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【摘 要】结构的日益复杂，使结构健康监测对于结构的安全评估与鉴定实际应用价值显著。浅述结构健康监测作为新起研究领域的监测意义，并对健康监测概念，系统组成、监测范围进行阐述，并辅以实际工程案例进行评述，从而体现健康监测广泛应用前景。
【关键词】既有建筑；健康监测；质量评价；案例分析
Has built building structural health monitoring technology analysis and evaluation
Wei Yong-tao1，Liu Ji-ming2，Liu Tong2
（1.LaiXi Construction projects quality supervision management Laixi Shandong 266600；
2.School of Civil Engineering， Qingdao Technological University Qingdao Shandong 266033）
【Abstract】With the increasingly complex structure， the structural health monitoring for safety assessment and appraisal of structure has practical application value. Simple instruction of the meaning of monitoring of the structure health monitoring as a new research field， and for the concept of health monitoring system， the combination of system and the monitoring scope， we can give a brief conclusion of it. And we can supplement with practical engineering case， which embodies a widely application prospect of health monitoring.
【Key words】Existing buildings；Health monitoring；Quality evaluation；Case analysis
1. 引言
健康监测技术最早源于航空航天领域，最早可以追溯到1954年[1]。自上世纪70年代引入土木工程领域，最初多应用于桥梁工程的监测，后来随着技术的不断革新与监测范围扩展，逐渐引入到屋顶桁架、钢结构网架、混凝土结构等大型复杂的结构体系。尽管结构健康监测作为土木界新兴的研究方向，因为其针对性的监测以及实时的信息反馈，可以实现对已建结构损伤的及时监控，有效地预防安全事故发生，并可以对结构的安全性及可靠度给予评价，故健康监测技术已经成为业内研究热点。
2. 结构健康监测意义
（1）对于结构在几十年或者上百年的使用期内，无论是结构材料的几何性能退化，还是结构构件的疲劳锈蚀，均不可避免的对结构造成损伤，随着损伤的逐渐累积必定影响到结构的安全使用。另外，一旦结构在使用期内，遭遇不可抗拒的人为因素或者自然因素等外界因素的冲击，如果产生突发性损伤，能否及时判断结构的损伤程度，采取合理补救措施至关重要[2]。历史建筑是每个国家历程的印证，但是经过岁月多年的磨蚀，遗留下的建筑结构远超过了其使用年限，即便历史性建筑仅作为纪念观赏性用途，但是如何有效保证历史建筑物在未来的安全与稳定，一旦损伤到达极限能否及时得出安全预警，已是每个国家时刻关注的问题。
（2）结构的健康监测可以根据结构实际需要灵活选用监测方法，可以实现对结构长期整体性监测或者专项针对性监测。结构的健康监测在降低周期性监测同时，可以较为精确地定位损伤位置，判断损伤程度，通过对信息反馈与处理进行安全评估，对于结构的剩余使用年限及加固改造做出评价，以便及时采取预防补救措施。
3. 健康监测概念与系统组成
3.1 健康监测技术概念。
结构健康监测（StructureHealthMonitoring，简称SHM）技术是利用现场传感技术将探测到的结构响应，进行结构系统特性分析，从而实现结构损伤定位及损伤程度判断，达到检测结构损伤退化目的[3]。基本原理是通过传感器定时测取结构在超荷或其他变化情况下的前后动力响应，选出损伤敏感的特征因子，经过统计分析推断结构产生的特性变化，对于结构当前健康状况探测，并可持续监测及时反映结构退化情况。结构健康监测是融合多领域的综合技术，其包含传感测试技术、数据分析、模式识别、网络通信、材料学、动力学、土木工程等多个学科研究[2]。
3.2 健康监测技术体系的系统组成。
（1）传感系统。传感系统主要进行待测物理量的感知测取，并将测取的物理量以电、光、热等形式传出。目前常用作转变为电信号。
（2）数据采集和处理系统。该系统一般在待测结构中装置，分为硬件与软件两部分，将传感系统采集的数据并进行预处理。
（3）通讯传递系统。主要进行将经过预处理数据传送到数据管理系统或者数据监控中心。
