(完整版)土木工程智能結構系統(tǒng)-歐進萍

土木工程智能結構系統(tǒng)歐進萍大連理工大學哈爾濱工業(yè)大學

引言I.結構振動控制系統(tǒng)II.結構健康監(jiān)測系統(tǒng)III.智能混凝土、制品與結構引言重大工程大型結構、重要基礎設施、重大巖土工程自然災害作用●地震作用、強風作用、極值風浪作用

結構振動、地表塌陷、山體滑坡●工程災變危害●環(huán)境侵蝕、腐蝕作用鋼筋銹蝕、材料老化

損傷積累、抗力衰減●長期載荷、疲勞荷載地表塌陷、邊坡失穩(wěn)

---災害演變作用導致系統(tǒng)損傷積累的突然失效●工程活動的誘變?yōu)暮Φ卣馂暮μ粕降卣鹬校?4.2萬余人死亡、整座城市瞬間夷為平地神戶地震中，6000人死亡，35萬人受傷，300萬人無家可歸，損失超過1500億美元風致振動及其危害特殊的風振效應——渦激振動、馳振、顫振、抖振可能導致結構振動發(fā)散長期的風振效應將導致結構疲勞損傷與裂紋擴展巖土工程災變危害耐久性失效及危害鋼材腐蝕與疲勞損傷混凝土開裂與剝離結構抗力嚴重退化重大工程的災變危害已經成為制約工程活動和重大工程安全運行的關鍵問題危及社會和經濟的可持續(xù)發(fā)展

監(jiān)測與控制是重大工程災害（變）演化規(guī)律研究與安全保障的重要途徑自感知自診斷自適應自愈合航天飛行器結構健康監(jiān)測與自適應控制飛機機翼形狀自適應控制與疲勞損傷監(jiān)測土木水利大型結構健康監(jiān)測與控制急需智能材料與結構系統(tǒng)復合材料集成技術微電子技術計算機技術信息處理技術基礎結構智能結構系統(tǒng)傳感系統(tǒng)數(shù)據處理監(jiān)測診斷系統(tǒng)控制決策驅動系統(tǒng)

監(jiān)測、診斷與控制是智能結構系統(tǒng)的主要功能I.結構振動控制系統(tǒng)“智能”阻尼器（半主動控制）可控但只需要少量的動力主動控制系統(tǒng)可控但需要大量的動力被動控制系統(tǒng)（隔震與耗能減振）不可控也不需要動力結構振動控制分類50年代：結構變剛度概念—日本Kobori60年代：沙層或橡膠層基礎隔震結構—中國李立60年代末：疊層橡膠支座隔震—美國Kelly

基礎隔震發(fā)展70年代初：結構設置金屬耗能元件—美國Kelly

結構耗能減振發(fā)展72年：結構振動的現(xiàn)代控制方法—美國Yao

結構主動控制發(fā)展80年代末～90年代初：AMD、半主動控制系統(tǒng)

結構主動控制應用90年代：智能驅動材料的應用

結構振動的智能控制興起發(fā)展概況1.結構基礎隔震考驗：1995年日本神戶地震設計規(guī)程：我國及世界其它國家難題：結構豎向隔震近20年我國已經建成500余座隔震建筑2.結構耗能減振耗能減振體系的分析和設計方法線性非正交阻尼體系非線性體系設計指南和規(guī)程研究方向：結構抗災性態(tài)控制ViscousDamperProducts

VD-100,VD-200,VD-500Thereare4companiesformakingpassivedampers2.2SeismicDesignApproachesofPEDS

Theresponsespectrumwithdampingratio1~20%1)Modaldecomposedresponsespectrummethod2)Pushoveranalysis3)Timehistoryresponseanalysismethod《SeismicDesignCodeofBuildings》（GB50011-2001)SeismicDamageModel(Park&Ang,1985)i)SeismicDamageAnalysis(Ouetal,1993)2.3DamagePerformance-BasedDesignMethod(DPBDM)

——BasedonthecapacityspectrumNormalizedcumulativeenergydissipationparameter(Fajfar,1992)ifT1<1.5s,

h=[0.8,1.0],otherwise

h

0.8Seismicdamagemodelexpressedby

h

,

m

and

cuii)SeismicDamagePerformanceObjectives《SeismicDesignGuidelineofPEDSs》（Tobepublished)Performancecriterionofseismicdamage:iii)APracticalExample(OUetal,1999)SeismicDamagePerformance-BasedDesignofR.C.StructurefortheRefectoryofZhenrongMiddleSchoolinYunnanR.C.frame,2storiesSeismicfortifiedintensity>9degree

i.e.max.acceleration>0.4gTheevevationThePlaneof1thstoryThecomputationalmodelFrictionaldamperwithTcoreTheseismicdamageindexofstructureStoryWithoutdampersWithdampers10.9590.36520.5520.181Performancecriterionofseismicdamage:沈陽市政府大樓摩擦耗能器抗震加固（吳波、李惠等，1998）2.4ApplicationsofPEDSs128frictionaldamperswithmultiplefrictionallayers,themaximumdampingforce250kN,developedinHIT北京飯店抗震加固的粘滯耗能減振應用（王亞勇等，1999）DampingbraceStiffnessbraceStructureIStructureII156JARRET(Viscous-Spring)dampers,maximumdampingforce500kN北京火車站抗震加固的粘滯耗能減振應用（魏承基等，2000）28viscousdamperbyTaylorLdCo.,themaximumdampingforce1200kNSeismicresponsecontrolofJiangsuSuqianConstructionMansionusingviscousdamperbythecompanyofJiangsu,China(LIUWeiqianetal,2003)ShanghaiHuangpuFive-starHotel——AdjacentBuildingsConnectedbyOilDampers（LUXilinetal,2003)A60-storyultra-tallbuilding(333m)with10-storylargepodium(49.6m)connectedbyoildamperstoreducetheirtorsionalseismicresponseTheoildamper:

=0.15;C=250kNs/mThemaximumdampingforce:500kN,600kN40dampersbythecompanyinShanghai,ChinaHystereticalcurvesof0.5Hz相對位移(mm)ModelcurveTestcurvef=0.5HzDisp.(mm)Force(kN)Force(kN)Disp.(mm)f=2.0HzModelcurveTestcurveHystereticcurveofdampingforceMorethan20buildingswithPEDSshavebeenbuiltinChina3.結構主動控制系統(tǒng)結構激勵響應計算機（控制算法）控制作動器傳感器反饋信號傳感器前饋信號初期階段（1972～1985）：現(xiàn)代控制理論的應用——發(fā)展了各種主動最優(yōu)控制算法第二個階段（1985～1992）：主動控制系統(tǒng)試驗實現(xiàn)和工程應用起步ATS/ABS和AMD試驗實現(xiàn)1989年日本Kajima建筑公司建成了世界上第一幢采用AMD系統(tǒng)的11層辦公大樓——京橋成和大廈1990日本Kajima建筑公司建成了世界上第一幢采用主動變剛度控制系統(tǒng)的三層辦公樓快速發(fā)展階段（1992～）:日本多棟采用AMD/HMD的建筑建成結構半主動控制和智能控制蓬勃掀起(能量輸入少、控制魯棒性好）——結束了長期爭論的結構主動控制的能源和系統(tǒng)可靠性問題結構主動控制發(fā)展的主要階段1986～1989，美國Soong等人

系統(tǒng)地完成了1:4模型的單層、三層和六層鋼框架模型的ATS和AMD主動控制試驗

ABS/ATS系統(tǒng)控制小型結構需要數(shù)千瓦、控制大型結構則高達數(shù)千千瓦能源（Soongetal，1991）被動TMD系統(tǒng)的不足①只能控制結構某個振型的反應，而且控制效果對被控振型的頻率非常敏感（最優(yōu)頻率比偏離5%時，控制效果下降約30％）

——不適合結構抗震控制②TMD控制能力有限（質量之比3％、給結構附加的阻尼比不超過4%）

——不適合大阻尼、如鋼筋混凝土結構控制③TMD系統(tǒng)的質量行程通常較大HMD系統(tǒng)——TMD和主動控制作動器組合而成

AMD系統(tǒng)——質量塊和主動控制作動器組成質量塊是作動器給結構施加控制力的支撐點HMD系統(tǒng)AMD系統(tǒng)HMD/AMD系統(tǒng)一般設置在結構頂層日本京橋成和大樓(1989)AMD-1AMD-2控制計算機傳感器傳感器傳感器ab日本彩虹橋施工期橋塔HMD控制（1991～1992）日本橫濱LANDMARK大廈(1993)日本東京新宿52層建筑用TRIGON控制裝置（1994）Roller南京電視塔，中國，2001（未實現(xiàn)）廣州新電視塔(廣州塔)HAMD控制系統(tǒng)

（周福霖，歐進萍等，2012）工程簡介總高600m包括450m高塔樓和150m高天線桅桿固有周期達10.92秒——風敏感結構總建筑面積102,000m2塔體有37層封閉樓層分別作為觀光層，餐廳，電視廣播技術中心以及休閑娛樂區(qū)等體態(tài)生動建筑結構由一個向上旋轉的橢圓形鋼外殼變化生成相對于塔的頂、底部，其腰部纖細，體態(tài)生動廣州塔振動控制系統(tǒng)HMD=TMD+AMD消防水箱(5)重600噸*2AMD質量(1)重57噸*2直線電機驅動的AMD主塔頂加速度控制效果主塔頂位移控制效果控制系統(tǒng)安裝層平面圖廣州塔主塔450m,基本周期11s截至到2003年…50幢建筑物和高聳結構采用了主動或混合質量阻尼(AMD/HMD)控制技術15座橋塔在施工階段采用了主動或混合質量阻尼(AMD/HMD)控制技術（降低風振的效應）1幢建筑物采用了主動變剛度控制技術9幢建筑物采用了主動變阻尼控制技術1幢建筑物、兩座斜拉橋索采用了磁流變阻尼控制技術——合計76座關注點：1）主動控制的能源供應

2）控制系統(tǒng)的可靠性研究方向：1）半主動控制

2）加速度反饋控制結構激勵響應傳感器傳感器計算機（控制算法）控制作動器半主動控制裝置前饋信號后饋信號4.結構半主動控制系統(tǒng)結構半主動控制發(fā)展的主要階段1960年日本Kobori提出結構變剛度的減振概念1983年美國Hrovat提出半主動控制算法——半主動控制系統(tǒng)盡可能實現(xiàn)主動最優(yōu)控制力的規(guī)則1990年日本Kobori提出結構主動變剛度控制系統(tǒng)1920年代提出結構主動變阻尼機械控制裝置1992年Kawashima等人、Mizuno等人和Shinozuka等人同時提出了結構主動變阻尼控制系統(tǒng)

