1 引言
　　目前我國土木工程事故頻繁發生，如（rú）橋梁的突然折斷、房屋驟然倒塌等，造成了重大的人員傷亡（wáng）和財產損（sǔn）失，已經引起人們對於重大工程安全性的關（guān）心及重視。另外，我國有一大部分橋梁和基礎設施都是在20世紀五六十年代建造（zào）的，經過這麽多年的使用，它們的安（ān）全性能如何？是否對人民的生（shēng）命財產構成威（wēi）脅？這些都是亟待回（huí）答的問題。近些年，地震，洪水、暴風等自然災害也對這些建築物和結（jié）構造成（chéng）不同程度的損傷；還有一些人為的爆炸等破（pò）壞性行為，如美國世貿（mào）大樓倒塌對周圍（wéi）建築物的影響（xiǎng）。這些越來越引起人們（men）的密切關注。
　　對（duì）重大工程結構的結構性能進（jìn）行實時的（de）監測和診斷，及時發現結構的損傷（shāng），並（bìng）評估其（qí）安全性，預測結構的性能變化和剩（shèng）餘壽命並做出維護決定，對提高工（gōng）程結構的運營效率，保障人民生命財產安（ān）全有極其（qí）重大（dà）的意義，已經成為現代工程（chéng）越來（lái）越迫切的要求，也是土木工程學科發展的一個重要領域。結構健康監測係統可以實時采（cǎi）集反結構服役狀況的相關（guān）數據，采用一定的損傷識別算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（cè）結（jié）構的性能變化並對突發事件進行（háng）預警，因而可以較全麵地把握結構建造（zào）與服役全過程的受力與損傷演化規律，土木（mù）是保障大型工程結構隱建造和（hé）服役安全的有效手段之一。
2 健康監測係（xì）統的基本概念
 　　結構健康監（jiān）測（structuralhealth monitoring，SHM）是指利用現場的無損傳感技術，分析通（tōng）過包括結構響應在內的結構係統特性（xìng），達到檢（jiǎn）測結構損傷或退化的一些變化。
　　損傷識別：工（gōng）程（chéng）結構一般會受到兩種損傷，即突然（rán）損傷和（hé）積累損傷。突（tū）然損傷由遭地震、洪水、颶風、爆炸等嚴重的自然或（huò）人為災害等突（tū）發事件引起，而積累損傷則一般是結構在經過（guò）長時期使用後緩慢累積的（de）損傷，具有緩慢積（jī）累的性質。對於損傷識別的目標（biāo），有工程師提出了損傷檢測的5個層次：判斷結（jié）構中是否有損傷產生（shēng），損傷定位，識別損傷類型，量化損傷的嚴（yán）重程度，評估結構的剩（shèng）餘壽命。理想的損傷識別方法應該具備的另一（yī）重要性能是，能夠區分結構建模誤差引（yǐn）起的偏差與結構損傷引起的偏差間的區別。
　　安全性評佑：結（jié）構安全性評估是基於健（jiàn）康監測和損傷識別的基礎上，通過各種（zhǒng）可能的、結構允許的測試手（shǒu）段，測試其當前的（de）工作狀（zhuàng）態，並與其臨界失效狀態進行比較，評價其安全（quán）等級。對予不同的結構，其重要程度（dù）不同，安全等級也應該有所差別。安全性（xìng）評估與可靠性不同，可靠性為一（yī）種概率，一（yī）種可能性；而安全性評估旨在給（gěi）出確定的安全等級。 
 3 結構健康（kāng）監測係統組成及其功能分（fèn）析
 　　結構的健康監測是一種實時的在線監測技術。一般健康監測（cè）係統包括以下幾（jǐ）個部分：
(1)傳感器子係統。傳感器子係統為硬件係統，功能為感知結構的荷載和效應（yīng）信息，並以電、光、聲（shēng）、熱等物（wù）理量形式輸出。該子係統是健康監測係統最前端和最基礎的子係統（tǒng）。
(2)數據采集與處理及傳輸子（zǐ）係統。包括硬件和軟件（jiàn）兩部分（fèn），硬件係（xì）統包括（kuò）數據傳輸電纜/光纜、數模轉換(A/D)卡等；軟件係統將數字信號以一定方式存儲在計算機中，數據采集通用軟件平台有Visual Basic，VC++，Delphi，Lab Windows或Lab View等。采集（jí）的數（shù）據經預處理後（hòu）存儲在（zài）數據管理子（zǐ）係統中，數據采（cǎi）集子係統是聯係傳感器子係統與數據管理子係統的橋梁。
(3)損傷識別、模型修正和安全評（píng）定（dìng）與安全預警子係統，由損傷識別軟件、模型修正軟件、結構安全（quán）評定軟件和預警設（shè）備組成。在該（gāi）係統中，一般首先運行損傷（shāng）識（shí）別軟件，一旦識（shí）別結構發生損傷，即（jí）運行模型修正軟（ruǎn）件（jiàn）和安全評定軟件（jiàn）。若出現異常（cháng），則由預警設備發出（chū）報警信息。損傷識別軟件通常（cháng）由計（jì）算分析軟件平台開發，如MATLAB等；模（mó）型修（xiū）正和安全評定軟件一般是（shì）結（jié）構分析（xī）軟件，如ANSYS和結構分析設計專門軟件等。損傷識別是在結構反應信息基礎（chǔ）上進行的，結構反應信（xìn）息由數據采集子係統采集（jí）後存儲在數據管理（lǐ）子係統中。因此，損（sǔn）傷識別軟件運行（háng）時，首先能（néng）夠從數據管理子係統中自動（dòng）讀取結構反應信息數（shù）據。損傷識別和（hé）模型修正以及安全評定的（de）結果將作為結構的（de）曆史（shǐ）檔案數據存儲在數據管理子係統中。因此，損傷（shāng）識別和模型修正以及安全（quán）評定的結果將（jiāng）能夠自動存入數（shù）據（jù）管理（lǐ）子係統中。
