重大工程結構健康監測系統的應用研究現狀

鄭麗娟 趙而玉

(山東魯勘工程檢測有限公司，山東 濟南 250031)

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重大工程結構健康監測系統的應用研究現狀

鄭麗娟 趙而玉

(山東魯勘工程檢測有限公司，山東 濟南 250031)

分析了工程結構健康監測診斷的必要性和緊迫性，從橋梁結構、大跨度空間結構、水利和海洋平臺結構等方面，綜述了國內外重大結構健康監測系統在實際工程中的應用，介紹了幾個重大工程結構健康監測系統的研究及發展現狀，探討了已應用于實際工程中的健康監測系統，最后對健康監測系統的發展趨勢進行了展望。

工程結構，健康監測系統，大跨度橋梁，水利

0 引言

重大工程結構，如跨江跨海大型橋梁、大型空間結構以及具有特殊用途的建筑結構等的建設一方面發展了工程結構的建造水平，同時也給結構的設計、服役過程中的維護檢修等提出了巨大的難題。由于這些重要工程結構的意義重大，其設計使用年限一般較長，在長時間的環境侵蝕、振動作用以及疲勞效應等隨機災害作用下，必然將導致結構出現局域性的損傷。考慮到微小范圍內的損傷并不能使結構發生倒塌破壞，但隨著損傷的累積，結構的抗力和壽命下降，從而給重大工程結構的安全和穩定性留有隱患。如何實現對重大工程結構的運營狀態進行實時監測和損傷診斷，從而保障重大工程結構在服役期內安全、可靠地運營是健康監測研究中的一大難題。

近年來，針對這一問題，工程界及大量研究學者們提出結構全壽命健康監測的概念，并在一些重大工程中開始付諸于應用實踐。根據Housner的定義[1]，結構健康監測系統可表述為：基于大量傳感測試設備，基于現場實時監測方法從服役結構運營狀態中獲得結構響應數據，據此評判結構或構件因損傷或退化導致的主要性能指標改變的有效方法。根據這一定義，在工程結構中建立健康監測系統時，系統組成主要包括：傳感器子系統、數據采集和傳輸子系統、結構損傷識別和評估子系統、數據管理子系統[2]，如圖1所示。

傳感技術、無線通訊技術以及信號采集與處理等科技日新月異的發展，使得土木工程領域的健康監測與損傷診斷研究面臨一個新的發展機遇[3]。如何有效地融合這些新技術，使重大工程結構的健康監測系統能夠在實際操作中普遍應用，從而能及時的發現結構異常并準確的損傷定位，為結構的安全提供可靠的保障是目前研究的熱點。文中從大跨度橋梁結構、空間結構、海洋平臺結構及水利工程結構等幾個方面介紹了已成功應用于重大工程結構中的健康監測系統，綜述了健康監測系統的研究及發展現狀，最后展望了對健康檢測系統中有待進一步研究的問題和重大工程結構健康監測系統的發展應用趨勢。

1 大跨度橋梁健康監測系統的工程應用

大跨度橋梁結構在服役期內長期承受著循環動力作用(風力作用，列車行走及地震作用)，循環負載條件將會導致某些節點局部高應力部位發生疲勞累積損傷，從而導致節點區域萌生出疲勞損傷[4]。隨著裂紋的擴展，橋梁薄弱部位可能會發生脆性斷裂而降低大跨度橋梁的安全性能，因此，對大跨度橋梁的健康監測對于保證其在設計使用年限內的安全運營具有重要意義。

各國學者對橋梁結構的健康監測工程應用進行了相關的實踐。丹麥學者對Faroe跨海斜橋進行了施工和運營監測，以檢查該橋的關鍵設計參數，并為后續健康監測系統的升級維護提供依據[5]；挪威學者在Skarnsundet斜拉橋上進行了數據采集系統的應用研究，以實時監測該橋的風壓荷載、溫度變化及振動信息等[6]；英國在Foyle橋上安裝了大量傳感測試設備，以監測該橋運營期間的行車荷載、風致振動及溫度場變化信息[7]；美國給已建成60多年Michigan Street橋上安裝了遠程健康監測系統，以實現對該橋損傷狀態及安全性能的監測。

