连续结构群监测中的区域传感方法

发达国家正面临着工程结构维护管理成本高度膨胀、资金短缺等瓶颈。我国基础设施体量更大，加上结构短命等问题，安全保障及维护管理费用的压力将愈发严重。为此，利用结构健康监测（structural health monitoring, SHM）手段尽早发现结构损伤和隐患，实现结构“治小病防大病”，保障工程结构安全并实现全寿命周期成本（life cycle cost, LCC）最小化或效益/成本比最大化的预防/预知性维护管理被国内外寄予厚望。通过近 30 年的探索、开拓和实践，基础设施领域的 SHM 也得到了迅猛发展，国内外研究开发的各类先进SHM 技术在应对突发事件等的基础设施安全管理方面发挥了积极作用。

尽管如此，国内外推动发展的大量 SHM 技术还被普遍认为无法有效实现对结构健康状态监测评估。通过各类传感器获得的海量数据还很难有效的发现结构损伤，评价结构健康状态和性能指标。结构健康监测的内涵是实现安全运营和健康长寿命管理手段。国内外已基本解决了病状明显的病症或已处于晚期的疑难病症结构安全监测问题，但早期病状不明显，中期晚期发展迅猛的疑难病症安全监测及健康长寿命管理监测是公认的难题。同时，一个 SHM 系统通常包含种类繁多的传感器去监测结构各类动静态响应及特性，从而产生系统复杂、成本昂贵问题。再者，应用于土木工程结构，传感监测体系的长期稳定性不足问题也是影响 SHM 应用效果的重要因素。

土木工程结构健康监测的挑战性问题之一是缺乏适合土木结构特点的传感器技术。各种类型的应变计（电子类应变片、光纤 FBG 传感器等）测量信息太局部，捕捉体型巨大的土木结构上的裂纹等损伤犹如大海捞针；各类型的加速度计和位移计等又太宏观，测量信号及其包含的信息如频率等与结构损伤相关性弱，犹如通过把脉发现癌细胞等疑难杂症一样存在众多难题。针对上述在土木工程应用中所面临的整体传感和局部传感的问题和挑战，本文提出结构（群）的区域分布传感（ areas distributed sensing ）理念，并开发出相应的多种类型的结构区域分布传感技术。

结构区域分布传感理念

图3.1 结构区域分布传感理念

以图 3.1 所示的单跨钢筋混凝土简支梁结构为例，根据结构力学知识与有限元分析，该类型结构在日常荷载与环境侵蚀下的典型损伤模式主要包括如图 3.1 所示的以下几类：位于跨中梁底的弯曲破坏、位于跨中梁上表面的混凝土受压破坏、梁端的支座退化、靠近支座部位的梁的剪切破坏以及由于混凝土开裂引起的钢筋腐蚀破坏。上述容易发生结构损伤又对结构性能起到重要作用的区域称为关键区域（ critical area ）。虽然不知道损伤具体发生的位置，但可以知道损伤发生在上述的关键区域内。因此，采用线、网格、面等类型分布传感单元进行串联形成区域覆盖损伤可能发生的位置和影响范围，然后进行高精度、动静态、宏微观监测与多层次分析发现结构早期损伤与隐患，从而能够实现结构状态参数、损伤状况与荷载的全面识别与结构性能的直接评估与预测。

图3.2 结构区域分布传感内容

结构工程的健康监测和人体的健康监测有众多可类比之处（图 3.2 ），其中的一个相同点是人体结构和工程结构都具有关键构件 / 部位。以神经元为基本组成的人体神经系统遍布全身感受、传递和处理各种内、外部信息。对于通过布置传感单元的智能结构而言，传感元件的数量不可能达到真正生物体的量级，因此如何充分利用有限的传感器监测结构的最关键信息以有效评估结构性能，是结构智能化研究的一项重要任务。进一步考察发现，人体结构虽然复杂，但主要器官有大脑、心脏、肝脏等，这些重要器官的健康状况直接关系人的生命安全和各项功能的实现（图 3.2 ）。在人体的健康保健中，经常优先监测与保养这些重要的器官。类似于人体结构，土木工程体型庞大结构复杂，但如上所述存在关键构件和关键区域。图 3.2 所示的大跨悬索桥梁，其典型的破坏模式包括：跨中的挠度过大区域、柱脚的开裂破坏区域、梁塔结合部位的疲劳开裂区域以及拉索断丝区域。在这些关键区域布设传感器实现重点监测，是进行结构有效监测和保证其健康安全的自然而然的思路。

首先，根据结构动静态非线性解析和易损性分析得出结构损伤或隐患区域位置。结构的易损性分析也称脆弱性分析（ vulnerability analysis ）起源于结构抗震性能评估领域，是指结构在确定的地震强度作用下，超越各种破坏极限状态的条件概率。它是地震破坏和损失估计的基础，也是震害预测的基本组成部分，它在地震破坏和损失预测中占有重要的地位。因此，分析结构的地震易损性对于评定结构的抗震安全性，制定防灾措施有重要的意义。也是正确、合理地分析各类建筑物的抗震性能，提高结构的抗震能力、减少损失的有效途径。

