您好,欢迎访问三七文档
重大工程结构健康监测(SHM)技术张浩涉外土木工程教研室概述1.引言3.SHM的方法5.SHM内容6.SHM系统设计7.实例介绍江西交通科学研究院4.传感技术SHMIntroto2.什么是SHM?8.未来展望Section:11:引言SHMIntroto江西交通科学研究院全球基础设施普遍存在安全隐患•人类生活依赖大量的各种基础设施−道路,地下管道,高速公路,各种建筑等•各种基础设施长期使用中存在各种问题−被忽视、缺少维护、设计标准底Section:11:引言SHMIntroto江西交通科学研究院•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。•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……•人祸(人为因素)–无意、蓄意–渎职、“偷工减料”–可以避免或加以控制结构毁坏主要原因1.引言SHMIntrotoSection:1江西交通科学研究院1996四川綦江彩虹桥死41汶川地震后的桥梁Section:11.引言•导致结构性能劣化的因素…SHMIntroto因素1目前状况后果既有结构缺乏足够的检测和监测只有到结构继续维修时才引起重视维修费用甚至超出更换费用江西交通科学研究院桥梁结构日常使用主要问题-结构劣化Section:11.引言SHMIntroto因素2状况结果钢筋混凝土结构中的钢筋锈蚀钢筋的变形导致混凝土开裂和剥落强度或使用性能的降低导致构件需要维修或更换江西交通科学研究院结构劣化因素Section:11.引言SHMIntroto因素3状况结果交通荷载量及荷载等级逐年增加,逐渐超出既有桥梁原来的设计标准结构不安全或使用性不足,构件需加固或更换江西交通科学研究院结构劣化因素Section:11.引言SHMIntroto因素4状况结果结构整体劣化或老化各种有害因素影响结构的可靠度安全性和使用性能结构需要维修、加固甚至更换江西交通科学研究院结构劣化因素SHMIntrotoSection:1:引言江西交通科学研究院我国土木工程结构安全现状•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•大跨桥梁–设计50~100年,10年以上的桥就很危险SHMIntrotoSection:1:引言江西交通科学研究院存在问题•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–无详细监测制度解决之道-结构健康监测(SHM)Section:11.引言SHMIntroto江西交通科学研究院•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%我国公路桥梁设计标准偏低2:什么是结构健康监测(SHM)?•利用现场测试、无损检测或各种传感技术和结构特征分析,包括结构响应来识别损伤是否产生、确定损伤位置、评估损伤程度以及损伤对结构造成的后果。目标-建立智能结构体系SHMIntrotoSection:2江西交通科学研究院一个可靠的结构健康监测(SHM)系统应包括:先进的传感技、数据采集技术、系统识别和损伤定位技术和土木工程技术结构的安全性、强度、整体性、可靠性Section:2结构健康监测逐渐普及结构健康监测的发展得益于:1.逐渐增长的需求…既有结构养护管理的需求新设计、新技术和新材料监测的需求SHMIntroto2.以下技术的发展…新型传感技术(如:光纤、智能材料等)数据采集系统网络和无线网络技术数据库系统(传输、收集、储存和分析)数据处理和分析技术江西交通科学研究院Section:2结构健康监测(SHM)的定义结构健康监测无损检测结构现场测试和评估使用多种传感器埋入或粘贴到结构表面进行监测SHMIntroto结构的安全性、强度、整体性、可靠性江西交通科学研究院Section:2结构健康监测与人类体检的类比医生•监测病人的健康状况•使用医学设备对人体进行健康检查•开处方进行对症治疗SHM工程师•监测结构的健康状况•使用各种传感器对结构进行健康检查•给出桥梁维护管理方案SHMIntrotoISISCanadaEducationalModule5Section:2SHM系统组成数据采集数据传输数据处理数据存储数据恢复诊断分析SHMIntroto江西交通科学研究院Section:2SHM系统分级等级I识别损伤是否存在等级II识别损伤是否存在及其位置等级III识别损伤是否存在及其位置、程度等级IV识别损伤是否存在、位置、程度和对结构造成的影响SHMIntroto江西交通科学研究院等级I等级II等级III等级IV定位识别定量损伤影响Section:2SHMIntrotoSHM系统分级江西交通科学研究院Section:2SHM的优点优点长期实时把握结构状态尽早识别损伤保证结构强度和使用性能减少检查、维护时间和费用制定合理的养护管理方案提高工作效率促进新技术新材料的研究和应用SHMIntroto江西交通科学研究院Section:33:方法•理想的SHM系统:提供结构健康信息出现损伤时给出警告•SHM系统的发展需要多方面学科发展的支持…SHMIntroto数据采集材料计算机传感器损伤识别结构工程通信智能处理技术江西交通科学研究院需监测的桥梁Section:3系统组成示意图SHMIntroto各种传感器数据采集系统(on-site)通信系统(如.网络)数据处理(计算机自动完成)数据存储(硬盘或刻录光盘)诊断状态评估(管理养护决策)江西交通科学研究院Section:33.1–数据采集(a)传感器的选择适合的可靠的传感器根据监测时间(长期、或短期)需求选择结构监测项目?传感器必须满足功能和耐久性要求SHMIntroto原始数据的收集如:温湿度、风速、应变、变形、加速度、荷载、交通量、地震等。