有振型在节点上的值形成了一组正交向量。但由于量测自由度远小于结构模型的自由度并且受到测试精度和测量噪音的影响，测得的模态向量已不可能保证其正交性。在极端的情况下甚至会由于向量间的空间交角过小而丢失重要的模态。因此在选择测点时有必要使量测的模态向量保持较大的空间交角，从而尽可能地把原来模型的特性保留下来。模态保证标准矩阵是评价模态向量空间交角的一个很好的工具，其公式表达如下： （2-6） 式中，——第i阶模态向量； ——第j阶模态向量。 于是通过检查各模态在量测自由度上形成的向量MAC阵的非对角元，即可判断出相应两模态向量的交角状况。换句话说，当MAC阵的某一元素等 于1时，表面第i向量与第j向量交角为零，两向量不可分辨；而当等于零时，则表明第i向量与第j向量互相正交，两向量可以轻易识别。故测点的布置应力使MAC矩阵非对角元向最小化发展。 （3）基于特征向量敏感度的方法 这种优化布点方法基于特征值敏感度分析，现介绍如下。 假设结构为小阻尼系统，结构损伤只引起刚度的变化，而质量和阻尼特性不发生变化。对于一个n自由度的动力系统，当刚度发生一个小的挠动后，忽略阻尼的振动控制方程为： （2-7） 其中和分别表示结构的刚度和质量矩阵，和表示第i阶特征值和特征向量，、和则分别表示由损伤引起的刚度、特征值和特征向量的微小变化。再把振型的变化表达为初始系统模态的线） 其中为一个比例系数，n为初始系统的总模态数。把式（2-8）代入式（2-7），忽略二次项，整理后可得： （2-9） 进而把由损伤引起的刚度减少看作各个单元损伤的总和，表达式如下： （2-10） 和分别表示结构第K个单元的刚度矩阵和损伤系数，I为损伤单元数。将式（2-10）代入式（2-9）可得： (2-11) (2-12) （2-13） 其中，——第i阶模态的敏感向量； ——损伤系数向量。 如果需要监测多阶模态，F(k)就成为敏感度矩阵。然后，按照线性独立的分析过程，可以构造F(k)矩阵的Fisher信息矩阵及E矩阵： （2-14） （2-15） E矩阵的对角元表示相应测点对结构损伤定位的贡献，那么就可以构造和有效独立法相同的迭代过程，从而得到基于此种思想的传感器最优布点方案。 （4）基于运动能的方法 这种方法是以传感器测得的结构运动能最大为优化目标，所得到的布点方案能为模态识别提供更高的信噪比。结构的运动能分布公式为： (2-16) 第i个测点对所监测的结构第n阶模态的运动能的贡献为： （2-17） 对所有监测模态的运动能贡献为： （2-18） 其中m为所监测的模态总数。从而，以所监测某一阶模态的运动能最大或所有模态的运动能平均值最大为优化目标，根据各个候选测点对目标值的贡献进行排序，就可得到布点方案。 由优化算法选定的一组测点，有必要建立一个标准对其进行评价，也是对相应的传感器优化布点算法的优劣进行评价。目前，关于测点布设的评估标准主要有五个： （1）模态保证标准(MAC) MAC经常用来验证理论和实测模态振型之间的相关性，此处我们只有理论分析模态振型。MAC的非对角元越大，振型向量的相关性越强，于是通过检查各阶模态振型在量测自由度上形成的MAC阵的非对角元，即可判断出相应两个振型向量的交角情况。为了得到各个振型向量之间相关性的一个平均量值，可以采用非对角元的均方根值作为标准。 （2）修正模态保证标准 通常MAC矩阵的非对角元不为零，因为振型向量是关于质量或刚度矩阵正交，而MAC矩阵中并未考虑这些因素。我们可以引入质量矩阵，定义修正模态保证矩阵： （2-19） 其中M为缩减质量矩阵，通常由总的质量矩阵直接划去相应的行和列得到。