1994年Symans和Constantinou做了較好的工作主動變剛度裝置世界上第一棟應用主動變剛度控制系統(tǒng)的日本Kajima研究所辦公樓(1990)F粘滯液體電液伺服閥傳感器主動變阻尼裝置計算機控制器及不間斷電源日本應用主動變阻尼控制系統(tǒng)的KajimaShizuoka建筑（1998）結構激勵響應傳感器傳感器計算機（控制算法）控制作動器智能控制裝置前饋信號后饋信號5.結構智能控制系統(tǒng)計算機（智能控制算法）智能控制算法智能控制裝置（以智能驅動材料應用為標志）混和智能控制

模糊控制神經網絡控制遺傳進化

……智能控制智能控制算法智能控制裝置（以智能驅動材料應用為標志）混和智能控制

磁流變阻尼控制壓電驅動

（或壓電變阻尼）控制形狀記憶合金阻尼控制

……智能控制智能控制算法智能控制裝置（以智能驅動材料應用為標志）混和智能控制智能控制算法＋智能控制裝置智能控制5.1結構智能控制裝置發(fā)展的主要階段Ehrgott和Masri（1992）、Gavin等人（1993）較早地應用電流變液研制開發(fā)土木工程結構主動變阻尼裝置1997年Mcmahon和Makris研制開發(fā)出最大阻尼力達到445kN的電流變液阻尼器1995年，美國Lord公司報道性能優(yōu)良的小型磁流變液阻尼裝置1996年起，Spencer等人系統(tǒng)研究磁流變液阻尼器的性能與結構磁流變阻尼控制結構振動的智能控制裝置特點：電、磁或溫度控制出力大、能耗小、反應迅速(1)形狀記憶合金應用途徑超彈性形狀記憶效應1）SMA阻尼器及其應用2）SMA驅動元件＋損傷應急控制系統(tǒng)形成智能混凝土結構損傷應急控制系統(tǒng)智能SMA混凝土梁損傷應急控制分析與試驗(李惠等,2001)無控制時的應力分布－0.056Mpa1.297Mpa(b)T=81℃

的應力分布0.197Mpa－0.162Mpa(2)壓電陶瓷疊層式壓電驅動器壓電－摩擦可調阻尼器（歐進萍等,1999）PZT驅動器摩擦型擬粘滯型壓電陶瓷驅動器中國電子科技集團公司第二十六研究所研制T字芯板壓電－摩擦可調阻尼器（歐進萍等,2002）(3)磁致伸縮材料

磁致伸縮驅動器（Ackermanetal，1996）(4)磁流變液及其智能阻尼器1)本構關系2)兩種定型的磁流變液——MRF270/50,MRF8000/50——哈爾濱泰達爾科技有限公司（歐進萍，關新春，李金海，2003）

y3)磁流變液測試裝置（歐進萍，關新春，李金海，2000）實際裝置照片裝置原理圖20噸MR阻尼器原型

（美國Lord公司，1996）熱膨脹儲液器LORDRheoneticTMSeismicDamperMR-9000MR液體3級活塞直徑:20厘米行程:16厘米電源:<50瓦特,22伏4）磁流變阻尼器LORDRheoneticTMSeismicDamperMR-9000直徑:20厘米行程:16厘米電源:<50瓦特,22伏20噸MR阻尼器原型

（美國Lord公司，1996）熱膨脹儲液器MR液體3級活塞4）磁流變阻尼器20噸MR阻尼器（美國Lord公司，1996）磁流變阻尼器與控制器定型產品

——MRD-10，MRD-200，MRD-400

——哈爾濱泰達爾科技有限公司

（歐進萍，關新春，李金海，2003）岳陽洞庭湖大橋斜拉索風雨振動的MR阻尼控制

(主跨：2310m)

（倪儀清,陳政清，Spencer等,2001)5.2工程應用156根索采用312個Lord公司MR阻尼器控制山東濱州黃河大橋(主跨：84+300+300+84m)

——最長的20根斜拉索風雨振動的MR阻尼控制（哈工大，2003）渤海JZ20－2N平臺結構磁流變阻尼控制——哈工大，2005完成研究方向：大出力智能驅動（阻尼）器智能主動－被動復合阻尼器智能傳感器與驅動器一體化6.主動控制力特征以及半主動控制系統(tǒng)設計方法(Ouetal,2003)6.1Maincontrolsystems1.ActiveSystemsATSorABSSystemActivecontrolalgorithmsIntelligentcontrolalgorithmsHugepower(MWormore)needsforapracticalstructureAMDsystemAnalysisorDesignMuchlesspowerneedsforapracticalstructureRoller2.SmartDampingSystemsMRDamper

Activefrictionaldamper2.Semi-ActiveSystemsAVSSystemAVDSystemHITLordCd.AVDMRD傳感器AVDOrMRD計算機控制器及不間斷電源ActivecontrolalgorithmsIntelligentcontrolalgorithmsAnalysisorDesignSemi-activealgorithmsActivecontrolalgorithmsisafundamentalalgorithmsforsemi-activesystems.Howmuchactiveforcecanberealizedbyasemi-activesystemorevenpassivesystem?Howmuchactivecontroleffectivenesscanberealizedbyasemi-activesystemorevenpassivesystem?6.2TheProportionofDampingForceandElasticForceinOACFbetweenFloorsTheDampingforcearepredominantinOACFbetweenFloorsActiveActuatorDampingForceProportionIndexofOACFIngeneral:=1meanstheOACFiscompletelydampingforce!76-storyRCbuilding(Benchmark,Yang)20-storyframe(Benchmark,Spencer)6.3ExamplesOACFsin20-storyframeBenchmark＝0.9053inaverage.OACFsin76-storybuildingBenchmark＝0.9934inaverage.meanshowmuchcontroleffectivenessofactivecontrolsystemcanbeachievedbyasemi-activedampingofsmartdampingsystem!＝1orclosedto1meansthecontroleffectivenessofactivecontrolsystemcanbecompletelyoralmostachievedbyasemi-activeorsmartdampingsystem!Thisiswhyasemi-activeorsmartdampingsystemcanalmostachievesthecontroleffectivenessofactivecontrolsystem，whichhavebeenverifiedbyalotofnumericalandexperimentalresultsintheworld!Roller

