土木工程检测新技术

土木工程监测新技术

【摘 要】土木工程监测是土木工程结构研究、设计、施工，以及工程安全鉴定、评估中的重要环节。随着土木、材料、测量、计算机网络等技术的发展，传统监测方法的局限性变得日益明显，难以满足土木工程技术进一步发展的需要。在计算机网络技术和新型材料科学的发展的促进下，由此产生了一些新的结构健康监测技术。文章主要介绍了几项当前被广泛研究和关注的新技术，包括光纤光缆传感器技术及压电抗阻法技术。

【关键词】结构健康监测新技术；新型材料；光纤光栅传感器；压电阻抗法

0. 引言

结构的健康监测( Structural Health Monitoring, 简称SHM) 指利用现场的无损传感技术, 通过包括结构响应在内的结构系统特性分析, 达到检测结构损伤或退化的目的。结构健康监测的过程为:通过一系列传感器得到系统定时取样的动力和静力响应测量值, 从这些测量值中抽取对损伤敏感的特征因子, 并对这些特征因子进行统计分析, 从而获得结构当前的健康状况。任何土木结构都会由于材料本身老化、过度使用、环境侵蚀、缺乏维护等因素的影响而失效，有效的土木工程结构健康监测系统能够实时地诊断出缺陷（裂纹，锈蚀等）的位置和程度，使结构能得到及时的修复和加固，以确保结构的可靠性。

建国60年来，我国结构检测技术经历了从无到有、从单项到全面、从局部到整体的发展过程，检测的技术手段也日益发展，种类繁多，很多的结构损伤检测方法已经成功应用到各种土木工程结构或它们的构件中。如经典的静态应变（或位移）测试和振动识别方法，非破坏性检测方法：声发射技术、声/ 超声法、阻抗法、红外热像法、脉冲雷达法和X 射线等。

传统的结构试验和检测方法基本满足了结构工程科研和生产应用的需求，但多数方法都是定性的，难以进行实时的健康状态监测。随着科学技术的进一步发

展，特别是计算机网络技术和新型材料科学的发展，必然会对结构工程提出了精确化、智能化、网络化等要求，此时传统的检测方法已经无法满足土木工程技术发展的要求，由此产生了一些新的检测技术。智能材料（如光纤、压电材料、磁致伸缩材料和水泥基智能复合材料等）为土木工程结构长期的和实时的健康检测提供了新的方法。

1．光纤光栅传感器技术

1.1 光纤光栅传感器的结构及工作原理

光纤光栅是通过改变光纤芯区折射率, 产生小的周期性调制而形成的, 其折射率变化通常在10- 5～10- 3 之间, 通过紫外光曝光的方法将入射光的相干场图形写入纤芯, 在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化, 从而形成永久性空间的相位光栅, 其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。光纤芯中的折射率调制周期Λ由下式给出:Λ=λuv /2 sin ( θ/2) , 式中λuv 是紫外光源波长, θ 是2相干光束之间的夹角。

光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。光敏性是指激光通过掺杂光纤时, 光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性。而在纤芯内形成的空间相位光栅, 其实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射) 滤波器或反射镜。利用光纤材料的光敏性, 通过紫外激光在光纤纤芯上刻写一段光栅, 当光源发出的连续宽带光通过传输光纤射入时, 在光栅处有选择地反射回一个窄带光, 其余宽带光继续透射过去, 在下一个具有不同中心波长的光纤光栅处反射。当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变等物理量发生变化时, 光栅周期或纤芯折射率随之发生变化, 使反射光波长发生变化, 通过测量变化前后反射光波长的变化, 就可以获得待测物理量的变化情况。

1.2 光纤光栅传感器的应用特点

光纤光栅传感器作为一种新型光纤传感器, 对大多数物理量直接感应, 可同时感应温度和应变, 还可以进行多个物理量的同时测量, 其应用领域非常广泛。同时FBG 传感器阵列可以实现分布式的传感网络, 对物体进行多点测量, 提取相关的信号, 进行状态分析, 达到示警以及故障诊断的目的。其主要技术应用

优势包括:

( 1) 可靠性好、测量精度高, 单路光纤上可以制作多个光栅的能力可以对大型工程进行分布式测量, 其测量点多, 测量范围大;

( 2) 抗电磁干扰能力强;

( 3) 光纤光栅是无源传感器, 不受电磁场的影响, 也不发热, 特别适于电磁场强烈的环境;

( 4) 光纤光栅的材料是非金属材料，耐腐蚀能力强;

