工程施工監(jiān)控和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

中國建筑工程總公司公司技術(shù)中心

二O一O年三月

目錄

1.施工監(jiān)控和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測概述......................................1

1.1施工監(jiān)控和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的目的...............................1

1.2施工監(jiān)控和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的依據(jù)...............................1

2.結(jié)構(gòu)分析，測試內(nèi)容確定.........................................2

2.1結(jié)構(gòu)分析軟件的選擇..........................................2

2.2結(jié)構(gòu)分析....................................................3

2.3優(yōu)化設(shè)計(jì)的測點(diǎn)..............................................3

2.3.1結(jié)構(gòu)靜力監(jiān)測下傳感器優(yōu)化配置...........................3

2.3.2結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)監(jiān)測下傳感器優(yōu)化配置...........................4

2.4測試內(nèi)容確定...............................................10

3.儀器選擇........................................................10

3.1選擇儀器的指標(biāo).............................................10

3.2傳輸方式選擇...............................................12

3.2.1有線連接的傳輸方式....................................12

3.2.2無線+有線連接的傳輸方式...............................13

3.2.3無線連接的傳輸方式....................................14

3.3采集儀選擇...............................................15

4.儀器設(shè)備安裝..................................................16

4.1儀器設(shè)備的安裝............................................16

4.1.1測量土壓力傳感器的安裝...............................16

4.1.2水壓力測量傳感器安裝.................................17

4.1.3測量混凝土應(yīng)變傳感器的安裝...........................17

4.1.4鋼筋應(yīng)力傳感器的安裝................................19

4.1.5結(jié)構(gòu)撓度測量傳感器的安裝.............................19

4.1.6結(jié)構(gòu)支座沉降監(jiān)測傳感器的安裝.........................21

4.1.7構(gòu)件內(nèi)力監(jiān)測傳感器的安裝.............................22

4.1.8構(gòu)件溫度場以及環(huán)境溫度測量傳感器的安裝..............24

4.1.9環(huán)境濕度測量傳感器的安裝.............................25

4.1.10結(jié)構(gòu)加速度測量傳感器的安裝..........................26

4.1.11構(gòu)件角度測量傳感器的安裝............................27

4.2引線優(yōu)化...................................................28

5.系統(tǒng)調(diào)試........................................................29

5.1檢查系統(tǒng)的連接情況........................................29

5.2儀器各參數(shù)調(diào)試............................................29

5.3軟件參數(shù)調(diào)整..............................................30

6.運(yùn)行管理......................................................31

6.1儀器的維護(hù)................................................31

6.2數(shù)據(jù)管理..................................................33

7.結(jié)構(gòu)健康診斷評(píng)估與安全預(yù)警....................................34

7.1損傷識(shí)別...................................................34

7.1.1基于固有頻率變化的損傷識(shí)別............................35

7.1.2其它損傷診斷方法......................................37

7.2安全評(píng)定...................................................39

1.施工監(jiān)控和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測概述

1.1施工監(jiān)控和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的目的

大跨、復(fù)雜、空間工程結(jié)構(gòu)，如跨江跨海的超大跨橋梁、超高層建筑、超大

跨空間場館結(jié)構(gòu)等，近年來在我國蓬勃興起。這些結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，往往超出我國規(guī)

范的限制范圍，雖然經(jīng)過大量的計(jì)算分析和模型試驗(yàn)，但是否真正掌握結(jié)構(gòu)的精

確模型和環(huán)境荷載，工程設(shè)計(jì)是否忽視了某種荷載不利工況或結(jié)構(gòu)的破壞模式，

結(jié)構(gòu)本身是否存在安全隱患，這些都是工程建設(shè)和設(shè)計(jì)者非常關(guān)心的問題。在服

役期內(nèi)，由于結(jié)構(gòu)的疲勞效應(yīng)、腐蝕效應(yīng)、材料老化、環(huán)境荷載變化等因素會(huì)造

成結(jié)構(gòu)的累積損傷并因此造成結(jié)構(gòu)破壞，甚至產(chǎn)生突發(fā)的安全事故。這些事故除

了會(huì)造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失外，還會(huì)帶來極壞的政治和社會(huì)影響。這些