0.54.CharacteristicsofActiveControlForceinAMDTheactuatorofAMDcannotbereplacedbysemi-activeactuatorordampersuchasMRdamper!Ifso,thecontroleffectivenesswouldbebad!《結構振動控制——主動、半主動和智能控制》歐進萍科學出版社2003目錄緒論第1章動態(tài)系統(tǒng)及其重要特性第2章結構振動的主動控制算法第3章結構振動的模糊控制第4章結構振動的神經網絡辨識與控制第5章結構振動的模糊神經網絡遺傳優(yōu)化控制第6章結構主動質量阻尼（AMD）控制系統(tǒng)第7章結構主動變剛度控制系統(tǒng)第8章結構主動變阻尼控制系統(tǒng)第9章結構磁流變阻尼控制系統(tǒng)第10章結構壓電驅動和壓電變摩擦阻尼控制系統(tǒng)第11章結構形狀記憶合金（SMA）驅動和阻尼控制系統(tǒng)第12章結構主動、半主動與智能控制系統(tǒng)設計方法附錄結構振動控制的Benchmark模型7.AMDwithaElectromagneticDriver——ANewAMD(OuandZhang,2003)Sensors1）AMDdrivedbyhydraulicactuatorSensors2）AMDdrivedbyElectromagneticsystem（1）AScaleAMDwithaElectromagneticDriverControlForceversusInputVoltageMaximumControlForce:2500N/5VControlForceversusInputVoltagewithvariousfrequenciesControlForce：LQGController（2）AControlledSystemwithaAMDwithaElectromagneticDriver

Northridge（1994）SomeIssuesandBarriersofActive,Semi-activeandSmartControlSystems8.1ComparisonsofmainactivecontrolalgorithmsPoleAssignmentLinearOptimalControlAlgorithms

ClassicalLinearQuadraticOptimalControl(LQR)

LinearQuadraticGaussianOptimalControl(LQG)IndependentModalSpaceControlAlgorithmsSlidingModeControlH2andH∞ControllersThecontroleffectivenessisalmostthesame.But,differentalgorithmadaptstodifferentproblem.8.2IntelligentcontrolalgorithmsandvibrationcontrolofnonlinearstructuresoruncertainstructuresFuzzyControlAlgorithmsNeuralNetworkControllersGeneticAlgorithms(GA)forOptimizationofNeuro-fuzzyControllers

……

Intelligentalgorithmsadaptwelltovibrationofnonlinearoruncertainstructures8.3Commentsonactive,semi-activeandsmartcontrolsystems76-storyRCbuilding(Benchmark,Yang)AMD:Mass:30tMaxcontrolforce:20tABSorMRdamper:18actuator——1actuatorevery4floorsMaxcontrolforce:60t/each,inaverageThecontroleffectivenessisalmostthesameAMDABS1.ActiveSystemsATSorABSAMD——Best2.Semi-ActiveSystemsAVSSystemAVDSystem——Best3.SmartDampingSystemsMRDamper——Best

ActivefrictionaldamperSMAII.結構健康監(jiān)測系統(tǒng)二十世紀，結構分析、計算和設計已經形成相對完整的理論和方法。一大批大型土木工程結構的設計、建造和運行使用，標志著結構設計理論和建造技術的巨大成就。金茂大廈(420.5m)臺北101(508m)上海環(huán)球金融中心（101層/492m)西爾斯大廈(443m)深圳地王大廈(325m)世貿中心(417m)佩重納斯大廈(454m)中環(huán)廣場大廈(374m)日本計劃建造800和2000m高的空中大廈高層建筑正向著高度更高、體型更大、結構更復雜、建筑更藝術和優(yōu)美的方向發(fā)展英國千年穹頂（320m)日本福岡穹頂(222m)廣州新機場上海八萬人體育場(280×277m)加拿大蒙特利爾體育場美國亞特蘭大體育館(佐治亞穹頂)國家大劇院（218×146m)2008奧運會主場館2008年以前我國將建造許多大跨空間結構蘇通大橋(1088m)日本明石海峽大橋(1999m)杭州灣大橋(36km，世界最長橋)南京三橋(648m)xxx大伯爾特橋（1624m)江陰長江大橋（1385m）世界前十大懸索橋中:

我國占3座(第3、5、6)世界前十大斜拉橋中:

我國占5座(第1、4、5、7、9）粵港澳跨海大橋等多座大跨橋梁正在規(guī)劃建設中未來10－20年內大跨橋梁在世界范圍內仍保持快速增長

三峽大壩

庫區(qū)600km長、393億m3庫容量；100年防洪能力，世界巨型水庫

小浪底水庫渤海BZ-12渤海8號平臺渤海JZ20-2MUQ南海平臺中國已建成使用的鋼質平臺結構近150座水深≤30米平臺100余座導管架平臺最大水深146m二十一世紀，人們面對這樣一大批大型土木工程結構不得不發(fā)出這樣關切的問題：重大工程的損傷、乃至災害演化的規(guī)律是什么？它們的健康和安全狀態(tài)、以及使用壽命如何？面對日日退化的重大工程結構和系統(tǒng)，我們是維修加固還是報廢重建？重大工程結構的損傷演化與健康監(jiān)測是二十世紀取得巨大成就的土木工程學科留給二十一世紀的重大科學問題監(jiān)測傳感器數(shù)據采集、傳輸與管理結構模型修正健康診斷重大工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測傳感器數(shù)據采集、傳輸與管理結構模型修正健康診斷

