地下設(shè)施的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)——技術(shù)方面的問題與挑戰(zhàn)

1、地下設(shè)施的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)方面的問題與挑戰(zhàn)摘要由于土地的稀缺，許多城市規(guī)劃者正在認(rèn)真考慮地下空間，來滿足住宅，商業(yè)，交通，工業(yè)以及城市發(fā)展的需要。除了節(jié)約土地資源，地下建筑物提供的好處包括，對(duì)于地震和颶風(fēng)防范的安全性，避免了城市噪音。然而，由于獨(dú)特的設(shè)計(jì)以及施工，在項(xiàng)目施工和運(yùn)營(yíng)期間，它們需要嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（SHM）方案，尤其是在附近的地面有著重要的建筑物時(shí)。進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)可以有助于減少潛在的危險(xiǎn)，確保更好的性能和促進(jìn)深入理解整體的結(jié)構(gòu)性能。本文討論了重要的技術(shù)問題和地下建筑物的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)所面臨的挑戰(zhàn)。詳細(xì)地概述了可用的傳感器技術(shù)以及全面監(jiān)測(cè)的方法，特別強(qiáng)調(diào)了地下作業(yè)所遇到的情況。也強(qiáng)調(diào)了這種

2、監(jiān)測(cè)的實(shí)際好處，通過幾個(gè)涉及地下結(jié)構(gòu)的真實(shí)案例進(jìn)行了研究。1. 序論民用基礎(chǔ)設(shè)施是任何一個(gè)國(guó)家重要資產(chǎn)的重要組成部分之一。它們未能履行最佳狀態(tài)水平，會(huì)影響該國(guó)的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值。然而，在世界許多地區(qū)，民用基礎(chǔ)設(shè)施的日益老化正在給土木工程師造成不可預(yù)見的維護(hù)問題。這也促使積極研究在實(shí)時(shí)和自動(dòng)化結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（SHM）的發(fā)展，它也促進(jìn)了關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的持續(xù)監(jiān)測(cè)以及人員參與的最小化。SHM的定義是建筑物的運(yùn)行情況和荷載環(huán)境的監(jiān)測(cè)，以及跟蹤和評(píng)估操作事件的任何癥狀，異常和破壞/損傷。這可能影響其平穩(wěn)運(yùn)行，適用性或者安全可靠性。破壞/損傷可能是由材料屬性，幾何結(jié)構(gòu)，邊界條件，系統(tǒng)的連接以及加載環(huán)境所引起的。

3、因此，綜合的SHM監(jiān)測(cè)要求對(duì)各個(gè)方面進(jìn)行密切監(jiān)測(cè)。 目前SHM相關(guān)的絕大多數(shù)研究只專注于表面結(jié)構(gòu)，例如橋梁和建筑物。幾個(gè)現(xiàn)實(shí)中的橋梁已經(jīng)全面進(jìn)行了儀器的安裝，并且正在監(jiān)測(cè)運(yùn)行中。然而，由于地下結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和技術(shù)的發(fā)展能力的有限，最近已經(jīng)吸引了全世界的城市開發(fā)者的關(guān)注。支持地下結(jié)構(gòu)建設(shè)的最重要的論據(jù)之一就是它們能夠緩解土地資源稀缺的壓力，特別是在那些大都市。通過地下工程所節(jié)省的有用的地面空間，可以被用來進(jìn)行其他的社會(huì)工作，或者可以進(jìn)行生態(tài)公園的建立/保護(hù)。此外，地下結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是不易受到極端事件所損傷的，例如地震，風(fēng)暴/颶風(fēng)。與地面建筑物相比，不易受到噪音污染。在存儲(chǔ)易燃碳?xì)浠衔锖推渌ｋU(xiǎn)化學(xué)品

4、方面，它們也比起地面結(jié)構(gòu)更加安全。地下空間也不會(huì)受到電磁波的影響，對(duì)于電磁相關(guān)的研究/制造比較理想。新加坡的地下科學(xué)城的提議很好的反映了地下工程的趨勢(shì)。圖1顯示了所提議的科學(xué)城的概念設(shè)計(jì)，它將容納杰出的科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室。這種結(jié)構(gòu)不會(huì)以任何方式影響當(dāng)前地區(qū)的園林綠化，也不會(huì)與任何環(huán)境問題產(chǎn)生沖突。這種杜絕噪音的環(huán)境對(duì)于實(shí)驗(yàn)室里的研究是很理想的。圖1.新加坡的地下科學(xué)城的概念設(shè)計(jì) 然而，不像地面的建筑物，地下建筑物的設(shè)計(jì)和施工更為復(fù)雜和昂貴。它們往往會(huì)在施工中和運(yùn)營(yíng)中遇到前所未有的困難。通常，許多復(fù)雜的巖土工程和環(huán)境參數(shù)無(wú)法在設(shè)計(jì)階段中考慮到。因此，它們中的大多數(shù)可能會(huì)被保守或者錯(cuò)誤的估計(jì)，從而導(dǎo)致

5、不經(jīng)濟(jì)或者不安全的設(shè)計(jì)。遺憾的是，施工完成之后，設(shè)計(jì)假設(shè)往往得不到驗(yàn)證。因此，一個(gè)比較全面的儀器設(shè)備在地下結(jié)構(gòu)施工間能為外部荷載，應(yīng)力分布，變形以及持續(xù)發(fā)生的損傷提供長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，從而保證了高水平的安全性。同時(shí)，它可以作為設(shè)計(jì)驗(yàn)證的手段以及作為未來施工節(jié)省開支參考的數(shù)據(jù)庫(kù)。這就使得那些還不是很熟悉的施工技術(shù)或者一項(xiàng)已知的技術(shù)超出正常范圍內(nèi)的應(yīng)用，變得息息相關(guān)起來。最近發(fā)生在新加坡的實(shí)例突出了這一事實(shí)，2004年4月20日，在Nicoll大道環(huán)形捷運(yùn)路線（MRT）的施工期間，一個(gè)臨時(shí)擋墻，它支持著一個(gè)鄰近Nicoll大道的33米深的基坑，在毫無(wú)警示下坍塌了，導(dǎo)致橫跨的六車道公路的大面積塌陷。這場(chǎng)事

