基于民用基础设施的结构健康监测与维护技术.pdf

第 22 卷 第 7 期2023 年 7 月中国建筑金属结构CHINA CONSTRUCTION METAL STRUCTUREVol22 No7Jul2023720 引言民用基础设施的结构健康监测与维护技术是建筑领域中备受关注的研究方向。随着城市化进程的加速推进，对基础设施结构的安全性和可靠性要求也越来越高。为了实现对民用建筑结构的有效监测和及时维护，学者们进行了深入的研究，并取得了一系列重要成果。杨健1综述了民用基础设施结构健康监测与维护技术，介绍了各种监测方法的原理和实际应用。赵琛2探讨了结构健康监测技术及其在工程中的应用，强调了结构健康监测对于提高工程安全性和可靠性的重要性。陈红伟3基于无线传感器网络，全面介绍了民用建筑结构健康监测技术的应用优势和发展趋势。李保国4综述了基于无线传感器网络的结构健康监测技术，深入探讨了该技术的原理和挑战。马彦卿5全面研究了民用建筑结构健康监测方法，提出了该领域的发展方向和应用前景。周红兵6介绍了结构健康监测技术在民用基础设施中的实际应用案例，总结了相关技术的成果和挑战。王军华7对结构健康监测技术在民用基础设施中的应用进行了评估和探讨。综合以上文献研究成果，本文将在前人工作的基础上，提出创新点，创新点包括：强调结构健康监测的重要性、应用无线传感器网络技术、提出进一步发展方向。并探讨解决方案，以推动民用基础设施结构健康监测与维护技术的进一步发展。1 结构健康监测方法1.1 结构健康监测的定义和目标结构健康监测是指对民用基础设施或其他结构系统进行实时、连续的监测和评估，以获取其运行状态、损伤程度和健康状况的信息。其目标是通过监测和分析结构的物理参数、振动响应或其他特征，及时发现结构的异常变化、缺陷、病害或潜在风险，并提供有效的维护和管理策略。结构健康监测的目标包括实时监测结构，获得结构的实时数据，包括振动、应变、温度等参数，以监测结构的运行状况和性能。同时，通过对监测数据的分析和比较，捕捉结构性能的变化，识别可能的缺陷或损伤。此外，结构健康监测还致力于检测结构中的缺陷、病害或异常情况，通过监测技术和方法及时发现，并采取相应的维护措施，以防止事故和灾害的发生。通过结构健康监测，可以为结构的维护和管理提供准确的信息和指导，确保民用基础设施的安全性、可靠性和可持续性。1.2 结构健康监测技术的分类和原理结构健康监测技术可以根据监测对象、监测原理和监测方法进行分类。从监测对象的角度，可以分为全局监测和局部监测两类。全局监测是对整个结构系统进行监测，如基于振动特性的全局监测；局部监测则关注结构的特定部位或关键位置，如关节、节点或悬挂索的局部监测。从监测原理的角度，结构健康监测技术可以分为物理测量和无损检测两类。物理测量技术基于结构响应的物理参数，如振动、应变、位移等进行监测。常见的物理测量技术包括加速度计、应变计、位移传感器等。无损检测技术则利用非破坏性方法对结构进行评估，如超声波检测、红外热成像等。1.3 常用的结构健康监测方法和传感器技术结构健康监测方法和传感器技术是实现民用基础设施结构健康监测的重要手段。常用的监测方法包括传统的物理监测方法和基于无线传感器网络的无损监测方法。物理监测方法包括振动监测、位移监测、应变监测等，通过传感器获取结构响应数据，对结构的运行状态进行分析和评估。基于无线传感器网络的无损监测方法则利用分布在结构中的传感器节点，实时采集结构参数并传输到监测中心，实现对结构健康状态的连续监测。常见的传感器技术包括加速度计、位移传感器、光纤传感器等，这些传感器能够测量结构的振动、位移、应变等关键参数。此外，还有一些新兴的监测方法和传感器技术如图像监测、作者简介：房卓（1973-），男，高级工程师，研究方向：抗震加固。基于民用基础设施的结构健康监测与维护技术房 卓（华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014）摘 要：为了推动民用基础设施结构健康监测与维护技术的进一步发展，本文通过介绍相关研究成果和文献综述的方式，分析了民用基础设施结构健康监测与维护技术的现状和问题。鉴于城市化进程的加速和对基础设施结构安全性与可靠性的要求不断提高的背景，该领域的研究具有重要意义。在前人工作的基础上，本文提出了创新观点并探讨了解决方案。研究结果表明，结构健康监测技术在提高民用基础设施工程安全性和可靠性方面具有巨大潜力。通过本文的研究，可以为民用基础设施结构健康监测与维护技术的进一步发展提供有益的参考和指导。