近年來，國內對一些新建大型橋梁結構的健康監測開展了一系列的研究。劉西拉等[8]在國家科委攀登計劃的資助下，針對上海徐浦大橋工程，開發和安裝了我國第一個大型橋梁健康監測系統。在該健康監測系統中，可實現橋梁行車荷載、不同跨度截面應力應變響應、橋梁斜拉索振動狀態的實時監測和分析，采用多尺度傳感器子系統的集成應用技術較好的實現了對結構不同結構響應和安全狀態的連續性實時監測。

中國香港青馬大橋是連接香港市區和大嶼山國際機場的主要通路(見圖2)，也是目前世界上最長的公路鐵路兩用懸索橋。為了保障橋梁的健康運行，研究人員在其建設過程中安裝了較大規模的結構健康監測系統。該系統可實現風、車輛和溫度等荷載和環境作用的實時監測和數據采集[9,10]。為了從實時測試響應中分析青馬大橋的運營狀態并據此實現損傷識別和評估，研究人員在青馬大橋上約永久性地設置了800個傳感器。除此之外，香港青馬大橋健康檢測系統還包括了數據分析和數據管理系統，已完成的青馬大橋健康檢測系統能有效的對整個橋梁結構的各個關鍵結構件的安全狀況進行實時監測和分析。

李惠等[11]以山東濱州黃河公路大橋(三塔四跨斜拉橋)為工程背景，基于LabWindows/LabVIEW軟件平臺建立了濱州黃河公路大橋健康監測系統。在該健康監測系統中，由LabWindows/LabVIEW核心軟件總體控制健康監測系統中各個子系統的交互運行和數據傳輸，成功實現了基于開放式網絡平臺且具有遠程管理功能的實時在線智能健康監測系統。

李愛群和繆長青等[12]針對潤揚大橋設計了大型橋梁的健康監測系統，該監測系統主要實現以下功能：

1)潤揚大橋運營狀態下環境作用變化規律；2)常規運營狀態下主要結構構件響應采集、分析；3)基于實時測量響應變化的損傷識別及預警；4)有損傷構件的安全狀態及剩余壽命評價。從潤揚大橋健康監測系統的運營結果可以看出，該系統運行穩定，能較好的實現潤揚大橋的實時健康狀態監測和評估。

除上述幾座橋梁外，研究者及結構工程師們在南京長江第二大橋，上海盧浦大橋、珠江口虎門大橋、江陰長江大橋等大型橋梁上均建立適用于橋梁結構的健康監測系統。這一系列健康監測系統的建立為大跨度橋梁的實時安全評估和損傷診斷提供了有力的決策依據。

2 大跨度空間結構健康監測系統應用

風力是大跨度屋蓋網架結構的主要設計荷載。風對結構的作用表現出了隨機性和長期性，因此風致破壞是一個損傷累積過程。為此，建立大型網架結構的健康監測系統，實時掌握大跨度網架結構的運營工作狀態，對于保證網架結構的安全性具有重要意義。

瞿偉廉等[13]基于深圳市民中心重大工程建立了大型屋頂網架結構智能健康監測系統(見圖3)。該系統可有效實現大跨度屋蓋結構主要風壓荷載識別、不同類型風致累積損傷識別及主要構件的安全狀態的評價。在建立該屋頂網架大型智能健康監測系統時，他們采用了“風荷載識別→結構模型修正→正向分析獲取”的研究思路，通過預先存貯網架結構工作狀態，并實時識別調用的方法來實現整個智能系統對整個網架結構的健康監測。

郭祥瑞等[14]針對廣州新體育館鋼結構屋架安裝監測工程，提出了廣州新體育館大型屋蓋網架施工健康監測方案。他們在施工監測過程中考慮了如下內容：

1)測點及控制網的優化與實施；2)監測點觀測方法的確定；3)拆除臨時支撐前，監測點空間位置的觀測；4)拆除臨時支撐后，控制網的復測及穩定性分析、監測點空間位置的觀測和數據處理等內容。根據均勻布設在主桁架上以及輻射桁架與主檁條的交匯處的371個監測點的監測數據表明，在監測工作量大的情況下，該監測方案作業簡便，測量成果可靠，滿足監測精度的需求。