以易损性曲线的形式来研究结构的地震易损性最早起源于 20 世纪 70 年代初核电站的地震概率风险评估。地震易损性（seismic fragility ）是指在不同强度地震作用下结构发生各种破坏状态的概率，它从概率的意义上定量地刻画了工程结构的抗震性能，从宏观的角度描述了地震动强度与结构破坏程度之间的关系。人们把机械和结构系统的抗震能力以概率分布函数的形式表示出来，并且以地面运动强度为参数，如 PGA （峰值地面加速度）、Sa （谱加速度）等，它能够反映出结构和地震动参数所涉及的不确定性因素。经验方法得到的易损性曲线，称为经验易损性曲线（ empirical fragility curves ）；主要基于以往地震的震害数据，分析方法得到的易损性曲线，称为解析易损性曲线（ analytical fragility curves ），则是通过对结构地震反应的计算分析和抗震可靠性分析获得的。

在结构关键区域确定后，根据结构的离散性分析确定结构可能损伤区域的大小。土木工程结构特别是钢筋混凝土结构存在大的离散性，通过在结构分析过程中引入概率分布的概念考虑材料等离散性，可分析得出结构损伤区域的大小及其影响的范围。该范围在结构的破坏过程中力学特征复杂，可通过传感网络覆盖此区域进行直接测量。

最后，针对结构关键区域的动静态、微宏观和高精度测量数据进行多层次分析，剖析结构关键区域复杂非线性力学特征，再通过线性插值得出未被传感单元覆盖区域的结构信息，从而实现了从结构的区域监测到结构整体的全面识别，为后续的结构性能评估提供了夯实的数据基础。

图3.3 结构区域分布传感流程

从图 3.3 所示的区域分布传感流程图可以看出，区域分布传感（ areasdistributed sensing ）是一种基于结构非线性和易损性解析确定结构关键区域位置进而根据离散性分析和子结构方法确定关键区域的范围，然后对关键部位和区域实行分布传感，从而实现结构主次分明、点面结合、整体与局部相统一的健康监测理念。它从传感器优化布置、高性能传感和多层次分析等多方面来应对土木工程结构个体或群体难以全面测量这一传统难题，其主要特点是通过必要区域的动静态的重点监测，同时辅以整体区域的监测，主次方面统筹兼顾，可在一定传感器数目的条件下，最大程度的实现大型结构的有效安全监测。

结构区域分布传感网络构建

要实现上述的区域传感，需要开发新型的传感技术。一方面，区域传感理念需要匹配的传感技术具有高精特征。人体神经网络仅能感觉到身体各部位的疼痒等症状，而要精准发现和得出人体的疑难病症（如肿瘤）等，还是要靠周期性多层次体检中的高精仪器检查。类似的，要实现工程结构异常变化特别是早期微小损伤的及时发现，需要高性能多层次的先进传感技术。另一方面，为实现上面叙述的针对关键区域的结构“区域传感”，需要相应的传感技术能够分布式或准分布式的测量一定区域。传统的点式传感器无法实现分布或准分布测量，而光纤布里渊散射（ BOTDR/BOTDA ）等分布式传感技术在精度和动态测试等方面的指标有待进一步提高，因此它们都无法适用于上述的高性能高精度的结构区域分布传感。

实际工程中结构受力情况一般比较复杂，且多为非均质材料构成，对于大尺度混凝土结构或构件，单个应变片很难实现结构该部位的准确应变测量。通常情况下应对这一难题的方法是尽可能多地在关键区域布置应变片，再对该区域的点式应变求平均值来近似得到区域的平均应变（图 3.4 ）。根据该思想以及根据上述的区域分布传感理念对传感技术提出的功能要求，可采取线、网格、面等类型分布传感单元来构建结构区域分布传感网络。这里介绍作者针对结构区域分布传感专门提出的长标距传感（ long gauge sensing ）概念及基于长标距传感单元的结构区域分布传感网络构建方法。长标距传感器的核心思想是测量结构在一定标距内的平均应变（图 3.4 ），而非一个点的局部应变。基于上述思想，作者通过高性能长寿命传感器的长标距化设计与可串联形成分布传感网络设计，直接反映和关联结构应变与转角等宏微观信息并实现损伤覆盖（图 3.5 ）。所提出的基于长标距传感单元的结构区域分布传感方法，针对结构损伤可能发生的区域进行高精度分布式监测，所输出的区域分布应变与位移、转角、荷载等有直接关系，同时结合以后将要介绍到的方法开发使其具有加速度计等同等作用，实现了单种传感技术具有加速度、应变、转角、变形、荷载、损伤等多种监测功能，即一专多能。