江西交通科学研究院Section:33.1–数据采集(b)传感器安装和布置传感器的安装必须不影响原有结构性能传感器的附属设施如:缆线、线槽、连接箱等需不妨害结构使用需考虑传感器优化布置SHMIntroto江西交通科学研究院Section:3(c)数据传输方法-有线系统•传感器与采集系统间直接线路连接•最常用而且费用低廉•对于大型桥梁不使用•缆线过长导致信号噪声大方法-无线传输•更昂贵•信号传输更慢更不安全•技术潜力较大SHMIntroto3.1–数据采集江西交通科学研究院Section:3(d)数据采样和收集SHMIntroto3.1–数据采集基本要求:采集数据不能过少导致无法完成监测系统基本功能,也不能过多导致数据处理和分析困难。重点:•传感器的数量和采样频率•数据存储和排序•某些情况下数据量特别大结果:•制定有效的数据采样和存储策略江西交通科学研究院Section:3监测内容SHMIntroto荷载变形施加到结构上的荷载的大小和分布•是否为预期的荷载?•荷载是怎么分布的?使用设备测试荷载或由应变数据推导过大的变形,意味着导致结构需要维修、加固甚至更换•是否在预期的范围之内?可使用不同的传感器测试江西交通科学研究院3.1–数据采集Section:3SHMIntroto应变温度应变:反映变形的强度应变的大小和变化能用于评估结构的安全性和整体性使用各种应变传感器•光纤、电阻式、振弦式等。温度变化可导致变形•热膨胀•周期性的循环变化会导致疲劳破坏温度会影响应变测量值•需进行温度补偿使用热电偶、光纤等进行测试。江西交通科学研究院3.1–数据采集Section:3SHMIntroto加速度风速和风压动力荷载导致结构的动力响应•结构如何抵抗动力荷载?在地震多发区广泛使用通常用加速度传感器测试大跨桥梁和高层建筑往往由风荷载控制设计•不同位置的风速和风压通常用超声风速仪测试江西交通科学研究院3.1–数据采集Section:3SHMIntroto声发射视频监测当结构或构件某些部位开裂或断裂,会产生噪音•声发射通过监测噪声,通过3角测量法进行损伤定位后张预应力混凝土结构和缆索支撑桥梁比较常用使用专用传感器测试实时追踪的视频或图像可记录突发事件或极端荷载•数据有图片为证•可捕捉超载车辆可使用网络摄像机技术江西交通科学研究院3.1–数据采集Section:33.2–数据传输•数据需从采集站传递到监控中心•允许远程监视,减少现场工作量电话网络无线技术SHMIntroto采集站监控中心江西交通科学研究院Section:33.3–数据预处理更简单传输更快更精确SHMIntroto•数据存储前进行•目的在于清除一些不可靠的数据、测试噪声、温度影响等,尽量使存储的数据更真实可靠,以便于将来的数据分析:江西交通科学研究院–可保存较长时间段内的数据–数据要易于理解–数据尽可能不中断–要有足够的存储空间•数据文件格式要好,可读性强•通常存储分析处理后的数据而不存储原始数据–存储数据要真实,不能随意更改Section:33.4–数据存储SHMIntroto江西交通科学研究院Section:33.5–诊断SHMIntroto•极端重要的部分–将数据信号转换为有价值的结构响应或状况信息•没有标准的诊断方法•使用的方法取决于…结构类型传感器的类型和位置监测的动机所关心的结构响应江西交通科学研究院Section:33.6–数据分析数据分析时需考虑…数据的意义和价值精简分析的工作量SHMIntroto谨记:SHM的目的是提供详尽的数据给工程师,以便于作出合理的、专业的工程决策。江西交通科学研究院•多种传感器在广泛使用–SHM选择传感器取决于很多因素•传感技术的发展极大推动了SHM的发展•光纤传感器(FOSs)–新技术–土木工程中广泛应用–研究开发和应用的热点Section:44:传感技术SHMIntroto江西交通科学研究院绝缘性不受电磁干扰和电波干涉先进的传感特性稳定性长期稳定性好测试误差小方便性重量轻,直径小,不受化学腐蚀,易埋入或表面粘贴安装易用性可多点或分布式测量Section:4光纤传感器的优点SHMIntroto江西交通科学研究院Section:4光纤传感器如何测试?传感使用光学特性数据采集系统再将电压信号转换为应变值激光或光束在光纤内传递,通常有测试标距光特性的改变直接能反映应变变化解码器通过光信号的改变计算应变值,有的转换为电压信号SHMIntroto光束可测试状态变化(如光纤被拉长或压缩)江西交通科学研究院Section:4光纤传感技术典型光纤各种各样的光纤覆盖层保护保护光纤避免…减少和避免安装及操作中的磨损防止潮湿环境削弱光纤控制微裂缝增长混凝土结构中使用时避免光纤受损外护套芳纶纤维内护套缓冲层裸光纤SHMIntroto江西交通科学研究院Section:4光纤安装方式焊接式嵌入式预制好,易于安装传感器外套有不锈钢管等保护设施能应用于各种恶劣环境SHMIntroto粘接式手工安装对操作要求稍高避免受湿度影响江西交通科学研究院Section:4光纤传感器的种类SHMIntroto常用的光纤传感器:1.光纤光栅(FBGs)2.长标距传感器3.法布里-珀罗传感器4.布里渊散射传感器江西交通科学研究院Section:4光纤光栅传感器仅可作为点式应变计测量即可测试静力又可动力测试一根光纤可串联多个传感器可嵌入、粘结和焊接需进行温度补偿SHMIntroto•在光纤上刻有格栅–当脉冲光打入光纤,在格栅处脉冲光会反射,如光纤粘贴在结构上一起变形,格栅处的的变形会导致反射光波长的变化。–通过波长的变化值可以推算出应变大小•特点:江西交通科学研究院Section:4长标距传感器SHMIntroto通用性强标距可从5cm到100m仅可做静力测试•光纤内设有两个极小的“镜子”–2个镜子的间距就是标据–传感器测试2个镜子间的位移–利用光的干涉原理进行测试•特点
本文标题:结构健康监测技术
链接地址:https://www.777doc.com/doc-4374613 .html