6、故的地點(diǎn)，如圖2所示，面積有著兩個(gè)籃球場(chǎng)那么大。除了造成一個(gè)重要交通網(wǎng)絡(luò)的關(guān)閉以外，事故造成了四人死亡以及多人受傷。平時(shí)這個(gè)時(shí)候交通非常擁堵，而幸運(yùn)的是，事故發(fā)生時(shí)沒有車輛行駛，否則，傷亡會(huì)更大。圖2.坍塌后的Nicoll大道 雖然事件還在調(diào)查之中，由調(diào)查委員會(huì)的臨時(shí)報(bào)告間接指出，在設(shè)計(jì)和旋噴樁的施工中，形成了擋土系統(tǒng)的一部分。委員會(huì)指出，在不熟悉的施工技術(shù)下，更應(yīng)該強(qiáng)調(diào)噴射灌注樁的定期檢測(cè)。預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間的比較，以及關(guān)鍵路口的定期檢測(cè)能夠盡早察覺有害趨勢(shì)。特別的是，報(bào)告指出“有需要將來自各個(gè)檢測(cè)儀器的信息進(jìn)行整合，將關(guān)鍵的信息相關(guān)聯(lián)到作業(yè)場(chǎng)所會(huì)有什么事情發(fā)生，以及施工中每一個(gè)細(xì)節(jié)的質(zhì)量。

7、”Nicoll大道的倒塌，嚴(yán)重強(qiáng)調(diào)了施工期間SHM的必要，特別是在城市中心，在那里關(guān)鍵性的建筑物很可能位于暗挖/施工地點(diǎn)上方的地面上。在嚴(yán)重?fù)p傷或者土支護(hù)結(jié)構(gòu)失效以前，SHM可以提供足夠的預(yù)警。 雖然SHM的重要性是大家公認(rèn)的，但是被確認(rèn)為總體地下資產(chǎn)管理系統(tǒng)的一個(gè)至關(guān)重要的因素，它還沒發(fā)展到這個(gè)階段。其最主要的原因就是SHM還沒有成為實(shí)踐方面的相關(guān)準(zhǔn)則。另一個(gè)原因是，到目前為止，關(guān)于地下結(jié)構(gòu)的詳細(xì)的成本效益分析還沒執(zhí)行過。同時(shí)，更為廣泛的來講還沒有有效的方法來認(rèn)證。 本文解決的主要問題涉及到了地下結(jié)構(gòu)的SHM。詳細(xì)地描述了各種類型的傳感技術(shù)，特別強(qiáng)調(diào)了地下條件下所遇到的問題。借助了一些實(shí)例研

8、究以及作者們進(jìn)行的研究，來證明了SHM的實(shí)際優(yōu)勢(shì)。2.SHM的傳感器系統(tǒng) 只有在所有關(guān)鍵部位的傳感器系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，才能實(shí)現(xiàn)全方位的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，很難想象只使用任何一種傳感器就能追蹤完整的結(jié)構(gòu)行為以及監(jiān)測(cè)到所有可能的結(jié)構(gòu)異常。因此，全面監(jiān)測(cè)要求部署作用上能夠相互互補(bǔ)的傳感器系統(tǒng)，并且要保留一定的冗余。這是為了在沒有引起監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體崩潰的條件下，一部分傳感器不能正常運(yùn)行是允許的。此外，觸感器以及相關(guān)的數(shù)據(jù)檢索系統(tǒng)應(yīng)能承受住施工以及運(yùn)行期間的所遭遇到的地下惡劣環(huán)境。 一般說來，SHM傳感器可以分為表面貼附式和嵌入式兩種。如果表面貼附式傳感器在任何階段發(fā)生了故障，是可以替換的。然而，對(duì)于嵌入

9、式傳感器的維修以及更換來說，是非常有限的。因此，嵌入式傳感器，如果應(yīng)用在地下結(jié)構(gòu)中的話，其性能應(yīng)該特別強(qiáng)大和持久的。下面部分就介紹了各種傳感系統(tǒng)的工作原理，這些系統(tǒng)可用于地下結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)。根據(jù)地下結(jié)構(gòu)所遇到的情況，來突出了他們的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。2.1應(yīng)變計(jì) 應(yīng)變計(jì)是結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測(cè)方面使用的最為廣泛的傳感器。在結(jié)構(gòu)的表面，應(yīng)變是由彎曲，扭曲，剪切，拉長(zhǎng)/壓縮所引起的變形。因此，應(yīng)變測(cè)量能夠捕捉到元件性能的好壞。因?yàn)槠溆行У男阅埽詫?duì)于時(shí)間和溫度測(cè)量很穩(wěn)定。此外，它具有較小的尺寸和慣性，并且在應(yīng)變范圍內(nèi)能夠表現(xiàn)出線性響應(yīng)。商業(yè)應(yīng)變計(jì)有著各種類型，有機(jī)械的，電氣的或者光電的。下面是成功商業(yè)化的突出類型的各