（4）数据监控管理和安全预警。通过运用损伤识别、模型修正、安全预警、结构安全评定等软件与硬件设备，对结构损伤的位置、程度、健康状况进行评估，并进行信息分析如有异常进行预警[3]。并对数据的各信息的分析构建数据库管理。
健康监测系统各子系统之间关系流程如图1所示。
图1 健康监测系统关系流程图 4. 健康监测范围与质量安全评价
4.1 健康监测技术监测范围。
（1）结构健康监测范围主要可以划分为局部重要部位监测与结构整体全面监测。局部重要部位检测主要适用于，结构形式简单或者有针对性对结构敏感薄弱部位进行专项监测，监测方式较多采用人工检测，监测范围大多是位移应力等简单监测。对于大型复杂结构的健康监测主要采用整体全面监测方法，一般需要联合监测并辅以大型监测设备。监测范围也不再限于结构局部应力、应变、位移等监测，而涉及了内力、挠度、振型频率等复杂监测[4]。
（2）健康监测局部检测方法多采用无损检测常用有回弹法，染色法，发射光谱法、回弹法、声发射法、 渗漏试验法、射线法、脉冲回波法、磁粒子法、磁扰动法、涡流法等。而对整体检测作为健康监测核心内容常用方法有动力指纹法、模型修正与系统识别法、遗传算法损伤诊断法、小波分析法、神经网络法[5]。
4.2 健康监测技术安全评价。
运用健康检测技术对结构质量进行安全评估，目前主要采用的方法有可靠度理论、层次分析法、模糊理论及专家系统。可靠度理论又可分为正常使用状态与承载力极限状态下的安全评定，主要通过对结构系统及构件失效模式分析，确定极限状态，进而得出相应可靠度、失效概率与可靠指标等。层次分析法是一种结合多指标的综合评价定量方法，确定同一层次各指标初始影响权重，将定性因素定量使评价更趋于科学化。模糊综合评估将专家评估过程中不确定思想及定性看法定量化，进而通过数学变换进行安全性判断。专家系统则是构建专家知识与经验库，找寻与以前处理方法相似点，进行问题处理，但是存在实效性不足现象[6]。其实不同位置、不同程度、不同类型的损伤对于结构的整体安全影响均不同，怎样建立统一可靠的综合性指导理论，构建结构整体可信的损伤评估标准与安全评价体系，仍是各国研究难点，故需要进一步研究[7]。
5. 工程案例
本工程主要指结构健康监测中的局部检测，因为该方法仪器操作简单灵活，且理论指导与规范相对完整，更多采用人工检测方法，一般不需要大型监测设备，所以对于已建或在建结构中的检测及鉴定得到广泛采用。
5.1 工程概况。
该工程位于青岛市，主要监测范围指某广场地下车库，共地下三层。建筑面积共10255m2。前期工程建设完毕后，并没有及时开始后续建设，并且在停滞期间存在维护不善现象。为保证后续建设工作开展，需要对于现有结构进行检测。
5.2 工程检测主要内容。
（1）根据结构设计图纸对结构形式、构件的设置等情况进行核查。主要核查结构实际型式是否与结构工程施工图一致；构件的设置是否与结构工程施工图一致；结构是否经过加固，或者改变传力方法和传力途径的改造、构件的补强或加固等。
（2）对于结构外观质量，即是否有裂缝、变形、损伤、混凝土厚度进行全面检查；对于构件尺寸采用钢卷尺与激光测距仪检测；用回弹法测取混凝土构件强度。
5.3 检测数量。
（1）混凝土构件检测数量均按照《建筑结构检测技术标准》GB/T 50344-2004进行抽样，对于混凝土构件强度检测广场地下车库：广场地下每层均抽查18根柱，3面剪力墙，25根梁。
（2）混凝土构件尺寸及配筋检测数量：按楼层划分检测批。根据《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB 50204-2002（2011版）的规定，在同一检验批内，对梁、柱等构件，应抽查构件数量的10%，且不少于3件，根据工程情况，广场地下每层均抽查5根柱，7根梁。
楼体基础为独立基础加片筏基础，对基础进行强度、配筋检测。计数抽样检测批抽样数量不少于GB/T 50344-2004规定最少样本容量B级，共设置7处检测位置。
5.4 检测结果分析。
（1）工程基础混凝土强度设计值为C40，对于基础7个测点抽查混凝土抗压强度推定值界于41.2～47.3MPa同时对基础尺寸进行复核，复核结果满足设计要求尚未发现地基不均匀沉降在上部结构的不良反应。由上部主体结构反应分析，该楼地基基础稳定。
（2）对于混凝土柱抗压强度抽查，强度推定值最小为42.3MPa，对于混凝土梁抗压强度抽查，强度推定值最小为41.6MPa检测结果均达到设计强度。
（3）对于混凝土柱梁尺寸检测其差值均在2mm以内，纵筋与箍筋布置经检验均符合要求。柱梁的保护层厚度设计为30mm， 采用钢筋位置测定仪抽检保护层厚度在27～32mm，存在局部保护层厚度不足现象。
（4）结构构件尚未出现影响结构安全的裂缝及不良变形，梁墙板柱结构体系现场勘查结果与设计图纸基本相符。
6. 结论
（1）本文通过对既有建筑结构实例进行健康监测技术体系建立，确定了检测的内容和指标数量，依据规范要求进行检测。检测结果表明，该结构基础部分及混凝土结构部分强度满足设计要求，局部保护层厚度不足需加固维修，评价结论基本满足使用质量要求。
（2）既有建筑结构使用期健康监测质量管理体系分析的建立，结合结构健康监测技术对健康监测安全评估的统一标准应用研究，根据项目实际需要，运用科学的监测技术，保证了工程建设项目使用期的正常健康使用。
参考文献
[1] 杨智春，于哲峰.结构健康监测中的损伤检测技术研究进展[J].力学进展.
