A Summary Review of Recent Advances in Research on Structural Health Monitoringfor Civil Engineering Structures
　　王春濤WANG Chun-tao（南昌（chāng）大學科技（jì）學院，南昌330000）（Nanchang University College of Science and Technology，Nanchang 330000，China）
　　摘要院對於經過長時間運（yùn）行的結構，以及經曆（lì）了各種災害影響的結構，其安全性（xìng）備受關（guān）注（zhù）。結構健康監測可較好地評估結構的安全性。結構健康監測的（de）核心是結構損傷診斷，對（duì）損傷診斷各種方法進行了匯總分析，並對（duì）今後的結構健康（kāng）監測和損傷診斷進行了展（zhǎn）望。
　　Abstract: For the long time running structure and the structure suffered of various disasters, structural safety is widely concerned. Thesafety of structure can be evalsuated by structural health monitoring (SHM). The point of SHM is structural damage diagnosis. Variousmethods of damage diagnosis are analysised, and the structural health monitoring and damage diagnosis is prospected.
　　關鍵詞院結構工程；結構健康監測；綜述；損傷識別
　　Key words: structural engineering；health monitoring；review；damage diagnosis
　　中（zhōng）圖分類號院（yuàn）TU317 文獻標（biāo）識碼院A 文章編號院1006-4311（2014）02-0063-020
　　引（yǐn）言很多大型土木工程結構在受到各種災害時，其結（jié）構的可靠性會下降；即使（shǐ）沒有經曆（lì）大型災害，很多（duō）結構因為經曆了長時間的運行，受到（dào）環境（jìng）侵蝕、材料老化、荷載效應等影響，其結構也會受到一定損傷，使抵抗自然災害、正（zhèng）常荷載以及（jí）環境（jìng）作用的能力下降。一旦結構關鍵構件的損傷（shāng）積累到一定程度，可能導致整個結（jié）構的突然毀壞，從而引發災難（nán）性（xìng）的突發事故（gù）。因此，及時監測結構的健康狀況，對結構早期損傷進行維修，保證結構性能從而延長結（jié）構壽命，是保證人（rén）民生命財產安全的重要途徑。所（suǒ）以，結構健康監測成為了當（dāng）前國內外研究的熱點。
　　1 結構健康監測概述1.1 結構健康監測的含義結構健康監測(StructureHealth Monitoring,簡稱SHM)技術（shù）是根據探測到的響應，結合係（xì）統的特性（xìng）分析，通常在判斷結構損傷（shāng）的嚴重性和損傷的位置時會使用到這項技術。結構（gòu）健康監測的基本思想（xiǎng）是通過測量結構在超常荷載前後響應的變化來推斷結構特性（xìng）的變化，進而探測和評價結構（gòu）的損傷和位置，或者通過持（chí）續監測來發現結構的長期退化（huà）[1]。
　　未導入結構健康監測係統的結構會隨著結構使用年（nián）限的（de）增加而下降它的可靠性，同時它的維（wéi）護成本也會加大；但是已經（jīng）導入結（jié）構健康監測係統的結構的可（kě）靠性一（yī）直很穩定，其維護管理（lǐ）的成本也基本不變或漲幅不大。所以（yǐ），研究有效的健康監測（cè）、損（sǔn）傷識別（bié）、安全評定、損傷控製及修複技術，具有重（chóng）要意（yì）義。
　　1.2 結（jié）構（gòu）健康監測係統的組成結構健康監測是從實測的結構（gòu）動力響應信號中提取結構的參數和/或與結構參數有關（guān）的指標並由此推斷結構的損傷，是傳統結（jié）構動力學的（de）反（fǎn）問題，是傳感器（qì）技術、信號處理技（jì）術、結構動力學、概率（lǜ）統計、自動控製和數據庫（kù）等技術的交叉領域。
　　結構健康監測係統（tǒng）可以劃分為在線測試、實時分（fèn）析、損傷診（zhěn）斷、狀態評估以及（jí）維（wéi）護決策等5 個部分（fèn）[2]，其中，結（jié）構（gòu）健康監測的基礎是損傷識別，結構健康監測的核心是（shì）損傷定位與（yǔ）定量，在（zài）結構健康監測中，損傷（shāng）識（shí）別和損傷定位是（shì）最困難也是最關鍵的。

　　2 損傷（shāng）識別和定位的研究現狀因為基於結構動（dòng）態特性的損傷（shāng）診斷方法具有信（xìn）號易於提取、傳感器可以安裝在人們不易接近的結構部位，操作（zuò）簡單、快捷、經濟等優點，所以得到了廣泛應用（yòng），主（zhǔ）要檢（jiǎn）測方法可以歸為（wéi）三大類：第一類是基於有限元模型修正和係（xì）統識別方（fāng）法；第二類（lèi）是基於神經網（wǎng）絡的方法；第三類是基於應力波理論的方法，這三類（lèi）方法中又以第一類方法為主。
