1  引言
    目（mù）前我國土木工程事故頻繁發生，如橋梁的突然折斷（duàn）、房（fáng）屋驟然倒塌等，造成了重大的人員傷亡和財產損失，已經引起（qǐ）人們對於重大工程安全性的關心（xīn）及重視。另外，我國有一大部分橋梁和基礎設施都（dōu）是（shì）在20世紀五六（liù）十年代建造的，經過這麽（me）多年的使用，它們的安全性（xìng）能如何？是否對人民的生命財產構成威脅？這些都是亟待回答的問題。近（jìn）些年，地震，洪水、暴風等自然災害（hài）也對這些建（jiàn）築（zhù）物和結構造成不同程度的損傷；還有一些人為的爆炸等（děng）破壞性行為（wéi），如（rú）美國世貿大樓倒塌（tā）對周（zhōu）圍建築物的影響。這些越來越引起人們的密切關注。
對重大工程結構的結構性能進行實時的監（jiān）測和診斷，及時發現結（jié）構的損傷，並評估其（qí）安全性，預測結（jié）構的性能變（biàn）化和剩餘壽命並做出維護決定，對提高工程結構的（de）運營效率，保障人民生命財產（chǎn）安（ān）全有極其重（chóng）大的意義，已經成為現代（dài）工程越來越迫切的要求，也是土木工程學科（kē）發展的一個（gè）重要（yào）領域。結（jié）構健康監測係（xì）統可以實時采集反結構服役狀況的相關（guān）數據（jù），采用一定的損傷識別算（suàn）法判斷損傷的位置與程度，及時有效地評估結構的安全性，預測結（jié）構的性能變化並對突發事（shì）件進行預警，因而可以較全麵地把握結構建造與服役全過程的受力與損傷演化（huà）規律，土木是保障大型工程結構隱建（jiàn）造和服役安全的（de）有效手段之一（yī）。
2  健康監測係統（tǒng）的基本概念 
  結（jié）構健康監測（structural health monitoring，SHM）是指利用現場的無損傳感（gǎn）技術，分析通過包括結（jié）構響應在內（nèi）的結構係統特性，達到檢測結（jié）構損（sǔn）傷或退化的一些（xiē）變化。
損傷識別：工程結構一（yī）般會（huì）受到兩種損傷（shāng），即（jí）突然損傷和積累損傷。突然損傷由遭地震、洪（hóng）水、颶風、爆炸等（děng）嚴重的自然或人為（wéi）災害等突發事件（jiàn）引起，而積累損傷（shāng）則一般是結構在經過長時期使用後緩慢累積的損（sǔn）傷，具有緩慢積累的（de）性質。對於損（sǔn）傷識別的目標，有工程（chéng）師提出了損傷檢測的5個層次：判斷結構中是否有損傷產生，損傷定位，識別損傷類型，量化損傷的嚴重程度，評（píng）估結構的（de）剩餘壽命。理想的損傷識別方法應該具備的另一重要性能是，能夠區（qū）分結構建模誤（wù）差引起的偏差與（yǔ）結構損傷引起（qǐ）的偏差間的區別。
安全性評（píng）佑：結構安全性評估是基於健康監測和損（sǔn）傷識別的基礎上，通過各（gè）種可能的、結（jié）構允許的測試手段（duàn），測試其當前的工作（zuò）狀態，並與其臨界（jiè）失效狀態進行比較，評價其安全等級。對予不同的結構（gòu），其重要程度不同（tóng），安全等級也應該有所差（chà）別。安全（quán）性評估（gū）與可靠性不同，可靠性為一種概率，一種可（kě）能性；而安（ān）全性評估旨在給出確定的安全等級（jí）。
 
3  結構健康監測係統組成及其功能分析
    結構的健康（kāng）監測是（shì）一種實時的在線監測技術。一般健康監（jiān）測係統包括以下幾個部（bù）分：
(1)傳感器子係統。傳感器（qì）子係統為硬件係統，功能為感知結構（gòu）的荷載和效應（yīng）信息，並以（yǐ）電、光、聲、熱等物理量形式輸出。該子（zǐ）係統是健康監測係統最前（qián）端和（hé）最基礎的子係統。
(2)數（shù）據采集與處理及（jí）傳輸子係統。包括硬件和（hé）軟（ruǎn）件兩部分，硬件係統包括數據傳輸電纜/光纜、數模轉換(A/D)卡等；軟（ruǎn）件（jiàn）係（xì）統將數字（zì）信號以一定方式存儲在計（jì）算機（jī）中，數據采集通用軟件平台有Visual Basic，VC++，Delphi，Lab Windows或Lab View等。采集的數據（jù）經預處理後存儲（chǔ）在數據管理子係統中，數據采集（jí）子係統是聯係傳感器子係統與數據管（guǎn）理子（zǐ）係統的橋梁（liáng）。
(3)損傷識別、模型修正和安全評定與（yǔ）安全預警子係統，由損傷（shāng）識別軟（ruǎn）件、模型修正（zhèng）軟件、結構安全評定軟件（jiàn）和預警設備組成。在該係統中，一般首先運行損傷識別軟件（jiàn），一旦識別結構發生損傷（shāng），即運行模型（xíng）修正軟件和安全評定軟件。若出現（xiàn）異（yì）常（cháng），則由（yóu）預警設備發出報警（jǐng）信息。損傷識別軟件通常由計算分析軟（ruǎn）件平台開發，如MATLAB等；模型修正和安全評定軟（ruǎn）件一般是結構分析軟（ruǎn）件，如ANSYS和結構（gòu）分（fèn）析（xī）設計專門軟件等。損傷識別是在結構反應信息基礎上進行的，結構反（fǎn）應信（xìn）息由數據（jù）采集子係統采集後存儲在數據管理子係統中。因此，損傷識別軟件運行時，首先能夠從數據管理子係統中自（zì）動讀取結構反應信（xìn）息數據。損傷（shāng）識別和（hé）模型修正以及安全評定的結果將作為（wéi）結構的曆史檔案數據（jù）存（cún）儲在數據管理子係統中。因此，損傷識別和模型修正以及安全（quán）評定的結果將（jiāng）能夠自動存入（rù）數據管理子（zǐ）係統中。
(4)數據管理子係統，它的核心為數據庫係統。數據庫管（guǎn）理結（jié）構建造信（xìn）息（xī）、幾（jǐ）何信息、監測信息和分析結果等全部（bù）數據，它是結構（gòu）健康鑒（jiàn）測係統的核心，承擔著健康監測係統的數（shù）據（jù）管（guǎn）理功能。
 
