駱干

（廣州大學(xué)土木工程學(xué)院 廣東 510006）

1 研究背景及意義

混凝土結(jié)構(gòu)具有材料來源廣、節(jié)約鋼材、降低造價(jià)、耐久耐火、整體性良好、剛度大等眾多優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)的存在使得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)再經(jīng)過一百多年的發(fā)展后現(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種民用建筑與工業(yè)建筑中。然而混凝土工程在使用過程中出現(xiàn)的各種缺點(diǎn)也不容忽視，例如抗裂性差。因此混凝土總是帶裂縫工作，其裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展標(biāo)志著混凝土處于不同的工作狀態(tài)和損傷情況。而混凝土的裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展會(huì)進(jìn)一步影響結(jié)構(gòu)的承載力，使鋼筋銹蝕，從而使整體結(jié)構(gòu)的耐久性、安全性和適應(yīng)性等工作性能嚴(yán)重下降。鑒于此，對(duì)結(jié)構(gòu)的健康狀況實(shí)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，預(yù)防因結(jié)構(gòu)失效導(dǎo)致的建筑物倒塌而造成的人員傷亡財(cái)產(chǎn)損失勢(shì)在必行。再這樣工程實(shí)際需求下，各種對(duì)結(jié)構(gòu)裂縫的監(jiān)測(cè)方法應(yīng)運(yùn)而生，這也成為了土木工程領(lǐng)域中一個(gè)重要的研究方向。

2 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其組成部分

健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由四個(gè)部分組成，包括傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)、監(jiān)控中心和實(shí)現(xiàn)診斷功能的各種軟件硬件。傳感器系統(tǒng)用于收集各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)一般是由具有強(qiáng)大計(jì)算功能的計(jì)算機(jī)組成，監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)健康狀況出現(xiàn)異常時(shí)發(fā)出警報(bào)信號(hào)。

傳感器系統(tǒng)將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)并進(jìn)行分析處理和判斷，一旦其中某些測(cè)量值出現(xiàn)異常，監(jiān)控中心會(huì)發(fā)出警報(bào)信號(hào)，此時(shí)由具有診斷功能的模塊對(duì)結(jié)構(gòu)損傷出現(xiàn)的位置和損傷嚴(yán)重程度進(jìn)行分析并查明原因，以保證結(jié)構(gòu)安全可靠。針對(duì)需要監(jiān)測(cè)的內(nèi)容的不同，不少的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)被開發(fā)出來，如清華大學(xué)的路新灜、彭細(xì)榮等[1]針對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性建立了一個(gè)完整監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)

基于壓電材料傳感器的研究！

浙江大學(xué)蔡金標(biāo)[3]等，利用壓電材料的機(jī)電耦合效應(yīng)，將一激勵(lì)電流施加至粘貼在混凝土表面的壓電材料傳感器中，壓電材料產(chǎn)生逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，并且引起混凝土的機(jī)械振動(dòng)，而混凝土的機(jī)械振動(dòng)又反饋到了壓電傳感器中，使傳感器產(chǎn)生電響應(yīng)，表現(xiàn)為電阻抗的變化，所以混凝土的損傷信息就可以從壓電材料的電阻抗信號(hào)中獲取。他們基于Krishnamurthy的研究，認(rèn)為由于壓電片在零應(yīng)力下的復(fù)介電常數(shù)對(duì)溫度的影響十分敏感，導(dǎo)致電納信號(hào)容易受到溫度的影響，所以不把電納信號(hào)作為識(shí)別損傷狀況的信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，表面壓電片產(chǎn)生的電導(dǎo)響應(yīng)的一階共振頻率的變化量與混凝土試件的抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)呈線性關(guān)系，斜率約為0.33，由此得出電導(dǎo)響應(yīng)與混凝土抗壓強(qiáng)度的定量關(guān)系，可以無損地檢測(cè)出混凝土的抗壓強(qiáng)度。另外，對(duì)于預(yù)埋在混凝土中的壓電片，作者得到電導(dǎo)響應(yīng)與混凝土抗壓強(qiáng)度的定量關(guān)系。

4 健康監(jiān)測(cè)在混凝土結(jié)構(gòu)中的工程應(yīng)用

由于健康監(jiān)測(cè)的成本相對(duì)較高，在國(guó)內(nèi)一般僅僅應(yīng)用于大跨以及高聳的結(jié)構(gòu)。異形鋼管混凝土系桿拱橋洛陽(yáng)瀛洲大橋的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)其位移、拱肋振動(dòng)、吊索索力以及重要的截面、節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[3]。預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋杭州文暉大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)大橋徐變對(duì)路面的應(yīng)力、應(yīng)變以及吊索索力。高度達(dá)600m的廣州塔上安裝了超過700個(gè)傳感器的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)廣州塔實(shí)行長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，并記錄了廣州塔在臺(tái)風(fēng)中的動(dòng)力特性。廣州國(guó)際金融中心上的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也監(jiān)測(cè)其在臺(tái)風(fēng)中的動(dòng)力特性。另外，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也被應(yīng)用于大斷面的過江隧道。杭州慶春路過江隧道的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)隧道在運(yùn)營(yíng)期間受車流量及潮位變化的影響下大斷面上四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)鋼筋內(nèi)力以及隧道的沉降。

5 存在問題及發(fā)展方向

本文闡述了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成、傳感器系統(tǒng)、工程應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了幾種現(xiàn)在比較常用的兩種傳感器，壓電材料傳感器和光纖傳感器的工作原理與研究結(jié)果。無疑，建筑物的結(jié)構(gòu)健康關(guān)系到使用者的生命財(cái)產(chǎn)安全，我國(guó)自20世紀(jì)80年代開始大興土木，不少建筑物已經(jīng)到了需要進(jìn)行檢測(cè)維護(hù)的階段。然而，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成本較高，使得其現(xiàn)階段僅僅應(yīng)用于大型的工程，相信這個(gè)問題隨著相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的進(jìn)步而得以解決，使結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)廣泛的運(yùn)用各類建筑結(jié)構(gòu)中。另外，目前還缺少對(duì)結(jié)構(gòu)損傷程度評(píng)判的指標(biāo)，相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程尚未形成體系。在文中提及的研究中的損傷程度的評(píng)定都是參考文獻(xiàn)中作者根據(jù)處理后數(shù)據(jù)的大小結(jié)合試件的損傷程度自己定義的，并沒有同一的指標(biāo)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷分級(jí)量化。