郑丽娟 赵而玉

(山东鲁勘工程检测有限公司，山东 济南 250031)



重大工程结构健康监测系统的应用研究现状

郑丽娟 赵而玉

(山东鲁勘工程检测有限公司，山东 济南 250031)

分析了工程结构健康监测诊断的必要性和紧迫性，从桥梁结构、大跨度空间结构、水利和海洋平台结构等方面，综述了国内外重大结构健康监测系统在实际工程中的应用，介绍了几个重大工程结构健康监测系统的研究及发展现状，探讨了已应用于实际工程中的健康监测系统，最后对健康监测系统的发展趋势进行了展望。

工程结构，健康监测系统，大跨度桥梁，水利

0 引言

重大工程结构，如跨江跨海大型桥梁、大型空间结构以及具有特殊用途的建筑结构等的建设一方面发展了工程结构的建造水平，同时也给结构的设计、服役过程中的维护检修等提出了巨大的难题。由于这些重要工程结构的意义重大，其设计使用年限一般较长，在长时间的环境侵蚀、振动作用以及疲劳效应等随机灾害作用下，必然将导致结构出现局域性的损伤。考虑到微小范围内的损伤并不能使结构发生倒塌破坏，但随着损伤的累积，结构的抗力和寿命下降，从而给重大工程结构的安全和稳定性留有隐患。如何实现对重大工程结构的运营状态进行实时监测和损伤诊断，从而保障重大工程结构在服役期内安全、可靠地运营是健康监测研究中的一大难题。

近年来，针对这一问题，工程界及大量研究学者们提出结构全寿命健康监测的概念，并在一些重大工程中开始付诸于应用实践。根据Housner的定义[1]，结构健康监测系统可表述为：基于大量传感测试设备，基于现场实时监测方法从服役结构运营状态中获得结构响应数据，据此评判结构或构件因损伤或退化导致的主要性能指标改变的有效方法。根据这一定义，在工程结构中建立健康监测系统时，系统组成主要包括：传感器子系统、数据采集和传输子系统、结构损伤识别和评估子系统、数据管理子系统[2]，如图1所示。

传感技术、无线通讯技术以及信号采集与处理等科技日新月异的发展，使得土木工程领域的健康监测与损伤诊断研究面临一个新的发展机遇[3]。如何有效地融合这些新技术，使重大工程结构的健康监测系统能够在实际操作中普遍应用，从而能及时的发现结构异常并准确的损伤定位，为结构的安全提供可靠的保障是目前研究的热点。文中从大跨度桥梁结构、空间结构、海洋平台结构及水利工程结构等几个方面介绍了已成功应用于重大工程结构中的健康监测系统，综述了健康监测系统的研究及发展现状，最后展望了对健康检测系统中有待进一步研究的问题和重大工程结构健康监测系统的发展应用趋势。

1 大跨度桥梁健康监测系统的工程应用

大跨度桥梁结构在服役期内长期承受着循环动力作用(风力作用，列车行走及地震作用)，循环负载条件将会导致某些节点局部高应力部位发生疲劳累积损伤，从而导致节点区域萌生出疲劳损伤[4]。随着裂纹的扩展，桥梁薄弱部位可能会发生脆性断裂而降低大跨度桥梁的安全性能，因此，对大跨度桥梁的健康监测对于保证其在设计使用年限内的安全运营具有重要意义。

各国学者对桥梁结构的健康监测工程应用进行了相关的实践。丹麦学者对Faroe跨海斜桥进行了施工和运营监测，以检查该桥的关键设计参数，并为后续健康监测系统的升级维护提供依据[5]；挪威学者在Skarnsundet斜拉桥上进行了数据采集系统的应用研究，以实时监测该桥的风压荷载、温度变化及振动信息等[6]；英国在Foyle桥上安装了大量传感测试设备，以监测该桥运营期间的行车荷载、风致振动及温度场变化信息[7]；美国给已建成60多年Michigan Street桥上安装了远程健康监测系统，以实现对该桥损伤状态及安全性能的监测。

