结构健康监测技术.pptx
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1、重大工程结构健康监测重大工程结构健康监测(SHM)技术)技术张 浩涉外土木工程教研室涉外土木工程教研室概述概述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江西交通科学研究院 4.传感技术SHMIntro to 2.什么是SHM?8.未来展望Section:1 1:引言引言SHMIntro to江西交通科学研究院江西交通科学研究院全球基础设施普遍存在安全隐患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:1 1:引言引言SH
2、MIntro to江西交通科学研究院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.引言引言SHMIntro toSection:1 江西交通科学研究院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:1 1.引言引言导致结构性能劣化的因素SHMIntro to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维
3、修费用甚至超出更换费用江西交通科学研究院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:1 1.引言引言SHMIntro to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强度或使用性能的降低导致构件需要维修或更换致构件需要维修或更换江西交通科学研究院江西交通科学研究院结构劣化因素结构劣化因素Section:1 1.引言引言SHMIntro to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,构件需加固或结构不安全或使用性不足,构件需加固或更换更换江西交通科学研究院江西交通科学研
4、究院结构劣化因素结构劣化因素Section:1 1.引言引言SHMIntro to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、加固甚至更换结构需要维修、加固甚至更换江西交通科学研究院江西交通科学研究院结构劣化因素结构劣化因素SHMIntro toSection:1:引言引言江西交通科学研究院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2530年需大修,或更短市政桥梁设计50年,1015年就出现严重破坏海工设计3050年,515年就出现严重破坏大跨桥梁设计50100年,10年以上的桥就很危险SHMIntro toSection:1
5、:引言引言江西交通科学研究院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:1 1.引言引言SHMIntro to江西交通科学研究院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
6、监测(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SHMIntro toSection:2 江西交通科学研究院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逐渐普及结构健康监测的发展得益于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
7、新设计、新技术和新材料监测的需求SHMIntro to2.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江西交通科学研究院Section:2 结构健康监测(结构健康监测(SHM)的定义)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SHMIntro to结构的安全性、强度、整体性、可靠性结构的安全性、强度、整体性、可靠性江西交通科学研究院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结构健康监测与人类体检的类比医生医生监测病人的健
8、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SHMIntro toISIS Canada Educational Module 5Section:2 SHM 系统组成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SHMIntro to江西交通科学研究院江西交通科学研究院Section:2 SHM 系统分级系统分级等级 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SHMIntro t
9、o江西交通科学研究院江西交通科学研究院等级等级 I等级等级II等级等级III等级等级IV定位识别定量损伤影响Section:2 SHMIntro toSHM 系统分级系统分级江西交通科学研究院江西交通科学研究院Section:2 SHM的优点的优点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SHMIntro to江西交通科学研究院江西交通科学研究院Section:3 3:方法方法理想的理想的 SHM 系统系统: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 S
10、HMIntro to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江西交通科学研究院需监测的桥梁Section:3 系统组成示意图系统组成示意图SHMIntro to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江西交通科学研究院Section:3 3.1 数据采集数据采集(a)传感器的选择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SHMIntro to原始数据的收集如:温湿度、风速
11、、应变、变形、加速度、荷载、交通量、地震等。江西交通科学研究院江西交通科学研究院Section:3 3.1 数据采集数据采集(b)传感器安装和布置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SHMIntro to江西交通科学研究院江西交通科学研究院Section:3(c)数据传输数据传输方法 -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SHMIntro to3.1 数据采集数据采集江西交通科学研究院江西交
