工程安全与结构健康监测

工程安全与结构健康监测路新瀛清华大学深圳研究生院土建工程安全研究中心2005-7-24提纲引言土建工程安全现状和问题结构健康监测沿海地区建筑健康监测结语引言天灾（自然力量）台风、海啸、地震、洪水……损失巨大可预报，无法避免2005-7-21海棠台风(5#)损失80.93亿元,浙江已有3人死亡民航、交通、供电中断，城区进水、房屋倒塌、农田受淹、养殖场冲毁海棠_福建福建26.33亿,受灾213.41万人,紧急转移86.3万人,受伤21人水利设施2.97亿,房屋倒塌0.63万间,损坏1.77万间,公路中断50条次,毁坏路基187.02公里;损坏堤防305处、44.85公里,堤防决口19处、1.4公里;损坏护岸、灌溉设施1348处;损坏水闸、水文测站、机电泵站、水电站238座,冲毁塘坝110座......海棠_浙江浙江达54.6亿元,水利设施5.82亿，交通电力通讯设施18.1亿,受灾609.2万人房屋倒塌5710间,447条公路中断,损坏路基598.2公里,堤防1112处、203.0公里,决口653处、46.6公里,小水电站60座2004-8-16云娜台风(14#)我国1956年来最强的台风,遇难人数达到164人,因房屋倒塌的109人，因山洪暴发、泥石流的28人，被风刮倒的9人，遭洪水的12人，因电杆吹倒或触电的5人，其它原因1人。本地居民144人，外来务工20人。浙江75个县（市、区）、765个乡（镇）受灾，受灾人数超过859万人有4.24万间房屋倒塌，8.8万间房屋损坏502条公路中断，毁坏路基505公里2004-12-26印度洋海啸遇难总人数约30万人印度尼西亚：238,945斯里兰卡：30,957印度：16,389泰国：5,393马尔代夫：82马来西亚：68缅甸：61孟加拉：2索马里：298坦桑尼亚:10肯尼亚：1印度洋海啸1976-7-28唐山大地震唐山大地震，是迄今为止四百多年世界地震史上最悲惨的一页:死亡：24万2千7百69人重伤：16万4千8百51人唐山大地震2004-5-27湖北清江大龙潭卷走18人，14人下落不明2004-5-31重庆1天1亿2004-6-15四川渠县教室伤28人祸（人为因素）无意、蓄意渎职、“图财害命”可以避免或加以控制2003-11-3衡阳大火1996四川綦江彩虹桥死402004-5-23法国戴高乐机场2003-6-17落成6死多伤2国人2004-6-19内江9年房屋成危房2003-5-12延安宝塔区水坝3年2002-6-9西安灞河大桥150m2002-8-27台湾高屏断桥22人死亡，16部车，22年，采砂深圳地区2004-6-15龙岗坑坪年丰大桥两根桥柱齐根断裂全面体检全市478座桥，41座有安全隐患公路桥梁“透支生命”2003-9-16龙岗脚手架1死17伤问题有什么解决办法？天灾：气象、海洋、地质灾害预报……有何技术途径？人祸：法规、规划、设计、监测……土建工程安全现状和问题现状不容乐观存在问题非技术问题技术问题安全现状工民建设计50年，通常25~30年需大修，或更短市政桥梁设计50年，10~15年就出现严重破坏海工设计30~50年，5～15年就出现严重破坏斜拉桥设计50~100年，10年以上的桥就很危险存在问题非技术因素市场、腐败、管理、做假技术因素标准设置水平低无耐久性标准无详细监测制度办公楼楼层设计活荷载标准值kgf/m22003年起我国新设计的办公楼楼层活荷载已改为200kgf/m2中国美国英国法德俄加拿大日本澳大利亚意大利150240250200240290300340不同建筑物楼层活荷载标准值kgf/m22003年起我国新设计的住宅、办公楼楼层活荷载已改为200kgf/m2体育馆办公楼办公楼门厅公寓住宅房间公寓住宅走廊学校教室学校走廊剧院门厅餐厅防火通道中国350150200150150200250300250同走廊美国480240480200480200390480480480安全保证率活荷载分项系数：我国1.4，英国1.6，美国1.7恒载分项系数：我国1.2，美、英1.4砼强度分项系数：我国1.35，英1.5钢材强度分项系数：我国1.08，英、美1.15设计的办公室楼面活荷载我国是英国的52.5%，美国的51.5%材料强度安全系数我国比英美的低约10~15%按美英规范设计比按我国规范设计承受活荷载能力的大一倍以上承受恒载能力高出约15%设计结果差别公路桥梁以常用车辆作用于30米跨度简支梁桥为例规范计算的需承受的活荷载效应：美国和英国规范分别比我国规范大12%和29%考虑活荷载安全系数：我国1.40，美国1.75，英国的1.73桥梁需承受活荷载效应设计值：美国和英国规范分别比我国规范大40%和59%材料设计强度：我国的设计承载能力为美、英的68%和60%2001-3-16石家庄爆炸案石家庄“3·16”特大爆炸案是新中国建立以来死伤人数最多的爆炸案件，同时有5处发生爆炸，造成108人死亡，38人受伤，数座房屋被损，直接经济损失上千万元。