重大工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

鄭麗娟 趙而玉

(山東魯勘工程檢測(cè)有限公司，山東 濟(jì)南 250031)

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重大工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

鄭麗娟 趙而玉

(山東魯勘工程檢測(cè)有限公司，山東 濟(jì)南 250031)

分析了工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)診斷的必要性和緊迫性，從橋梁結(jié)構(gòu)、大跨度空間結(jié)構(gòu)、水利和海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)等方面，綜述了國(guó)內(nèi)外重大結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際工程中的應(yīng)用，介紹了幾個(gè)重大工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究及發(fā)展現(xiàn)狀，探討了已應(yīng)用于實(shí)際工程中的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，最后對(duì)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

工程結(jié)構(gòu)，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，大跨度橋梁，水利

0 引言

重大工程結(jié)構(gòu)，如跨江跨海大型橋梁、大型空間結(jié)構(gòu)以及具有特殊用途的建筑結(jié)構(gòu)等的建設(shè)一方面發(fā)展了工程結(jié)構(gòu)的建造水平，同時(shí)也給結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、服役過(guò)程中的維護(hù)檢修等提出了巨大的難題。由于這些重要工程結(jié)構(gòu)的意義重大，其設(shè)計(jì)使用年限一般較長(zhǎng)，在長(zhǎng)時(shí)間的環(huán)境侵蝕、振動(dòng)作用以及疲勞效應(yīng)等隨機(jī)災(zāi)害作用下，必然將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局域性的損傷。考慮到微小范圍內(nèi)的損傷并不能使結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌破壞，但隨著損傷的累積，結(jié)構(gòu)的抗力和壽命下降，從而給重大工程結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定性留有隱患。如何實(shí)現(xiàn)對(duì)重大工程結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和損傷診斷，從而保障重大工程結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)安全、可靠地運(yùn)營(yíng)是健康監(jiān)測(cè)研究中的一大難題。

近年來(lái)，針對(duì)這一問(wèn)題，工程界及大量研究學(xué)者們提出結(jié)構(gòu)全壽命健康監(jiān)測(cè)的概念，并在一些重大工程中開(kāi)始付諸于應(yīng)用實(shí)踐。根據(jù)Housner的定義[1]，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可表述為：基于大量傳感測(cè)試設(shè)備，基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法從服役結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)中獲得結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)，據(jù)此評(píng)判結(jié)構(gòu)或構(gòu)件因損傷或退化導(dǎo)致的主要性能指標(biāo)改變的有效方法。根據(jù)這一定義，在工程結(jié)構(gòu)中建立健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)組成主要包括：傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和傳輸子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別和評(píng)估子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)[2]，如圖1所示。

傳感技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)以及信號(hào)采集與處理等科技日新月異的發(fā)展，使得土木工程領(lǐng)域的健康監(jiān)測(cè)與損傷診斷研究面臨一個(gè)新的發(fā)展機(jī)遇[3]。如何有效地融合這些新技術(shù)，使重大工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠在實(shí)際操作中普遍應(yīng)用，從而能及時(shí)的發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)異常并準(zhǔn)確的損傷定位，為結(jié)構(gòu)的安全提供可靠的保障是目前研究的熱點(diǎn)。文中從大跨度橋梁結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)、海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)及水利工程結(jié)構(gòu)等幾個(gè)方面介紹了已成功應(yīng)用于重大工程結(jié)構(gòu)中的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，綜述了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究及發(fā)展現(xiàn)狀，最后展望了對(duì)健康檢測(cè)系統(tǒng)中有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題和重大工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用趨勢(shì)。

1 大跨度橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工程應(yīng)用

大跨度橋梁結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)長(zhǎng)期承受著循環(huán)動(dòng)力作用(風(fēng)力作用，列車(chē)行走及地震作用)，循環(huán)負(fù)載條件將會(huì)導(dǎo)致某些節(jié)點(diǎn)局部高應(yīng)力部位發(fā)生疲勞累積損傷，從而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)區(qū)域萌生出疲勞損傷[4]。隨著裂紋的擴(kuò)展，橋梁薄弱部位可能會(huì)發(fā)生脆性斷裂而降低大跨度橋梁的安全性能，因此，對(duì)大跨度橋梁的健康監(jiān)測(cè)對(duì)于保證其在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的安全運(yùn)營(yíng)具有重要意義。

