《工程结构安全监测》课件

工程结构安全监测课程目标和学习要求课程目标学习要求掌握结构监测的基本原理和方法；熟悉常用传感器的类型和应用；了解数据采集、传输和存储的关键技术；能够运用数据分析方法评估结构健康状态；掌握预警系统的构建和应用；能够进行案例分析，解决实际工程问题工程结构监测的重要性保障人员安全1通过监测及时发现结构安全隐患，避免结构破坏造成的人员伤亡延长结构寿命2通过监测了解结构的实际工作状态，采取有效的维护措施，延长结构的使用寿命降低维护成本3通过监测实现结构的精细化管理，避免过度维护和不必要的维护成本提高结构可靠性结构健康监测的发展历程早期阶段1主要依靠人工巡检和简单的仪器测量，例如裂缝宽度计、沉降观测等中期阶段2开始应用传感器进行自动化监测，例如应变计、位移计等，但数据采集和传输方式较为落后现代阶段3综合运用各种先进的传感器技术、数据采集技术、数据分析技术和预警系统，实现结构的智能化监测和管理未来发展4更加注重传感器的微型化、智能化、无线化，以及数据分析的自动化、智能化，实现结构健康监测的全面感知、智能诊断和预测预警国内外研究现状国外研究现状国内研究现状欧美等发达国家在结构健康监测领域起步较早，技术水平较近年来，我国在结构健康监测领域取得了显著进展，在桥梁高，已经形成了较为完善的理论体系和应用体系主要研究、隧道、高层建筑、大坝等工程结构中得到了广泛应用主方向包括先进传感器技术、智能数据分析方法、预警系统要研究方向包括适用于复杂环境的传感器技术、基于大数的构建和应用等据的数据分析方法、面向工程应用的预警系统等基本概念和术语定义结构健康监测SHM利用传感器技术、数据采集技术、数据分析技术和预警系统，实现对工程结构健康状态的实时监测、评估和预测传感器一种能够感受外界信息，并将其转换为电信号或其他形式信号的器件或装置数据采集系统一种能够将传感器采集到的信号进行调理、转换、存储和传输的系统数据分析一种能够对采集到的数据进行处理、分析、挖掘和解释的方法结构监测系统的组成传感器负责采集结构的各种物理量，例如应变、位移、加速度、温度等数据采集系统负责将传感器采集到的信号进行调理、转换、存储和传输数据分析系统负责对采集到的数据进行处理、分析、挖掘和解释，评估结构的健康状态预警系统负责根据数据分析的结果，判断结构是否处于安全状态，并发出预警信息传感器类型概述应变传感器位移传感器加速度传感器测量结构表面的应变测量结构的位移，反测量结构的加速度，，反映结构的受力状映结构的变形程度反映结构的振动特性态温度传感器测量结构的温度，反映环境温度对结构的影响应变传感器工作原理电阻应变片半导体应变片基于电阻应变效应，当电阻丝受到拉伸或压缩时，其电阻值基于半导体材料的压阻效应，其灵敏度比电阻应变片高得多会发生变化，通过测量电阻值的变化可以计算出应变的大小，但线性度较差，温度稳定性也较差适用于高精度、小范电阻应变片具有灵敏度高、线性度好、成本低等优点，但围的应变测量易受温度影响位移传感器的种类电感式位移传感器基于电感的变化来测量位移，具有精度高、稳定性好、抗干扰能力强等优点电容式位移传感器基于电容的变化来测量位移，具有灵敏度高、响应速度快等优点，但易受环境湿度影响光栅位移传感器基于光栅的莫尔条纹来测量位移，具有精度高、量程大等优点，但结构复杂，成本较高激光位移传感器基于激光测距原理来测量位移，具有非接触、精度高、量程大等优点，但易受环境光线影响加速度传感器应用振动监测测量结构的振动频率、振幅和阻尼比等参数，评估结构的动力性能和健康状态模态分析识别结构的模态参数，包括固有频率、振型和阻尼比等，为结构的动力特性分析和损伤识别提供依据冲击监测测量结构