修正后的模态保证准则在测点布设方案评估中有一定的优势。但是，由于引入了质量阵会使计算变得繁琐。 （3）振型矩阵的条件数 设A为n阶可逆方阵，表示A的任意一种范数，则A的条件数定义为： (2-20) 鉴于矩阵A的范数有多种定义，因此条件数的定义也有多种，最常用的条件数是由谱范数导出的谱条件数。一个可逆矩阵的条件数等于它的最大特征值和最小特征值之商；假若A为一个病态阵，则A的条件数定义为最大奇异值和最小非零奇异值之商。 一个矩阵A被称为是病态的，如果它的列向量近似的线性相关，此时相应的条件数将很大。因此可以用振型矩阵的条件数来评价传感器布置的好坏，如果条件数接近1，说明布点较好，反之则较差，其本质和MAC类似。 （4）模态运动能 结构运动能的分布公式见（2-16），可以用某一阶振型运动能的大小或各阶振型运功能的总和作为标准来评价布点方案。此标准比较直观地评估出测点方案对结构反应的数据采集能力，但不保证测量模态向量的正交独立性。 （5）F isher信息矩阵 Fisher信息矩阵的行列式值表示布点中保留的振型信息的多少，因此我们希望它的值尽可能的大。Fisher信息矩阵的一个不利因素是它没有一个固定的范围，不能对布点方案进行定量的评价，而只能定性比较不同方案的优劣。 综合上述测点布设方案的五个评估标准，标准1、标准2、标准3在保障实验模态向量的正交性方面起到了基本的作用，但不能保证测点对结构待识别参数的敏感性达到最优。标准4能保证传感器布设在反应的高幅点，有利于数据的采集及提高测量的抗噪能力。标准5依赖于待识别参数q，当q为广义坐标向量时，它能够保证实验模态向量的正交性。 2.4 测试内容确定 通过结构监测的目的和布点的优化设计，可以确定在结构上所要监测的测点，再根据结构的有限元分析，可以确定在结构中每个测点所要监测的结构参数。一般来说，监测的内容比较多，主要包括以下几个方面： （1）结构构件截面上应力的分布状态及其大小； （2）结构的各种静态变形，也括水平位移、挠度、相对滑移、转角等。结构局部的损坏现象如裂缝的分布及其宽度、深度等； （3）结构的动力特性，如自振频率、周期、衰减特性等，以及在动力荷载下的结构的动应力、动位移、速度和加速度等。 3. 仪器选择 3.1 选择仪器的指标 目前，最常见的检测仪器分类见表2。 表2-1 检测仪器分类 分类依据 仪器类型 仪器的工作原理 机械式测试仪器、电测仪器、光学仪器、声学仪器、复合式仪器、伺服式仪器等 仪器的用途 测力计、应变计、位移计、倾角计、测振仪等 测定的方法 平衡式和非平衡式 结构显示与记录方式 直读式、自动记录式、模拟式、数字式 仪器与结构的相对关系 附着式、接触式、手持式、遥测式等 在选择仪器之前，需要了解衡量各种仪器的性能指标，一般包括以下几个方面： （1）量程：指仪器的最大测量范围，如百分表的的量程一般有5cm和10cm。 （2）最小刻度：指仪器指示装置的每一最小刻度所代表的数值，如百分表的最小刻度为0.01mm，千分表的最小刻度为0.001mm。 （3）灵敏度：是指仪对被测参数变化的灵敏程度，或者说是对被测的量变化的反应能力是在稳态下输出变化增量对输入变化增量的比值灵敏度有时也称放大比，增加放大倍数可以提高仪灵敏度，单纯加大灵敏度并不改变仪的基本性能，即仪精度并没有提高，相反有时会出现振荡现象，造成输出不稳定。仪灵敏度应保持适当的量。被测参数测量值和被测参数标准值之差所谓标准值是精确度比被测仪表高35倍的标准表测得的数值精确度和误差可以说是孪生兄弟，因为有误差的存在，才有精确度这个概念。