[2] 何浩祥，闫维明，马华，王卓.结构健康监测系统设计标准化评述与展望[J].地震工程与工程振动.2008.28（4）：154～159.
[3] 熊海贝，李志强.结构健康监测的研究现状[J].结构工程师.2006.22（5）86～89.
[4] 罗尧治，沈雁彬，童若飞，王小波.空间结构健康监测与预警技术[J].施工技术.2009.38（3）：4～8.
[5] 孙鸿敏，李宏男.土木工程结构健康监测研究进展[J].防灾减灾工程学报.2003.23（9）：92～97.
[6] 李宏男，高东伟，伊廷华.土木工程结构健康监测系统的研究状况与进展[J].力学进展.2008.38（2）：151～166.
[7] 刘继鹏.工程结构健康监测近期研究进展[J]. 郑州经济管理干部学院学报.2006.1（21）：89～92.
[文章编号]1006-7619（2014）03-31-122
[作者简介] 位永涛（1976.8-），男，职称：工程师，工作单位：莱西市建筑工程质量监督管理处。
【关键词】既有建筑；健康监测；质量评价；案例分析
Has built building structural health monitoring technology analysis and evaluation
Wei Yong-tao1，Liu Ji-ming2，Liu Tong2
（1.LaiXi Construction projects quality supervision management Laixi Shandong 266600；
2.School of Civil Engineering， Qingdao Technological University Qingdao Shandong 266033）
【Abstract】With the increasingly complex structure， the structural health monitoring for safety assessment and appraisal of structure has practical application value. Simple instruction of the meaning of monitoring of the structure health monitoring as a new research field， and for the concept of health monitoring system， the combination of system and the monitoring scope， we can give a brief conclusion of it. And we can supplement with practical engineering case， which embodies a widely application prospect of health monitoring.