10、種應(yīng)變計(jì)。2.1.1振弦式應(yīng)變計(jì)(VWSG)圖3顯示了一個(gè)典型VWSG的制造細(xì)節(jié)，一個(gè)VWSG主要使用一根預(yù)應(yīng)力不銹鋼鋼絲組成，它的兩端被固定在耳狀物上，耳狀物是點(diǎn)焊而成以及構(gòu)成監(jiān)測(cè)組成部分。傳感器線圈，固定在電線之上。當(dāng)通電時(shí)，線圈會(huì)張拉電線，同時(shí)測(cè)量下所產(chǎn)生的振動(dòng)頻率。從振動(dòng)原理來看，振動(dòng)的自然頻率f，與電線中的張力F有關(guān)。在這里L(fēng)是表示電線的長(zhǎng)度，m是單位長(zhǎng)度的質(zhì)量。應(yīng)變力的任何改變，即，會(huì)引起張力的的相應(yīng)改變，即F。因此，自然頻率也就改變了f。對(duì)于較小的應(yīng)變力，可以使用胡克定律，應(yīng)變力的改變可以表示為在這里Y表示電線的彈性模數(shù)，A表示電線的橫切面積。圖3.振弦式應(yīng)變計(jì)如果VWSGs用于

11、結(jié)構(gòu)部分的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，可能會(huì)受到溫度波動(dòng)的影響。在解讀它們的讀數(shù)時(shí)，應(yīng)該特別注意。如果結(jié)構(gòu)部分和VWSG有著相同的熱膨脹參數(shù)。如果監(jiān)測(cè)的部分是沒有條件限制的，那么就作為自由熱膨脹應(yīng)變力T以及溫度的變化T處理。因此，在被監(jiān)測(cè)的部分以及VWSG中，不會(huì)有額外的壓力產(chǎn)生。VWSG的讀數(shù)也就不會(huì)受到任何改變。如果外部荷載施加到了結(jié)構(gòu)的某個(gè)部分，那么應(yīng)變力就有所增加。因此，在實(shí)際情況下，兩者影響效果（熱膨脹和外部荷載）會(huì)被疊加起來，而VWSG將只撲捉來自于外部荷載產(chǎn)生的應(yīng)變力。因此，如果所檢測(cè)部分的熱膨脹系數(shù)和VWSG的相同的話，就沒有必要對(duì)VWSG測(cè)量的應(yīng)變力數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。但是，所測(cè)部分的熱膨脹系數(shù)不同

12、的話，即。如果該結(jié)構(gòu)部分沒有其他限制條件的話，那么在VWSG中的應(yīng)變力就等于（-）T。這個(gè)結(jié)果是不真實(shí)的，因?yàn)檫@并不能引起被檢測(cè)部分的任何壓力。因此，一般來說，當(dāng)荷載和溫度波動(dòng)同時(shí)發(fā)生時(shí)，被測(cè)的應(yīng)變力m 應(yīng)該改為：VWSG在地下結(jié)構(gòu)的使用中性能很好，即使振動(dòng)，線路也不會(huì)隨著時(shí)間衰減，所以它們非常適合長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。它們可以很容易的點(diǎn)焊到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件上去。這做工儀器技術(shù)在連接新加坡和馬來西亞的大橋中得到了采用，在1997年的施工中廣泛的安裝了VWSGs。甚至8年以后，這些安裝在大橋上的VWSGs仍然可以運(yùn)作。Oosterhout(2003)提到了主要基于VWSGs關(guān)于地下結(jié)構(gòu)的一個(gè)類似的監(jiān)測(cè)方案

13、。時(shí)間長(zhǎng)達(dá)5年。這就清楚地證明了VWSGs的性能強(qiáng)大和壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。VWSGs的主要缺點(diǎn)就是，它們只適合于測(cè)量靜態(tài)壓力，因?yàn)樗麄冃枰尉€。它們也容易受到周圍環(huán)境振動(dòng)的形式的外部噪音。如果安裝在外部（例如深基坑中用于支撐臨時(shí)擋土墻的鋼支柱上），需要采取特別保護(hù)來避免受到日常施工作業(yè)帶來的損害。2.1.2 電應(yīng)變計(jì)（ESG）ESGs基于的原理是，在機(jī)械應(yīng)力的作用下，導(dǎo)體中的電阻會(huì)隨著荷載產(chǎn)生的壓力引起相應(yīng)比例的變化。ESG基本上是由薄金屬箔網(wǎng)格，粘結(jié)到薄且堅(jiān)韌以及靈活的聚酰亞胺塑料薄膜上。它能夠粘結(jié)在被測(cè)部分的表面，如圖4(a)所示。聚酰亞胺薄膜給應(yīng)變計(jì)與被測(cè)部分之間提供了電絕緣性。當(dāng)結(jié)構(gòu)部分受到

14、荷載時(shí)，它的應(yīng)力就背轉(zhuǎn)移到了箔網(wǎng)格上，其電阻也隨之變化。電阻的相對(duì)變化，箔網(wǎng)格的R/R與應(yīng)變力的關(guān)系是：其中Sg 稱作測(cè)量因素或者ESG的校正常量。在用于應(yīng)變力計(jì)制造的大多數(shù)合金中，其變化范圍在2-4之間，如銅鎳合金，鎳洛合金。應(yīng)變計(jì)的輸出R/R通過惠斯通電橋電路，被轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，如圖4(b)所示。這個(gè)電路的輸出電壓Vo由下式可知：輸入電壓Vi,由應(yīng)變計(jì)消耗的電能來決定，這又取決于應(yīng)變計(jì)的長(zhǎng)度（一般是0.2mm和100mm）以及應(yīng)變計(jì)的初阻值。輸出電壓值的范圍是每單位應(yīng)力的1至10V之間。圖4.（a）電應(yīng)變計(jì)箔片, (b)惠斯通電橋電路.像VWSGs，由ESG所測(cè)的應(yīng)變力需要進(jìn)行基于溫度影響

