重大工程结构损伤积累、健康监测与安全评定

建筑、环境与土木工程学科发展战略研究报告结构工程学科发展战略研究107重大工程结构损伤积累、健康监测与安全评定欧进萍哈尔滨工业大学土木工程学院，哈尔滨，邮编150001摘要：本文在国家自然科学基金委员会工程与材料学部于2001年10月31日至11月2日在北京铁道大厦组织召开的“重大工程的灾变行为与健康监测”学术研讨会议成果的基础上，结合近年来国内外相关研究的进展，简要地概述了重大工程结构损伤积累、健康监测与安全评定研究与应用进展，着重阐述了本领域重点研究的关键科学问题，包括：重大工程结构的损伤演化与灾变行为、实时损伤识别与安全评定、重大工程结构健康监测的先进传感网络与集成系统、健康监测系统的设计方法、运行维护、数据挖掘与建模以及现役重大工程结构健康监测的若干关键科学问题。关键词:重大工程结构，损伤积累，健康监测，安全评定，先进传感网络，集成系统1专题研究范围与意义重大工程结构，诸如跨江跨海的超大跨桥梁、用于大型体育赛事的超大跨空间结构、代表现代城市象征的超高层建筑、开发江河能源的大型水利工程、用于海洋油气资源开发的大型海洋平台结构以及核电站建筑等，它们的使用期长达几十年、甚至上百年，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从而抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力下降，极端情况下将引发灾难性的突发事故。例如，1986年渤海石油钻井2号平台冬天被海冰推倒；2001巴西P－36海洋平台爆炸倒塌；1994年韩国汉城的圣水大桥断塌；1998年宁波大桥在施工过程中主跨折断；1999年重庆彩虹大桥突然倒塌；2000年台湾高屏大桥事故；2001年四川宜宾南门大桥桥面断裂坍塌；1999年日本发生核泄露事故等等。这些事故不仅造成了重大的人员伤亡和经济损失，而且产生了极坏的社会影响。我国现有公路桥240630余座，总长9655公里（其中特大桥1139座、1082公里），1/4以上的桥梁都存在结构性缺陷、不同程度的损伤和功能性失效的隐患，其中重要的桥梁急需安全监测、评定和维修加固。我国已建成海洋油气生产平台150余座，其中水深在30米以上的平台50余座，平台结构的损伤演化与极端环境下的安全状态尤为令人关注。我国已建百米以上大坝32座。高坝还由于水压力、地基变形和温度变化等原因可能造成坝体裂缝和岩体滑坡等灾变现象。例如，Kolbrein的拱坝裂缝问题曾两次放空水库、加固大坝，前后共计10年，修复费用约相当于原造价。美国土木工程师学会(ASCE)2003年底公布了最新的调查结果(工程技术发展研究综合专题组,2004)，美国国家级桥梁27.5％以上老化而不能满足功能要求，估计在20年内，每年要投入94亿美元进行桥梁治理，美国国家级道路已处于不良状态(D+级)，其中1/3以上老化。美国全国的水坝也处于不良状态(D级)，2600个水坝（占23％）不安全。根据美国土木工程学会的估计，美国在未来五年内，需投入16000亿美元改善基础设施的安全不良状态，以适应21世纪的发展。英国1965年至1980年的维修改造项目逐年增加，1980年的检测、维修改造工程已占建设工程总量的三分之二；日本引以自豪的新干线使用不到10年，就出现了大面积混凝土开裂和剥蚀，今后用于检测和修复的费用将十分巨大。建筑、环境与土木工程学科发展战略研究报告结构工程学科发展战略研究108二十世纪随着数学、力学和计算机科学技术的发展，重大工程结构和基础设施系统的分析、计算和设计已经形成相对完整的理论和方法，并在工程实践中发挥了巨大的作用。一大批大型土木工程结构，诸如超高层建筑、超大跨空间结构、超大跨桥梁、大型海洋平台、大型水坝和水利设施以及核电站建筑等等的设计、建造和运行使用，标志着结构设计理论和建造技术的巨大成就，也逐步满足了经济发展和人们日日增长的社会需求。然而，进入二十一世纪，人们面对这样一大批大型土木工程结构不得不发出这样关切的问题：重大工程的损伤、乃至灾害演化的规律是什么？