存在的問題要求對(duì)結(jié)構(gòu)施工階段進(jìn)行施工監(jiān)控，以及運(yùn)營階段要進(jìn)行健康監(jiān)測。

對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工監(jiān)控和健康監(jiān)測，可以真實(shí)地反應(yīng)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，對(duì)

其進(jìn)行診斷，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷，并評(píng)估其安全性，預(yù)測結(jié)構(gòu)的性能變化

和剩余壽命，并做出維護(hù)決定，對(duì)提高工程結(jié)構(gòu)的運(yùn)營效率，保障人民財(cái)產(chǎn)安全

具有及其重大的意義。

1.2施工監(jiān)控和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的依據(jù)

各種結(jié)構(gòu)的檢測或監(jiān)測應(yīng)以國家頒布的有關(guān)法規(guī)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)規(guī)范為依

據(jù)進(jìn)行，對(duì)于某些新結(jié)構(gòu)以及采用新材.料、新工藝的結(jié)構(gòu)，無相關(guān)條款規(guī)定時(shí)，

可以借鑒國外或國內(nèi)其它行業(yè)的相關(guān)規(guī)范、規(guī)程的有關(guān)規(guī)定。參考的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

可以分為：

(1)工業(yè)和民用建筑

《回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T23-2001)

《超聲法監(jiān)測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》(CECS21-2000)

《建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50344-2004)

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2002)

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2002)

《工業(yè)廠房可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GBJ144-90)

《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB50152-92)

《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB50292-1999)

《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ106-2003)

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)

(2)道路和橋梁

《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(CJJ99-2003)

《公路橋涵養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(JTGH11-2004)

《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTGF80/1-2004)

《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD62-2004)

《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ023-85)

《城市橋梁設(shè)計(jì)荷載準(zhǔn)則》(CJJ77-98)

《城市橋梁設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》(CJJ11-93)

《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTGD60-2004)

《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTJ021-89)

需要說明的是，上述的是主要參考的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，其它在此沒有提到的相關(guān)

標(biāo)準(zhǔn)仍可參考使用。

2.結(jié)構(gòu)分析，測試內(nèi)容確定

2.1結(jié)構(gòu)分析軟件的選擇

近些年，隨著電腦的飛速發(fā)展，有限元軟件的開發(fā)也是日新月異，以滿足人

們對(duì)結(jié)構(gòu)分析的要求，確保結(jié)構(gòu)分析的精確性。對(duì)結(jié)構(gòu)的分析，特別是對(duì)大型復(fù)

雜結(jié)構(gòu)的分析，采用有限元分析軟件有ANSYS、ABAQUS、MIDAS、SAP2000、MARC、

LS-DYNA等，每個(gè)軟件都有其獨(dú)到之處，針對(duì)工程的不同特點(diǎn)，可以選擇不同的

分析軟件，有時(shí)候可以起到事半功倍的效果。現(xiàn)介紹不同的結(jié)構(gòu)類型所采用的不

同有限元分析軟件，見表1。

表2-1結(jié)構(gòu)分析所需的有限元軟件

結(jié)構(gòu)分析主要的

結(jié)構(gòu)類型備注

有限元分析軟件

在多高層結(jié)構(gòu)中，如果是對(duì)剪力墻進(jìn)行彈

塑性分析，采用ANSYS對(duì)剪力墻的彈塑性

多高層結(jié)構(gòu)ANSYS、ABAQUS等分析存在一些不足；ABAQUS的強(qiáng)項(xiàng)在于實(shí)

體分析和殼單元分析，對(duì)于桿單元的分析

則不是其優(yōu)勢所在。

SAP2000專用于空間結(jié)構(gòu)，如網(wǎng)殼類、桁

空間結(jié)構(gòu)SAP2000、MIDAS等

架類、不規(guī)則結(jié)構(gòu)的分析。

橋梁結(jié)構(gòu)MIDAS＞橋博等一

ANSYS、EASY、3D3S

索膜結(jié)構(gòu)3D3S有單獨(dú)計(jì)算索膜結(jié)構(gòu)的模塊

等

另外，對(duì)于一些特殊結(jié)構(gòu)，如果需要使用到簡單的二次開發(fā)，可以選用

ANSYS、ABAQUS等帶有編程語言的有限元通用軟件。

2.2結(jié)構(gòu)分析

選擇適當(dāng)?shù)挠邢拊治鲕浖?duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以判斷結(jié)構(gòu)的薄弱之處。采用