　　模型修正是利（lì）用直接或間接測知的模態參數、加速度（dù）時程記錄、頻率響應函數“（FRF）等構（gòu）造（zào）方程（chéng）誤差，通過條件優化約束，不斷地修正模型中的剛度分布（bù），從而得到結構（gòu）剛度變化的信（xìn）息，實現結構損傷判別與定位。基於有限元模（mó）型修（xiū）正基礎上的結構損傷識別方法主要有以下三種:淤優化矩陣法[3]；於靈敏度分析法[4]；盂（yú）控製基礎上的損傷識別方（fāng）法（fǎ）[5]。
　　目前神經網絡技術得到了廣泛的應用，也給結構（gòu）損傷識別帶來了新的發展機（jī）會。因為神經網（wǎng）絡技（jì）術反映的（de）是一（yī）種（zhǒng）網絡輸入與輸出的非線性映射關係，可以避免（miǎn）一般有限元模型修正基礎上的損傷識別方法要求必須建立結（jié）構物理參數與結構響應之間的函（hán）數關係以及因此可能帶來的一些問題，因此能被廣泛地應用於有限元模型修正及基於有限元模型修正基礎上的損傷識別當中。除此之外，一種無（wú）模型（xíng）的損傷識別方法也獲得（dé）了相應的進展。這類方法一般不采用結構有限元模型，希望（wàng）隻通過結構響應變化進行結構損傷（shāng）識別，並相應提出一些損傷指（zhǐ）標（biāo）。在基於（yú）結構動態特性的損（sǔn）傷診斷方法中常用（yòng）的損傷指標有：MAC（模態保證標準）[6]、COMAC（坐標模態保證（zhèng）標準）[7]、頻率[8]等。
　　3 結構健（jiàn）康（kāng）監測的（de）工程應用與展望從20 世紀80 年代中後期開（kāi）始，美國開（kāi）始在多座梁上布設監測傳感器，為了驗證設計假定（dìng）、監視施工質量（liàng）和實（shí）時評定服役安全狀態監（jiān）測，他們監（jiān）測（cè）了橋梁的環境荷載、結構振動和局部應（yīng）力狀態。1995 年，美（měi）國投資1.44 億美元，在90 座大壩配備了安全監測設備。香港青馬大橋安裝了500 個加速度傳感（gǎn）器、粘貼了大量的應變片和安裝了一套GPS 係統，用以監測橋梁的服役安全性。虎門大橋安裝了一套GPS 係統、在（zài）箱形橋麵梁內粘貼了應（yīng）變片，用以監測整體變形和局（jú）部應變。
　　結構健康監測在土木工程領域還隻能算剛起步，能用於實際工（gōng）程的成果較（jiào）少。目前來看以下幾個方麵的研究比較重要：淤探索適合（hé）土木工程結構的（de）模態識別方法具有重要意義（yì）。由於結構健康監測的很多理論是從機械行業移植過來，但畢竟土木和機械學科不（bú）同，有許多（duō）理論可能並不適用，因此，需要研究（jiū）適合土木（mù）工程（chéng）結構的模態識別方法。
　　於加強整（zhěng）個監測係統的耐久性。目前的大部分工作（zuò）集中在提高損傷識別和定位的準確性上，但監測（cè）是長期工作，監測係統（包括傳感器、數據傳輸係統、數據處理係（xì）統）在長期（qī）使（shǐ）用中如果出現錯誤，將導致整（zhěng）個（gè）監測的失敗。
　　盂研究更加合理的算法，使實時監控所得的數據通過算法能得到有用的結論以評估結果的（de）安全性。
　　榆建立結構健康監測的安全性（xìng）標準，隻有（yǒu）形成明確（què）的標準，才能根據監測結果明確判斷（duàn）結構的安（ān）全性。
　　參考文獻院[1]A Johnson, H F Lam, et al Phase I IASC-ASCE StructuralHealth Monitoring Benchmark Problem Using Simulated Data [J].Journal of Engineering Mechanics, ASCE January 2004:3-15.[2]李愛群（qún）,丁幼亮.工程結構損傷（shāng）預警理論及其應用（yòng）[M].北京:科學出版社,2007.[3]彭曉洪，丁錫洪.用模態參數識別結果對實際（jì）結構有限元（yuán）動力模型（xíng）的修正[J].振動與衝擊，1984,3:8-15.[4]J.M. Ricles and J.B. Kosmatka. Damage Detection in ElasticStructures Using Vibration Residual Forces and WeightedSensitivity. AIAA Journal, 1992, 30(9):2310-2316.[5]D.C. Zimmerman and M. Kaouk. Eigenstructure AssignmentApproach for Structural Damage Detection. AIAA Journal, 1992, 30(7):1848-1855.[6]R.J. Allemany and D.L. Brown. A Correlation Coefficient forModal Vector Analysis. Proc. of the 1st IMAC, 1982:110-116.[7]N.A.J. Lieven and D.J. Ewins. Spatial Correlation of ModeShapes, the Coordinate Modal Assurance Criterion (COMAC). Proc.of the 6th, IMAC, 1988:690-695.[8]Yong Xia, Hong Hao. Statistical Damage Identification ofStructures with Frequency Changes. Journal of Sound and Vibration,2003, 263(4):853-870.作者簡介院王（wáng）春濤（1971-），男，河（hé）南新鄉人，副教授，研（yán）究方向為結構工程、水工結構。