在受到冲击载荷时的加速度响应，评估结构的抗冲击性能地震监测测量结构在地震作用下的加速度响应，评估结构的抗震性能温度传感器选择热电阻热电偶集成温度传感器基于金属或半导体材料的电阻值随温度基于两种不同金属材料的热电效应，具将温度敏感元件和信号调理电路集成在变化的特性，具有精度高、稳定性好等有测量范围广、响应速度快等优点，但一起，具有体积小、功耗低、易于使用优点，但响应速度较慢，不适用于快速精度较低，需要进行冷端补偿等优点，但精度和稳定性相对较低变化的温度测量光纤传感技术基础光纤光纤传感器光纤传感技术一种由纤芯和包层组成的透明介质利用光纤作为敏感元件，将外界物将光纤传感器应用于工程结构健康，能够传输光信号，具有损耗低、理量的变化转换为光信号的变化，监测，能够实现对结构应变、位移抗干扰能力强等优点具有灵敏度高、精度高、抗干扰能、温度等参数的实时、在线、分布力强等优点式监测分布式光纤传感原理光时域反射布里渊散射OTDR通过向光纤中发射光脉冲，并检测光纤中产生的背向散射光利用光纤中的布里渊散射效应，可以测量光纤的应变和温度，可以测量光纤的长度、损耗和缺陷等信息适用于长距离分布具有灵敏度高、精度高等优点，适用于高精度、分布、大范围的监测式监测无线传感器网络传感器节点负责采集结构的各种物理量，并将数据传输到汇聚节点汇聚节点负责接收传感器节点传输的数据，并将数据传输到数据中心数据中心负责对接收到的数据进行处理、分析、挖掘和解释，评估结构的健康状态数据采集系统架构数据中心1数据传输网络2数据采集终端3传感器4信号调理技术放大滤波将传感器输出的微弱信号放大，提高信噪比去除信号中的噪声和干扰，提高信号质量线性化隔离将传感器的非线性输出转换为线性输出，方便数据处理和分析将传感器与数据采集系统隔离，防止共模干扰和接地环路数据传输方式有线传输无线传输卫星传输通过电缆或光缆传输通过无线网络传输数通过卫星传输数据，数据，具有传输速度据，具有成本低、易适用于远程、偏远地快、稳定性高等优点于部署等优点，但易区的监测，但成本高，但成本较高，不适受环境干扰，传输速昂，传输速度和稳定用于移动或远程监测度和稳定性相对较低性较低数据存储系统本地存储云存储将数据存储在本地计算机或服务器上，具有访问速度快、安将数据存储在云服务器上，具有存储容量大、可扩展性强、全性高等优点，但存储容量有限，不适用于大规模数据存储易于共享等优点，但安全性较低，需要考虑数据安全问题监测数据预处理数据清洗数据转换数据归一化123去除重复数据、错误数据和不完将数据转换为统一的格式，方便将数据缩放到同一范围内，消除整数据，提高数据质量数据处理和分析量纲影响，提高数据分析的准确性数据降噪技术滑动平均滤波小波变换将一定窗口内的数据进行平均将信号分解成不同频率的分量，消除随机噪声，但会降低信，然后去除噪声分量，保留有号的分辨率用信号，具有良好的时频分辨率卡尔曼滤波基于状态空间模型的滤波方法，能够有效地估计信号的状态，并抑制噪声，适用于动态系统的噪声抑制异常值识别方法统计方法机器学习方法专家系统基于数据的统计分布，识别偏离正常范训练机器学习模型，识别与正常数据模基于专家的经验和知识，建立规则库，围的数据点，例如原则、箱线图等式不符的数据点，例如聚类算法、分类识别与规则不符的数据点3σ算法等数据压缩算法无损压缩有损压缩能够完全恢复原始数据，适用于对不能完全恢复原始数据，但能够获数据完整性要求高的应用，例如霍得更高的压缩率，适用于对数据完夫曼编码、编码等整性要求不高的应用，例如LZW