有限元軟件分析的整個(gè)過程中，為了確保能夠真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的受力情況，要注

意以下幾個(gè)方面（以軟件ANSYS為例）：

（1）注意單元類型的選擇；

（2）材料恢復(fù)力模型的選擇；

（3）單元大小的劃分；

（4）邊界條件的簡化及模擬；

（5）收斂條件的選擇；

通過有限元軟件的分析，可以判斷出結(jié)構(gòu)的薄弱層、薄弱構(gòu)件、薄弱截面等

應(yīng)力比較集中的地方，對(duì)這些關(guān)鍵部位進(jìn)行傳感器布設(shè)，以時(shí)刻掌握結(jié)構(gòu)薄弱處

的受力狀態(tài)，保證結(jié)構(gòu)的施工及運(yùn)營的安全。

2.3測點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)中進(jìn)行監(jiān)測之前，需要對(duì)傳感器的布點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，

即確定傳感器的布設(shè)位置和布設(shè)數(shù)量，這樣能夠節(jié)省很多人力、物力、財(cái)力。目

前，傳感器布點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于大型復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)，現(xiàn)分別介紹靜力監(jiān)測

和動(dòng)態(tài)監(jiān)測下傳感器的優(yōu)化布設(shè)。

2.3.1結(jié)構(gòu)靜力監(jiān)測下傳感器優(yōu)化配置

目前對(duì)傳感器進(jìn)行優(yōu)化配置大多是在結(jié)構(gòu)動(dòng)力監(jiān)測上，而往往忽略了在靜力

作用下，結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳感器優(yōu)化配置時(shí)，常常是按常規(guī)布置，而實(shí)際結(jié)構(gòu)中，特別

是橋梁結(jié)構(gòu)，每一座具體橋梁結(jié)構(gòu)所關(guān)心截面位置是不一樣的。

復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下受有軸力、彎矩、剪力、扭矩等作用，其

截面應(yīng)力處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，很難將其應(yīng)力用一個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式表示。因此，根據(jù)

插值擬合的誤差最小準(zhǔn)則來配置復(fù)雜結(jié)構(gòu)靜力應(yīng)變傳感器，采用曲線擬合的方

法，即通過采集結(jié)構(gòu)上的傳感器的輸出值（關(guān)鍵位置的應(yīng)力值），通過曲線擬合,

擬合出結(jié)構(gòu)上任一點(diǎn)的應(yīng)力值，然后與計(jì)算值比較，得到插值誤差。根據(jù)調(diào)整傳

感器位置擬合不同的效應(yīng)（應(yīng)力）曲線，取擬合誤差最小的傳感器布置方案。該

優(yōu)化方法的步驟如下：

（1）在結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵位置布置傳感器，在橋面上作用額定荷載，可以測量得

到結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置的效應(yīng)值y,通過多項(xiàng)式插值擬合——拉格朗日插值擬合出結(jié)構(gòu)

的效應(yīng)值曲線方程：

〃%）=￡n』（2/）

式中：n——已知插值點(diǎn)的個(gè)數(shù)；

”——插值點(diǎn)相應(yīng)的效應(yīng)測量值；

/（%）——擬合效應(yīng)值曲線方程。

（2）利用擬合曲線方程計(jì)算出結(jié)構(gòu)上任一點(diǎn)效應(yīng)值，為了分析傳感器的位

置、數(shù)量以及擬合方法的精度，利用結(jié)構(gòu)分析軟件（如ANSYS或其他結(jié)構(gòu)計(jì)算

軟件）計(jì)算出上述額定荷載作用下結(jié)構(gòu)的實(shí)際效應(yīng)值，再與擬合曲線方程計(jì)算值

進(jìn)行比較，得到擬合誤差，根據(jù)擬合誤差最小準(zhǔn)則，選取優(yōu)化的傳感器位置和數(shù)

星

里.O

2.3.2結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)監(jiān)測下傳感器優(yōu)化配置