关键词：民用基础设施；结构健康监测；维护、监测方法；评估指标中图分类号：TU39 文献标识码：ADOI：10.20080/ki.ISSN1671-3362.2023.07.02573第 7 期中国建筑金属结构声发射监测、无线电频域识别等也被应用于结构健康监测中。通过综合应用不同的监测方法和传感器技术，可以全面、准确地评估结构的健康状况，为结构维护提供科学依据。2 结构健康监测参数与评估指标2.1 结构监测参数的选择与分析振动参数是结构健康监测中常用的参数之一。振动监测通过安装加速度计或振动传感器来测量结构的振动响应。振动参数包括振动加速度、振动速度和振动位移。这些参数可以通过频域分析、时域分析和模态分析等方法进行分析，以确定结构的固有频率、振型和振幅，进而判断结构的健康状况和损伤程度。例如，通过分析结构的频谱图和振型形态，可以检测到异常的共振现象、自由振动频率的变化以及可能存在的结构故障。应变参数是另一个重要的监测参数。应变是结构受力和变形的直接反映，通过应变计或应变传感器进行监测。常用的应变参数包括应变值、应变变化率和应变曲线。通过应变监测和分析，可以检测结构的变形、应力分布以及损伤程度。例如，通过监测结构关键部位的应变变化，可以发现潜在的应力集中区域和可能的损伤位置。位移参数在结构监测中也具有重要作用。通过位移传感器或测量仪器，可以实时记录结构的位移变化和形变情况。常见的位移参数包括整体位移、局部位移和结构形变。通过位移监测和形变分析，可以获取结构的位移变化模式、变形情况以及结构的稳定性。例如，在桥梁监测中，通过监测桥梁的整体位移和梁段的局部位移，可以评估桥梁的变形状态和承载能力。声学参数是一种非常有用的监测手段，通过声学传感器监测结构发出的声波信号。声学参数包括声波频谱、声发射信号和声波特征参数。通过声学分析、频谱分析和信号处理等方法，可以检测到结构中的裂纹、漏水和异常噪声等问题。例如，在管道监测中，通过分析管道发出的声波信号的特征，可以检测到管道的泄漏点和管壁的损伤情况。温度参数也是常用的监测参数之一。通过温度传感器监测结构的温度分布和变化情况，可以评估结构的热膨胀、冷缩和热应力情况。温度参数包括温度变化、热应力和温度分布。通过温度监测、热应力分析和温度变形分析等方法，可以分析结构的热力学性能和热应力状态。例如，在混凝土结构监测中，温度监测可以帮助评估混凝土的硬化过程和热应力引起的裂缝情况。在选择结构监测参数时，需要综合考虑结构的类型、监测目的和可用的监测设备。同时，针对具体的结构特点和监测要求，可能需要进行参数优化和选择，以确保获得准确、可靠的结构健康监测结果。2.2 结构健康评估指标的定义与应用结构健康评估指标是用于定量评估结构健康状况的量化参数，其选择和应用对于准确判断结构的安全性、可靠性和性能至关重要。以下是一些常用的结构健康评估指标及其定义与应用。振动响应指标：振动响应是结构健康状态的重要指示器。自然频率是结构振动的固有频率，振型形态描述了结构在不同频率下的振动模态，振幅表示了结构的振动幅度，而阻尼比反映了结构的能量耗散特性。通过对这些指标的监测和分析，可以判断结构是否存在异常振动、共振问题或疲劳损伤等。应变和变形指标：应变和变形是结构受力和变形的直接体现。最大应变和应变变化率反映了结构的应变极值和应变变化情况，位移和位移变化率描述了结构的位移和变形情况，形变指标则表征了结构在受力过程中的形变变化。通过对这些指标的监测和分析，可以评估结构的应力分布、变形情况、变形速率以及可能的损伤程度。力学参数指标：力学参数反映了结构的受力和承载能力。应力指标表示了结构所承受的内部应力状态，强度参数描述了结构的抗力能力，刚度指标反映了结构的刚性特性，而变形能力则表征了结构在受力过程中的变形能力。通过对这些指标的监测和分析，可以评估结构的受力状态、强度状况、刚度变化以及结构的变形能力。能量和损耗指标：能量和损耗指标反映了结构的能量消耗和损失情况。阻尼比是结构的能量耗散比例，能量耗散比指标描述了结构在振动过程中的能量损耗情况，耗能性能则表征了结构的耗能能力。通过对这些指标的监测和分析，可以判断结构的能量耗散能力、耗能性能和阻尼特性。声学指标：声学指标是通过声音信号来评估结构健康状况的指标。声波频谱是声音信号的频率特征，声发射信号可以检测到结构中的裂纹、松动和异常噪声，声波特征参数描述了声音信号的各种特征，噪声级指标反映了结构的噪声水平。这些指标可以通过声学传感器和声音分析技术来获取，从而评估结构的健康状况。3 结构健康维护策略3.1 结构健康维护的目标与原则结构健康维护的目标是确保民用基础设施的长期安全、可靠和持久运行。维护的主要原则包括安全性、可靠性、经济性、预防性、可持续性和系统性原则。（1）安全性原则是维护的首要目标。维护措施必须确保结构在正常使用和额定荷载条件下不发生失稳、破坏或崩溃，保障人员和财产的安全。