JPEG、等MPEG监测数据分析方法时域分析频域分析直接分析数据在时间域上的变化规律，例如均值、方差、峰将数据转换到频率域上进行分析，例如傅里叶变换、功率谱值、峭度等，能够反映结构的整体状态和变化趋势适用于分析等，能够识别结构的固有频率和振动模式适用于动态静态和缓变信号的分析信号的分析时域分析技术均值反映数据的平均水平，能够反映结构的整体状态方差反映数据的离散程度，能够反映结构的变化幅度峰值反映数据的最大值，能够反映结构的极端状态峭度反映数据的尖锐程度，能够反映结构的损伤程度频域分析方法傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，能够识别信号的频率成分和幅值功率谱分析计算信号的功率谱密度，能够识别信号的主要频率成分和能量分布小波变换将信号分解成不同频率的分量，能够识别信号的时频特征模态分析基础固有频率振型阻尼比结构在自由振动时的结构在自由振动时的反映结构能量耗散的频率，反映结构的刚变形模式，反映结构程度，能够反映结构度和质量特性的整体振动特性的损伤程度结构动力特性识别时域方法频域方法直接分析结构在时域上的响应，识别结构的模态参数，例如分析结构在频域上的响应，识别结构的模态参数，例如峰值自由衰减法、随机子空间法等拾取法、频域分解法等损伤识别原理损伤损伤识别损伤识别原理指结构在使用过程中由于各种因素指利用监测数据，识别结构中是否结构的损伤会导致其动力特性发生引起的性能下降或破坏，例如裂缝存在损伤，以及损伤的位置、类型变化，通过监测结构的动力特性变、腐蚀、变形等和程度化，可以识别结构中是否存在损伤裂缝监测技术裂缝宽度计测量裂缝的宽度，反映裂缝的扩展程度电阻应变片测量裂缝附近的应变，反映裂缝的应力状态光纤传感器测量裂缝附近的应变和温度，反映裂缝的应力状态和环境影响沉降监测方法水准测量测量全站仪测量GPS利用水准仪和水准标利用接收机测量利用全站仪测量结构GPS尺测量结构的高度变结构的三维坐标变化的三维坐标变化，具化，具有精度高、可，具有自动化程度高有精度高、自动化程靠性好等优点，但需、测量范围广等优点度高等优点，但成本要人工操作，效率较，但精度较低，易受较高低环境影响倾斜监测系统倾斜仪自动化监测测量结构的倾斜角度，反映结构的变形程度倾斜仪的种类倾斜监测系统能够实现结构的自动化监测，实时获取结构的很多，常用的有摆式倾斜仪、电解式倾斜仪、压阻式倾斜仪倾斜角度变化数据，并进行数据分析和预警，及时发现结构等不同的倾斜仪具有不同的精度、量程和适用范围的安全隐患振动监测技术加速度传感器频谱分析模态分析123测量结构的加速度，反映结构的分析结构的振动频率和振幅，识识别结构的模态参数，评估结构振动强度别结构的振动模式的动力性能和健康状态疲劳监测方案应变监测裂纹监测测量结构的应变变化，评估结监测结构的裂纹扩展情况，评构的疲劳损伤程度估结构的剩余寿命材料性能测试定期对结构材料进行性能测试，评估材料的疲劳性能结构预警系统数据采集实时采集结构的监测数据数据分析对采集到的数据进行处理、分析和评估预警判断根据数据分析的结果，判断结构是否处于安全状态报警响应当结构处于危险状态时，发出报警信息，并采取相应的措施预警指标体系应变指标位移指标加速度指标反映结构的受力状态反映结构的变形程度反映结构的振动特性预警阈值确定基于规范基于经验基于模型根据相关的规范和标准，确定预警阈值根据历史监测数据和经验，确定预警阈建立结构的数值模型，通过仿真分析确值定预警阈值报警响应机制报警级别报警方式根据结构的危险程度，设置不采用不同的报警方式，例如短同的报警级别，例如一级报警信、邮件、声光报警等、二级报警、三级报警等应急措施根据不同的报警级别，制定相应的应急措施，例如疏散人群、加固结构、停止使用等桥梁监测案例监测内容监测目的桥梁的应变、位移、