實(shí)際上，任何一個(gè)結(jié)構(gòu)時(shí)刻都處在復(fù)雜的荷載作用下，并不只受靜力荷載，

所以為了能夠真實(shí)地判斷結(jié)構(gòu)的損傷情況，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的監(jiān)測更有意義。

通過基于動(dòng)力響應(yīng)及振動(dòng)模態(tài)分析的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法在橋梁健康監(jiān)測領(lǐng)

域具有非常廣闊的應(yīng)用前景，但其有效性的基礎(chǔ)是建立在模態(tài)測試的準(zhǔn)確性上，

即傳感器的位置、數(shù)量對(duì)測試結(jié)果起決定作用。由于傳感器本身需要一定的成本,

與其配套適用的數(shù)據(jù)采集和處理設(shè)備的代價(jià)也比較高，從經(jīng)濟(jì)方面考慮，希望采

用盡可能少的傳感器，所以在監(jiān)測過程中，我們不可能在結(jié)構(gòu)所有的自由度上都

布設(shè)傳感器，也就不可能取得橋梁結(jié)構(gòu)完整的模態(tài)數(shù)據(jù)，只能應(yīng)用測試得到的不

完全模態(tài)數(shù)據(jù)直接進(jìn)行損傷識(shí)別，那么傳感器布置的位置和數(shù)量就對(duì)損傷識(shí)別的

效果起著至關(guān)重要的作用。

這種基于模態(tài)分析的傳感器優(yōu)化布點(diǎn)問題最早是在軌道航天器的動(dòng)態(tài)控制

和系統(tǒng)識(shí)別中得到廣泛的研究，主要方法有以下幾種，現(xiàn)在也廣泛應(yīng)用到土木工

程領(lǐng)域。

(1)有效獨(dú)立法

有效獨(dú)立法，主要思想是從所有的測點(diǎn)出發(fā)，逐步消除對(duì)目標(biāo)模態(tài)向量線性

無關(guān)貢獻(xiàn)最小的自由度，其目的是用有限的傳感器采集到盡可能多的模態(tài)反應(yīng)信

息，后來的許多算法都是對(duì)這種方法的引申和發(fā)展。

對(duì)于僅需要對(duì)結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型進(jìn)行識(shí)別的模態(tài)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)其模態(tài)可以確保被充

分激勵(lì)出來的情況下，待識(shí)別參數(shù)可以表示為振型的廣義坐標(biāo)q,傳感器的輸出

可以表示為：

Us=6q+N

式中，5一傳感器的輸出信息；

①S——所監(jiān)測模態(tài)陣型按候選測點(diǎn)縮減后的模態(tài)矩陣；

N——代表具有方差痛的靜態(tài)高斯白噪聲。

假設(shè)有s個(gè)候選測點(diǎn)，而只有m(m<s)個(gè)傳感器可用，則這種方法的目標(biāo)是保

持盡可能多的線性無關(guān)信息，從而獲得模態(tài)振型的最佳估計(jì)，即真實(shí)的廣義坐標(biāo)

》的最佳估計(jì)。對(duì)應(yīng)于.存在著一個(gè)偏差，假如這個(gè)過程是一個(gè)無偏有效估計(jì)，

估計(jì)偏差的協(xié)方差矩陣p由下式給出：

八y

q-q

其中，Q為Fisher信息矩陣。信息矩陣的最大化，將會(huì)得到參數(shù)q估計(jì)偏差的

協(xié)方差最小，也就是得到了口的最佳估計(jì)。

由于假設(shè)測試噪音為靜態(tài)高斯白噪音，對(duì)某一測量過程來說是恒值，F(xiàn)isher

信息矩陣可以表達(dá)為：

工0T0

當(dāng)°取得最大值也就是4取得最大值，因此可以用4來代表信息矩陣。

候選測點(diǎn)對(duì)模態(tài)矩陣的線性無關(guān)的貢獻(xiàn)用矩陣E的對(duì)角元來表示，E的表達(dá)

式如下:

如果Eii=O,則表示在相應(yīng)第i測點(diǎn)上無法識(shí)別所關(guān)心的模態(tài)，Eii=l則表示相

應(yīng)測點(diǎn)是關(guān)鍵點(diǎn)，不能排除。有效獨(dú)立法通過E矩陣對(duì)角元大小來對(duì)各個(gè)候選測

點(diǎn)的優(yōu)先順序進(jìn)行排序，用迭代算法每次排除相應(yīng)對(duì)角元最小的測點(diǎn)，再進(jìn)行下

一次迭代，直到得到滿意的布點(diǎn)數(shù)，最終盡可能的保持了縮減模態(tài)矩陣的線性獨(dú)

立和Fisher信息陣的行列式，從而能夠從測試數(shù)據(jù)中得到模態(tài)反應(yīng)的最佳估計(jì)。

有效獨(dú)立法是至今為止在振動(dòng)測試中應(yīng)用最廣的一種成熟的布點(diǎn)算法，它利

用復(fù)合模態(tài)矩陣E的幕等性（2-5）,逐步刪除對(duì)E的秩貢獻(xiàn)最小的自由度，由此來

優(yōu)化Fisher信息矩陣，使感興趣的模態(tài)向量在最少測點(diǎn)的情況下，盡可能保持線

性無關(guān)，從而在測試中可以采集到最大的模態(tài)信息。

（2）模態(tài)保證標(biāo)準(zhǔn)法（MAC）

由結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理可知，結(jié)構(gòu)各固有振型在節(jié)點(diǎn)上的值形成了一組正交向

量。但由于量測自由度遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)模型的自由度并且受到測試精度和測量噪音的

影響，測得的模態(tài)向量已不可能保證其正交性。在極端的情況下甚至?xí)捎谙蛄?/p>

間的空間交角過小而丟失重要的模態(tài)。因此在選擇測點(diǎn)時(shí)有必要使量測的模態(tài)向

量保持較大的空間交角，從而盡可能地把原來模型的特性保留下來。模態(tài)保證標(biāo)

準(zhǔn)矩陣是評(píng)價(jià)模態(tài)向量空間交角的一個(gè)很好的工具，其公式表達(dá)如下：

MAC.=---------------——

y①⑺?、佗刷?)7①⑺

式中，①——第i階模態(tài)向量；

①⑺——第j階模態(tài)向量。

于是通過檢查各模態(tài)在量測自由度上形成的向量MAC陣的非對(duì)角元，即可

判斷出相應(yīng)兩模態(tài)向量的交角狀況。換句話說，當(dāng)MAC陣的某一元素時(shí)式沾力等

于1時(shí)，表面第i向量與第j向量交角為零，兩向量不可分辨；而當(dāng)“聲岸"等于

零時(shí)，則表明第i向量與第j向量互相正交，兩向量可以輕易識(shí)別。故測點(diǎn)的布置

應(yīng)力使MAC矩陣非對(duì)角元向最小化發(fā)展。

(3)基于特征向量敏感度的方法

這種優(yōu)化布點(diǎn)方法基于特征值敏感度分析，現(xiàn)介紹如下。

假設(shè)結(jié)構(gòu)為小阻尼系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)損傷只引起剛度的變化，而質(zhì)量和阻尼特性不

發(fā)生變化。對(duì)于一個(gè)n自由度的動(dòng)力系統(tǒng)，當(dāng)剛度發(fā)生一個(gè)小的撓動(dòng)后，忽略阻

尼的振動(dòng)控制方程為：

[伏+9)—(4+A4)M[(R+A①,)=0(2-7)

其中k和"分別表示結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量矩陣，4和①,表示第i階特征值和

特征向量，M和AR則分別表示由損傷引起的剛度、特征值和特征向量

的微小變化。再把振型的變化表達(dá)為初始系統(tǒng)模態(tài)的線性組合：

△①,=宜八①女

k=i(2-8)

其中4%為一個(gè)比例系數(shù)，n為初始系統(tǒng)的總模態(tài)數(shù)。把式(2-8)代入式(2-7),

忽略二次項(xiàng)，整理后可得：

A小S-①1A左①

r=l4r—4

r制(2-9)

進(jìn)而把由損傷引起的剛度減少看作各個(gè)單元損傷的總和，表達(dá)式如下:

I

△左=￡&K*,(-1W%<0)

*=i(2-10)

勺和分別表示結(jié)構(gòu)第K個(gè)單元的剛度矩陣和損傷系數(shù)，I為損傷單元數(shù)。

將式(2-10)代入式(2-9)可得：

3白一①,^中.

