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、耐久耐火、整體性良好、剛度大等眾多優(yōu)點，這些優(yōu)點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)展會進一步影響結(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)性等工作性能嚴重下降。鑒于此，對結(jié)構(gòu)的健康狀況實行實時的監(jiān)測，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產(chǎn)損失勢在必行。再這樣工程實際需求下，各種對結(jié)構(gòu)裂縫的監(jiān)測方法應(yīng)運而生，這也成為了土木工程領(lǐng)域中一個重要的研究方向。

2 健康監(jiān)測系統(tǒng)及其組成部分

健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由四個部分組成，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)用于收集各種實時數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)一般是由具有強大計算功能的計算機組成，監(jiān)控中心實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)健康狀況出現(xiàn)異常時發(fā)出警報信號。

傳感器系統(tǒng)將實時監(jiān)測信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)并進行分析處理和判斷，一旦其中某些測量值出現(xiàn)異常，監(jiān)控中心會發(fā)出警報信號，此時由具有診斷功能的模塊對結(jié)構(gòu)損傷出現(xiàn)的位置和損傷嚴重程度進行分析并查明原因，以保證結(jié)構(gòu)安全可靠。針對需要監(jiān)測的內(nèi)容的不同，不少的監(jiān)測系統(tǒng)被開發(fā)出來，如清華大學(xué)的路新灜、彭細榮等[1]針對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性建立了一個完整監(jiān)測系統(tǒng)。

3 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(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[3]等，利用壓電材料的機電耦合效應(yīng)，將一激勵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)生機械振動，并且引起混凝土的機械振動，而混凝土的機械振動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中獲取。他們基于Krishnamurthy的研究，認為由于壓電片在零應(yīng)力下的復(fù)介電常數(shù)對溫度的影響十分敏感，導(dǎo)致電納信號容易受到溫度的影響，所以不把電納信號作為識別損傷狀況的信號。實驗結(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度的增長呈線性關(guān)系，斜率約為0.33，由此得出電導(dǎo)響應(yīng)與混凝土抗壓強度的定量關(guān)系，可以無損地檢測出混凝土的抗壓強度。另外，對于預(yù)埋在混凝土中的壓電片，作者得到電導(dǎo)響應(yīng)與混凝土抗壓強度的定量關(guān)系。

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

由于健康監(jiān)測的成本相對較高，在國內(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瀛洲大橋的健康監(jiān)測系統(tǒng)對其位移、拱肋振動、吊索索力以及重要的截面、節(jié)點進行實時監(jiān)測[3]。預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋杭州文暉大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測大橋徐變對路面的應(yīng)力、應(yīng)變以及吊索索力。高度達600m的廣州塔上安裝了超過700個傳感器的健康監(jiān)測系統(tǒng)對廣州塔實行長期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，并記錄了廣州塔在臺風(fēng)中的動力特性。廣州國際金融中心上的監(jiān)測系統(tǒng)也監(jiān)測其在臺風(fēng)中的動力特性。另外，監(jiān)測系統(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)測系統(tǒng)對隧道在運營期間受車流量及潮位變化的影響下大斷面上四個監(jiān)測點鋼筋內(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)測系統(tǒng)的組成、傳感器系統(tǒng)、工程應(yīng)用，重點介紹了幾種現(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產(chǎn)安全，我國自20世紀80年代開始大興土木，不少建筑物已經(jīng)到了需要進行檢測維護的階段。然而，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)成本較高，使得其現(xiàn)階段僅僅應(yīng)用于大型的工程，相信這個問題隨著相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的進步而得以解決，使結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)廣泛的運用各類建筑結(jié)構(gòu)中。另外，目前還缺少對結(jié)構(gòu)損傷程度評判的指標，相關(guān)技術(shù)標準與規(guī)程尚未形成體系。在文中提及的研究中的損傷程度的評定都是參考文獻中作者根據(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，并沒有同一的指標對結(jié)構(gòu)損傷分級量化。