4  結構健康監測係統在國內外（wài）的應用情況
    在國外，結構健康監測係統已有較多的應用，除應用於大跨（kuà）橋（qiáo）梁外，已經開始應用到高層複雜建築的監測。日本（běn）的明石海峽大橋為主跨1991 m的3跨（kuà）雙鉸懸索橋，於1998年4月5日通（tōng）車，是本州一四國（guó）聯絡線橋。該橋抗（kàng）震設計要求可以抵抗距震中150km的裏氏（shì）8．5級地震，抗風設計的設計風速在橋（qiáo）麵處為60m/s。明石海峽（xiá）大橋的建（jiàn）造采用了最（zuì）新的抗風（fēng）、抗震設計（jì）法，所以不（bú）僅必須檢驗設計（jì）時的假定，而且還要檢驗結（jié）構在強風和強震中的一些相關常數。另外需要監控其基本結構特性，即在（zài）正常狀態中溫度（dù）和其它條（tiáo）件發生變化（huà）時橋梁的行為。為調查這些項目，安裝了一套監控係統。在觀測中，采用GPS來（lái）監測梁和塔（tǎ）的變（biàn）形（xíng）。
    在國內，近幾年結構健康（kāng）監測係統的應用逐漸增多，但由於健（jiàn）康監測係統集成技術複雜，成本昂貴，我國的健康監測係統多應用於大跨橋梁。虎門大橋位於珠（zhū）江入海口，是連接珠江三角洲東西兩翼的交通樞紐工程。虎門大橋全長4 606m，主橋是跨徑888m的懸索橋，主梁采用扁平（píng）閉口流（liú）線型截麵鋼箱梁。由於（yú）虎門大橋位於熱帶風暴多發地區（qū），所以對橋梁的安全問題需要特別（bié）考慮和重視。廣（guǎng）東虎門大（dà）橋（qiáo）有限公（gōng）司、清華大學（xué）土木工程係和廣州大地興科技儀器有限公司研究開發了虎門大橋健康（kāng）監測係統。該係統主要包括虎門（mén）大橋三維位移GPS實時動態監測係統和（hé）虎門大橋應變監測數據處理（lǐ）係統。
 
5  存在的問（wèn）題及發展方向
    本（běn）文闡述了土木工程結構健康監測的基本（běn）概（gài）念、健康監測係統（tǒng）組成和（hé）功能（néng）、以及目前的（de）研究應用現狀（zhuàng），重點討論了健康監測（cè）係統組成中的一些關鍵問題。就現在結（jié）構健康監測及診斷的研究發展水平來看，仍然存在以下幾個尚待解決的問題：
(1)對結構健康狀（zhuàng）態的評價缺乏（fá）通用有效的損傷量化指（zhǐ）標。在基於振動的損傷（shāng）診斷中，要求測得的損（sǔn）傷狀態（tài）的信號應與原始的健康狀態的信號（hào）有明顯的差異，能夠準確地區分（fèn）出結構的損（sǔn）傷狀態和健康狀態（tài）。當前存在（zài）的（de）一個（gè）矛盾是，結構的自振頻率可準確測量，但自振頻率對局（jú）部損（sǔn）傷不敏感；振型(尤其（qí）是高階振（zhèn）型)變化對局部損傷敏感，但卻難以精確測（cè）量。因此（cǐ），應該提出一種通用有效的損傷量（liàng）化指標(或是針對某一類結構比較有效的動力指紋)，把結構的（de）健康狀況進行簡單的分（fèn）級量化。
(2)由於大（dà）型土木工程結構都是複雜非線性係（xì）統，而神經網絡和遺傳算法具有不需要知道係統的精確（què）模型（xíng）就可進行相應運算的（de）特點，因此在結構的健（jiàn）康監測（cè）和診斷方麵具有廣闊的應（yīng）用前景。小波分析由於有刻（kè）畫細節（jiē）的能（néng）力，在數據的處理方麵也具有一定的優勢。但各個方法均有其缺陷和（hé）局限性，綜合使用幾（jǐ）種方法（fǎ）有時會（huì）獲得更好的分析效果。
(3)傳感器的優化布設是土木（mù）工程結構健康監測和診斷中的一個重要問題，出於對經濟和結構運行狀（zhuàng）態等因素的考慮，應該做到使用盡量少的傳感器獲取盡可能多的結構信息。
(4)微波等（děng）無線（xiàn）通訊技術將是結構健康監測的重要發展方向，無線監測係統可以大大減少結構上信號（hào）線（xiàn）的安（ān）裝數量，節約成本，不必擔心信號線的老化對（duì）信號采集的影響，具（jù）有廣闊的（de）應用前景。
(5)結構健康（kāng）監測係統的研究是近年來土木工程領域發展的重點課題，但目前結構健康監測係統的設計與開發還缺乏（fá）統一的標準或規程。