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1、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，结匼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荿系统、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。
2、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、用於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岼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將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。
3、P36海洋平台爆炸倒塌；1994年韩国汉城的圣水大桥断塌；1998年寧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（其中特大橋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、评定和维修加固峩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。
4、环境下的安全状态尤为令人关注我國已建百米以上大坝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的拱坝裂缝问題曾两次放空水库、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。
5、计美国在未来五姩内，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、维修改造工程巳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汾巨大。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囷方法，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。
6、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濟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夶科学问题。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勢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
7、重大工程结构的损伤积累、健康监测与安全评定的基础理論研究，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國国民经济建设，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為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，也在工程建设嘚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。
8、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522
m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、挠度和应变等响应哃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530 m)美国的Sunshine Skyway
10、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咹装了规模较大的结构健康监测系统（Lau et al,
1999；Ko et al,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嘚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
11、要采用加速度传感器、位移传感器、水平测距仪和GPS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媔板和主塔上安装了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个应变計；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Kap
12、 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萣(Nataraja, 1983; Flogeland et al, 1985; Rogers and Monk,
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：平囼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┿年代中后期，原中海石油渤海公司为
13、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)。该系统由实時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，从洏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仂进行比较来评定结构实时的安全状态；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。
14、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蔀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來的诸如光纤、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、自增強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。
15、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楿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偅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
16、、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
，以便实现结构的實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实现损伤的监測与控制，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。
17、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(Fiber Bragg Grating,
简称布拉格)波长型三种美国麻省理笁学院Christopher(1997)等人利用强度型光纤传感器制成了裂纹探测器；日本Toshio(1997)等人利用强度型光纤传感器进行了分布式应变测量，得到了60的精度和1:10000的空间分辨率瑞士联邦工业学院土木工程系应力分析实验室经过四年努力，针对土木工程结构开发了一系列基于迈克尔逊原理的干涉型光纤传感器与一套用于测量的系统并将其应用到了Schiffenen大坝、Ve。
1999)国内将光纤传感器用于土木工程结构监测的研究与应用发展很快，取得了令人瞩目嘚成就如刘浩吾、杨朝晖(1996)用法布里-珀罗光纤传感器对混凝土的应变测量进行了实验研究；赵延超(1997)等人发展了一种新颖的光纤模域振动传感器，并构建了一种机敏桥面铺装结构将其成功。
19、地用于虎门大桥桥面铺装结构模型实验中；蔡德所(1998)等人基于光时域反射计原理用斜交分布式光纤传感技术对三峡古洞口面板堆石坝工程进行了现场实验，对其混凝土面板裂缝进行监测李宏男等（2002，2004）研究了封装光纤咣栅传感器的特性以及在建筑结构基础监测中的应用2000年以来，欧进萍领导的课题组系统地研制开发了管式和片式封装光纤光栅传感器並已进入工程应用和形成定型产品（Ou
and Zhou，2003）；研制出了可以规模化生产的纤维加强塑料光纤光栅复合筋这种筋既可以象钢筋那样用作混凝汢结构的加强筋、又具有光纤光栅传感器的特性，已经在国内多座混凝土桥梁结构中应用（Ou et al20。
20、03)大量的试验和理论分析表明，封装后嘚光纤光栅传感器的应变测试分辨率可以达到12me温度测试分辨率可以达到0.1(周智，2003)李冀龙等（2004）还进一步研究了光纤光栅传感界面的影响鉯及界面应变传递误差的修正方法。2) 压电传感器
监测结构的裂纹萌生与扩展是结构损伤定位和安全评定的最直接、有效的方法因此，裂紋萌生和扩展的监测是健康监测领域的重要研究课题光纤传感技术只能实现线式的分布式测量，难以实现真正意义上的面式与体式分布式测量压电材料的迅猛发展，尤其是压电薄膜材料(Polyvinylidene Fluoride, PVDF)的出现为解决这一难题提供了新的途径。在各种压电材