△①:尸(K)bA

k=\r=l4r-4

r^i

、(2-11)

F(K)二.一①*總①方-①/R①)-①1R①

r=l4r-Ar=l4r-Ar=l4r一A

Lrwirwirwi7(2-12)

6A={aa.....a,}

}2(2-13)

其中，F(xiàn)(K)一第i階模態(tài)的敏感向量；

§A——損傷系數(shù)向量。

如果需要監(jiān)測多階模態(tài)，F(xiàn)(k)就成為敏感度矩陣。然后，按照線性獨(dú)立的分

析過程，可以構(gòu)造F(k)矩陣的Fisher信息矩陣及E矩陣：

A=F(k)】F(k)(2.14)

TT⑵]5)

E=F(k)\LF(k)F(k)j'F(k)

E矩陣的對(duì)角元表示相應(yīng)測點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷定位的貢獻(xiàn)，那么就可以構(gòu)造和有

效獨(dú)立法相同的迭代過程，從而得到基于此種思想的傳感器最優(yōu)布點(diǎn)方案。

(4)基于運(yùn)動(dòng)能的方法

這種方法是以傳感器測得的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)能最大為優(yōu)化目標(biāo)，所得到的布點(diǎn)方案

能為模態(tài)識(shí)別提供更高的信噪比。結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)能分布公式為：

KE=①7M①(2-16)

第i個(gè)測點(diǎn)對(duì)所監(jiān)測的結(jié)構(gòu)第n階模態(tài)的運(yùn)動(dòng)能的貢獻(xiàn)為：

KEm=9》M?j,(2-17)

j

對(duì)所有監(jiān)測模態(tài)的運(yùn)動(dòng)能貢獻(xiàn)為：

K耳=Z%ZM?#(2-18)

k=lj

其中m為所監(jiān)測的模態(tài)總數(shù)。從而，以所監(jiān)測某一階模態(tài)的運(yùn)動(dòng)能最大或

所有模態(tài)的運(yùn)動(dòng)能平均值最大為優(yōu)化目標(biāo)，根據(jù)各個(gè)候選測點(diǎn)對(duì)目標(biāo)值的貢獻(xiàn)進(jìn)

行排序，就可得到布點(diǎn)方案。

由優(yōu)化算法選定的一組測點(diǎn)，有必要建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，也是對(duì)相

應(yīng)的傳感器優(yōu)化布點(diǎn)算法的優(yōu)劣進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前，關(guān)于測點(diǎn)布設(shè)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)主要

有五個(gè)：

(1)模態(tài)保證標(biāo)準(zhǔn)(MAC)

MAC經(jīng)常用來驗(yàn)證理論和實(shí)測模態(tài)振型之間的相關(guān)性，此處我們只有理論

分析模態(tài)振型。MAC的非對(duì)角元越大，振型向量的相關(guān)性越強(qiáng)，于是通過檢查

各階模態(tài)振型在量測自由度上形成的MAC陣的非對(duì)角元，即可判斷出相應(yīng)兩個(gè)

振型向量的交角情況。為了得到各個(gè)振型向量之間相關(guān)性的一個(gè)平均量值，可以

采用非對(duì)角元的均方根值作為標(biāo)準(zhǔn)。

（2）修正模態(tài)保證標(biāo)準(zhǔn)

通常MAC矩陣的非對(duì)角元不為零，因?yàn)檎裥拖蛄渴顷P(guān)于質(zhì)量或剛度矩陣正

交，而MAC矩陣中并未考慮這些因素。我們可以引入質(zhì)量矩陣，定義修正模態(tài)

保證矩陣：

①⑺T

ModMAC=--7^=----——―———

V；i①①⑴①①⑺（2.19）

其中M為縮減質(zhì)量矩陣，通常由總的質(zhì)量矩陣直接劃去相應(yīng)的行和列得到。

修正后的模態(tài)保證準(zhǔn)則在測點(diǎn)布設(shè)方案評(píng)估中有一定的優(yōu)勢。但是，由于引入了

質(zhì)量陣會(huì)使計(jì)算變得繁瑣。

（3）振型矩陣的條件數(shù)