環(huán)境條件整體性態(tài)局部性態(tài)重大工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測傳感器數(shù)據采集、傳輸與管理結構模型修正健康診斷

環(huán)境條件整體性態(tài)局部性態(tài)重大工程的健康監(jiān)測系統(tǒng)

多數(shù)據同時采集數(shù)據遠程傳輸數(shù)據庫管理重大工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測傳感器數(shù)據采集、傳輸與管理結構模型修正健康診斷

環(huán)境條件整體性態(tài)局部性態(tài)

多數(shù)據同時采集數(shù)據遠程傳輸數(shù)據庫管理

初始模型損傷識別與定位模型修正重大工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測傳感器數(shù)據采集、傳輸與管理結構模型修正健康診斷

環(huán)境條件整體性態(tài)局部性態(tài)

多數(shù)據同時采集數(shù)據遠程傳輸數(shù)據庫管理

初始模型損傷識別與定位模型修正

環(huán)境作用標準健康準則結構分析健康評定可靠性預測重大工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)重大工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的功能

驗證設計理論、施工質量監(jiān)測結構局部和整體性態(tài)監(jiān)測結構損傷、抗力衰減及其演化規(guī)律識別結構損傷及其位置安全性、耐久性評定與可靠度預測安全預警

長期性、實時性與自動化是對監(jiān)測系統(tǒng)的基本要求1.1大型橋梁結構的特點社會經濟特征造價高——幾至幾十億元一座橋社會影響大——生命線工程的重要結構力學特征環(huán)境侵蝕、疲勞載荷、災害作用突出

結構損傷累積和抗力衰減明顯結構的冗余度較小

易發(fā)生“各個擊破”的多米諾骨牌效應建造過程的時變結構狀況，受力可能更不利1.橋梁監(jiān)測美國八十年代中后期

SunshineSkyway橋安裝500多個傳感器英國八十年代后期日本九十年代初期香港90年代LantauFixedCrossing橋、青馬大橋內陸90年代虎門橋、江陰長江大橋1.2橋梁監(jiān)測的早期研究與應用狀況大型橋梁結構的健康與安全監(jiān)測已經成為科研與工程技術人員的關注熱點！香港青馬大橋風與結構健康監(jiān)測系統(tǒng)

WindandStructuralHealth

MonitoringSystem(WASHMS)橋梁概況：雙塔懸索結構總橋長2160m

主跨長1377m

橋面離海面高62m

混凝土橋塔高206m

總投資

72億元港幣——香港公路署(1995~)世界上跨度最大的公路、鐵路兩用雙層橋風速儀地秤應變傳感器溫度傳感器加速度傳感器位移傳感器GPS系統(tǒng)數(shù)據采集、傳輸微機交互處理系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)

(350個傳感器)監(jiān)測的橋梁構件：主索纜索卡箍和吊桿錨碇和橋塔鋼板橋面箱梁橋面支座GPS接受站設置位置(14個）GPS測得正常橋梁位移橋面豎向：650mm

橫向：250mm橋塔縱向：100mm

橫向：50mmGPS測得的橋面位移時程問題：地秤和應變傳感器(電阻式)耐久性健康診斷還未形成自動系統(tǒng)海洋平臺是荷載、抗力和風險等

各種矛盾比較集中的一類結構2.1海洋平臺結構的特點造價高：億元/座環(huán)境惡劣：風、浪、流、冰作用,地震威脅

環(huán)境腐蝕、地基沖刷、材料老化服役狀態(tài)惡化速率快——設計使用期15-20年失效后果嚴重：

巨大的經濟損失、嚴重的環(huán)境污染2.海洋平臺結構安全監(jiān)測系統(tǒng)2.2渤海海洋平臺安全監(jiān)測（已近10年）渤海JZ20-2MUQ平臺（位置:東經40o30’,北緯121o21’

）實時安全監(jiān)測傳感系統(tǒng)攝像機雷達氣象站海冰海流計加速度計應變儀環(huán)境條件監(jiān)測系統(tǒng)風速與風向冰壓力波高與方向冰壓力時程實時安全評定方法

極限強度模板及其映射技術實時線設計線倒塌線平臺結構不同方向的承載力實時安全監(jiān)測數(shù)據管理系統(tǒng)

——日監(jiān)測數(shù)據報表IMRSE系統(tǒng)總體設計系統(tǒng)框圖DFI數(shù)據IMR數(shù)據系統(tǒng)管理核心IMR數(shù)據管理系統(tǒng)計算核心ENSA軟件安全狀態(tài)管理安全趨勢分析平臺維修決策輔助生成檢測方案輔助生成維修方案安全度評估核心結構重分析強度儲備比匯總極限承載力分析結構疲勞