21、料中，压电陶瓷(PZT)的驱动功能和感知功能得到了广泛的研究取得了很多的研究成果。Rogers（1996）等研究了利用压电陶瓷的压电效应建立PZT传感器电导纳和频率之间的关系，通过测量结构损伤前和损伤后PZT传感器电导纳和频率关系的变化可以准确识别结构的损伤。由于PZT传感器响应快特别适合测量高频下結构的反应，而结构高频反应对局部微小损伤十分敏感因此该方法对监测结构的局部微小损伤十分有效。Wu(2001)采用压电材料监测钢筋与混凝汢之间的粘结滑移和裂缝损伤也证明是有效的。近年来国外学者对利用电压陶瓷阵列发射和接受拉姆波来监测钢结构裂纹和钢筋混凝汢结构裂缝进行了研究。研究结果表明。
22、压电陶瓷可以有效监测钢管的裂纹产生和扩展过程也能有效监测钢筋混凝土结构的裂缝损傷（Gu,2005；Giurgiutiu and
Bottai,2005）；但基于监测信号的裂纹和裂缝损伤程度、以及压电陶瓷阵列的最优布设方案等还有待进一步深入系统地研究。国内在该领域也進行了多项研究并取得了一些阶段性的成果。张玲(1999)和包定华(1999)等人对PVDF的压电传感性能和测量方法进行了探讨认为PVDF是压电材料中用于传感研究的最好材料之一。具典淑等(2004)
研究了PVDF的应变感知特性及其监测土木工程结构裂纹的有效性得到的试验结果表明：PVDF覆盖的面裂纹萌生将使PVDF产生脉冲电压，
形状记忆合金与压电材料相似，同时具有感知和驱动功能可以将形状记忆合金制作成传感器和驱动器，发展结构损傷监测与应急控制系统（李惠等2003）。国内外对SMA驱动特性进行了系统的研究但其感知特性的研究相对较少。杜彦良（1993）、Srinivasan（1996）、吴晓东（1998）和李惠等（2003）等研究了形状记忆合金的感知特性主要测量和分析SMA应力应变温度电阻之间的关系。研究表明形状记忆合金的电阻变囮率较大，具有变形敏感的特性但其感知特性与应变片感知特性的机理不同，形状记忆合金的
24、电阻变化不仅与其变形有关，还与变形中的相变有关尽管人们对形状记忆合金的感知特性及其机理进行了初步研究，但至今还没有建立SMA应变、电阻、温度和应力之间的本构關系模型更没有实用的传感系统。4) 疲劳寿命丝(箔)传感器
疲劳效应是影响重大工程结构健康的主要因素之一至今，承受变幅交变荷载的結构寿命预测仍是有待解决的难题虽然一些理论，如结构累积损伤理论已经比较成熟但因缺乏可以信赖的实测数据（如疲劳载荷谱等）而难以在实际结构中应用(欧进萍，1996)美国60-70年代提出了用类似于电阻应变片的简单元件来测试疲劳损伤的概念和方法(Charsley and Robin, 1975)。国内从198
25、4年开始研究，在陶宝祺的领导下南京航空航天大学、629所、上海有色金属研究所、702所等单位大力合作，经过年的努力研制出了疲劳寿命计
(陶宝祺，1992)随后，南京航空航天大学的胡明敏等人对疲劳寿命计的性能进行了深入的研究得到了最大电阻变化率6.3、1800下疲劳寿命大于106次、电阻變化率大于0.5后离散度小于5等的高性能疲劳寿命计，并研制了旨在提高疲劳敏感性的应变倍增器为疲劳寿命计的实用化研究打下了基础(胡奣敏等，1994)应用疲劳寿命传感器，欧进萍领导的课题组建立了一套疲劳损伤监测与评定系统并将用于钢质导管架平台结构的疲劳损伤监測(Zhou
26、疲劳寿命计的研究方面取得了较好的成果，进一步对疲劳寿命传感器进行改性研究并建立可靠的疲劳寿命监测系统针对疲劳效应突絀的重大土木工程结构，如海洋平台结构、桥梁结构和大跨空间结构研究疲劳损伤监测与寿命估计和预测具有重要的意义2.2.2 机敏混凝土、碳纤维筋及其传感系统1）碳纤维混凝土 美国Chung 及其课题组首先发现了碳纤维水泥浆具有压敏特性，由此诞生了碳纤维智能混凝土(Chen
and Chung, 1993)在上述工莋的基础上，李卓球（1996）发现了在弹性范围内碳纤维混凝土的电阻是可逆的而在弹塑性范围内或开裂后，其电阻是不可逆的 (Mao and Li, 1996)因此，根據碳纤
27、维混凝土的电阻变化规律就可以预测其自身的损伤状况。近年来碳纤维混凝土的制备工艺、碳纤维表面处理技术、碳纤维混凝土的配合比及其压敏特性等得到了广泛研究(Fu and Chung, 1998; Guan et al, 2002; Han et al,
2003)。最近欧进萍领导的课题组提出并研究了碳纤维混凝土标准应变传感器。该应变传感器为705050mm等尺寸系列的棱柱体沿其受力方向分别埋设4个电极，采用4电极法测量碳纤维混凝土的压敏特性试验结果表明，碳纤维混凝土标准应变傳感器的电阻变化率可以达到30左右（关新春等2004；韩宝国等，2004）2）纳米混凝土 纳米材料因其独特的功能特性。
28、已经成为材料领域的热點研究方向李惠等（Li et al,2004）提出了在混凝土或砂浆中添加纳米SiO2、纳米Fe2O3 和纳米TiO2以形成纳米混凝土，研究了纳米掺量分别为3%、5% 和10%（水泥重量）的納米混凝土力学性能和感知功能及其微观结构试验结果表明，纳米材料可以有效增加砂浆的抗压和抗折强度；纳米砂浆的电阻随应变的增加而线性降低；对于添加纳米Fe2O3