2001-3-16石家庄爆炸案2003-1-27山东章丘燃气爆炸早期结构设计主要关心结构构件承载力建筑物安全性不足主要是由于结构缺乏整体牢固性。主要技术原因其它技术原因未按耐久性设计无完善的检查、监测制度怎么办？结构健康监测StructuralHealthMonitoring,SHM航空、航天大型机械土木目的：安全状况维护、维修、加固决策节约运营成本(15~25%)人与建筑物健康特点对比项目人建筑物寿命理论寿命120～150岁，一般寿命60～100，平均寿命约70（中国，1997年统计）设计寿命50年，一般寿命20～40年，平均寿命35年（以国外桥梁为例）影响因素先天：缺陷、遗传病先天：设计不合理后天：疾病、缺乏锻炼后天：施工质量差、缺乏检查环境：污染环境：使用环境变化恶劣健康检查小病：赴普通医院－询问－检查－诊断－处方－服药小缺陷：普通检查后简单维修即可大病：赴专业住院－询问－初检－住院－详细检查－诊断－治疗大缺陷：专业人员检测、详细测算后给出加固方案进行加固急病：急诊／急救中心－抢救紧急抢修：专业人员会诊，然后进行快速修补误诊后果：机能或寿命丧失方案或施工错误：导致结构更加严重破坏或成临危结构现代趋势或新理念保健＋定期查体－更新保健计划耐久性设＋在线监测－随时调整维护维修制度保健计划：个性化设计健康监测：个性化处理优点：保证正常工作，延长生命，降低突发疾病，有效节约资金优点：第一时间发现问题，最大限度延长寿命，避免恶性事故出现，可大大降低运营费用如何实现？技术途径完全类似人体健康监测,如心电图监测24hr监测仪数据采集记录分析处理诊断开药传感器＋数据采集＋数据库＋数据分析＋决策系统专业＋IT技术传感器温度、湿度、风速应力、应变、位移、频率（挠度、振动）pH、有害离子（Cl－等）钢筋腐蚀速率、碳化速率、机械磨损程度、冻融破坏程度、碱－骨料反应速度等数据采集系统形式：分布式通讯方式：有线、无线总线：PXI、PCI、Fieldbus……协议：TCP/IP、OPC……数据库OracleSQLServer2000InformixSybaseInterbaseMySqlProgest……数据处理与决策系统多传感器冗余系统、DM技术过滤、转换、结合模型DSS数据库、模型库、知识库、方法库专业知识(模型、预案)数据仓库、专家系统各种方法：神经元网络、遗传算法、模糊数学……应用现状研究：~20多年应用：重要、重大土木工程境外比国内推广得好国内对于新建大坝、大跨度桥梁多实施SHM，如三峡、小浪底等大坝、青马、虎门、润扬等大桥，对大型建筑也有部分实施，如深圳市民中心、高交会展中心……SunshineSkywayBridge,Florida,USATsingMa,HongKong(总长2167m,主跨长1377m,主塔高200m,1992~97)丹麦Skovdigetbridge(示范)虎门大桥动态变形监测虎门大桥单点振动虎门大桥全桥振动虎门大桥车振反应虎门大桥24小时桥形变化新型传感器的开发专业传感器钢筋腐蚀位移复合……沿海地区建筑健康监测氯离子的危害寿命通常比内陆要短、钢筋腐蚀严重氯离子海洋、空气砂、石、混凝土检测与监测台湾海砂屋台湾海砂屋据台湾“内政部”营建署1999年统计，至少有超过2200户海砂屋，而1994年工业技术研究院研究指出，全台湾可能有多达30~50万户海砂屋台湾《民生报》：“骤起的海砂屋风暴就像强烈台风，暴风由北而南，笼罩了台湾……生锈化脓的黄褐色铁水从龟裂处逐一渗出，裸露的腐蚀钢筋再也支撑不住……，家毁人亡的阴影压得让人喘不过气来”宁波、舟山、汕头、威海、深圳均出现海砂屋！宁波北仑港码头混凝土梁(11年)电化学除盐牺牲阳极保护中心已开展和进行的工作指南与规范的制定土木工程学会指南铁道部、交通部有关规定和规范建设部规范技术服务咨询与检测技术与设备现有技术及设备混凝土抵抗氯离子渗透能力评价设备(ASTMC1202)混凝土中氯离子扩散系数测定设备(NEL)氯离子含量电测仪(ClCont)现场分布式模块化静态测试系统(Fieldpoint)现场动态测试系统(PXI_DP)混凝土渗透性电测仪(ASTM)氯离子扩散系数电测仪(NEL)氯离子含量检测仪(ClCont)现场静态测试系统现场动态测试系统正在进行的工作专业传感器渗透、钢筋腐蚀、硫酸盐腐蚀......软件布点优化、实时海量数据库、数据分析及决策系统工程类型桥梁、隧道、超高层建筑、埋地管线……结语工程安全问题是关系人民生命财产安全的大问题，全社会都应关注，并从自己做起。健康监测是保证工程安全的技术途径之一，有条件的应尽可能利用。沿海地区应更加关注工程安全问题、以及结构健康监测技术的发展和应用。欢迎大家到中心参观指导请批评指正，谢谢！