（2）可靠性原则要求提高结构的可靠性和可用性。通过合理的维护措施，延长结构的使用寿命，减少意外事故的发生，提高结构的运行可靠性。（3）经济性原则是在维护中考虑成本效益，避免不必要的开支，同时确保结构的合理维护。维护策略和措施应综合考虑成本和效益，确保在有限资源条件下进行维护工作。（4）预防性原则强调采取预防性维护策略，早期发现和处理结构的问题和隐患。通过定期检测、监测和评估，及时发现结构的损伤和退化，采取适当的修复和加固措施，避免问题进一步恶化。（5）可持续性原则要求在维护过程中注重环境和社会可持续发展。维护应减少对环境的影响，采用环保材料和技术，兼顾社会效益，提升74中国建筑金属结构2023 年结构的可持续性。（6）系统性原则强调以整体系统的观念进行维护。考虑结构与周围环境、材料、构件以及运行条件的相互关系，综合考虑结构的各个方面，从整体上优化维护方案和策略。3.2 常见的结构健康维护策略与方法常见的结构健康维护策略与方法是多样化且综合考虑结构的特点和需求。其中包括定期巡检与维护，通过定期的观察、测量和测试，发现潜在问题并进行相应维护。结构监测与评估是另一种重要方法，利用各种监测技术和传感器系统对结构进行实时或定期监测，以获取结构的运行状态和健康信息。预防性维护与加固措施通过定期维护、修补裂缝、加固构件等，预防问题的扩大和恶化。制定详细的管理与保养计划是有效的维护策略，确保维护工作的及时性和有效性。在线健康监控系统则利用现代信息技术，实时监测结构状态，通过无线传感器网络、云计算和大数据分析等技术手段，实现结构的智能化维护。故障诊断与修复是针对结构故障或损伤的处理方法，通过故障诊断技术和修复措施，恢复结构的安全性和功能性。这些维护策略与方法相互补充，综合应用可以保证结构的健康状况和安全性。根据具体的结构类型和使用情况，结合经济可行性和技术可行性，选择适当的维护策略和方法，确保民用基础设施的长期可靠运行。3.3 定期检测与维护计划的制定与执行定期检测与维护计划的制定与执行是保障结构健康的重要环节。制定合理的计划可以确保维护工作的及时性、有效性和系统性，以下是该过程的主要步骤和注意事项。制定定期检测与维护计划需要根据结构的类型、规模和使用情况制定相应的周期和频率。不同结构的特点决定了其维护的要求，例如高层建筑、桥梁、隧道等各有不同。同时，还需考虑环境因素、结构年龄和历史维护记录等信息。其次，计划中应明确具体的检测和维护内容。这包括使用的检测方法、所需的设备和工具、维护工作的具体措施等。具体内容应根据结构的特点和需求进行细化，确保覆盖结构的各个关键部位和关键指标。第三，计划的执行需要明确责任分工和监督机制。确定相关人员的职责和权限，确保计划能够按时执行。同时，建立监督和评估机制，对维护工作进行监控和评估，及时发现和纠正问题。此外，还应考虑计划的灵活性和可调整性。随着时间推移和结构使用情况的变化，可能需要对计划进行调整和优化。及时根据实际情况进行调整，确保维护计划的实效性和适应性。最后，记录和分析维护过程和结果。建立完善的档案记录体系，记录维护工作的具体情况和结果。通过对记录的分析和总结，获取结构健康状况的历史数据和趋势，为后续维护计划的制定提供依据。4 结论（1）通过对民用基础设施结构健康监测与维护技术的研究和文献综述，深入了解了该领域的发展现状和问题，并认识到其在城市化进程中的重要性和应用前景。（2）结构健康监测技术在提高民用基础设施工程的安全性和可靠性方面具有巨大潜力，可以有效识别结构健康状况、预测结构损伤和进行及时维护与修复。（3）目前在民用基础设施结构健康监测与维护技术方面仍存在技术挑战和发展空间，需要进一步研究创新解决方案，加强技术应用和推广，以提升基础设施的安全性、可靠性和可持续发展水平。参考文献1 杨健.民用基础设施结构健康监测与维护技术综述 J.建筑材料学报,2017,20(02):400-410.2 赵琛.结构健康监测及其在工程中的应用 J.建筑结构学报,2018,39(03):1-10.3 陈红伟.基于无线传感器网络的民用建筑结构健康监测技术综述J.工程科学学报,2016,38(09):1174-1183.4 李保国.基于无线传感器网络的结构健康监测技术综述 J.建筑结构学报,2015,36(10):1-10.5 马彦卿.民用建筑结构健康监测方法研究综述 J.中国安全科学学报,2017,27(02):144-150.6 周红兵.结构健康监测技术在民用基础设施中的应用 J.土木工程学报,2017,50(02):47-54.7 王军华.结构健康监测技术在民用基础设施中的应用 J.世界科技研究与发展,2014,36(03):238-242.