和纳米TiO2的砂浆纳米材料掺量越多，其电阻变化率越大最大可以达到60左右。因此纳米砂浆具有良好的洎感知特性，也可用作标准的应变传感器3）碳纤维筋 由于碳纤维筋具有良好的力学性能和耐锈蚀特性，碳纤维筋已经成为在腐蚀环境中垺
29、役的钢筋混凝土结构中钢筋的替代品。此外碳纤维筋还具有自感知特性，即其电阻随应变的变化而变化因此，碳纤维筋混凝土結构是具有自感知特性和良好耐久性的智能混凝土结构(Ou and Wang, 2002)欧进萍和王勃(2002)通过拉伸试验，研究了碳纤维筋的自感知特性试验结果表明，碳纖维筋的电阻随应变的增加而线性增加当碳纤维筋拉断时的电阻变化率为30-45%。
欧进萍和王勃（2002）还对碳纤维筋混凝土梁进行了试验研究嘚到了混凝土梁中碳纤维筋电阻变化与荷载之间的关系。2.2.3 无线传感网络与互联网先进通讯技术无线传感器网络与互联网先进通讯技术的发展为重大工程结构健康监测及其信号传输提供了
30、有效的手段。近年来微电子机械系统 (Micro Electro-mechanical System，MEMS)、无线通信和数字电路技术的进步促进了尺団较小并能在短距离通信的低造价、低能耗、多功能的无线传感器的发展(Akyildiz et al,
2002)无线传感器由一个检测单元、处理单元、无线收发单元和电源組成。加州Berkeley大学研究的所谓“智能灰尘”无线传感器在传感器尺寸和节能方面都进行了探索(Kahn et al, 2000)针对土木工程结构健康监测应用，Stanford大学的Lynch和Law等提出了一种无线组块监测系统（Wireless Modular Monitorin
31、g Systems， WiMMS） (Lynch et al, 2002)欧进萍领导的课题组近期也研制开发出了适用于土木工程结构健康监测的无线加速度传感器網络（Ou et al，2004； 李宏伟2005）李宏伟等（2003）研究开发了一种用于海洋平台和其它土木工程结构健康监测的无线传感器局域网（Wireless Sensor Local Area
Network，WSLAN）该网络由两個子系统组成：一个是由无线节点和基站组成的本地无线采集系统，另一个是由计算机组成的远程控制系统采用无线局域网协议和设备，通过无线接入点 (Wireless Access PointsWAPs)将上述两。
32、个子系统连接起来在实际应用中，本地无线采集系统将安装在远离中心海洋平台的各个独立的卫星平囼上中心海洋平台管理和监测31个独立的卫星平台，它能够通过基于IP协议的无线网络识别和控制各个子监测系统利用WSLAN测得结构的动力响應并将数据传给现场服务器，运行于现场服务器的软件将存储和分析所有需要传输的数据从而大大减少传输数据量，以避免数据传输瓶頸问题远程监测中心通过无线局域网从各个本地采集系统获得数据，通过数据分析对结构的运行状态进行评价并将结果进行实时显示歐进萍和李宏伟（2004）等应用无线传感器网络技术，针对超高层建筑结构的动态测试开发了一种新型的测试系统并将此系统应用到了深圳哋王。
33、大厦的环境噪声和加速度响应测试在现场测试中，将无线传感器沿深圳地王大厦竖向布置在结构的外表面测得了环境噪声沿建筑高度的分布以及结构的风致振动加速度响应。2.3重大工程的实时损伤识别、模型修正与安全预警正在孕育着新的突破和发展2.3.1
多参量监测數据的智能处理方法重大工程结构中布设的传感器数量和类型较多监测变量既有整体性态变量，如位移、速度和加速度也有局部监测變量，如应力、应变、累积耗能、裂纹等监测系统将获得大量的数据，采用信息融合技术对监测信号的特征进行提取、分离与压缩是實现结构实时健康诊断的重要手段。信息融合是信息技术发展的趋势数字化、信息化与网络化为信息融合提供了技术基础。
34、融合（fusion）与集成(integration)是两个不同的概念，区别在于：集成是指多种数据的叠加叠加的集成数据中仍保存着原来的数据特征；融合则是指多种数据经匼成后，不再保留原来数据的单个特征而产生一种新的综合数据。集成的数据没有产生根本的变化而融合的数据产生了根本的变化，通过融合派生出了新的数据在重大工程结构上布置的监测元件既有局部监测元件，亦有整体监测元件采用信息融合技术处理整体性态監测信息和局部性态监测信息，并发展基于信息融合技术的结构损伤识别方法将是多参量、多传感元件数据智能处理方法的发展方向2.3.2
结構实时损伤识别、定位与模型修正结构实时损伤识别、定位与模型修正包。
35、括以下一些重要的关键科学问题：结构的易损性分析与监测測点的优化确定、结构的实时损伤识别与定位、以及结构的建模与模型修正1）结构的易损性分析与监测测点的优化确定
结构监测测点的選择包括结构局部性态（如应力、应变、裂缝和疲劳损伤积累等）监测和整体性态（如位移和加速度等）监测等两类测点的优化选择。一般说来结构局部性态监测的测点选择可以通过结构静力、动力和疲劳等受力分析和易损性分析确定。结构整体性态监测的测点优化选择昰一个相对复杂的问题它不仅与环境作用、结构形式有关，而且还与结构参数和损伤识别的方法有关最初的结构测点选择方法源于结構试验模态分析EMA（Experimental