近年来，国内对一些新建大型桥梁结构的健康监测开展了一系列的研究。刘西拉等[8]在国家科委攀登计划的资助下，针对上海徐浦大桥工程，开发和安装了我国第一个大型桥梁健康监测系统。在该健康监测系统中，可实现桥梁行车荷载、不同跨度截面应力应变响应、桥梁斜拉索振动状态的实时监测和分析，采用多尺度传感器子系统的集成应用技术较好的实现了对结构不同结构响应和安全状态的连续性实时监测。

中国香港青马大桥是连接香港市区和大屿山国际机场的主要通路(见图2)，也是目前世界上最长的公路铁路两用悬索桥。为了保障桥梁的健康运行，研究人员在其建设过程中安装了较大规模的结构健康监测系统。该系统可实现风、车辆和温度等荷载和环境作用的实时监测和数据采集[9,10]。为了从实时测试响应中分析青马大桥的运营状态并据此实现损伤识别和评估，研究人员在青马大桥上约永久性地设置了800个传感器。除此之外，香港青马大桥健康检测系统还包括了数据分析和数据管理系统，已完成的青马大桥健康检测系统能有效的对整个桥梁结构的各个关键结构件的安全状况进行实时监测和分析。

李惠等[11]以山东滨州黄河公路大桥(三塔四跨斜拉桥)为工程背景，基于LabWindows/LabVIEW软件平台建立了滨州黄河公路大桥健康监测系统。在该健康监测系统中，由LabWindows/LabVIEW核心软件总体控制健康监测系统中各个子系统的交互运行和数据传输，成功实现了基于开放式网络平台且具有远程管理功能的实时在线智能健康监测系统。

李爱群和缪长青等[12]针对润扬大桥设计了大型桥梁的健康监测系统，该监测系统主要实现以下功能：

1)润扬大桥运营状态下环境作用变化规律；2)常规运营状态下主要结构构件响应采集、分析；3)基于实时测量响应变化的损伤识别及预警；4)有损伤构件的安全状态及剩余寿命评价。从润扬大桥健康监测系统的运营结果可以看出，该系统运行稳定，能较好的实现润扬大桥的实时健康状态监测和评估。

除上述几座桥梁外，研究者及结构工程师们在南京长江第二大桥，上海卢浦大桥、珠江口虎门大桥、江阴长江大桥等大型桥梁上均建立适用于桥梁结构的健康监测系统。这一系列健康监测系统的建立为大跨度桥梁的实时安全评估和损伤诊断提供了有力的决策依据。

2 大跨度空间结构健康监测系统应用

风力是大跨度屋盖网架结构的主要设计荷载。风对结构的作用表现出了随机性和长期性，因此风致破坏是一个损伤累积过程。为此，建立大型网架结构的健康监测系统，实时掌握大跨度网架结构的运营工作状态，对于保证网架结构的安全性具有重要意义。

瞿伟廉等[13]基于深圳市民中心重大工程建立了大型屋顶网架结构智能健康监测系统(见图3)。该系统可有效实现大跨度屋盖结构主要风压荷载识别、不同类型风致累积损伤识别及主要构件的安全状态的评价。在建立该屋顶网架大型智能健康监测系统时，他们采用了“风荷载识别→结构模型修正→正向分析获取”的研究思路，通过预先存贮网架结构工作状态，并实时识别调用的方法来实现整个智能系统对整个网架结构的健康监测。

郭祥瑞等[14]针对广州新体育馆钢结构屋架安装监测工程，提出了广州新体育馆大型屋盖网架施工健康监测方案。他们在施工监测过程中考虑了如下内容：

1)测点及控制网的优化与实施；2)监测点观测方法的确定；3)拆除临时支撑前，监测点空间位置的观测；4)拆除临时支撑后，控制网的复测及稳定性分析、监测点空间位置的观测和数据处理等内容。根据均匀布设在主桁架上以及辐射桁架与主檩条的交汇处的371个监测点的监测数据表明，在监测工作量大的情况下，该监测方案作业简便，测量成果可靠，满足监测精度的需求。