各國(guó)學(xué)者對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)工程應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)踐。丹麥學(xué)者對(duì)Faroe跨海斜橋進(jìn)行了施工和運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)，以檢查該橋的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，并為后續(xù)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的升級(jí)維護(hù)提供依據(jù)[5]；挪威學(xué)者在Skarnsundet斜拉橋上進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用研究，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該橋的風(fēng)壓荷載、溫度變化及振動(dòng)信息等[6]；英國(guó)在Foyle橋上安裝了大量傳感測(cè)試設(shè)備，以監(jiān)測(cè)該橋運(yùn)營(yíng)期間的行車(chē)荷載、風(fēng)致振動(dòng)及溫度場(chǎng)變化信息[7]；美國(guó)給已建成60多年Michigan Street橋上安裝了遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)該橋損傷狀態(tài)及安全性能的監(jiān)測(cè)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)一些新建大型橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)開(kāi)展了一系列的研究。劉西拉等[8]在國(guó)家科委攀登計(jì)劃的資助下，針對(duì)上海徐浦大橋工程，開(kāi)發(fā)和安裝了我國(guó)第一個(gè)大型橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在該健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)橋梁行車(chē)荷載、不同跨度截面應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)、橋梁斜拉索振動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，采用多尺度傳感器子系統(tǒng)的集成應(yīng)用技術(shù)較好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)結(jié)構(gòu)不同結(jié)構(gòu)響應(yīng)和安全狀態(tài)的連續(xù)性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

中國(guó)香港青馬大橋是連接香港市區(qū)和大嶼山國(guó)際機(jī)場(chǎng)的主要通路(見(jiàn)圖2)，也是目前世界上最長(zhǎng)的公路鐵路兩用懸索橋。為了保障橋梁的健康運(yùn)行，研究人員在其建設(shè)過(guò)程中安裝了較大規(guī)模的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)風(fēng)、車(chē)輛和溫度等荷載和環(huán)境作用的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集[9,10]。為了從實(shí)時(shí)測(cè)試響應(yīng)中分析青馬大橋的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)并據(jù)此實(shí)現(xiàn)損傷識(shí)別和評(píng)估，研究人員在青馬大橋上約永久性地設(shè)置了800個(gè)傳感器。除此之外，香港青馬大橋健康檢測(cè)系統(tǒng)還包括了數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，已完成的青馬大橋健康檢測(cè)系統(tǒng)能有效的對(duì)整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的各個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的安全狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(tái)建立了濱州黃河公路大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在該健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，由LabWindows/LabVIEW核心軟件總體控制健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)的交互運(yùn)行和數(shù)據(jù)傳輸，成功實(shí)現(xiàn)了基于開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)且具有遠(yuǎn)程管理功能的實(shí)時(shí)在線智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

李?lèi)?ài)群和繆長(zhǎng)青等[12]針對(duì)潤(rùn)揚(yáng)大橋設(shè)計(jì)了大型橋梁的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1)潤(rùn)揚(yáng)大橋運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下環(huán)境作用變化規(guī)律；2)常規(guī)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件響應(yīng)采集、分析；3)基于實(shí)時(shí)測(cè)量響應(yīng)變化的損傷識(shí)別及預(yù)警；4)有損傷構(gòu)件的安全狀態(tài)及剩余壽命評(píng)價(jià)。從潤(rùn)揚(yáng)大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能較好的實(shí)現(xiàn)潤(rùn)揚(yáng)大橋的實(shí)時(shí)健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)估。

除上述幾座橋梁外，研究者及結(jié)構(gòu)工程師們?cè)谀暇╅L(zhǎng)江第二大橋，上海盧浦大橋、珠江口虎門(mén)大橋、江陰長(zhǎng)江大橋等大型橋梁上均建立適用于橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這一系列健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立為大跨度橋梁的實(shí)時(shí)安全評(píng)估和損傷診斷提供了有力的決策依據(jù)。

2 大跨度空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

風(fēng)力是大跨度屋蓋網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)荷載。風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用表現(xiàn)出了隨機(jī)性和長(zhǎng)期性，因此風(fēng)致破壞是一個(gè)損傷累積過(guò)程。為此，建立大型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)掌握大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)工作狀態(tài)，對(duì)于保證網(wǎng)架結(jié)構(gòu)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(wǎng)架結(jié)構(gòu)智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(見(jiàn)圖3)。該系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)主要風(fēng)壓荷載識(shí)別、不同類(lèi)型風(fēng)致累積損傷識(shí)別及主要構(gòu)件的安全狀態(tài)的評(píng)價(jià)。在建立該屋頂網(wǎng)架大型智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，他們采用了“風(fēng)荷載識(shí)別→結(jié)構(gòu)模型修正→正向分析獲取”的研究思路，通過(guò)預(yù)先存貯網(wǎng)架結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)，并實(shí)時(shí)識(shí)別調(diào)用的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)智能系統(tǒng)對(duì)整個(gè)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)。