15、的補(bǔ)償。溫度的變化會(huì)引起Sg的變化，同樣也會(huì)初阻值（R）的變化，另外會(huì)引起不真實(shí)的應(yīng)變力值，等于 （-）T。溫度相關(guān)的變化很小，以100來算，通常不足溫度變化的1%。因此，在日常壓力分許中，除非預(yù)計(jì)的溫度的變化有好幾百度，否則它們可以忽略不計(jì)。其他影響中，如考慮虛假值的變化可由下式知： 在這里，c表示應(yīng)變計(jì)合金的電阻率溫度系數(shù)。如果在式6中的系數(shù)為零或者相互抵消的話，那么溫度可以得到補(bǔ)償。然而，這種情況很少發(fā)生，而且也只有在非常狹窄的溫度范圍內(nèi)才能實(shí)現(xiàn)。因此，一般來說，把式5中的R/R減去式6，就可以得到修正值。 由于其脆弱性，ESGs在安裝期間需要相當(dāng)?shù)刈⒁?。此外，電噪聲也?jīng)常干擾ESGs，

16、因?yàn)閬碜杂诨菟雇姌螂娐返妮敵鲭妷褐挥袔缀练Ｐ疫\(yùn)的是，通過使用纏繞的導(dǎo)線做成適當(dāng)?shù)慕拥仄帘?，使電噪聲能夠減少到允許的水平。此外，ESGs非常容易受到水的腐蝕。在新加坡，地下洞體的錨桿監(jiān)測(cè)中，經(jīng)常會(huì)遇到這樣的問題。因此，如果在地下結(jié)構(gòu)中使用，ESGs必須適當(dāng)密封起來，在那里，它們很可能會(huì)遇到過于潮濕的問題。一般說來，在很長(zhǎng)一段時(shí)間中，與VWSGs相比較，ESGs往往不穩(wěn)定。因?yàn)檫@個(gè)原因，大多數(shù)的長(zhǎng)期研究中提到使用VWSGs，而不是ESGs。然而，由于其低成本性，在短期監(jiān)測(cè)中，往往首選ESGs而不是VWSGs。2.1.3基于應(yīng)變計(jì)的光纖布拉格光柵（FBG）光學(xué)纖維，是非常纖細(xì)的玻璃和硅纖維，利用

17、了光纖特性來產(chǎn)生光電信號(hào)，來表示能夠測(cè)量的外部物理參數(shù)。雖然它們最初的開發(fā)是處于通信的目的，從90年代開始，它們作為傳感器使用已經(jīng)有了相當(dāng)大的共識(shí)。由于各種現(xiàn)有的光纖技術(shù)，F(xiàn)BG已經(jīng)被證實(shí)是用途最廣的。布拉格光柵是一種周期性結(jié)構(gòu)，通過將感光的纖維暴露到紫外光源中來制成。圖5說明了基于應(yīng)變計(jì)的FBG的工作原理。如圖所示，當(dāng)光從寬帶光源與光柵接觸時(shí)，當(dāng)其他信號(hào)傳輸時(shí)，一種單一的波長(zhǎng)，被稱為布拉格波長(zhǎng)，被反射回來。布拉格波長(zhǎng)，B，與光柵強(qiáng)度，以及有效折射參數(shù)neff關(guān)系如下： 光纖中的外部機(jī)械應(yīng)變力通過光柵周期的膨脹或者壓縮以及光彈性效應(yīng)，來改變布拉格波長(zhǎng)。同樣的，溫度變化也能引起光柵周期和折射率的

18、變化。這些影響提供了手段，即采用光纖光柵寫入到纖維中，以此來作為傳感器的部件去測(cè)量應(yīng)變力以及溫度。由于外部的干擾，會(huì)引起布拉格波長(zhǎng)的改變。應(yīng)變力的改變，溫度的改變T，以及壓強(qiáng)的改變P，定量的描述為 在這里，K，Kp以及KT分別表示為應(yīng)變力（），溫度（T），壓強(qiáng)（P）的波長(zhǎng)靈敏度系數(shù)。因此，以便作為應(yīng)變力傳感器使用（在沒有壓強(qiáng)），測(cè)量的應(yīng)變力需要對(duì)溫度進(jìn)行糾正。通常，這需要安裝個(gè)額外的FBG，靠近應(yīng)變力FBG，而不是粘附在結(jié)構(gòu)上面。溫度單獨(dú)變化，可以測(cè)到波長(zhǎng)的改變。然后對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償。此外，在VWSGs以及ESGs中，應(yīng)變力假值（-）T，由于纖維和結(jié)構(gòu)的熱膨脹性不同，還必須從測(cè)量到的應(yīng)變中消除。

19、圖5.基于傳感器的FBG的制作和原理在新加坡的南洋科技大學(xué)（NTU），一項(xiàng)全面的研究計(jì)劃正在進(jìn)行中，開發(fā)用于民用結(jié)構(gòu)的具有成本效益和持久的FBG傳感器。NTU研究的這種應(yīng)變力傳感器主要由FBG，大約10mm長(zhǎng)，夾在碳復(fù)合材料層中（50mm長(zhǎng)，0.5mm后），如圖6所示。Moyo（2002）在實(shí)驗(yàn)室一定大小的結(jié)構(gòu)上，對(duì)這種FBG傳感器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評(píng)估，通過靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試，證明了在民用結(jié)構(gòu)上廣泛使用的可能性。其他的一些基于地面結(jié)構(gòu)的FBG傳感器的應(yīng)用也已經(jīng)提到過。Liu等人（2002）證明了在進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中它們的可適用性。圖6.NTU研發(fā)的基于應(yīng)變力傳感器的FBGFBG傳感器體積小，重量輕，耐腐