3 水利及海洋平台结构健康监测系统应用

水利及海洋平台结构是国家水利及资源勘探工作的重要工作基础，我国渤海湾曾发生过海洋平台结构倒塌的重大事故。因此，开展相应的健康监测方法及系统集成技术，对保证水利及海洋平台结构的安全运营具有重要的经济价值和社会意义。针对国内的一些重大水利及海洋平台结构的特点，研究者们对其健康监测系统进行了应用研究和实践。

2001年，欧进萍等[15,16]基于中国海洋石油总公司在渤海JZ20-2MUQ钢质导管架式海洋平台结构上的传感监测设备及监测数据，建立了该海洋平台结构的健康监测系统。该系统包含了结构响应数据采集子系统、结构安全性评定子系统及数据库分析和管理子系统。从运营结构看，该海洋平台结构的健康监测系统能较好的实现覆冰压力荷载及冰激振动响应的实时监测。

三峡工程是世界上最大的水利枢纽工程，随着三峡工程的推进，实时了解和掌握三峡工程中重要结构构件的健康状态对于维护其健康运营具有重大的战略意义。戴会超等[17]基于近年来发展起来的光纤传感技术建立了一套适用于三峡大坝中古洞口面板堆石坝坝面混凝土裂缝的健康监测系统。在安装健康监测系统后，该系统于1998年两次成功预警了混凝土裂缝损伤，对于大坝混凝土结构的及时修复起到了重要作用，也起到了很好的示范作用。

水利及海洋平台结构多为国家重大工程，有效的实现重大水利工程的全寿命健康监测对保证这些结构在服役期内的安全性至关重要。近年来，研究者们在一些实际水利及海洋平台结构上建立了整套的健康监测系统，取得了较好的效果[18]。这些健康监测系统的建立对于实时评估水利及海洋平台结构的安全状态提供了强有力的决策依据。

4 结论与展望

1)近些年涌现和积累了许多针对重大工程结构损伤健康监测的新方法和新技术，目前的健康监测系统主要是对于特定的大型工程结构而建立，通过结构健康监测软件和硬件的集成技术，以实现实时损伤监测与监控。

2)工程结构健康监测需要在结构整个服役期内的稳定运营，且实际结构的损伤形式不可估计，这对损伤检测方法和传感设备、集成系统的运营寿命等问题提出了较大挑战。保证测试设备的长期稳定性及测试方法及手段的发展是有效实现重大工程结构长期实时健康监测的关键。

3)工程结构健康监测系统研究与应用具有显著的多学科交叉特征，因此，健康监测系统的建立需要不同学科的研究者和工程师的协调配合。随着健康监测系统集成技术的发展，健康监测系统越来越发挥其在重大工程结构服役期内实时安全性能评估的作用，对于保证重大结构的安全稳定具有重要的工程意义和社会价值。

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Applications of structure health monitoring system for major engineering structures:a review

Zheng Lijuan Zhao Eryu

(ShandongLukanEngineeringTestingCo.,Ltd,Jinan250031,China)

In the present paper, the necessity and the urgency of health monitoring and damage detection are introduced. The applications of structure health monitoring system for major engineering structures from the aspects of bridge structure, large-span space structure, hydraulic engineering and ocean platform structures are reviewed. The present situation of research and development of health monitoring systems are summarized. Finally, the future research tendencies for health monitoring of civil engineering structures are put forward.

engineering structure, health monitoring system, large-span bridge, hydnaulic

1009-6825(2016)13-0053-03

2016-02-24

郑丽娟(1985- )，女，硕士，助理工程师； 赵而玉(1976- )，男，高级工程师

TU317

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