它们的健康和安全状态、以及使用寿命如何？面对日日退化的重大工程结构和系统，我们是维修加固还是报废重建？因此，重大工程结构的损伤积累、健康监测与安全评定是二十世纪取得巨大成就的土木工程学科留给二十一世纪的重大科学问题。面对新世纪土木工程新的任务和挑战，针对我国已建和拟建的重大工程结构，结合国际科学与工程技术研究和发展的整体趋势，深入开展以现代学科交叉、融合为特征，以现代高新技术应用为标志的重大工程结构的损伤积累、健康监测与安全评定的基础理论研究，在一批深层次的关键科学问题上取得重大突破，从而使我国土木工程防灾减灾的理论与技术整体上步入国际先进行列并服务于我国国民经济建设，是我国工程科学发展的一项具有深远意义的战略性选择。2国内外主要研究进展2.1重大工程结构的健康监测是其灾害演变行为研究的有效手段和重要的安全保障技术为了保障重大工程结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，已建成使用的许多重大工程结构和基础设施急需采用有效的手段监测其损伤演化规律和评定其安全状况。新建的大型结构和基础设施总结以往的经验和教训，也在工程建设的同时增设长期的健康监测系统，并进一步发展基于监测信息的重大工程结构安全评定与损伤控制的理论和方法。美国八十年代中后期开始在多座桥梁上布设监测传感器，监测环境荷载、结构振动和局部应力状态，用以监视施工质量、验证设计假定和评定服役安全状态。1987年，英国在总长522m的三跨变高度连续钢箱梁桥Foyle桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场（张启伟，1999）。该系统是最早安装的较为完整的监测系统之一，它实现了实时监测、实时分析和数据网络共享。此后，建立健康监测系统的典型桥梁还有挪威的Skarnsundet斜拉桥(主跨530m)，美国的SunshineSkywayBridge斜拉桥（主跨440m），美国休斯顿的FredHartman大桥（主跨381m），丹麦的Faroe跨海斜拉桥和主跨1,624m的GreatBeltEast悬索桥，墨西哥的Tampico斜拉桥，英国的Flintshire独塔斜拉桥，加拿大的Confederation连续刚构桥，日本的明石海峡大桥，韩国的Seo-Hae斜拉桥，泰国的Rama8桥（独塔斜拉桥）等（Chuengetal,1997;MainandJones,2001;Sumitroetal,2001;张启伟，2001；Sohnetal,2003）。我国内地自1997年起也在一些大型重要桥梁上建立了不同规模的结构监测系统，如上海的徐浦大桥和卢浦大桥，江阴长江大桥等（张启伟，2001）。香港青马大桥为桥长2160米、主跨1337米的公路、铁路两用悬索桥，是连接香港新机场的重要交通枢纽。由于香港经常遭受台风的袭击，同时公路和铁路两用桥的特点使得施加在结构上的荷载特别大，为了保障桥梁的健康运行，建设过程中在桥梁上安装了规模较大的结构健康监测系统（Lauetal,1999；Koetal,1999）。该系统包括风、车辆和温度等荷载和环境作用监测系统，风荷载由安装在桥面板和主塔塔顶的6个风速仪测量，车辆荷载采用地秤进行监测，同时在桥面板和主塔上安装了115个温度传感器；结构的整体响应主要采用加速度传感器、位移传感器、水平测距仪和GPS建筑、环境与土木工程学科发展战略研究报告结构工程学科发展战略研究109系统测量，在桥面和主索上安装了12个单向加速度传感器、3个双向加速度传感器和2个三向加速度传感器，在桥面板和主塔上安装了2个位移传感器和9个水平测距仪；局部响应主要通过埋设的应变片进行测量，应变片在桥面板和主塔上共粘贴了110个应变计；除上述传感系统外，在该桥上还配置了相应的数据采集、传输和处理系统。该系统能对桥梁的主塔、缆索、缆索锚头、吊杆、桥面格架和桥体支座的安全状况进行实时监测。