20、蝕，經(jīng)久耐用。VWSGs和ESGs需要導(dǎo)線用來記錄數(shù)據(jù)，長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)時(shí)，會(huì)受到電磁干擾和噪聲干擾。另一方面，F(xiàn)BG傳感器不受電磁干擾以及可以復(fù)用，因此消除了長(zhǎng)纜的使用。然而，與VWSGs和ESGs比較起來，它們非常的脆弱。出于這個(gè)原因，在民用結(jié)構(gòu)上安裝FBG傳感器，由于惡劣的環(huán)境，往往會(huì)導(dǎo)致大部分的傳感器不能正常工作。與ESGs和VWSGs相比，它們尚未完全成熟納入標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域的使用。另外，與傳統(tǒng)傳感器系統(tǒng)相比，該測(cè)量系統(tǒng)和傳感器相對(duì)比較昂貴。2.2SHM中其他通常使用的傳感器系統(tǒng)表1總結(jié)中SHM中通常使用的變形測(cè)量計(jì)，加速度計(jì)，壓力傳感器以及溫度傳感器的顯著特點(diǎn)。下一節(jié)介紹壓阻式傳感器，它最近已經(jīng)

21、成為了普遍使用的損傷檢測(cè)傳感器。2.3壓阻傳感器不像上述的傳感器，壓阻傳感器是比較新型的傳感器，到現(xiàn)在只有10年的時(shí)間。它們沒有測(cè)量任何直接的物理參數(shù)如壓力，應(yīng)力或者溫度。相反，它們是獲取主結(jié)構(gòu)體的特征來分析存在的任何結(jié)構(gòu)損傷。使用了壓電傳感器的技術(shù)就是所知的機(jī)電阻抗技術(shù)（EMI），甚至能夠監(jiān)測(cè)到早期損傷。壓阻傳感器是由壓電材料例如鋯鈦酸鉛（PZT），以及也指壓電陶瓷片或者PZT片。圖7（a）顯示了一個(gè)典型的商用PZT傳感器，適合用作壓阻傳感器。根據(jù)壓電現(xiàn)象，PZT片呈現(xiàn)出兩種特殊的效應(yīng)。隨著機(jī)械應(yīng)力，它們會(huì)產(chǎn)生表面電荷響應(yīng)。應(yīng)用在飛機(jī)上。這就是所謂的直接效應(yīng)。相反，它們經(jīng)受了機(jī)械變形，通過它

22、們的厚度產(chǎn)生電場(chǎng)效應(yīng)，這就是逆效應(yīng)。EMI技術(shù)就是使用這兩種效應(yīng)，同時(shí)協(xié)同進(jìn)行的。在EMI技術(shù)中，使用高強(qiáng)度環(huán)氧粘合劑以及通過阻抗分析儀通電激活的手段，把PZT片粘附到被測(cè)結(jié)構(gòu)的表面。在這種配置中，PZT片（長(zhǎng)度為2l，寬度w，厚度h）表現(xiàn)為受到軸向振動(dòng)的一個(gè)細(xì)桿，如圖7（b）所示。一個(gè)機(jī)電系統(tǒng)的模型如圖7(c)所示，其結(jié)構(gòu)由兩個(gè)相同的機(jī)械阻抗Z所替代。耦合系統(tǒng)的復(fù)雜機(jī)電導(dǎo)納Y（阻抗的倒數(shù)）可以得出：圖7(a)商用化的PZT片，(b)EMI技術(shù)的原理，（c）系統(tǒng)的等同模型在這里d31是PZT材料的壓電應(yīng)變參數(shù)，Y E 是在恒定電場(chǎng)下的楊氏系數(shù)，是恒定應(yīng)力下的介電常數(shù)，Za是PZT片的機(jī)械阻抗，

23、是角頻率，是波數(shù)。 機(jī)電耦合由式（9）是用在EMI技術(shù)的損失監(jiān)測(cè)中。在這個(gè)等式中，主結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗Z表示著結(jié)構(gòu)參數(shù)的功能。即剛度，阻尼和質(zhì)量。任何對(duì)結(jié)構(gòu)造成的損失都會(huì)引起這些參數(shù)的變化，因此，這些變化，即驅(qū)動(dòng)點(diǎn)機(jī)械阻抗Z。從式（9）可以看出，機(jī)電導(dǎo)納，Y，也會(huì)改變，以及作為結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的一個(gè)指標(biāo)。由于激發(fā)的高頻率，EMI對(duì)于損傷有著很高的靈敏度，通常是超聲波技術(shù)所規(guī)定的。通常情況下，在裸眼看見之前，該技術(shù)能夠監(jiān)測(cè)彎曲和剪切裂縫。借助一個(gè)實(shí)例，圖8說明了怎樣通過所檢測(cè)到的導(dǎo)納，來解讀損傷。一個(gè)大小為50*48*10mm的鋁塊，上面安了一個(gè)大小為10*10*0.3mm的PZT片（圖8（a）。在結(jié)構(gòu)

24、中鉆入兩個(gè)5mm直徑的小孔，來進(jìn)行損傷誘導(dǎo)試驗(yàn)。圖8（b），顯示了在180-200KHz的頻率范圍內(nèi)，電導(dǎo)（導(dǎo)納的實(shí)部）上的誘導(dǎo)損傷的影響。由于該損傷，可以觀察到一個(gè)主要的共振峰值，已經(jīng)進(jìn)行了左移。一個(gè)簡(jiǎn)單但是粗略的方法是利用統(tǒng)計(jì)量詞來量化損傷，例如根據(jù)未損傷與損傷的狀態(tài)，均方根偏差或者相關(guān)系數(shù)。然而，最近，Bhalla和Soh通過確定結(jié)構(gòu)參數(shù)，制定了一個(gè)參數(shù)化的方法。例如主結(jié)構(gòu)的固有剛度和阻尼。使用這種方法，發(fā)現(xiàn)鋁塊的已確認(rèn)的剛度從初始狀態(tài)的5.18*107N/m減少到損傷后的4.55*107 。在嚴(yán)重?fù)p傷下校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)參數(shù)，能夠從測(cè)量的電導(dǎo)納簽名中很容易的解讀。由于其高靈敏度，EMI技術(shù)在過去