郭祥瑞等[14]針對(duì)廣州新體育館鋼結(jié)構(gòu)屋架安裝監(jiān)測(cè)工程，提出了廣州新體育館大型屋蓋網(wǎng)架施工健康監(jiān)測(cè)方案。他們?cè)谑┕けO(jiān)測(cè)過(guò)程中考慮了如下內(nèi)容：

1)測(cè)點(diǎn)及控制網(wǎng)的優(yōu)化與實(shí)施；2)監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)方法的確定；3)拆除臨時(shí)支撐前，監(jiān)測(cè)點(diǎn)空間位置的觀測(cè)；4)拆除臨時(shí)支撐后，控制網(wǎng)的復(fù)測(cè)及穩(wěn)定性分析、監(jiān)測(cè)點(diǎn)空間位置的觀測(cè)和數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容。根據(jù)均勻布設(shè)在主桁架上以及輻射桁架與主檁條的交匯處的371個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，在監(jiān)測(cè)工作量大的情況下，該監(jiān)測(cè)方案作業(yè)簡(jiǎn)便，測(cè)量成果可靠，滿足監(jiān)測(cè)精度的需求。

3 水利及海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

水利及海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)是國(guó)家水利及資源勘探工作的重要工作基礎(chǔ)，我國(guó)渤海灣曾發(fā)生過(guò)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)倒塌的重大事故。因此，開(kāi)展相應(yīng)的健康監(jiān)測(cè)方法及系統(tǒng)集成技術(shù)，對(duì)保證水利及海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義。針對(duì)國(guó)內(nèi)的一些重大水利及海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，研究者們對(duì)其健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用研究和實(shí)踐。

2001年，歐進(jìn)萍等[15,16]基于中國(guó)海洋石油總公司在渤海JZ20-2MUQ鋼質(zhì)導(dǎo)管架式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)上的傳感監(jiān)測(cè)設(shè)備及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立了該海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含了結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)安全性評(píng)定子系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫(kù)分析和管理子系統(tǒng)。從運(yùn)營(yíng)結(jié)構(gòu)看，該海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能較好的實(shí)現(xiàn)覆冰壓力荷載及冰激振動(dòng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

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(jìn)，實(shí)時(shí)了解和掌握三峽工程中重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的健康狀態(tài)對(duì)于維護(hù)其健康運(yùn)營(yíng)具有重大的戰(zhàn)略意義。戴會(huì)超等[17]基于近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的光纖傳感技術(shù)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在安裝健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后，該系統(tǒng)于1998年兩次成功預(yù)警了混凝土裂縫損傷，對(duì)于大壩混凝土結(jié)構(gòu)的及時(shí)修復(fù)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(tái)結(jié)構(gòu)多為國(guó)家重大工程，有效的實(shí)現(xiàn)重大水利工程的全壽命健康監(jiān)測(cè)對(duì)保證這些結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)的安全性至關(guān)重要。近年來(lái)，研究者們?cè)谝恍?shí)際水利及海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)上建立了整套的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，取得了較好的效果[18]。這些健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立對(duì)于實(shí)時(shí)評(píng)估水利及海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)提供了強(qiáng)有力的決策依據(jù)。

4 結(jié)論與展望

1)近些年涌現(xiàn)和積累了許多針對(duì)重大工程結(jié)構(gòu)損傷健康監(jiān)測(cè)的新方法和新技術(shù)，目前的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是對(duì)于特定的大型工程結(jié)構(gòu)而建立，通過(guò)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)軟件和硬件的集成技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)損傷監(jiān)測(cè)與監(jiān)控。

2)工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)需要在結(jié)構(gòu)整個(gè)服役期內(nèi)的穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)，且實(shí)際結(jié)構(gòu)的損傷形式不可估計(jì)，這對(duì)損傷檢測(cè)方法和傳感設(shè)備、集成系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)壽命等問(wèn)題提出了較大挑戰(zhàn)。保證測(cè)試設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定性及測(cè)試方法及手段的發(fā)展是有效實(shí)現(xiàn)重大工程結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵。

3)工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與應(yīng)用具有顯著的多學(xué)科交叉特征，因此，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立需要不同學(xué)科的研究者和工程師的協(xié)調(diào)配合。隨著健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)越來(lái)越發(fā)揮其在重大工程結(jié)構(gòu)服役期內(nèi)實(shí)時(shí)安全性能評(píng)估的作用，對(duì)于保證重大結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定具有重要的工程意義和社會(huì)價(jià)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(jí)工程師

TU317

A