除青马大桥外，香港的另外两座大型斜拉桥－KapShunMun和TingKau桥上都安装了健康监测系统，三座桥梁的传感器总数达900个（Lauetal,1999）。海洋平台结构的监测起始于20世纪70年代末，主要通过采集得到的结构整体动力响应，识别结构的频率、振型和阻尼，并根据识别结果修正结构计算模型，在此基础上对结构进行完整性评定(Nataraja,1983;Flogelandetal,1985;RogersandMonk,1987)。国内海洋平台结构的监测研究工作于八十年代中后期开始展开。柳春图等(1997)进行了南海涠11-4平台结构原位监测的研究，主要内容包括：平台结构应力及加速度监测与分析、风浪流环境监测与分析、结构疲劳分析、监测数据采集以及特大风暴条件下平台工作安全性评估。自八十年代中后期，原中海石油渤海公司为了确保海洋采油平台的服役安全，对海冰条件和平台状态进行了长达10余年的监测，在此基础上，1998年欧进萍等人实现了渤海JZ20-2MUQ平台结构的实时监测与安全评定，并进一步研究了远程网络监测的技术(欧进萍等，2001；李宏伟等，2001)。该系统由实时监测得到的环境荷载要素根据环境荷载作用理论确定结构环境荷载，对于海冰荷载还可以由监测系统直接测量海冰对结构的作用力，从而最终确定环境荷载对结构的总体作用；然后，采用结构在给定方向实时监测确定的环境荷载基底横向力与结构计算确定的极限基底横向力进行比较来评定结构实时的安全状态；1998～2001年三个冬季的实际应用得到了大量的监测数据和验证了系统的合理性和有效性。尽管结构健康监测系统已经在一些实际工程中得到应用，但是这些结构健康监测的理论研究和应用尚处于起步阶段；在实际工程中安装的监测系统大部分使用的是传统的传感器；而结构损伤识别还主要建立在对结构动力特性的识别基础上。然而，重大工程结构与基础设施系统体积大、跨度长、使用期限长,传统的传感元件和设备组成的监测系统性能稳定性和耐久性都不能很好地满足工程实际的需要。近年来研究和发展起来的诸如光纤、压电、形状记忆合金以及疲劳寿命丝（箔）等高性能、大规模分布式智能传感元件和无线传感器网络、具有自感知、自增强和自修复特性的智能本征材料和构件、以及互联网通讯技术和信息融合技术等为重大工程的灾变行为与健康监测研究和发展提供了基础。重大工程结构先进的健康监测系统主要包括：高性能智能传感元件、无线传感网络与信号采集系统，多参量、多传感元件监测数据智能处理与数据动态管理方法，结构实时损伤识别、定位与模型修正，结构实时健康诊断、安全预警与可靠性预测。一个长期监测的结构相当于长期试验的结构，而且是足尺的、现场长期试验的结构，其监测结果对于研究和把握结构损伤演化规律、灾变行为和安全状态具有重要的科学与现实意义。2.2智能传感元件与无线传感器网络的发展为重大工程结构的健康监测研究提供了基础2.2.1智能传感元件目前发展起来的智能感知材料与传感元件主要有光导纤维、电阻应变丝、疲劳寿命丝（铂）、压电材料、碳纤维、半导体材料和形状记忆合金。用这些感知材料和传感元件可以制作大规模表面附着式或埋入式传感分布阵列，从而使结构的重要构件或整体具有感知特性，以便实现结构的实时监测与安全预警的功能。在上述各种智能感知材料中，压电元件和形状记忆合金均同时具有感知和驱动功能，可以同时建筑、环境与土木工程学科发展战略研究报告结构工程学科发展战略研究110实现损伤的监测与控制，是结构健康监测与损伤控制的理想元件。光纤是用于长期监测的理想传感元件，虽然它所需的外部设备最为复杂且昂贵，但它具有性能稳定、多参数测量、分布测量等优点，因而近年来在土木工程应用中倍受重视。疲劳寿命丝是构件寿命预测、评估用最理想的智能材料和传感元件，特别适合疲劳效应的监测。1)光纤传感器光纤传感器研究的时间虽然不长，进展却非常迅速，目前已有70多种光纤传感器用于各种物理量的测量。从光纤传感器的传感机理来看，主要分为强度型、干涉型和布拉格光栅(FiberBraggGrating,简称布拉格)波长型三种。美国麻省理工学院Christoph