(4)數據管理子係統，它的核心為數據庫係統。數（shù）據庫管理結構建造（zào）信息、幾何信息（xī）、監測信息和分（fèn）析結（jié）果（guǒ）等全（quán）部數據，它是結構（gòu）健（jiàn）康監測係（xì）統的核心，承擔（dān）著健康監測（cè）係統的數據管理功能。 
 4 結構健康監測係統在國內外的應用情（qíng）況
 　　在國（guó）外，結構健康監測係統已有較多的應用，除應用於大跨橋梁外，已經開始應用到高層（céng）複雜（zá）建築的監測。日本的（de）明石（shí）海峽大橋為主跨1991 m的3跨雙鉸懸索橋，於1998年4月5日通車。該橋抗震設計要求可以抵抗距震中150km的裏（lǐ）氏8．5級地震，抗風設計的設計風速在橋麵處（chù）為60m/s。明石（shí）海峽（xiá）大橋的建造采用了最新（xīn）的抗風、抗震設計法，所（suǒ）以不僅必須檢驗設（shè）計時的（de）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（lìng）外需要監控其基本結構特性，即在正常狀態中溫（wēn）度和其它條件發生（shēng）變化時橋梁的行為。為調查這些（xiē）項目，安裝了一套監控係統。在觀測中，采用GPS來監測梁和塔（tǎ）的變形。
　　在國內，近幾年結構健康監測係統的應用逐漸增多，但由於健康監測係統（tǒng）集成技（jì）術複雜，成本昂貴，我國的健康監測係統多應用於（yú）大跨橋梁。虎門大橋位於珠江入海口，是（shì）連接珠江三角洲東西兩翼的交通（tōng）樞紐工程。虎門大橋全長4606m，主橋是（shì）跨徑888m的懸索橋，主梁采用扁平閉口流（liú）線型（xíng）截麵鋼箱梁。由於虎門大橋位於熱帶風暴多發地區，所以對橋梁的安全問題需（xū）要特別考慮和重視。因此特地研究開發了虎門大橋健康監測（cè）係統。該係統主要包括虎門大橋三維位移（yí）GPS實時動態監測係統和虎（hǔ）門大橋應變（biàn）監（jiān）測數據處理（lǐ）係統。 
5 存在（zài）的（de）問題及發展方向
　　本文闡述了土木工程結構健康監測的基本概念、健康監測係統組成和功能（néng）、以及目前的研究應用現狀，重點討論了健康監測係統組成中的一些關鍵（jiàn）問題。就現在結構健（jiàn）康監測及診斷的研究發展水平來看，仍然（rán）存在以下幾個尚待解決的問題：
(1)對結構健康狀態的（de）評價缺乏通用有效的損傷量化指（zhǐ）標。在基於振動的損傷診斷中，要求測得的損傷狀態的信號應與原始的健（jiàn）康狀態（tài）的信號有（yǒu）明顯的（de）差異，能夠準確地區分出結（jié）構的損傷狀態和健康狀態。當前存在的（de）一個矛盾是，結構的自振頻率可準確測（cè）量，但自振頻率對（duì）局（jú）部損傷不敏感；振型（xíng）(尤其是高階振型)變化（huà）對局部損傷敏感，但卻難以精確測量。因此，應該（gāi）提出一種通用有效的損傷量化（huà）指標（biāo）(或是針對某一類（lèi）結（jié）構比較（jiào）有效的動力指紋)，把結構的健康狀況進行簡單的分級量化。
(2)由（yóu）於大型土木工程（chéng）結構都是複雜非線性係統，而神經（jīng）網（wǎng）絡和遺傳算法具有不需要知道係統（tǒng）的精確（què）模型就可（kě）進行相應運（yùn）算的特點，因此在結（jié）構的健康監（jiān）測和診斷方麵（miàn）具有廣闊的應用前景。小波分析（xī）由於有刻畫（huà）細節的能力，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局限性，綜合使（shǐ）用幾（jǐ）種方法有時會獲得更（gèng）好的分析（xī）效果。
(3)傳感（gǎn）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（wèn）題（tí），出於（yú）對經濟和結構運行狀態（tài）等因素（sù）的考慮，應該做到使用盡（jìn）量少的傳感器獲（huò）取盡（jìn）可（kě）能多的結構信息。
(4)微波等無線通訊技術將是結構健康監測的重要發展（zhǎn）方向，無線監測係統可以大（dà）大減少結（jié）構上信號線的安裝（zhuāng）數量，節（jiē）約成本，不必擔心信號（hào）線的老化對信號采集的影響，具有廣闊的應用前（qián）景。
 (5)結構健（jiàn）康監測係統的研究是近年（nián）來（lái）土木工程領域發展的重點課題，但目前結構（gòu）健康監測係統（tǒng）的設計與開發還缺乏統一的標準或規（guī）程。