壽命預測結構可靠性分析

（非確定性方法）損傷分析腐蝕裂紋凹陷、失直海生物樁基沖刷維修加固效果分析卡箍灌漿加勁板水下焊接安全實時監(jiān)測分析與評估管理系統(tǒng)本項成果撰寫著作1部《海洋平臺結構安全評定——理論、方法和應用》科學出版社2003歐進萍段忠東、肖儀清緒論第1章海洋環(huán)境荷載的概率模型第2章海洋平臺結構的動冰力作用與冰激振動第3章海洋平臺結構的累積損傷與抗力衰減第4章海洋平臺結構的檢測、維護與修理技術第5章海洋平臺結構安全評定——確定性方法第7章海洋平臺結構檢測、維修與報廢決策第8章渤海八號生產平臺的安全評定第9章海洋平臺結構的實時安全監(jiān)測附錄：海洋平臺結構檢測維修、安全評定與實時監(jiān)測軟件系統(tǒng)3.結構健康與安全監(jiān)測早期總體狀況解決的主要問題整體性態(tài)監(jiān)測局部性態(tài)短期監(jiān)測－動力特性識別頻率、阻尼、振型－設計驗證、施工質量檢測－離線或短期安全評定存在的主要問題－傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)（傳感元件)

耐久性差、穩(wěn)定性差、抗電磁干擾差－局部性態(tài)（應力、應變、疲勞損傷、裂紋擴展等）

性能退化（材料老化、鋼構件銹蝕等）

長期監(jiān)測困難－損傷識別與定位、模型修正仍然困難－數(shù)據采集與處理、損傷識別與模型修正、健康診斷與安全預警等

系統(tǒng)集成化、自動化、實時性程度不高4.

結構健康與安全監(jiān)測智能系統(tǒng)

——研究與應用發(fā)展趨勢數(shù)據采集、管理與融合單變量、單傳感器多變量、多傳感器同步自動采集海量數(shù)據存儲與管理多傳感器監(jiān)測數(shù)據的融合光纖壓電材料電阻應變片（箔）疲勞壽命絲（箔）無線傳感網絡

碳纖維半導體材料形狀記憶合金高性能、分布式智能傳感器數(shù)據傳輸技術有線傳輸先進無線傳輸、網絡傳輸安全評定可靠度預測安全評定與可靠度預測安全預警損傷識別理論與方法單損傷變量識別多性態(tài)變量損傷識別、定位及損傷應急控制智能感知材料與傳感元件光導纖維壓電材料電阻應變絲(箔)疲勞壽命絲(箔)碳纖維半導體材料形狀記憶合金

特點：大規(guī)模表面附著式或埋入式傳感分布陣列1.光纖應變和溫度傳感器及其應用

強度型相位型（干涉型）波長型

——光纖光柵芯層包層光波方向折射率

n1折射率

n2折射率

n光纖光柵結構與傳感機理光纖光柵中心波長隨外界的應力和溫度變化而變化瑞士Lucerne大橋中埋入光纖光柵傳感器(Nellen，1997)三峽古洞口砼面板堆石壩面板裂縫監(jiān)測分布式光纖傳感技術(蔡得所,1998)強度型分布式光纖傳感器OTDR黑龍江呼蘭河大橋光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)（歐進萍、周智等，2000）橋長520米，主跨40米箱形混凝土梁預應力張拉施工監(jiān)測結果運營狀態(tài)實時監(jiān)測數(shù)據智能斜拉索或吊桿——鋼索直接布入OFBG傳感器(歐進萍、周智等，2002）BareOFBG光纖光柵智能吊桿（拉索）專利號：03132592；03260480.7

智能拉索實際工程應用

——山東濱州黃河公路大橋光纖光柵智能斜拉索智能吊桿實際工程應用——四川倮果大橋光纖光柵智能吊桿加固后的大橋光纖光柵溫度計（專利號：03260021.6和03260022.4）光纖金屬基礎封裝應變傳感器（專利號：02273563.1）光纖光柵管式封裝應變傳感器專利號：（022735623)光纖金屬基礎封裝應變傳感器（專利號：03260080.1

）2.封裝式布拉格光纖光柵(OFBG)——應變和溫度傳感器(歐進萍、周智等,1999～)封裝傳感器的傳感特性性能指標：應變測試精度：1～2

量程：0～5000

絕對測量抗電磁干擾、溫度補償FRP-OFBGstrainsensorsFRPBars3.玻璃纖維－光纖光柵（FRP-OFBG)筋式應變傳感器(歐進萍、周智等,2001～)FPbundleResinOFBGbarFRP-OFBG筋式標準應變傳感器南京三橋南塔基礎施工監(jiān)測（主跨648m，水深約30m）OFBGFRP-OFBG傳感筋

OFBG智能地秤支座基礎感知梁滾動支座6根感知梁的排列面板吊裝構件組合OFBG智能地秤的制作形成的地秤實車試驗1）PVDF傳感原理PVDF是一種壓電聚合物材料，具有在變形下產生電荷的物理特性3.壓電薄膜(PVDF)傳感器(適用于面應變與裂紋擴展監(jiān)測)(哈工大,2001～）2）應變監(jiān)測PVDF動應變監(jiān)測監(jiān)測3)裂紋擴展監(jiān)測V-t5.疲勞壽命傳感器(南航，1998－哈工大，2001）重復離散性小于5％電阻記憶應變門檻值小于1000

時間

應變疲勞傳感器傳感原理6.形狀記憶合金（SMA）傳感器(李惠，哈工大,2002-)(a)應力－應變

(b)應力－電阻變化率SMA傳感器7.無線傳輸與無線傳感網絡系統(tǒng)1）無線傳輸系統(tǒng)2）無線傳感網絡系統(tǒng)3）無線傳感局域網接收站—PC機傳感器節(jié)點無線傳感器（美國Berkley）