( 5) 光纤光栅传感器调制的是波长信号，不存在多值函数问题, 与光源、传输和连接件的损耗等强度信息没有关系, 因而对环境干扰不敏感;

（6） 光纤光栅可以单端输入和单端检测, 减少了埋入光纤与探测元件的数量, 特别适于物理量(如应变和温度场等) 的测量。

尽管光纤光栅传感器具有上述许多优点, 但是在实际应用中还是存在一些问题。目前, 限制光纤光栅传感器应用的最主要障碍是传感信号的解调即光纤光栅传感器分析仪, 正在研究的解调方法很多, 但能够实际应用的解调产品并不多, 而且价格较高, 如果用于多点监测的分布式传感器网络系统中成本将更高。光纤光栅传感器应用中的问题如下:

(1) 由于光源带宽有限, 而应用中一般要求光栅的反射谱不能重叠, 因此, 可复用光栅的数目受到限制;

(2) 如何实现在复合材料中同时测量多轴向的应变, 以再现被测体的多轴向应变形貌;

(3) 如何实现大范围、高精度、快速实时测量;

(4) 当温度和应变同时发生变化时, 传感器本身无法分辨出两者分别引起的反射中心波长的变化; 如何正确地分辨光栅波长变化是由温度变化引起的还是由应力产生的应变引起的, 也即是如何消除或区分应变及温度交叉敏感问题;

(5) 光纤光栅传感器制作材料比较脆弱, 所以它在使用过程中容易损坏; 需要对其进行封装处理, 研究开发出耐久性好的材料对其进行封装很有必要, 以延长传感器的使用寿命;

(6) 目前, 普通的光纤光栅传感器的检测精度较传统的应变电类检测传感器相对要低些, 研制开发出检测精度更高的适合桥梁的专用光纤光栅传感器势在

必行, 也是其广泛应用于未来桥梁结构健康监测系统的前提。

有效地解决上述问题对于实现廉价、稳定、高分辨率、大测量范围、多光栅复用的传感系统具有重要意义。

1.3 光纤光栅传感器在国内外实际工程中的应用

随着高智能传感材料和传感器解调技术的发展, 光纤光栅传感器系统的成本将降低, 而光纤光栅传感器由于其具有很多的技术优势, 因而是土木工程领域研究的热点。目前在国内外都有光纤光栅传感器应用工程的成功案例, 并且证实监测结果比较理想。目前, 应用光纤光栅传感器最多的领域当数桥梁的安全监测。

1.3.1 国内应用案例

(1) 南京长江第三大桥施工监测

南京三桥深水基础施工监测项目中共布设了397 个光纤光栅应变和温度传感器, 是目前国际上施工控制中布设光纤光栅应变和温度传感器最多的桥梁。该监测项目将光纤光栅温度传感器应用于南京三桥承台大体积混凝土温度场监测中取得了良好的控制效果, 带来了显著的社会和经济效益, 具有重要的推广应用价值。

(2) 哈尔滨四方台松花江大桥

该监测项目在桥上共布设了60 只光纤光栅传感器。历经近3 年的考验, 光纤光栅应变和温度传感器的成活率达到90%以上。在大桥成桥试验和运营阶段, 该监测系统较好地监测了结构的局部应变, 为成桥质量评价和运营阶段的安全评价提供了可靠的数据。

1.3.2 国外应用案例

(1) 加拿大卡尔加里附近的Beddington Trail大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一(1993年), 共安装了16个光纤光栅传感器对桥梁结构进行长期监测。

(2) 德累斯顿大学的Meissner 等人将布拉格光栅埋入桥的混凝土棱柱中, 测量荷载下的线性响应, 并用常规的应变测量仪器作了对比试验, 证实了光纤光栅传感器的应用可行性。

(3) 瑞士应力分析实验室和美国海军研究实验室, 在瑞士洛桑附近的Vaux

箱形梁高架桥的建造过程中, 使用了32 个光纤光栅传感器对箱形梁被推拉时的准静态应变进行了监测, 32 个光纤光栅分布于箱形梁的不同位置, 用法布里- 珀罗滤波器进行信号解调[6]。为了获得受损桥梁应变分布的更详细信息, 美国海军研究实验室在一座164 比例桥梁模型中埋入了60 个光纤光栅的传感系统, 对模型进行了破坏测试。