加速度、温度、裂缝、沉降等评估桥梁的健康状态，保障桥梁的安全运营大跨桥梁监测重点主梁应力主缆索力桥墩沉降监测主梁的应力变化，评估主梁的受监测主缆的索力变化，评估主缆的承监测桥墩的沉降变化，评估地基的稳力状态载能力定性桥梁监测传感器布置桥墩主梁主缆监测桥墩的沉降、倾斜和应变，评估桥监测主梁的应变、挠度和振动，评估主监测主缆的索力和温度，评估主缆的承墩的稳定性梁的受力状态载能力桥梁健康评估方法基于指标基于模型根据监测指标的变化情况，评估桥梁的健康状态建立桥梁的数值模型，将监测数据与模型计算结果进行比较，评估桥梁的健康状态高层建筑监测案例监测内容高层建筑的倾斜、沉降、振动、应变、风压等监测目的评估高层建筑的结构安全，保障人员的生命财产安全超高层结构监测要点风振响应监测超高层结构的风振响应，评估结构的抗风性能温度效应监测超高层结构的温度效应，评估温度变化对结构的影响地基沉降监测超高层结构的地基沉降，评估地基的稳定性风振响应监测风速风向加速度位移测量风速和风向，为测量结构的加速度，测量结构的位移，反风振分析提供依据反映结构的振动强度映结构的变形程度建筑沉降监测监测点布置监测频率在建筑物的关键部位设置沉降观测点，例如柱脚、墙角、基根据地质条件和建筑物的重要性，确定合适的监测频率础等隧道工程监测案例监测内容隧道的变形、应力、围岩压力、地下水位等监测目的评估隧道的结构安全，保障隧道的正常运营隧道变形监测断面收敛测量隧道的断面收敛变形，反映隧道的整体稳定性拱顶下沉测量隧道的拱顶下沉变形，反映隧道的顶部稳定性侧墙位移测量隧道的侧墙位移变形，反映隧道的侧向稳定性支护结构监测土压力应力应变位移测量支护结构承受的测量支护结构的应力测量支护结构的位移土压力，评估支护结应变，评估支护结构，评估支护结构的变构的承载能力的受力状态形程度水压力监测地下水位孔隙水压力测量地下水位的高度，评估地下水对结构的影响测量土体中的孔隙水压力，评估土体的稳定性大坝安全监测案例监测内容大坝的位移、渗流、应力应变、水压力、温度等监测目的评估大坝的结构安全，保障水库的安全运行大坝位移监测水平位移测量大坝的水平位移变形，反映大坝的整体稳定性垂直位移测量大坝的垂直位移变形，反映大坝的沉降情况内部位移测量大坝内部的位移变形，反映大坝的内部结构状态渗流监测技术测压管渗流计温度传感器测量大坝内部的孔隙测量大坝的渗流量，测量大坝内部的温度水压力，评估大坝的评估大坝的渗漏情况，评估温度变化对渗渗流状态流的影响温度场监测温度传感器布置温度数据分析在结构的关键部位布置温度传感器，例如表面、内部、边界分析温度数据的变化规律，评估温度变化对结构的影响等监测系统维护管理定期检查设备校准定期检查传感器的状态，确保定期校准传感器，确保数据的传感器的正常工作准确性数据备份定期备份监测数据，防止数据丢失定期检查制度检查内容检查传感器的连接、供电、数据传输等检查周期根据结构的重要性和环境条件，确定合适的检查周期检查记录详细记录检查结果，并及时处理发现的问题设备校准方法标准设备校准流程校准记录使用标准设备对传感按照规定的校准流程详细记录校准结果，器进行校准，确保数进行校准，确保校准并建立校准档案据的准确性的质量应急处置预案预案内容预案演练包括应急组织、应急流程、应急措施等定期进行预案演练，提高应急处置能力监测数据管理平台数据存储数据分析安全可靠地存储监测数据对监测数据进行处理、分析和评估预警报警根据数据分析的结果，进行预警和报警监测报告编写规范报告内容包括监测目的、监测方法、监测结果、分析结论和建议等报告格式按照规定的报告格式编写报告，确保报告的规范性和可读性报告审核对报告进行审核，确保报告的准确性和可靠性。