設(shè)A為n階可逆方陣，⑶表示A的任意一種范數(shù)，則A的條件數(shù)定義為：

網(wǎng)（2-20）

鑒于矩陣A的范數(shù)有多種定義，因此條件數(shù)的定義也有多種，最常用的條件

數(shù)是由譜范數(shù)?兒導(dǎo)出的譜條件數(shù)。一個(gè)可逆矩陣的條件數(shù)等于它的最大特征值

和最小特征值之商；假若A為一個(gè)病態(tài)陣，則A的條件數(shù)定義為最大奇異值和最

小非零奇異值之商。

一個(gè)矩陣A被稱為是病態(tài)的，如果它的列向量近似的線性相關(guān)，此時(shí)相應(yīng)的

條件數(shù)將很大。因此可以用振型矩陣的條件數(shù)來評(píng)價(jià)傳感器布置的好壞，如果條

件數(shù)接近1，說明布點(diǎn)較好，反之則較差，其本質(zhì)和MAC類似。

（4）模態(tài)運(yùn)動(dòng)能

結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)能的分布公式見（2-16）,可以用某一階振型運(yùn)動(dòng)能的大小或各階

振型運(yùn)功能的總和作為標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)價(jià)布點(diǎn)方案。此標(biāo)準(zhǔn)比較直觀地評(píng)估出測點(diǎn)方案

對(duì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的數(shù)據(jù)采集能力，但不保證測量模態(tài)向量的正交獨(dú)立性。

（5）Fisher信息矩陣

Fisher信息矩陣的行列式值表示布點(diǎn)中保留的振型信息的多少，因此我們希

望它的值盡可能的大。Fisher信息矩陣的一個(gè)不利因素是它沒有一個(gè)固定的范圍，

不能對(duì)布點(diǎn)方案進(jìn)行定量的評(píng)價(jià)，而只能定性比較不同方案的優(yōu)劣。

綜合上述測點(diǎn)布設(shè)方案的五個(gè)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)1、標(biāo)準(zhǔn)2、標(biāo)準(zhǔn)3在保障實(shí)驗(yàn)

模態(tài)向量的正交性方面起到了基本的作用，但不能保證測點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)待識(shí)別參數(shù)的

敏感性達(dá)到最優(yōu)。標(biāo)準(zhǔn)4能保證傳感器布設(shè)在反應(yīng)的高幅點(diǎn)，有利于數(shù)據(jù)的采集

及提高測量的抗噪能力。標(biāo)準(zhǔn)5依賴于待識(shí)別參數(shù)q,當(dāng)q為廣義坐標(biāo)向量時(shí)，它

能夠保證實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)向量的正交性。

2.4測試內(nèi)容確定

通過結(jié)構(gòu)監(jiān)測的目的和布點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以確定在結(jié)構(gòu)上所要監(jiān)測的測

點(diǎn)，再根據(jù)結(jié)構(gòu)的有限元分析，可以確定在結(jié)構(gòu)中每個(gè)測點(diǎn)所要監(jiān)測的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

一般來說，監(jiān)測的內(nèi)容比較多，主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面上應(yīng)力的分布狀態(tài)及其大??；

（2）結(jié)構(gòu)的各種靜態(tài)變形，也括水平位移、撓度、相對(duì)滑移、轉(zhuǎn)角等。結(jié)

構(gòu)局部的損壞現(xiàn)象如裂縫的分布及其寬度、深度等；

（3）結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，如自振頻率、周期、衰減特性等，以及在動(dòng)力荷載

下的結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)位移、速度和加速度等。

3.儀器選擇

3.1選擇儀器的指標(biāo)

