论结构工程中的结构健康监测与维护

论结构工程中的结构健康监测与维护

宫晓艳

身份证：210283199704184322

摘要：随着工程结构的发展，结构健康监测和维护技术越来越受到工程界的重视。结构健康监测是对工程结构的工作状态进行实时的、连续的监测，以及时发现和诊断结构在使用过程中出现的问题，以便采取相应的措施。结构健康监测和维护技术包括：结构监测与诊断、构件损伤检测与评估系统设计、实时监控系统设计与实现等内容。通过这些内容的实施，可以使工程结构在使用寿命期内安全可靠地运行，避免重大事故的发生。

关键词：结构工程；结构健康；监测与维护

引言

结构健康监测是指对工程结构的工作状态进行实时的、连续的监测，通过对监测数据进行分析，确定结构的健康状况，并据此制定合理有效的维护策略。随着工程结构安全问题越来越受到重视，如何采取措施对结构进行维护已经成为工程界关注的焦点。通过结构健康监测和维护可以及时发现和诊断出工程结构在使用过程中出现的问题，使结构能够安全可靠地运行。在现代建筑中，建筑结构具有规模大、数量多、自重重、使用频繁等特点。由于这些特点，在进行大型建筑设计时，必须考虑到其在使用过程中可能出现的各种破坏和事故。因此，如何保证大型建筑在使用寿命期内安全可靠地运行成为工程界关注的焦点之一。

一、结构监测与诊断

结构监测和诊断技术是结构工程中的重要内容，也是国际上许多国家目前正在研究的热点课题。它是一项涉及工程结构的设计、施工、运行管理等方面的综合性技术，它对工程结构进行全寿命过程的监测，及时发现结构存在的问题，并提供处理建议。结构监测和诊断技术具有很强的实用性、科学性和系统性，通过对工程结构进行全寿命过程的监测，可以及时发现工程结构在设计、施工和运行管理等方面存在的问题，为及时采取有效措施提供可靠依据。我国《建筑工程质量监督规范》（GB50300—2002）第4.5.2条规定：“检测和检查是确保建筑物施工质量和竣工验收时达到设计标准要求所采取的措施。”因此，在对结构进行全寿命过程监测的基础上，结合对建筑工程质量监督的需要，采取必要措施以保证建筑工程质量达到设计要求是非常必要的。

为了保障建筑工程质量安全可靠地运行，结构健康监测和诊断技术是非常必要而又可行的。其意义在于：通过对工程结构工作状态进行实时监测，及时发现和诊断工程结构存在的问题；通过对发现的问题进行分析处理，并提出相应建议。

二、构件损伤检测与评估系统设计

根据结构的健康状态，需要确定结构的损伤程度，并以此对结构进行安全性评估。同时，要确定如何对结构进行健康监测和维护。本文中，采用的是基于构件损伤检测与评估系统的设计方法。根据某大桥的结构特点，本文中采用了基于模型修正的构件损伤检测方法。该方法是在考虑桥梁结构特点的基础上，将桥梁结构的动力特性和环境激励共同考虑在内，并通过对模型修正的手段来实现对桥梁结构损伤的检测。本文中，在基于模型修正方法中，引入了虚拟激励技术，并以有限元方法对桥梁进行分析计算。为了实现该方法，本文以结构动力学基本理论为基础，建立了基于虚拟激励技术的桥梁损伤检测系统。

三、实时监控系统设计与实现

结构健康监测系统通常分为以下几个子系统：传感器、数据采集、数据传输与处理、数据存储与显示和计算机网络。

（一）传感器子系统：包括温度传感器、应变传感器以及其他的压力传感器。温度传感器测量物体的温度，湿度传感器测量物体的湿度，压力传感器测量物体的压力。

（二）数据采集子系统：在结构健康监测与维护中，信号调理电路、采集卡以及信号转换电路等装置起着至关重要的作用。信号调理电路负责对传感器采集的信号进行放大、滤波和处理，确保信号质量可靠。采集卡则负责将信号转换为数字信号，并传输至监测系统，为数据分析提供基础。信号转换电路将模拟信号转换为数字信号，确保信息传递的准确性和稳定性。这些装置共同构成了监测系统的核心，为结构安全提供了强有力的技术支持。

