鋼筋混凝土結構可靠性與健康監測綜述

駱干

（廣州大學土木工程學院 廣東 510006）

1 研究背景及意義

混凝土結構具有材料來源廣、節約鋼材、降低造價、耐久耐火、整體性良好、剛度大等眾多優點，這些優點的存在使得鋼筋混凝土結構再經過一百多年的發展后現已經廣泛應用于各種民用建筑與工業建筑中。然而混凝土工程在使用過程中出現的各種缺點也不容忽視，例如抗裂性差。因此混凝土總是帶裂縫工作，其裂縫的產生和發展標志著混凝土處于不同的工作狀態和損傷情況。而混凝土的裂縫的產生和發展會進一步影響結構的承載力，使鋼筋銹蝕，從而使整體結構的耐久性、安全性和適應性等工作性能嚴重下降。鑒于此，對結構的健康狀況實行實時的監測，預防因結構失效導致的建筑物倒塌而造成的人員傷亡財產損失勢在必行。再這樣工程實際需求下，各種對結構裂縫的監測方法應運而生，這也成為了土木工程領域中一個重要的研究方向。

2 健康監測系統及其組成部分

健康監測系統主要由四個部分組成，包括傳感器系統、數據采集和分析系統、監控中心和實現診斷功能的各種軟件硬件。傳感器系統用于收集各種實時數據，數據采集和分析系統一般是由具有強大計算功能的計算機組成，監控中心實現對結構健康狀況出現異常時發出警報信號。

傳感器系統將實時監測信號傳輸到數據采集系統并進行分析處理和判斷，一旦其中某些測量值出現異常，監控中心會發出警報信號，此時由具有診斷功能的模塊對結構損傷出現的位置和損傷嚴重程度進行分析并查明原因，以保證結構安全可靠。針對需要監測的內容的不同，不少的監測系統被開發出來，如清華大學的路新灜、彭細榮等[1]針對鋼筋混凝土結構耐久性建立了一個完整監測系統。

3 結構健康監測系統應用于混凝土結構

基于壓電材料傳感器的研究！

浙江大學蔡金標[3]等，利用壓電材料的機電耦合效應，將一激勵電流施加至粘貼在混凝土表面的壓電材料傳感器中，壓電材料產生逆壓電效應產生機械振動，并且引起混凝土的機械振動，而混凝土的機械振動又反饋到了壓電傳感器中，使傳感器產生電響應，表現為電阻抗的變化，所以混凝土的損傷信息就可以從壓電材料的電阻抗信號中獲取。他們基于Krishnamurthy的研究，認為由于壓電片在零應力下的復介電常數對溫度的影響十分敏感，導致電納信號容易受到溫度的影響，所以不把電納信號作為識別損傷狀況的信號。實驗結果表明，表面壓電片產生的電導響應的一階共振頻率的變化量與混凝土試件的抗壓強度的增長呈線性關系，斜率約為0.33，由此得出電導響應與混凝土抗壓強度的定量關系，可以無損地檢測出混凝土的抗壓強度。另外，對于預埋在混凝土中的壓電片，作者得到電導響應與混凝土抗壓強度的定量關系。

4 健康監測在混凝土結構中的工程應用

由于健康監測的成本相對較高，在國內一般僅僅應用于大跨以及高聳的結構。異形鋼管混凝土系桿拱橋洛陽瀛洲大橋的健康監測系統對其位移、拱肋振動、吊索索力以及重要的截面、節點進行實時監測[3]。預應力混凝土斜拉橋杭州文暉大橋健康監測系統監測大橋徐變對路面的應力、應變以及吊索索力。高度達600m的廣州塔上安裝了超過700個傳感器的健康監測系統對廣州塔實行長期結構健康監測，并記錄了廣州塔在臺風中的動力特性。廣州國際金融中心上的監測系統也監測其在臺風中的動力特性。另外，監測系統也被應用于大斷面的過江隧道。杭州慶春路過江隧道的健康監測系統對隧道在運營期間受車流量及潮位變化的影響下大斷面上四個監測點鋼筋內力以及隧道的沉降。

5 存在問題及發展方向

本文闡述了結構健康監測系統的組成、傳感器系統、工程應用，重點介紹了幾種現在比較常用的兩種傳感器，壓電材料傳感器和光纖傳感器的工作原理與研究結果。無疑，建筑物的結構健康關系到使用者的生命財產安全，我國自20世紀80年代開始大興土木，不少建筑物已經到了需要進行檢測維護的階段。然而，結構健康監測系統成本較高，使得其現階段僅僅應用于大型的工程，相信這個問題隨著相關領域技術的進步而得以解決，使結構健康監測系統廣泛的運用各類建筑結構中。另外，目前還缺少對結構損傷程度評判的指標，相關技術標準與規程尚未形成體系。在文中提及的研究中的損傷程度的評定都是參考文獻中作者根據處理后數據的大小結合試件的損傷程度自己定義的，并沒有同一的指標對結構損傷分級量化。