25、八年里引起了人們廣泛的研究。它在傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)中也有一些其他優(yōu)點(diǎn)，它得依靠荷載，壓力或者應(yīng)變力的測(cè)量得以發(fā)揮。因?yàn)樗恍枰槐O(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的任何復(fù)雜的分析或者數(shù)值模擬。它采用了低沉本，低能耗要求的PZT片，它能夠以非嵌入的方式粘附在被監(jiān)測(cè)物體上，可以不需要進(jìn)行表面處理就能夠被訪問。不需要復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理或者昂貴的硬件。借助一組這樣的傳感器，可以很容易地確定損傷的位置。對(duì)于損傷的靈敏性，該技術(shù)比起全面監(jiān)測(cè)的方法具有優(yōu)勢(shì)。幾個(gè)概念證明了無(wú)損檢測(cè)（NDE）在EMI技術(shù)的應(yīng)用。圖8.EMI技術(shù)的應(yīng)用:(a)測(cè)試結(jié)構(gòu)；（b）基于電導(dǎo)簽名的損傷影響雖然EMI技術(shù)已被證明對(duì)于損傷有高靈敏性，技術(shù)細(xì)節(jié)例如傳感器的封裝，

26、儀器儀表以及長(zhǎng)期保護(hù)尚未被標(biāo)準(zhǔn)化。因此，在地下結(jié)構(gòu)中使用EMI技術(shù)之前，需要特別的考慮。NTU最近正在進(jìn)行一項(xiàng)全面的研究方案，來開發(fā)基于EMI技術(shù)的低成本實(shí)用SHM系統(tǒng)。其中包括可實(shí)現(xiàn)的PZT-structure 維像模型以及損傷定位和定量算法的研發(fā)。美國(guó)的研究小組正在積極研究開發(fā)低成本和便攜式的簽名采集系統(tǒng)以及無(wú)線技術(shù)，這將使得技術(shù)更加經(jīng)濟(jì)和在未來標(biāo)準(zhǔn)化。3.地下結(jié)構(gòu)的SHM帶來的益處：實(shí)例研究這部分介紹了新加坡和世界其他地方，關(guān)于地下設(shè)施的監(jiān)測(cè)和儀器設(shè)備方面的經(jīng)驗(yàn)以及結(jié)果。具體來說，強(qiáng)調(diào)了這些儀器的實(shí)用好處。3.1使用VWSGs進(jìn)行深基坑圍護(hù)的監(jiān)測(cè)臨時(shí)墻，由橫向的支柱支撐，通常用來地下室開

27、挖時(shí)基坑四周的圍護(hù)。Coutts等人(2001)提到了在新加坡修建兩個(gè)大型捷運(yùn)站（MRT）時(shí)，基坑中土壓力的監(jiān)測(cè)。這次開挖由驅(qū)動(dòng)型軍用樁和木材絕緣材料來進(jìn)行臨時(shí)圍護(hù)。由多層雙 I型梁橫向支撐。在Serangoon站最大的開挖深度為25m, Woodleigh站為23.4m。為了監(jiān)測(cè)一支I型橫梁的荷載，兩個(gè)VWSGs被安裝在了該網(wǎng)絡(luò)中，頂部與底部法蘭之間的距離為100mm。兩個(gè)應(yīng)變計(jì)所得到測(cè)量平均值，確保了消除任何彎曲應(yīng)變的可能性。應(yīng)變計(jì)安裝在距離橫梁兩端3m處的位置，是為了避免可能的末端作用。不需要進(jìn)行溫度的修正，假設(shè)應(yīng)變計(jì)和支撐的熱膨脹系數(shù)幾乎相同。通過監(jiān)測(cè)支撐上的應(yīng)力，調(diào)查人員發(fā)現(xiàn)，用不同

28、的理論預(yù)測(cè)所測(cè)到的土壓力有著明顯的差別。在Serangoon站，測(cè)到的土壓力比理論預(yù)測(cè)要低得多，而在Woodleigh站，則又是另一回事。有人還發(fā)現(xiàn)，在一些支撐的位置，壓縮力超過了他們?cè)O(shè)計(jì)值高達(dá)51%。利用測(cè)得的土壓力，工作人員能夠正確的估計(jì)到土壤參數(shù)，這是被用來精確計(jì)算土壓力，以及確保在其他車站臨時(shí)支撐更安全，更經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)。Batten等人（1999）同樣提到了關(guān)于圓形鋼支撐的應(yīng)力和溫度監(jiān)測(cè)，這些支撐的直徑大約1m，支撐著地下基坑的臨時(shí)圍護(hù)擋土墻。在支撐的任何監(jiān)測(cè)斷面，安裝的四個(gè)特別VWSGs,其中有內(nèi)設(shè)的熱敏電阻（同時(shí)記錄應(yīng)變力和溫度）。圖9顯示了在每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的VWSGs的安裝示意圖。V