MEMS（含加速度、溫度、聲、光、磁等6種傳感器）發(fā)射頻率:916MHz（ISM）微處理器：4MHz,50Kb/s

傳輸距離：60m（最近已達300m）Wirelessaccelerometer

Basestation

Micro-processor

unitWirelesstransceiver

OutputSensingunitAccelerationModulatorEnergyunit無線加速度傳感器網絡

(歐進萍、喻言等,2001～)Frequency:433.33MHzSamplerate:20HzPrecision: 8mgDistance: 300metersVoltage: 3－5V(DC)Temperature:-25℃~70℃Idletime: 68daysContinuouslyworkingtime:18hours深圳地王大廈風振響應的無線傳感網絡監(jiān)測系統(tǒng)（建筑高325m，68層）(哈工大－香港城大，2003）HIT結構高度:325m(68層)主要傳感器:風速儀2無線傳感器569層66層44層22層2層MEMS（含加速度、溫度、聲、光、磁等6種傳感器）第66層加速度反應第66層加速度譜室內與室外噪聲對比建筑沿高度噪聲分布69層66層44層22層2層8.渤海CB32A生活平臺實時安全監(jiān)測系統(tǒng)(第二代監(jiān)測系統(tǒng)，哈工大等，2001～）

光纖光柵、壓電薄膜與疲勞壽命傳感器光纖光柵傳感器PVDFPVDFsensor疲勞壽命計傳感器布設現(xiàn)場與傳輸導線布設：●加速度傳感器：8個●光纖光柵傳感器：259個●壓電薄膜傳感器：178個●疲勞壽命計:64個●導線總長：27，000米覆蓋：●管節(jié)點：12處●焊縫：23條●桿件：20根傳感器布設統(tǒng)計數(shù)據布設完智能傳感器準備下海的平臺導管架海上安裝就位的平臺導管架CB32APlatformafterConstructedInterfaceofDataAcquisitionSystem數(shù)據管理、網絡傳輸與遠程監(jiān)測系統(tǒng)網絡服務器實時數(shù)據庫總控數(shù)據庫備份數(shù)據庫互聯(lián)網RemoteDataTransferandMonitoringSystemTransferspeed:6.2MbpsTransferdistance:56kmWorkingfrequency:5.7GHzCB32AwirelessnodeWirelessnodeontheearthInterfaceofRemoteTerminal山東濱州黃河公路大橋(哈工大，2003)

三塔四跨斜拉橋：84+300+300+84m

2003年11月合攏，2004年7月18日通車

健康監(jiān)測系統(tǒng)

138光纖光柵應變和溫度傳感器

2風速儀

39加速度傳感器

1+3GPSMOTOROLA無線傳輸系統(tǒng)

LABVIEW數(shù)據采集系統(tǒng)

MATLAB應變模態(tài)損傷識別方法

ANSYS7.2有限元分析模型

SQLSERVER2000網絡數(shù)據庫

LABVIEW軟件開發(fā)平臺

MR智能阻尼控制

20根最長的斜拉索上安裝了40MR智能阻尼器半主動控制算法電纜和光纜傳輸MOTOROLA無線傳輸系統(tǒng)現(xiàn)場控制中心基于Internet網絡數(shù)據采集軟件與界面Internet網絡遠程操縱和控制臺灣研華PCI-1713數(shù)采卡,美國NI公司LABVIEWPCI總線結構分析數(shù)據處理數(shù)據采集數(shù)據查詢SQLServer2000數(shù)據庫Intranet數(shù)據庫服務器查詢、打印、顯示等網絡數(shù)據庫系統(tǒng)首頁界面系統(tǒng)功能區(qū)界面數(shù)據采集系統(tǒng)界面基于Internet網絡集成系統(tǒng)（現(xiàn)場中控室）智能健康監(jiān)測系統(tǒng)

是工程理論綜合與發(fā)展的象征是高新技術集成化的重要標志是現(xiàn)代結構試驗技術的集中體現(xiàn)進一步研究的問題

傳感器的耐久性與復雜損傷變量和耐久性監(jiān)測傳感器無線傳感網絡結構損傷識別與定位結構模型修正與安全評定健康監(jiān)測集成系統(tǒng)重大工程應用設計標準與標準化系統(tǒng)III.智能混凝土、制品與結構水泥與混凝土世界用量逐年遞增混凝土結構普通混凝土高強混凝土高性能混凝土智能混凝土我國年混凝土用量約10億立方米，鋼筋用量約2500萬噸鋼筋和混凝土仍將是我國主要的工程結構材料主要內容：1.機敏混凝土及其制品2.智能纖維加強筋3.自增強阻尼混凝土4.自修復混凝土1.機敏混凝土及其制品機敏混凝土（或水泥漿）碳纖維混凝土添加納米混凝土＋1.1碳纖維水泥石機敏特性美國鐘端玲（DDL.Chung）1993年等首先發(fā)現(xiàn)了碳纖維混凝土（CFRC）的壓敏效應電阻率vs壓應力李卓球等1996年提出了CFRC的三階段自診斷區(qū)的概念；1998年首先發(fā)現(xiàn)了CFRC的溫敏(Seebeck)效應電位差vs溫差碳纖維水泥石的力學（本征）特性（與普通混凝土比）抗壓強度抗折強度抗拉強度高2-4倍極限拉應變高20-40倍壓縮韌度指數(shù)高60-100%機敏混凝土同時具備結構材料和功能材料的良好特性1.機敏混凝土制備與特性2.機敏混凝土制品3.機敏混凝土結構系統(tǒng)哈工大1998年起主要研究內容制備工藝與配合比力學性能與耐久性機敏特性(壓敏、溫敏和電磁屏蔽)標準傳感器熱敏制品1.機敏混凝土制備與特性2.機敏混凝土制品3.機敏混凝土結構系統(tǒng)哈工大1998年起主要研究內容混凝土結構梁的自感知與自診斷系統(tǒng)1.機敏混凝土制備與特性2.機敏混凝土制品3.機敏混凝土結構系統(tǒng)哈工大1998年起主要研究內容說明：碳纖維混凝土——歐進萍等添加納米混凝土——李惠等碳纖維混凝土的溫敏特性與制品——李卓球等1）力學性能添加納米砂漿的抗壓強度添加納米砂漿的抗折強度編號 28天強度(MPa)