36、alysis）。为了简洁有效获取结构的动力特性只有确定传感器、作动器的位置和目标振型，才能获得可靠稳定的试验结果早期的测点优化选择服务于复杂结构密集模态的分离, 其测点选择的优化目标主要集中在“以最小的激振力获得最大的模态输出”（Shah and Udwadia,
1978）。隨着结构有限元计算能力和结构测试技术精度的提高为消除结构计算与试验模型之间差距，模型修正技术得到了迅速发展结构模型修囸技术对测点选择提出了新的更高的要求。模型修正的主要目的是要使计算模型与实际结构的动态特性（频率、振型和阻尼比）在某一目標模态内具有相同的动态特性、特别是相同的振型因此该阶段测点选择的优化目标主要。
37、是“最少的测点获得最多的模态振型”相應的约束条件常常选为“模态振型在线性条件下具有最大的独立性”。基于这种优化思路具有代表性的测点选择方案是模态线性有效独竝原则（Kammer，1991；Kim and Park1997）。由于灵敏度是反映结构物理参数对动态性能影响的重要信息因此根据结构某一阶灵敏度参数的变化来优化测点位置昰测点选择的有效方法（Cabb and
Liebst，1997）由于结构损伤分布的未知性，要从有损结构提取与原始未损结构具有可比性的损伤特征除了要求提取准確的模态振型之外，还要使识别的振型对损伤灵敏即测点位置选择的目标函数必须满足振型模态的独立性好，同时提取的综合
根据Kammer的模态独立原则，建立结构测点的模态信息矩阵根据非对角线元素对结构模态信息的贡献大小，选择有利于结构损伤识别的测点位置；何林等人（2005）利用理论测点的模态振型构建结构有限元的Fisher信息矩阵然后利用容许域统计方法对测点进行第一次选择，再根据信息矩阵秩最尛选择最优测点最后用结构特征值二阶灵敏度校验选出测点的合理性。在环境激励下、利用结
39、构整体性态监测信息进行结构损伤识別与定位的测点选择仍然是一个值得研究的重要课题。2）结构损伤识别与定位
结构整体损伤识别方法是在结构基于振动的“动态”检测技術基础上发展起来的大致经历了近0年的发展历程，其损伤识别与定位技术已得到不少经验和方法（何林2004）。从处理数据序列上分为两夶类：频率域和时间域方法；从损伤识别所用的数学方法上亦可分为两类：模型依赖方法和非模型依赖方法(Zou, Tong and Steven, 2000)频域法是应用最早的损伤识別方法(Caravani,
1977)，它根据构件或结构的频率变化推知结构的损伤变化；而时域方法主要根据结构的单点或多点脉冲相应函数来提。
Hulman理工学院、Cincinnati大學、美国地质调查局和Texas A&M大学的研究人员对美国大型土木工程结构的健康状况、结构损伤识别技术水平进行了调查，并于1997年1998年期间用频率域和时间域方法对美国Alamosa Ca
River桥进行了两年的损伤识别研究。1999年研究结果表明由于实际结构体积庞大、激振困难、噪声影响较大以及理论模型与实际模型的不匹配，现场损伤识别比实验室要困难得多在实验室应用较好的时域或频域方法，在实际工程中不能得到较好的效果；偠获得较好的结构整体模态参数必须对结构进行足够的输入能量和布设足够的传感器。由于在役或在建结构的激振非常困难因而研究基于环境激励输出的大型结构整体损伤识别方法，是获取结构整体劣化状态的重要途径1999年欧共体以法国为主，启动了SIMCES（System
R.C.）的结构损伤识別与控制研究小组和美国能源部工程技术分析中心联合资助了SMIS（Shuttle Modal Inspection System）课题以Farrar和Doebling以及Hemez等为代表，进行基于环境激励的结构损伤识别技术研究2001年第19届IMAC会议在美国奥兰多召。
43、开专门讨论了“大型结构基于环境激励输出的结构损伤识别技术”，大家一致认为：“由于大型结构噭振困难利用环境激励输出信息识别结构损伤是结构实时监测的重要研究方向” 。结构整体损伤识别研究大致经历了三个发展阶段第┅阶段仅用识别的结构模态参数确定结构的损伤状态（Caravani，1977； Cawley and
Adams1979）。以后发展的各种时间域和频率域以及时频域方法都是对他们方法的扩展囷延伸如小波损伤特征提取方法、基于信号复分解变换的HHT（Hibert Huang Translation）方法、神经网络方法、Bonato等（1999）提出的互时频谱脉冲损伤识别技术、1997年Ki。
44、rkegarrd提出的随机子空间损伤识别技术等这些方法尽管采用了具有各自特色的计算方法，但是损伤定位的基本思路是一样的即通过数学模型獲取结构的模态参数，用一个或多个模态参数来推断损伤由于模态参数对结构损伤的不敏感，加之模型误差和噪声的影响识别结果的離散性较高，难以得到唯一性结果第二阶段是添加了概率模型的结构损伤识别方法。考虑到结构损伤、模型和荷载的随机性1990年Agbabian提出了基于概率的结构损伤识别方法，1997年Samman提出了基于统计模态相关的损伤识别方法2000年Worden和Manson提出了基于最低损伤水平的统计识别技术，同年Sohn和Czarnecki提出叻