3 水利及海洋平臺結構健康監測系統應用

水利及海洋平臺結構是國家水利及資源勘探工作的重要工作基礎，我國渤海灣曾發生過海洋平臺結構倒塌的重大事故。因此，開展相應的健康監測方法及系統集成技術，對保證水利及海洋平臺結構的安全運營具有重要的經濟價值和社會意義。針對國內的一些重大水利及海洋平臺結構的特點，研究者們對其健康監測系統進行了應用研究和實踐。

2001年，歐進萍等[15,16]基于中國海洋石油總公司在渤海JZ20-2MUQ鋼質導管架式海洋平臺結構上的傳感監測設備及監測數據，建立了該海洋平臺結構的健康監測系統。該系統包含了結構響應數據采集子系統、結構安全性評定子系統及數據庫分析和管理子系統。從運營結構看，該海洋平臺結構的健康監測系統能較好的實現覆冰壓力荷載及冰激振動響應的實時監測。

三峽工程是世界上最大的水利樞紐工程，隨著三峽工程的推進，實時了解和掌握三峽工程中重要結構構件的健康狀態對于維護其健康運營具有重大的戰略意義。戴會超等[17]基于近年來發展起來的光纖傳感技術建立了一套適用于三峽大壩中古洞口面板堆石壩壩面混凝土裂縫的健康監測系統。在安裝健康監測系統后，該系統于1998年兩次成功預警了混凝土裂縫損傷，對于大壩混凝土結構的及時修復起到了重要作用，也起到了很好的示范作用。

水利及海洋平臺結構多為國家重大工程，有效的實現重大水利工程的全壽命健康監測對保證這些結構在服役期內的安全性至關重要。近年來，研究者們在一些實際水利及海洋平臺結構上建立了整套的健康監測系統，取得了較好的效果[18]。這些健康監測系統的建立對于實時評估水利及海洋平臺結構的安全狀態提供了強有力的決策依據。

4 結論與展望

1)近些年涌現和積累了許多針對重大工程結構損傷健康監測的新方法和新技術，目前的健康監測系統主要是對于特定的大型工程結構而建立，通過結構健康監測軟件和硬件的集成技術，以實現實時損傷監測與監控。

2)工程結構健康監測需要在結構整個服役期內的穩定運營，且實際結構的損傷形式不可估計，這對損傷檢測方法和傳感設備、集成系統的運營壽命等問題提出了較大挑戰。保證測試設備的長期穩定性及測試方法及手段的發展是有效實現重大工程結構長期實時健康監測的關鍵。

3)工程結構健康監測系統研究與應用具有顯著的多學科交叉特征，因此，健康監測系統的建立需要不同學科的研究者和工程師的協調配合。隨著健康監測系統集成技術的發展，健康監測系統越來越發揮其在重大工程結構服役期內實時安全性能評估的作用，對于保證重大結構的安全穩定具有重要的工程意義和社會價值。

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Applications of structure health monitoring system for major engineering structures:a review

Zheng Lijuan Zhao Eryu

(ShandongLukanEngineeringTestingCo.,Ltd,Jinan250031,China)

In the present paper, the necessity and the urgency of health monitoring and damage detection are introduced. The applications of structure health monitoring system for major engineering structures from the aspects of bridge structure, large-span space structure, hydraulic engineering and ocean platform structures are reviewed. The present situation of research and development of health monitoring systems are summarized. Finally, the future research tendencies for health monitoring of civil engineering structures are put forward.

engineering structure, health monitoring system, large-span bridge, hydnaulic

1009-6825(2016)13-0053-03

2016-02-24

鄭麗娟(1985- )，女，碩士，助理工程師； 趙而玉(1976- )，男，高級工程師

TU317

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