2．压电阻抗法技术

2.1 阻抗法基本原理

阻抗法是压电材料机电耦合效应在结构诊断方面的典型应用。其基本原理是：当结构处于某种状态时，它的机械阻抗也是恒定的。如果结构的状态发生变化(如出现损伤等) ，它的机械阻抗也会发生相应的变化。所以，可以通过测量结构的机械阻抗值来考察结构是否出现损伤，进而实现对结构健康状态的监测[2]。然而，对于结构的机械阻抗值进行直接测量是十分困难的。所以，可以通过测量贴在结构表面的压电片的电阻抗来间接测量结构的机械阻抗。对粘贴在结构表面的压电片施加交流电场(逆压电效应) ，压电片会产生机械振动，并带动本体结构产生振动。本体结构的机械振动又反作用于压电片，机械振动能够使压电片产生 图1 PZT-本体结构相互作用一维模型

电响应(正压电效应) ，表现为电阻抗的变化，在压电材料电阻抗的信号中就包含结构损伤状态的信息。通过与结构在无缺陷时的电阻抗信号进行比较，可以诊断结构的损伤情况。图1为压电片与本体结构的一维作用模型。

Sun 等利用PZT 片的波动方程推导出了在弹性约束下的与频率有关的导纳表达式为

式中，i 是虚数单位，ω是所加激励的角频率，w A 、h A 、l A 分别为 PZT 的宽度、厚度和长度， 是PZT 在零应力时的复介电常数，其中s 为介

是PZT 电损耗因数，d 3x 为PZT 在零应力任意x 方向的是压电常数，

在零电场时的复杨氏模量，其中η是PZT 的机械损耗因数，Z A 是PZT 的阻抗，Z 是

结构的机械阻抗。式(1-9)中的第一项是PZT 的电容性导纳值，随频率的增加而逐渐增大；第二项包括PZT 和本体结构的机械阻抗，本体结构出现损伤时其刚度和阻尼改变即本体结构的机械阻抗Z 发生变化，而PZT 粘贴在本体结构上，它本身的阻抗ZA 是不变的，因此本体结构的机械阻抗Z 唯一决定第二项的数值变化。因此，可认为任何导纳信号的改变都是由本体结构损伤所引起的。在此之后，又有许多学者对不同边界条件下的导纳表达式进行了推导。

2.2 阻抗法在土木工程结构健康监测中的研究进展

国外学者对利用阻抗法进行结构健康监测的研究开展较早。1995年，Sun 等人最先将该方法应用于复合结构桁架的损伤检测中，并验证了该方法的可行性。1998年，Ayres 等人应用压电陶瓷片钢桥模型节点连接情况进行了研究。传感器被贴于结构的关键部位，以检测节点松动而造成的局部损伤以及其对结构整体的影响。实验结果表明，该方法能有效地将损伤发现于初始阶段。1999年，Giurgiutiu 等人对结构节点焊缝进行了疲劳试验，采集粘贴在焊缝处的PZT 片的阻抗信号，利用欧几里德范数建立了损伤指标，并成功地利用损伤指标描述了结构刚度减小、损伤发展和剩余寿命之间的关系。2000年，新加坡南洋理工大学的Soh 和Tseng 等人进行了钢筋混凝土桥板模型健康监测实验。在实验中，压电陶瓷传感器被粘贴于结构的不同位置，通过比较压电陶瓷传感器在结构出现损伤前后的变化情况来判定结构的损伤信息，并利用均方根指数(RMSD)作为损伤程度的判定依据。实验结果表明，传感器测得电导纳值(阻抗的倒数) 的RMSD 值随着结构