29、WSGs被安裝在每根支撐的兩端，以及每隔兩小時(shí)記錄數(shù)據(jù)。熱敏電阻的存在使得溫度的測(cè)量更加的便利，使得所測(cè)的應(yīng)變力能夠得到精確的溫度補(bǔ)償，以及對(duì)溫度變化所引起的荷載變化的估計(jì)。支撐上的溫度上升，所測(cè)得的值通常只有固定狀態(tài)中的52-63%。因此Batten等人（1999）建議，根據(jù)最大的支撐應(yīng)變力，經(jīng)常對(duì)應(yīng)變力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。它還指出，在夏天，支撐頂部的溫度比底部的要高12。從而導(dǎo)致了附加的彎矩。如圖9所示的配置，關(guān)于xx和yy軸處的彎矩被確定為：其中，Y表示支撐的楊氏彈性系數(shù)，I表示慣量力矩，表示所測(cè)量的修正后的應(yīng)變力，x和y是應(yīng)變計(jì)的坐標(biāo)。軸荷載為：其中，A表示支撐的橫截面積。Batten和同事建議

30、，特別是如果從支撐兩端附近所需的儀器的實(shí)際情況出發(fā)，在每個(gè)橫截面至少安裝四個(gè)應(yīng)變力計(jì)。由于不均勻的應(yīng)力分布，即使是很嚴(yán)重，平均計(jì)算能夠消除錯(cuò)誤。Batten和同事還強(qiáng)烈建議，重復(fù)讀數(shù)來消除外來的噪聲的影響，特別是周圍環(huán)境的振動(dòng)。圖9.安裝有VWSG的支撐的截面 對(duì)支撐荷載進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以幫助節(jié)約臨時(shí)支架系統(tǒng)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)開支。對(duì)于工作人員以及在周邊地區(qū)的一般公眾，這也可以確保一個(gè)更加安全的工作環(huán)境，防止地下開挖時(shí)發(fā)生事故。3.2大型地下洞室的變形監(jiān)測(cè) 簡(jiǎn)單的儀器可以極大地幫助工程師作出有關(guān)安全的決定，優(yōu)化和升級(jí)洞體的支撐，從而防止不必要的資源浪費(fèi)。被監(jiān)測(cè)的地下結(jié)構(gòu)是一個(gè)大型巖體洞室。23米寬和57米

31、高，如圖10所示。挖掘工作完成之后，為期30個(gè)月的監(jiān)測(cè)期，監(jiān)測(cè)到洞室頂部的沉降。從這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)觀察到，緩慢但不斷發(fā)生0.024毫米/月的沉降。這種小而持續(xù)的運(yùn)動(dòng)是工程師們關(guān)注的問題，雖然從視覺上看沒有不良的癥狀。為了糾正這個(gè)問題，需要用額外的長(zhǎng)錨桿來對(duì)洞室頂部進(jìn)行支撐，為了驗(yàn)證改造后的效果，沉降監(jiān)測(cè)又持續(xù)了三年。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，用長(zhǎng)錨桿進(jìn)行支撐非常有效，如圖10。這個(gè)事例表明了進(jìn)行洞室以及施工完后其他結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的好處。圖10.大型地下洞室的屋頂沉降監(jiān)測(cè)3.3由于附近建筑物所引起的隧道變形的監(jiān)測(cè)上世紀(jì)八十年代中期，在新加坡的中央商業(yè)區(qū)進(jìn)行了龐大的地下隧道工程，作為捷運(yùn)工程的一部分。大部分隧道采用了隧道掘

32、進(jìn)機(jī)和只有少部分的采用了常規(guī)開挖。捷運(yùn)公司的操作規(guī)程是，不允許任何建筑物接近隧道，那樣可能會(huì)使隧道發(fā)生超過15mm的位移。然而，中央商務(wù)區(qū)土地的稀缺性，需要在建筑物的附近修建捷運(yùn)線。其中一個(gè)工程就是重建Tan Tock Seng醫(yī)院。Sharma等人（2001）進(jìn)行了詳細(xì)的描述。該項(xiàng)目涉及到一座15層的附有兩層地下室的醫(yī)院的建設(shè)。大的基坑開挖，約長(zhǎng)200米，寬為140米，以及深為15米。圖11顯示了布局以及斷面的開挖工作計(jì)劃。如圖所示，雙MRT隧道，直徑為6米，縱橫穿越了預(yù)期的施工地點(diǎn)。由于開挖引起的地表的應(yīng)力釋放，可以預(yù)測(cè)到會(huì)發(fā)生顯著的位移。圖11.（a）工地的布局（b）雙隧道的斷面有限元分

33、析（FEM）表明，隧道的位移有可能在被允許的范圍內(nèi)。然而，由于隧道的重要屬性，為了確保規(guī)范的要求，要進(jìn)行廣泛的現(xiàn)場(chǎng)儀器檢測(cè)。地面儀器包括水豎管計(jì)，壓力計(jì)，測(cè)斜儀（圖11(a)的I1,I2,I3），沉降標(biāo)志。此外，兩套自動(dòng)隧道位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，每一套安裝有一個(gè)電動(dòng)全站儀。這些系統(tǒng)所測(cè)量到的隧道位移，都是基于一些穩(wěn)定的遠(yuǎn)離開挖現(xiàn)場(chǎng)的參考點(diǎn)（因此，不可能受到開挖的影響）。在這些系統(tǒng)中，在開挖以及施工中，對(duì)隧道襯砌的位移進(jìn)行不斷的監(jiān)測(cè)。由儀器測(cè)得的最大的水平位移是6毫米，采用有限元的方法預(yù)測(cè)的是8.0毫米。同樣的，最大的垂直位移是3.8毫米，由有限元的方法預(yù)測(cè)的是3.0毫米。因此，儀器提供了一個(gè)直接的證據(jù)