【Key words】Existing buildings；Health monitoring；Quality evaluation；Case analysis
1. 引言
健康监测技术最早源于航空航天领域，最早可以追溯到1954年[1]。自上世纪70年代引入土木工程领域，最初多应用于桥梁工程的监测，后来随着技术的不断革新与监测范围扩展，逐渐引入到屋顶桁架、钢结构网架、混凝土结构等大型复杂的结构体系。尽管结构健康监测作为土木界新兴的研究方向，因为其针对性的监测以及实时的信息反馈，可以实现对已建结构损伤的及时监控，有效地预防安全事故发生，并可以对结构的安全性及可靠度给予评价，故健康监测技术已经成为业内研究热点。
2. 结构健康监测意义
（1）对于结构在几十年或者上百年的使用期内，无论是结构材料的几何性能退化，还是结构构件的疲劳锈蚀，均不可避免的对结构造成损伤，随着损伤的逐渐累积必定影响到结构的安全使用。另外，一旦结构在使用期内，遭遇不可抗拒的人为因素或者自然因素等外界因素的冲击，如果产生突发性损伤，能否及时判断结构的损伤程度，采取合理补救措施至关重要[2]。历史建筑是每个国家历程的印证，但是经过岁月多年的磨蚀，遗留下的建筑结构远超过了其使用年限，即便历史性建筑仅作为纪念观赏性用途，但是如何有效保证历史建筑物在未来的安全与稳定，一旦损伤到达极限能否及时得出安全预警，已是每个国家时刻关注的问题。
（2）结构的健康监测可以根据结构实际需要灵活选用监测方法，可以实现对结构长期整体性监测或者专项针对性监测。结构的健康监测在降低周期性监测同时，可以较为精确地定位损伤位置，判断损伤程度，通过对信息反馈与处理进行安全评估，对于结构的剩余使用年限及加固改造做出评价，以便及时采取预防补救措施。
3. 健康监测概念与系统组成
3.1 健康监测技术概念。
结构健康监测（StructureHealthMonitoring，简称SHM）技术是利用现场传感技术将探测到的结构响应，进行结构系统特性分析，从而实现结构损伤定位及损伤程度判断，达到检测结构损伤退化目的[3]。基本原理是通过传感器定时测取结构在超荷或其他变化情况下的前后动力响应，选出损伤敏感的特征因子，经过统计分析推断结构产生的特性变化，对于结构当前健康状况探测，并可持续监测及时反映结构退化情况。结构健康监测是融合多领域的综合技术，其包含传感测试技术、数据分析、模式识别、网络通信、材料学、动力学、土木工程等多个学科研究[2]。
3.2 健康监测技术体系的系统组成。
（1）传感系统。传感系统主要进行待测物理量的感知测取，并将测取的物理量以电、光、热等形式传出。目前常用作转变为电信号。
（2）数据采集和处理系统。该系统一般在待测结构中装置，分为硬件与软件两部分，将传感系统采集的数据并进行预处理。
（3）通讯传递系统。主要进行将经过预处理数据传送到数据管理系统或者数据监控中心。
（4）数据监控管理和安全预警。通过运用损伤识别、模型修正、安全预警、结构安全评定等软件与硬件设备，对结构损伤的位置、程度、健康状况进行评估，并进行信息分析如有异常进行预警[3]。并对数据的各信息的分析构建数据库管理。
健康监测系统各子系统之间关系流程如图1所示。
图1 健康监测系统关系流程图 4. 健康监测范围与质量安全评价
4.1 健康监测技术监测范围。
（1）结构健康监测范围主要可以划分为局部重要部位监测与结构整体全面监测。局部重要部位检测主要适用于，结构形式简单或者有针对性对结构敏感薄弱部位进行专项监测，监测方式较多采用人工检测，监测范围大多是位移应力等简单监测。对于大型复杂结构的健康监测主要采用整体全面监测方法，一般需要联合监测并辅以大型监测设备。监测范围也不再限于结构局部应力、应变、位移等监测，而涉及了内力、挠度、振型频率等复杂监测[4]。
（2）健康监测局部检测方法多采用无损检测常用有回弹法，染色法，发射光谱法、回弹法、声发射法、 渗漏试验法、射线法、脉冲回波法、磁粒子法、磁扰动法、涡流法等。而对整体检测作为健康监测核心内容常用方法有动力指纹法、模型修正与系统识别法、遗传算法损伤诊断法、小波分析法、神经网络法[5]。
4.2 健康监测技术安全评价。
运用健康检测技术对结构质量进行安全评估，目前主要采用的方法有可靠度理论、层次分析法、模糊理论及专家系统。可靠度理论又可分为正常使用状态与承载力极限状态下的安全评定，主要通过对结构系统及构件失效模式分析，确定极限状态，进而得出相应可靠度、失效概率与可靠指标等。层次分析法是一种结合多指标的综合评价定量方法，确定同一层次各指标初始影响权重，将定性因素定量使评价更趋于科学化。模糊综合评估将专家评估过程中不确定思想及定性看法定量化，进而通过数学变换进行安全性判断。专家系统则是构建专家知识与经验库，找寻与以前处理方法相似点，进行问题处理，但是存在实效性不足现象[6]。其实不同位置、不同程度、不同类型的损伤对于结构的整体安全影响均不同，怎样建立统一可靠的综合性指导理论，构建结构整体可信的损伤评估标准与安全评价体系，仍是各国研究难点，故需要进一步研究[7]。