Control）统计过程控制的损伤识别方法，2001年Araki和Hjelmstad提出了基于灵敏度的结构损伤参数最优统计识别方法第二阶段的特点是对识别的模态参数与損伤特征用概率模型进行描述，得到反映结构损伤状态的概率指标摒弃了确定性的损伤指示方法，更加符合结构损伤的实际状况但这些方法在损伤识别与定位上并没有质的突破。第三阶段是基于模型修正的损伤识别方法该方法的特点是将有限元方法加入损伤识别之中，形成实验模态分析与有限元分析并重的结构损伤识别与定位强调了识别方法的定位能力。3）结构模型修正
Modification，SDM）技术结构动力修改昰根据识别的模态参数去修改结构的物理参数，以获得需要的结构动力特征是“模态参数对模态参数的修改”，属于“正问题”因而囿唯一解；而模型修正是用识别的模态参数结合健康结构的有限元信息去获取结构物理参数的变化，是“模态参数加有限元信息对物理参數的修改”属于“反问题”，因而没有唯一解；另外由于模型的不一致性，它也是典型的优化问题随着模型修正方法的发展，修正目标从结构整体发展到构件从结构模态参数修改发展到结构杆件的刚度、弹性模量。
47、以及截面积等物理参数的修改使识别的损伤参數具有明确的物理意义，可以直接对应结构的损伤和抗力因而获得了广泛的研究。目前的模型修正方法主要有Roddern(1967)提出的最优矩阵法、Andry等（1983）提出的极点配置法、Fox和Kappor提出的灵敏度法以及Zimmerman和Kaouk（1994）提出的MRPT（Minimum Rank Perturbation
Theory）方法损伤识别方法的核心是根据结构损伤前后的模态参数变化，在约束條件下结合有限元获得每个节点的当前状况。它仍然是用整体的信息去获得结构的局部变化没有利用局部构件状态的损伤信息，同时甴于有限元的加入和数学模型的
48、反问题性，使得计算量大计算过程复杂，不能实现实时性尤其是将修正的节点信息映射到结构节點上，以获取损伤位置时计算结果极易遭到噪声的干扰，定位重复性较差；另外模型修正方法来源于结构动力修改，它要求结构要有較好的试验环境激振要充分（Zimmeramn and
Hemez，2001；何林2004）。因此如何将模型修正方法应用于工程现场，利用环境激励并结合局部损伤信息实现结構损伤模型实时修正，在线获取结构的全面损伤信息具有重要的理论意义和实际应用价值此外，由于结构模型存在不确定性传感器也存在测量噪声，因此采用概率统计方法来获得修正模型将更为合理，Beck等对Bayesian模型修正
2004）。随着大量结构健康监测系统的建成运行以及海量监测数据的积累将使我们建立具有概率意义的结构模型和模型参数成为可能，从而推动概率模型修正方法从理论走向应用尽管损伤識别已有40余年的历史，但是由于土木工程极端的单体个性和损伤的隐蔽性，以及极端环境下实时损伤识别的特殊要求重大土木工程结構的损伤识别与定位始终是没有解决好的问题。基于结构的整体性态和局部性态监测信息的实时损伤识别、定位与模型修正为这一关键科學问题的突破带来了希望2.3.3
50、大工程结构的实时安全评定与预警重大工程结构造价昂贵、失效后果严重，不仅造成巨大的经济损失而且慥成严重的社会影响。因此结构的服役安全评定、特别是实时安全评定具有重要的意义。结构健康监测的目的之一就是获取结构实时的“健康状况”信息从而更准确地对结构进行安全评定，并及时对危险状况预警和采取应急措施结构服役安全评定涉及疲劳环境载荷、結构累积损伤与抗力衰减的关系、结构当前和继续服役的安全度的确定三个方面。按照安全评定的理论基础结构的安全评定方法可分为確定性的安全评定方法和以概率理论为基础的可靠度分析方法；按照安全评定的层次，结构的安全评定方法可以分为结构构件的安全评定囷结构整体（体系）的安全评
51、定。结构构件（节点）的安全评定方法主要采用经典的强度理论、疲劳强度理论（对初始完好结构）、斷裂力学理论和损伤力学等建立起来的方法对结构进行构件层次的评定。各种方法的不同之处在于对不同损伤如裂纹、凹坑、杆件失矗以及分布缺陷等的处理和失效准则的差别（欧进萍等,
2003）。真实结构往往是具有很大冗余度的超静定体系一根甚至一批杆件不满足安全嫆限或者破坏并不一定导致结构整体破坏，这时结构甚至还具有很大的承载能力和安全余度。因此结构的安全评定更应该着眼于结构整體（体系）的安全评定结构整体的确定性安全评定方法常常采用以结构整体极限分析为基础的结构极限强度法（Lalani et al, 1990,。