（三）数据传输与处理子系统：除了硬件设备，结构健康监测与维护还依赖于高效的软件系统。数据传输网负责将采集到的信息传输至中央处理系统，确保数据的及时传送和完整性。数据库负责存储大量的监测数据，并支持数据的快速查询与分析。报表处理软件能够将庞大的数据整理成清晰的报表，提供决策参考。这些软件与硬件协同工作，为结构健康监测与维护提供全面、可靠的解决方案，实现结构安全的全面保障。

（四）计算机网络：包括通信软件和监控软件。其中通信软件用于将各个子系统连接起来，实现数据采集、处理和传输的功能；监控软件用于对各子系统进行监控，实现数据的显示和保存等功能。

结构健康监测系统应具有以下特点：①安全性要求高，在设计过程中要考虑到结构的安全性；②安装维护方便；③使用寿命长，可以在较长的使用寿命期内进行不间断地监测；④结构健康监测系统必须能够适应恶劣环境的要求，在恶劣环境下也能够保证监测系统的正常工作；⑤实时性高，在各种条件下均能保证监测系统的实时性。

结构健康监测系统是一个庞大而复杂的工程，需要工程人员具有扎实的专业理论知识和丰富的实践经验，才能使结构健康监测系统真正发挥作用。

四、工程应用实例

某立交桥，设计荷载为100 KN/m2,桥梁全长1767m。桥梁上部结构为三跨连续钢桁梁，每跨跨度为25m，中间一跨为连续钢桁梁，其余两跨为连续梁桥，主桥采用预应力混凝土连续刚构桥。在主桥三跨中的中间两跨钢桁梁上设置了8个传感器。为了保证桥梁的安全运营，桥梁运营期间不能中断交通，所以采取了一系列的结构健康监测和维护措施。主要内容包括：1)桥梁上部结构健康监测；2)桥梁下部结构健康监测；3)桥梁养护管理系统。

传感器布设时，从桥梁中间两跨开始每隔100m布置一组传感器，其中中间一跨采用位移传感器和加速度传感器。传感器布置完成后，对桥梁上部结构进行了整体线形、振型、振幅、频率的实时监测；对桥梁下部结构进行了静力、动力和长期观测。通过对监测数据的分析，可以了解到桥梁的工作状态、各监测点的应力状态以位移情况。经过长时间的观测和数据分析，可以诊断出桥梁存在的缺陷和问题，并及时采取措施进行处理。

结语

结构健康监测与维护是现代结构工程领域的重要课题，其目的是保障结构安全、延长结构使用寿命，确保人们的生命财产安全。通过实时、准确的监测和科学的维护措施，我们可以及时发现结构的健康状况，并采取必要的措施进行维护修复，以确保结构的稳定性和安全性。首先，结构健康监测技术应用广泛，如传感器网络、无损检测技术等，可以实现对结构的多维度、多参数、实时监测。这为结构的安全评估提供了有力的依据。其次，维护是结构健康的关键环节。定期维护和检查可以发现潜在问题，及时采取维修措施，避免小问题变成大隐患。维护工作要科学规划、系统实施，结合监测数据，制定合理的维护策略。综上所述，结构健康监测与维护是现代结构工程的重要组成部分。通过高效的监测和科学的维护，我们能够确保结构的安全稳定，为人们的生活和工作提供可靠的保障。

参考文献

[1]涂成力. 结构健康监测的物联网特征与云计算的应用研究[D].哈尔滨工业大学,2022.

[2]王洽亲. 2010上海世博会英国馆结构健康监测研究[D].浙江大学,2021.

[3]何浩祥. 空间结构健康监测的理论与试验研究[D].北京工业大学,2020.