损伤程度的增加而增大。

同时，导纳值的RMSD 指数还与传感器同损伤之间的距离有关。该实验实现了钢筋混凝土结构损伤的动态监测，从而也证明了压电阻抗法用于结构健康监测的有效性。新加坡南洋理工大学的Bhalla 等人对地震波作用下的一个两层钢筋混凝土框架模型进行监测，模型高5.8m, 宽3.3m ，共放置2个PZT 片，一个粘贴在一层梁底接近梁柱节点，另一个粘贴在二层梁底接近跨中的位置。首先对获得的信号进行分解，通过过滤惰性成分(inert-signa-tures)提取出对损伤敏感的活跃信号(active-signa-tures)进行分析，提出了一个新的复损伤量化指标，指标的实部表示由损伤引起的等效单自由度系统阻尼的改变，虚部表示与驱动点的PZT 有关的等效单自由度系统刚度—质量的改变。复损伤量化指标与传统的仅采用阻抗或导纳信号中的实部作为损伤指标相比能够得到更多的信息，且不需要结构原始状态的信息，损伤评价更有效。震动台试验结果表明，PZT 能够成功地识别钢筋混凝土框架结构的弯曲裂缝和剪切裂缝，复损伤指标对结构损伤更敏感。Bhalla 和Soh 基于有效阻抗的概念提出了一种简化模型，能够把PZT 和本体结构之间在两个方向的物理特性用一个阻抗值来表示，并利用这个新模型处理文献中的试验数据，把PZT-本体结构等效成串联的弹簧—阻尼系统，重点分析了一个PZT 的监测信号。分析结果表明，随着荷载的增大，等效系统的刚度减小而其阻尼增加，且阻尼的增加幅度要大于刚度的减小幅度，阻尼比刚度对结构损伤更敏感。目前，国内在该领域的研究还处于刚刚起步阶段。华中科技大学的徐茂华应用压电阻抗法对钢梁进行了损伤监测实验，在实验中采用在钢梁上刻痕的方法来模拟损伤，实验结果发现由于损伤的出现导致结构局部刚度的下降，PZT 电导纳频谱曲峰值对应的共振频率下降。且PZT 电导纳的实部比虚部对损伤更为敏感。他又利用压电阻抗法研究了混凝土龄期内强度变化规律与 PZT 电导纳变化规律的关系，将PZT 片贴在C20混凝土试块表面，随着混凝土试块龄期的增长，PZT 的导纳值也发生变化。但是在该项研究中，没能建立混凝土早期强度与导纳之间的关系。国防科技大学的熊先锋及南京航空航天大学的冯伟应用压电阻抗法对螺栓松动作了相关的实验研究。

2.3 压电阻抗法的优点

大量的研究证明，压电阻抗法是一种有效的结构健康监测方法。作为一种

有效的监测手段，压电阻抗法具有三个明显的优点：1) 采用的工作频率较高，一般在30kHz 至500kHz 之间，故其敏感范围限于压电片附近区域，这样远场作用如荷载、刚度和边界条件的影响将被隔离；2) 一片压电片既是传感器又是驱动器，应用了自驱动自感知的思想，可减少结构健康监测中仪器设备的使用数量；

3) 利用损伤与压电片之间的距离对压电片的电导纳值影响较大的特点，在大型结构表明布置传感器网络，可以有效的对损伤位置进行识别。但是，该方法也存在着一些缺陷，如难于直观的对损伤程度进行判定、传感器有效响应范围较小等。另外，在利用压电阻抗法进行结构损伤检测时，压电片往往贴在结构表面，如果被检测结构是大体积结构，那么压电片难于检测出结构内部的损伤。相信在国内外学者的共同努力下，当前存在的主要问题会一一克服，基于压电阻抗法的结构健康监测技术将会具有广泛的应用前景。

3. 结语

随着计算机、网络、材料及传感器等技术的迅速发展，土木工程健康检测技术也必将随之发展。目前国内外大量监测实例表明, 光纤光栅传感器由于测试精度高, 耐久性和重复性好, 抗电磁干扰能力强, 耐腐蚀性能高, 已经成为桥梁缺陷检测和结构健康监测的重要测试手段。它把原本没有生命的工程被赋予自感知与自诊断能力, 对于施工和监测具有重大意义。而以锆钛酸铅（PZT ）为代表的压电材料则依据正压电效应可实现传感功能，依据逆压电效应可实现驱动功能。且具有易加工、质量轻、不受外界环境影响、成本低廉以及适合实时监测等特点。将其制成智能传感器兼有驱动感知的双重功能，用于土木工程结构健康监测领域也具有十分明显的优势。随着智能传感技术的不断成熟, 土木工程缺陷检测和结构健康监测系统的成本将大大降低, 其应用前景也将更加广阔。

参考文献:

[1]黄艳红, 高晓蓉, 杜路泉. 光纤光栅传感器在土木工程结构健康监测中的应用. 西南交通大学光电工程研究所.

[2]周金政. 结构实验与检测中的若干新技术. 住宅科技/2010.12 .

[3]方 瑾. 混凝土无损监测常用方法综述. 安徽建筑/2011年第6期（总182期）.

[4]韩大建, 谢 峻. 大跨度桥梁健康监测技术的近期研究进展[J].桥梁建设,2002,(6): 69-73.

[5]韩志伟. 铁路客站大型复杂结构健康监测研究与思考. 铁道部工程设计鉴定中心.

[6]张 莺. 压电阻抗法及其用于土木工程结构健康监测中的研究进展. 科学时代·2009 年第02 期.

[7]徐庆军. 桥梁结构健康监测的最新研究和发展. 黑龙江交通科技2009年第9期(总第187期)