12、通科学研究院Section:3(d)数据采样和收集数据采样和收集SHMIntro to3.1 数据采集数据采集基本要求: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江西交通科学研究院Section:3 监测内容监测内容SHMIntro to荷载荷载变形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
13、同的传感器测试江西交通科学研究院江西交通科学研究院3.1 数据采集数据采集Section:3 SHMIntro to应变应变温度温度应变: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江西交通科学研究院3.1 数据采集数据采集Section:3 SHMIntro to加速度加速度风速和风压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
14、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江西交通科学研究院3.1 数据采集数据采集Section:3 SHMIntro to声发射声发射视频视频监测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江西交通科学研究院3.1 数据采集数据采集Section:3 3.2 数据传输数据传输 数据需从采集站传递到监控中心 允许远程监视,
15、减少现场工作量电话网络无线技术SHMIntro to采集站监控中心江西交通科学研究院江西交通科学研究院Section:3 3.3 数据预处理数据预处理更简单更简单传输更快传输更快更精确更精确SHMIntro to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:3 3.4 数据存储数据存储SHMIntro to
16、江西交通科学研究院江西交通科学研究院Section:3 3.5 诊断诊断SHMIntro to极端重要的部分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江西交通科学研究院Section:3 3.6 数据分析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SHMIntro to谨记谨记: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
17、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:4 4:传感技术传感技术SHMIntro to江西交通科学研究院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 光纤传感器的优点光纤传感器的优点SHMIntro to江西交通科学研究院江西交通科学研究院Section:4 光纤传感器如何测试光纤传感器如何测试?传感使用光学特性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
18、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SHMIntro to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江西交通科学研究院Section:4 光纤传感技术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 外护套外护套 芳纶 纤维 内护套 缓冲层 裸光纤SHMIntro to江西交通科学研究院江西交通科学研究院Section:4 光纤安装方式光纤安装方式焊接式焊接式嵌入式嵌入式预制好,易于安装传感器外套有不锈钢管等保护设
19、施能应用于各种恶劣环境SHMIntro to粘接式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江西交通科学研究院Section:4 光纤传感器的种类光纤传感器的种类SHMIntro to常用的光纤传感器:1.光纤光栅光纤光栅(FBGs)2.长标距传感器长标距传感器3.法布里-珀罗 传感器4.布里渊散射传感器布里渊散射传感器江西交通科学研究院江西交通科学研究院Section:4 光纤光栅传感器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SHMIntro to在光纤上刻有格栅在光纤上刻有格栅当脉冲光打入光纤,
20、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特点:江西交通科学研究院江西交通科学研究院Section:4 长标距传感器长标距传感器SHMIntro to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光纤内设有两个极小的“镜子镜子”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特点:需进行温度补偿江西交通科学研究院江西交通科学研究院Section:4 法布里-珀罗传感器 SHMIntro to只可测试点式应变即可测试静力又可动力测试一根光纤不能串联多个传感器可嵌入、
21、粘结 和焊接光纤中切有一道光纤中切有一道“槽槽”利用光学技术来探测槽宽度的变化如果预先测量出槽的初始宽度,那么久可计算出应变值特征特征:江西交通科学研究院江西交通科学研究院Section:4 布里渊散射传感器布里渊散射传感器SHMIntro to分布式大范围测试目前仅可做静力测试,光纤长度小于10m时可测动力可分别进行温度和应变测量光纤本身即是传感器又可作为数据传输媒介利用后向传播的布里渊散射光谱的中心频率偏移进利用后向传播的布里渊散射光谱的中心频率偏移进行应变测试行应变测试利用一根光纤可测试几十公里的范围测试分布式的应变场和温度场特征特征:解调仪较为昂贵江西交通科学研究院江西交通科学研究院S
22、ection:4 分布式传感分布式传感 能进行连续的应变测试并找到应变发生的位置 可用于测量:光纤光栅通过一系列的传感器串联可实现准分布式测量 可给出连续的空间应变分布裂缝宽度粘结层的应变传递应力集中SHMIntro to分布式传感技术可通过光纤光栅和布里渊散射传感技术实现:江西交通科学研究院江西交通科学研究院Section:4 多点传感技术多点传感技术多个传感器组成的测试网络通过一个解调仪进行测试1.多点串联:一根光纤穿有多个传感器2.多点并联:每根连接一个传感器,解码器需要有多通道。SHMIntro to江西交通科学研究院江西交通科学研究院Section:4 其他类型的传感器其他类型的传感
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