5. 工程案例
本工程主要指结构健康监测中的局部检测，因为该方法仪器操作简单灵活，且理论指导与规范相对完整，更多采用人工检测方法，一般不需要大型监测设备，所以对于已建或在建结构中的检测及鉴定得到广泛采用。
5.1 工程概况。
该工程位于青岛市，主要监测范围指某广场地下车库，共地下三层。建筑面积共10255m2。前期工程建设完毕后，并没有及时开始后续建设，并且在停滞期间存在维护不善现象。为保证后续建设工作开展，需要对于现有结构进行检测。
5.2 工程检测主要内容。
（1）根据结构设计图纸对结构形式、构件的设置等情况进行核查。主要核查结构实际型式是否与结构工程施工图一致；构件的设置是否与结构工程施工图一致；结构是否经过加固，或者改变传力方法和传力途径的改造、构件的补强或加固等。
（2）对于结构外观质量，即是否有裂缝、变形、损伤、混凝土厚度进行全面检查；对于构件尺寸采用钢卷尺与激光测距仪检测；用回弹法测取混凝土构件强度。
5.3 检测数量。
（1）混凝土构件检测数量均按照《建筑结构检测技术标准》GB/T 50344-2004进行抽样，对于混凝土构件强度检测广场地下车库：广场地下每层均抽查18根柱，3面剪力墙，25根梁。
（2）混凝土构件尺寸及配筋检测数量：按楼层划分检测批。根据《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB 50204-2002（2011版）的规定，在同一检验批内，对梁、柱等构件，应抽查构件数量的10%，且不少于3件，根据工程情况，广场地下每层均抽查5根柱，7根梁。
楼体基础为独立基础加片筏基础，对基础进行强度、配筋检测。计数抽样检测批抽样数量不少于GB/T 50344-2004规定最少样本容量B级，共设置7处检测位置。
5.4 检测结果分析。
（1）工程基础混凝土强度设计值为C40，对于基础7个测点抽查混凝土抗压强度推定值界于41.2～47.3MPa同时对基础尺寸进行复核，复核结果满足设计要求尚未发现地基不均匀沉降在上部结构的不良反应。由上部主体结构反应分析，该楼地基基础稳定。
（2）对于混凝土柱抗压强度抽查，强度推定值最小为42.3MPa，对于混凝土梁抗压强度抽查，强度推定值最小为41.6MPa检测结果均达到设计强度。
（3）对于混凝土柱梁尺寸检测其差值均在2mm以内，纵筋与箍筋布置经检验均符合要求。柱梁的保护层厚度设计为30mm， 采用钢筋位置测定仪抽检保护层厚度在27～32mm，存在局部保护层厚度不足现象。
（4）结构构件尚未出现影响结构安全的裂缝及不良变形，梁墙板柱结构体系现场勘查结果与设计图纸基本相符。
6. 结论
（1）本文通过对既有建筑结构实例进行健康监测技术体系建立，确定了检测的内容和指标数量，依据规范要求进行检测。检测结果表明，该结构基础部分及混凝土结构部分强度满足设计要求，局部保护层厚度不足需加固维修，评价结论基本满足使用质量要求。
（2）既有建筑结构使用期健康监测质量管理体系分析的建立，结合结构健康监测技术对健康监测安全评估的统一标准应用研究，根据项目实际需要，运用科学的监测技术，保证了工程建设项目使用期的正常健康使用。
参考文献
[1] 杨智春，于哲峰.结构健康监测中的损伤检测技术研究进展[J].力学进展.
[2] 何浩祥，闫维明，马华，王卓.结构健康监测系统设计标准化评述与展望[J].地震工程与工程振动.2008.28（4）：154～159.
[3] 熊海贝，李志强.结构健康监测的研究现状[J].结构工程师.2006.22（5）86～89.
[4] 罗尧治，沈雁彬，童若飞，王小波.空间结构健康监测与预警技术[J].施工技术.2009.38（3）：4～8.
[5] 孙鸿敏，李宏男.土木工程结构健康监测研究进展[J].防灾减灾工程学报.2003.23（9）：92～97.
[6] 李宏男，高东伟，伊廷华.土木工程结构健康监测系统的研究状况与进展[J].力学进展.2008.38（2）：151～166.
[7] 刘继鹏.工程结构健康监测近期研究进展[J]. 郑州经济管理干部学院学报.2006.1（21）：89～92.
[文章编号]1006-7619（2014）03-31-122
[作者简介] 位永涛（1976.8-），男，职称：工程师，工作单位：莱西市建筑工程质量监督管理处。