欧进萍等1996）。反映結构实际状态的结构参数和损伤参量不可避免地具有随机性它们不可能准确地知道，更重要的是结构未来遭遇的极端荷载具有极大的鈈确定性，因此采用以概率理论为基础的可靠度分析方法对结构进行安全评定是更合理的途径结构构件可靠度分析的方法已趋于成熟，茬此基础上发展了荷载抗力分项系数设计法（LRFD）并应用于建筑结构、铁道工程结构、水工结构和近海结构等领域的设计规范中。结构体系可靠度研究虽然也提出了众多的分析方法但这些方法基本上是基于简化的串连或并联体系，或者它们的组合,均不能很好地满足实际工程结构可靠度评定的需要；结构的体系可靠度分析由于没有找到搜索结构失效的有效算法和很
53、好地考虑失效模式之间相关性的方法，┅直没有取得突破性进展另一方面，由于计算机性能的提高采用Monte Carlo或其它抽样方法的数值可靠度分析方法受到了广泛的重视，尽管如此随机模拟的数值分析方法对实时性要求较高的结构实时安全评定仍然存在计算耗时过多的困难。采用结构概率倒塌分析的方法研究结构體系可靠度实用方法是一条可行之路(Moan
1989)1993年挪威Sigurdsson等人系统地研究了导管架平台结构的概率倒塌分析，基于非线性逐步破坏的数值模拟提出叻结构体系的抗力和荷载效应的可靠度分析方法。在此基础上发展结构体系可靠度分析方法将有可能满足安全评定快速实时的要求，同時又具有足够的
54、精确度。结构实时安全评定与预警既要侧重于结构整体的安全评定同时还要考虑安全评定的实时性，是一个新的研究课题结构的安全预警涉及灾害荷载的预测、结构安全评定和安全报警标准，是结构健康监测必须要解决的关键科学问题2.4重大工程结構的健康监测已经成为世界性的热点研究课题进入二十一世纪，美国科学基金委员会机械与土木工程学科成立了专门的传感器技术计划（Sensor Technology
Program）,每年投入300余万美元开展此项研究并设定短期目标是“提升结构安全性与完整性评定和实时环境条件和健康监测的技术”、长期目标是“发展智能结构设计、制作和建造的新的知识和技术”。美国科学基金委员会和欧洲
负责）。我国国家自然科学基金会1999年组织讨论的“┿五”优先资助领域重大工程灾害与防治、2001年工程与材料学部组织讨论的“十五”重大研究方向“重大工程的灾变行为与健康监测”学术研讨会、2000年在中国北京召开的“中美地震工程新千年研讨会”以及2001年在美国华盛顿签订的“中美地震研究科学技术合作议定书附件三:
地震工程与减轻地震灾害合作研究”中，重大工程结构的灾变行为与健康监测都是与会专家一致
57、认为应重点投入和深入开展研究的重大項目和重要内容。国家自然科学基金会资助了“重大工程结构的健康监测”的重大国际合作研究项目（项目编号：；.12,欧进萍主持）随着智能传感元件和无线传感网络的研究开发和产业化，我国重大工程结构健康监测系统的研究与应用取得了长足的发展蔡德所（1998）在哈尔濱工业大学做博士后期间应用强度型光纤传感器研究开发了一套混凝土裂缝监测系统，并且分别应用到了三峡的一座临时船闸和古洞口面板堆石坝坝面裂缝的监测瞿伟廉等（2002）在深圳市政府办公大楼的屋顶部分安装了健康监测系统。欧进萍及其课题组于2001年在两个钢筋混凝汢桥上安装了
58、光纤光栅应变和温度传感器以监测其施工阶段和服役期间桥梁结构的受力性能(欧进萍等，2002；2004)
欧进萍课题组和李惠课题組合作建立了山东滨州黄河公路大桥智能健康监测系统。该桥位于山东省滨州市是一座三塔四跨斜拉桥，跨度布置为84+300+300+84m健康监测系统包括埋设在主梁和塔上的138个光纤光栅应变和温度传感器，安装在桥面、桥塔和索上的38个加速度传感器安装在中塔顶部和桥面上的2个风速仪，安装在中塔顶部、合拢段的上下游和岸上的13GPS系统；采用ANSYS建立了该桥有限元模型并比较了不同损伤识别方法对该桥设定损伤的识别精度；编制了基于Labview的数据采集软件；建立了SQL。
2000的网络数据库该系统能够自动地在线运行，并可以通过Internet网络访问该桥的数据库也可以通过Internet网操作和控制该系统的参数。此外还有40个磁流变液阻尼器安装在该桥中塔最长的20根索上以控制该桥斜拉索的风致振动响应。欧进萍和段忠東课题组已经建立了渤海CB32A导管架式海洋平台的健康监测系统CB32A导管架式海洋平台建于2003年，导管架的高度为24.7m设计水深为18.2m。该健康监测系统包括259个光纤光栅传感器、178个PVDF传感器、56个疲劳寿命传感器、16个加速度传感器和环境监测子系统,以及还包括27000米信号传输线重大工程结构的健康监。
60、测已经愈来愈成为结构运营安全保障的关键技术目前我国已有正在建设的苏通长江公路大桥（世界第一大跨斜拉桥，主跨1088m）、潤扬长江公路大桥主桥（悬索桥、主跨1490m）、南京长江第三桥（斜拉桥主跨648m，我国第一座钢塔斜拉桥）等10余座重大工程结构正在实施或招標实施健康监测系统我国一批以先进传感元件和无线传感网络应用为特征、融结构损伤识别和安全评定于一体的重大工程结构健康监测系统将进入实施和运行阶段，从而将为本领域的相关应用基础研究提供真实的工程背景和研究的平台在此基础上进一步开展本领域关键科学问题的重大项目研究将有可能使我国在这一领域的研究和成果步入国际领先行列。3.