就是仪表测量值接近真值的准确程度，通常用相对百分误差（也称相对折合误差）表示。精确度是仪表很重要的一个质量指标，常用精度等级来规范和表示。精度等级就是最大相对百分仪精度等级一般都标志在仪标尺或标牌上要提高仪精确度，就要进行误差分析。误差通常可以分为疏忽误差、缓变误差、系统误差和随机误差复现性（重复性测量复现性是在不同测量条件下，如不同的方法，不同的观测者，在不同的检测环境对同一被检测的量进行检测时，其测量结果一致的程度。测量复现性必将成为仪的重要性能指标。稳定性在规定工作条件内，仪某些性能随时间保持不变的能力称为稳定性（度）。通常用仪零漂移来衡量仪的稳定性可靠性和仪维护量是相反相成的，仪可靠性高说明仪维护量小，反之仪可靠性差，仪维护量就大通常用平均无故障时间MTBF来描述仪的可靠性振弦传感器的工作原理是源于一根张紧的钢弦振动的谐振频率与钢弦的应变或者张力成正比稳定性问题主要表现在传感元件的蠕变效应，主要是由于黏合剂的蠕变引起的 图3-1 有线连接传输示意图 有线连接的数据传输，这种传输方式运用于早期的施工监控和结构监控中，适用于小型的工程。采用这种的传输方式，存在弊端有以下几个方面： （1）不能远程监控（RS485最大传输距离是1219米）； （2）浪费了大量的电缆线）浪费大量的时间来布引线）在施工中，容易造成引线的破坏，使得检测或监测失败。 3.2.2 无线 无线+有线连接传输示意图 无线+有线连接的数据传输，这是目前普遍采用的一种传输方式，它不但降低了在施工现场拉接引线带来的劳动量，也能够实现远程的监控要求。如果想远距离传输，可以通过CDMA手机GPRS网络无线数据透明传输，即用远端的计算机来和现场测试的计算机之间数据通信。使用手机用的GPRS网络来传输信号，这样传输和通信的距离就可以无限远了。在这个传输示意图中，要注意连接电脑的无线数据中继收发器有的需要电源供电，有的靠电脑的USB口供的电就能够满足。 3.2.3 无线 无线连接传输示意图 完全无线连接方式安装快捷，能节省很多的时间，也能省去了很多布线和查线的麻烦，大大提高了工作效率。但在实际工程的适用中，其造价比较高，并且要注意：如果有条件，尽量使每个天线间处在可视（不遮挡），这么对信号传输质量有帮助。如有有遮挡的情况，那么可尽量把天线放高点，这样有利于信号传输质量。 通过上面三种传输方式的介绍，分别了解了它们的优缺点，根据工程的实际情况来确定采用哪种的传输方式。选择依据是： （1）实际工程布线）是进行长期监测还是短期监测。长期监测一般采用后两种传输方式； （3）工程监测经费的预算。 3.3 采集仪选择 一般来说，采集仪会给传感器一个激励信号，然后得到传感器传回的响应信号，从响应信号中来判断传感器所测参数的变化，所以采集仪中各参数对数据采集也有一定的影响。 对采集仪的选择，应该结合工程的实际情况和监测需要，需要从以下几个方面来考虑： （1）从采集仪通道数来选择； （2）从最高采样频率来选择； （3）传感器参数的设置； （4）传感器的标定； （5）从采集方式来选择，即是否可进行动态采集能力； （6）A/D分辨率； （7）供电方式； （8）整个采集仪箱子是否设有保护措施，如防雷击装置等。 4. 仪器设备安装 4.1 仪器设备的安装 在整个工程检测或结构健康监测系统中，所用到的主要仪器有数据
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