34、表明，工地的施工沒有違反規(guī)范的要求，以及捷運(yùn)可以安全運(yùn)營(yíng)。3.4用于檢測(cè)地下結(jié)構(gòu)的光纖系統(tǒng)Inaudi等人（1994,1995）提到，用于地下結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測(cè)的光纖低相干干涉測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。這個(gè)系統(tǒng)從1到50米的范圍內(nèi)，能夠監(jiān)測(cè)到位移精確到10m。因此，它是從全面而非局部的應(yīng)力來測(cè)量的。這個(gè)技術(shù)包括使用兩個(gè)單一模式的通信光纖，一個(gè)以機(jī)械的方式與結(jié)構(gòu)連接，另一根則在臨近的管線中。低相干雙邁克爾遜干涉儀，通過干涉條紋的形成，能檢測(cè)到兩根光纖中的波長(zhǎng)的不同之處。因?yàn)椋灰菩盘?hào)是以相干光的特性進(jìn)行編碼，而不是其強(qiáng)度，該技術(shù)避免了光纖中連接器的損失或改變。它能夠測(cè)量到光纖上的多個(gè)點(diǎn)位。該系統(tǒng)對(duì)于地下結(jié)

35、構(gòu)的檢測(cè)非常強(qiáng)大，便攜式，防水以及有電池供電。 Inaudi和同事提到了，該技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室里測(cè)試（涉及到混凝土梁）所取得的成功，梁的大小為1*0.5*5m，處于壓力的條件下。在檢測(cè)到大平板的干燥收斂以及熱變形時(shí)，板的大小為20*5*0.5m。他們也提到，在檢測(cè)一些現(xiàn)實(shí)地下結(jié)構(gòu)，如用于支撐巖壁的錨索的檢測(cè)（光纖用來測(cè)量錨頭和灌漿區(qū)之間的長(zhǎng)度變化），以及沿混凝土灌注樁長(zhǎng)度上的應(yīng)力的監(jiān)測(cè)（光纖連接到加固鋼筋上）。 隨著FBG的出現(xiàn)，這比低相干干涉檢測(cè)更加的先進(jìn)，在使用光纖技術(shù)進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)檢測(cè)時(shí)，有著更好的前景。3.5使用FBG系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)力的檢測(cè) Liu等人（2002）制定了一個(gè)基于動(dòng)態(tài)應(yīng)力監(jiān)測(cè)的F

36、BG，能夠檢測(cè)到地下結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)，高達(dá)5KHz。研究人員證實(shí)，通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，用于硬巖的基坑支撐的錨桿，通過將粘附在錨桿的頭部來作為傳感器頭。圖顯示了研究人員的安裝方案。在這個(gè)系統(tǒng)中，一個(gè)dB的分布式反饋激光器（DFB），波長(zhǎng)范圍是1548.75-1551.25mm，通過一個(gè)光纖環(huán)形器，發(fā)出了一個(gè)波長(zhǎng)得到優(yōu)化的信號(hào)。部分信號(hào)被光柵反射回來，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。得到強(qiáng)化了的光信號(hào)提供了一個(gè)對(duì)錨桿進(jìn)行應(yīng)變力測(cè)量的方法。這個(gè)系統(tǒng)能夠在1.7kHz的頻率中，監(jiān)測(cè)到10-9 的應(yīng)力。然而，該系統(tǒng)由于激光的不穩(wěn)定性，易于受到噪音干擾。從光纖到連接器中也易受到干擾，以及地下的惡劣環(huán)境。這表明了，一個(gè)強(qiáng)大的激

37、光源，再加上一個(gè)自適應(yīng)過濾算法，能夠有效地降低噪音水平，同時(shí)提高系統(tǒng)的靈敏性。 圖12.Liu等人提出的測(cè)量系統(tǒng)3.6地下隧道的結(jié)構(gòu)檢測(cè) Bakker（2000）提到，全面調(diào)查包括，在施工期間以及完工后，對(duì)荷蘭的Second Heinenoord 和Botlek鐵路隧道進(jìn)行檢測(cè)。Oosterhout（2003）也發(fā)表了另外的結(jié)果。這些調(diào)查者采用了的整體方法包括預(yù)測(cè)，監(jiān)測(cè)和評(píng)估，這三部分。 使用了一維分析和三維有限元模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)關(guān)于整個(gè)系統(tǒng)的組裝的假設(shè)也是較完美的。即沒有失調(diào)和缺陷。另外，對(duì)隧道橫斷面的均勻應(yīng)力的分布也進(jìn)行了預(yù)測(cè)。 為了監(jiān)測(cè)，沿著隧道的不同地點(diǎn)的兩個(gè)環(huán)面，安裝有應(yīng)變力計(jì)和壓

38、力傳感器和線性可變差動(dòng)傳感器（LVDTs）。為了應(yīng)變力的監(jiān)測(cè)，一共安裝有5對(duì)VWSGs，安裝在每一個(gè)部分的分辨率為1 m/m，能夠測(cè)量?jī)蓚€(gè)軸向和三個(gè)切向的應(yīng)變力。忽略時(shí)間的衰變，VWSG的準(zhǔn)則是可以采用的。此外，安裝有兩個(gè)壓力小器件（由汞填充而成的儲(chǔ)液囊，具有0-3500kPa的范圍和1kPa的分辨率）。LVDTs具有精確度為正負(fù)5mm和25m的分辨率。它安裝在了兩個(gè)臨近環(huán)來測(cè)量軸向位移，以及在環(huán)的相鄰段之間來測(cè)量切向位移。一共有200個(gè)裝置，包括146個(gè)VWSGs，28個(gè)壓力小器件，18個(gè)LVDTs安裝在了兩環(huán)之間的部分，在施工中發(fā)現(xiàn)5個(gè)LVDTs已經(jīng)損壞了。在進(jìn)行實(shí)地檢測(cè)之前，通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，對(duì)應(yīng)變計(jì)的軸向力，切向力以及切向彎矩進(jìn)行校正。在1996年和1999年之間進(jìn)行了不斷的監(jiān)測(cè)。在