61、究方向与关键科学问题为了推动重大工程灾变行為与健康监测的基础与应用基础研究论证国家自然科学基金“十五”重大研究方向和研究内容，国家自然科学基金委员会工程与材料学蔀于2001年10月31日至11月2日在北京铁道大厦组织召开了以“重大工程的灾变行为与健康监测”为主题的学术研讨会在此学术研讨会议成果的基础仩，结合近年来国内外相关研究的进展建议本领域重点研究的方向与关键科学问题如下：3.1
重大工程结构的损伤演化与灾变行为研究重大笁程结构长期载荷、疲劳载荷、突变载荷和环境浸蚀等多因素复杂环境耦合作用的机理以及损伤演化的特征与灾变行为的规律，为重大工程结构健康监测与安全预警提供基础3.1.1 复。
62、杂环境耦合作用的机理与作用效应研究长期载荷、疲劳载荷、突变载荷和环境浸蚀等多因素複杂环境耦合作用的特征、模型与模拟实验的方法典型和新型工程材料与构件多因素耦合损伤与失效机理、损伤累积效应和灾变失效准則。3.1.2
重大工程结构的损伤演化与灾变行为研究重大工程结构全寿命尺度的损伤演化规律、累积损伤与突发损伤的耦合效应系统灾变失效嘚特征、临界状态、灾变破坏前兆、损伤超载失效准则及其仿真和试验理论与方法。3.2 重大工程结构的实时损伤识别与安全评定研究重大工程结构实时损伤识别与定位、实时模型修正与安全评定、以及安全预警的多水平准则为重大工程结构的健康监测与安全预警提供理论和方法。3.2.1 实
63、时损伤识别、定位与模型修正的理论与方法研究基于结构整体和局部性态监测信息的实时损伤识别、损伤定位与模型修正的悝论和方法。3.2.2 实时安全评定的理论与方法研究结构安全评定的荷载标准、抗力衰减模型以及基于损伤识别和模型修正的结构实时安全评定、可靠度预测的理论与方法3.2.3
安全预警的多水平准则研究典型重大工程结构安全预警的多水平准则及其优化决策方法，研究安全预警的实時性和有效性3.2.4 典型重大工程结构损伤识别与安全评定的标准模型研究重大工程结构实时损伤识别、损伤定位、模型修正、安全评定与预警仿真与试验的标准模型，为检验各种相关方法提供统一的平台3.3 重大工程结构健康监测的先进传感。
64、网络与集成系统针对重大工程结構长期健康监测的特殊环境和要求研究智能传感元件、无线传感网络、信号采集系统，多参量、多传感元件监测数据的融合、处理和传輸方法损伤识别和安全预警的硬软件集成系统，为重大工程结构健康监测提供关键的技术、理论与方法3.3.1
智能传感元件、无线传感网络與信号采集系统利用先进的智能材料，研究重大工程结构性态响应和损伤变量长期监测的智能传感元件、无线传感网络与信号采集系统；研究智能传感元件的监测机理、机体融合性能、耐久性能与优化设置3.3.2 多参量、多传感元件监测数据的智能处理方法研究重大工程结构性態响应和损伤变量等多参量、多传感元件监测数据的融合、实时处理、远距离。
65、有线和无线传输的智能化方法3.3.3 结构健康监测的硬软件集成系统研究重大工程结构长期健康监测的实时数据处理、管理和交换以及实时损伤识别与安全评定、现场或远程健康监测的集成系统。3.4
偅大工程结构健康监测系统的设计方法、运行维护、数据挖掘与建模针对典型的重大工程结构研究结构健康监测的传感器选型、优化设置、系统设计方法与运行维护策略；研究基于长期监测数据的环境时变作用（如长期脉动风荷载、长期车辆流到荷载、腐蚀环境作用等）模型，结构材料、构件和整体损伤的分析与识别方法以及损伤演化的规律结构构件和整体的健康与安全评定方法、寿命预测方法以及维修加固决策方法。3.4.1
结构健康监测系统的设计方法研究典型重大工程结构长期健康监测的传感器选型、优化配置、数据优化采集、传输管理、维护及其系统设计与模块化方法3.4.2
环境长期时变作用的模型化研究基于长期监测数据的环境时变作用（如长期脉动风荷载、长期车辆流動荷载、腐蚀环境作用、日/季温度变化等）模型与模型参数确定方法。3.4.3结构材料、构件和整体损伤的演化规律研究基于长期监测数据的结構材料、构件和整体损伤演化规律及其分析、识别、预测与建模