強度值(MPa) 提高程度(%) P 4.9 0 F32 5.8 17.8 F52 6.0 23.0 S32 5.8 19.2 S52 6.2 27.0 F3S2 6.0 21.8 抗壓強度：最高提高26％抗折強度：最高提高27％素混凝土裂縫寬、數(shù)量少、延性差延性差納米TiO裂縫多、細而密、延性好延性好2）壓敏性能——碳纖維摻量與電阻率關系纖維長度為6毫米纖維長度為3毫米凈漿3％Fe2O35％Fe2O35％TiO23％TiO25％SiO210％SiO2添加納米砂漿壓敏性能曲線添加納米砂漿

壓敏特性穩(wěn)定電阻變化率與應力線性關系應變靈敏度高3）機敏混凝土制品——標準應變傳感元件水泥漿試塊系列產品：

30×30×50mm40×40×50mm

靈敏系數(shù)——智能混凝土：700；應變片：2

混凝土相容性好，制作簡單耐久性能好

價格：約1～2元/個，應變片4～5元/個發(fā)展系列定型標準應變傳感元件

標準應變傳感器埋置在混凝土（C40）內的傳感器對混凝土應力的監(jiān)測測試系統(tǒng)試驗結果水泥板規(guī)格：400

440

40mm控制器反饋驅動熱電耦電源自控升溫熱敏系統(tǒng)4）熱敏特性

——融雪化冰水泥板II.智能纖維加強筋1.FRP筋的研究與應用概況纖維增強塑料筋（FiberReinforcedPlastic，F(xiàn)RP)——連續(xù)纖維經聚合物樹脂基體浸漬、拉擠成型FRP筋表面進行纏繞纖維束、粘砂和刻痕等處理可增強與混凝土的粘結。

旋轉拉力機

加熱爐

滑輪

樹脂

分束盤

合束盤

FRPFRP筋

纖維束

纖維束

FPbundleResinbar1.1FRP筋制作1.2FRP筋特點抗拉強度高耐腐蝕非磁性重量輕高疲勞限值低導熱性低導電性應力-應變關系直到破壞是線彈性的無屈服點抗剪強度不超過抗拉強度的10%彈性模量低，通常為普通鋼筋的25%~70%高溫條件下力學性能較差1.3FRP筋分類按纖維種類CFRP筋GFRP筋AFRP筋HFRP筋按幾何形狀一維FRP筋二維FRP網格三維FRP網格FRP一維筋和索FRP二維和三維網格1.4FRP筋的制備、力學與感知性能纖維加強筋(FRP)碳纖維加強筋(CFRP)玻璃纖維加強筋(GFRP)＋C-GFRP（哈工大與哈爾濱玻璃鋼研究所，1999）CFRP筋測試試件ER--CFRP筋(

6)C-GFRP筋(

6)CFRP和C-GFRP筋同時具有加強筋和傳感器的特性，在混凝土結構中應用顯示良好前景

（Mpa)

（％）-ER-P～ER

P～

P～ER

P～

1.5FRP加筋混凝土梁感知性能CFRP和C-GFRP筋同時具有加強筋和傳感器的特性，在混凝土結構中應用顯示良好前景。但是，壓阻特性的離散性還有待進一步改進！III.自增強阻尼混凝土引言——阻尼和阻尼材料在結構減振控制中起主導作用

結構彈性階段阻尼比鋼結構：1～2％鋼筋混凝土結構：5％

結構大地震下的彈塑性階段構件延性——滯回耗能

——實質是阻尼延性好、滯回耗能大、抗震性能好

2.自增強阻尼混凝土的阻尼特性阻尼增強摻料（添加擠）：苯丙乳液、聚醋酸乙烯乳液、乳膠、甲基纖維素硅粉、和改性的硅粉分別記為B、C、L、M、SF和GSF水（kg）摻和料(kg)水灰比水(kg)砂(kg)石(kg)FDN（%）P50000.442206051075-SF420800.4120561010851.2GSF420800.4120561010851.2B5001000.321605971063-C5001000.361805941056-L5001000.402005851035-M50030.4221061410830.42.1材料的阻尼用損耗因子表征

表示彈性模量（儲存模量）；表示損耗模量VA4000粘彈譜儀2.2自增強水泥砂漿阻尼性能的測定試件尺寸：（100×12×5mm）試驗參數(shù)：頻率（0.1~2Hz）溫度（-30~30℃）

2.3自增強水泥砂漿損耗因子和儲存模量（1）0.1Hz加載

-30℃-15℃0℃15℃30℃(%)(GPa)(%)(GPa)(%)(GPa)(%)(GPa)(%)(GPa)P1.3623.251.2823.30.7122.200.4721.800.5822.6M12.118.71.9520.71.8021.001.4821.32.6421.2B2.9214.43.9713.75.0212.98.8410.518.27.2C8.4224.91.4525.81.8624.93.8025.44.6723.6L8.5821.63.3023.36.1223.28.1921.14.2018.2SF7.3429.81.6631.51.0131.9