长标距传感器（ long gauge sensor ）指测量标距长且测量结果能够反映被测体一定特征区域内被测物理量的传感器，其中的标距长度（ gauge length ）指传感器能够进行有效测量部分的长度。相对于传感标距短且测量结果只能反映被测体局部某点被测物理量的点式传感器（ point sensor ），考虑到土木工程结构的特点和需要，长标距传感器的标距长度一般设计为 10 ～ 300cm 。它的输出能够反映被测结构一定区域或特征尺度范围内的物理量变化，适宜大型桥隧工程结构，特别是混凝土工程结构。长标距传感器可按照适当密度分布在结构的一定区域，从而达到对各类桥隧工程结构的长距离大范围区域的动静态监测。

长标距传感器主要有长标距光纤布拉格光栅（ FBG ）传感器、长标距光纤布里渊散射传感器和长标距碳纤维传感器等类型，在本章后面的小节中将具体介绍。需强调的是，令长标距传感单元串联形成网络是构建结构区域分布传感网络的主要方法，如图 3.6 所示，根据监测目的可以灵活的按照结构形式将多组长标距应变传感器，通过如线状、面状（网格）或立体等多种类型分布来实现结构区域分布传感。另外，长标距应变传感器输出的应变为长标距单元内平均应变，不同于传统应变片输出的点式应变，它是一种宏应变，也可称为长标距应变或平均应变。在本文中统称长标距应变。

根据以上长标距传感单元可以灵活布设的特点，在实际传感器设计时，可以根据传感目的的不同，将长标距长标距传感单元预置入复合材料等基材中，以构成如线状、网格、面状传感器，如图 3.7 所示，以满足不同结构形式监测对象的测量需求。这里以 FBG 传感器为例来介绍长标距传感器的特点。当裂缝产生时，没有与裂缝在同一位置的传统点式 FBG 传感器所测量的应变值可能不变甚至下降，导致无法实施有效的损伤识别。对一个三点弯曲的简支梁测试时，由于已经知道最大弯矩会发生跨中位置，可以在跨中和两边对称布设三组 FBG ，通过线性拟合获得试件的应变分布。对于四点弯曲的加载情况，可以增加布点数目，进而获得更准确的应变分布。但对于复杂的加载情况，如实际加载情况无法预测时，只能通过增加更多的布点数目，进而获得相对接近的应变分布。如图 3.8 所示，当传统 FBG 布点远离能真实反映应变分布的特征值位置时，难以准确预测真实的应变分布。特别是对于混凝土构件，由于传感器一般布设在弯矩最大点的附近，当布设点发生裂缝时，其变形全部传递到只有数厘米标距长度的 FBG 传感器上，其局部的应变突变势必影响到整体应变分布的计算。反观长标距 FBG 传感器，由于其标距长度内变形被均匀分配到封装的 FBG 传感元件上，故其测量值直接反映覆盖区域内的平均应变。在不增加布设点的前提，起到表征分布区域应变的作用。

图 3.8 传统 FBG 与长标距 FBG 对比

本文由安静摘编自吴智深、张建著《结构健康监测先进技术及理论》第三章，有删减。

978-7-03-042989-6

《结构健康监测先进技术及理论》从结构健康监测的起源和发展历程、健康监测系统的构成等基本知识讲起，在全面论述结构健康监测理论与工程应用的同时，重点从以下方面介绍了结构健康监测领域的最新进展和成果。一是率先提出了结构区域分布传感理念，即采用长标距传感单元与网络覆盖损伤可能发生的结构关键位置和影响范围，然后进行高精度、动静态、宏微观监测与多层次分析发现结构早期损伤与隐患；二是针对结构区域分布传感的需求，发明了一专多能，充分反映结构动静态、宏微观特性的长标距传感单元构建方法，进一步开发了基于光纤光栅、光纤布里渊散射、碳纤维等区域分布传感器技术，并通过长标距设计、纤维增强封装、抗滑移防脆断锚固、温度自补偿与应变增敏等技术保证其高性能长寿命特征；三是系统论述了仅利用区域分布传感器技术进行结构参数、损伤与荷载全面识别，以及进行结构异常分析预警、性能评价和预测三层次结构健康直接评估的综合成套技术和理论；四是针对工程应用中结构健康监测系统错综复杂难以构建和管理这一难题，针对各类结构特点开发了包含数据采集、传输与存储、数据处理等子系统，实现结构区域分布传感—全面识别—直接评估的全自动化健康监测系统，并从单体结构扩展到不同类型结构群的健康监测系统构建。全面论述了结构健康监测领域的基本知识，并以结构区域分布传感为主线，贯穿于全书系统阐述了结构健康监测领域的先进理念、方法、理论与技术。

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