目前，最常見的檢測儀器分類見表2。

表2T檢測儀器分類

分類依據(jù)儀器類型

機(jī)械式測試儀器、電測儀器、光學(xué)儀器、聲學(xué)儀器、

儀器的工作原理

復(fù)合式儀器、伺服式儀器等

儀器的用途測力計(jì)、應(yīng)變計(jì)、位移計(jì)、傾角計(jì)、測振儀等

測定的方法平衡式和非平衡式

結(jié)構(gòu)顯不與記錄方式直讀式、自動(dòng)記錄式、模擬式、數(shù)字式

儀器與結(jié)構(gòu)的相對(duì)關(guān)系附著式、接觸式、手持式、遙測式等

在選擇儀器之前，需要了解衡量各種儀器的性能指標(biāo)，一般包括以下幾個(gè)方

布:

（1）量程：指儀器的最大測量范圍，如百分表的的量程一般有5cm和10cm。

（2）最小刻度：指儀器指示裝置的每一最小刻度所代表的數(shù)值，如百分表

的最小刻度為0.01mm,千分表的最小刻度為0.OOlmmo

（3）靈敏度：是指儀器對(duì)被測參數(shù)變化的靈敏程度，或者說是對(duì)被測的量

變化的反應(yīng)能力，是在穩(wěn)態(tài)下輸出變化增量對(duì)輸入變化增量的比值，靈敏度有時(shí)

也稱“放大比”，增加放大倍數(shù)可以提高儀器靈敏度，單純加大靈敏度并不改變

儀器的基本性能，即儀器精度并沒有提高，相反有時(shí)會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，造成輸出

不穩(wěn)定。儀器靈敏度應(yīng)保持適當(dāng)?shù)牧俊?/p>

（4）絕對(duì)誤差：指被測參數(shù)測量值和被測參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值之差。（所謂標(biāo)準(zhǔn)值是

精確度比被測儀表高3-5倍的標(biāo)準(zhǔn)表測得的數(shù)值）

（5）精確度：又稱準(zhǔn)確度，精確度和誤差可以說是李生兄弟，因?yàn)橛姓`差

的存在，才有精確度這個(gè)概念。簡而言之就是儀表測量值接近真值的準(zhǔn)確程度，

通常用相對(duì)百分誤差（也稱相對(duì)折合誤差）表示。精確度是儀表很重要的一個(gè)質(zhì)

量指標(biāo)，常用精度等級(jí)來規(guī)范和表示。精度等級(jí)就是最大相對(duì)百分誤差去掉正負(fù)

號(hào)和百分號(hào)。按國家統(tǒng)一規(guī)定劃分的等級(jí)有0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.35、

1.0、1.5、2.5、4等，儀器精度等級(jí)-一般都標(biāo)志在儀器標(biāo)尺或標(biāo)牌上。要提高

儀器精確度，就要進(jìn)行誤差分析。誤差通常可以分為疏忽誤差、緩變誤差、系統(tǒng)

誤差和隨機(jī)誤差。

（6）復(fù)現(xiàn)性（重復(fù)性）：測量復(fù)現(xiàn)性是在不同測量條件下，如不同的方法，

不同的觀測者，在不同的檢測環(huán)境對(duì)同?被檢測的量進(jìn)行檢測時(shí)，其測量結(jié)果一

致的程度。測量復(fù)現(xiàn)性必將成為儀器的重要性能指標(biāo)。

（7）穩(wěn)定性：在規(guī)定工作條件內(nèi)，儀器某些性能隨時(shí)間保持不變的能力稱

為穩(wěn)定性（度）。通常用儀器零漂移來衡量儀器的穩(wěn)定性。

（8）可靠性：可靠性和儀器維護(hù)量是相反相成的，儀器可靠性高說明儀器

維護(hù)量小，反之儀器可靠性差，儀器維護(hù)量就大，通常用平均無故障時(shí)間MTBF

來描述儀器的可靠性。

了解了儀器的各種性能指標(biāo)，再根據(jù)結(jié)構(gòu)檢測或監(jiān)測的需要來確定所需儀器

的類型、型號(hào)等，現(xiàn)以國內(nèi)兒種主流應(yīng)變傳感器為例子，分別比較它們的主要參

數(shù)以及適用范圍。

國內(nèi)傳統(tǒng)的測量結(jié)構(gòu)應(yīng)變所使用的測量儀器主要有兒種類型：電阻應(yīng)變片、

振弦式應(yīng)變傳感器、光纖光柵式應(yīng)變傳感器。

(1)應(yīng)變片的使用是一種比較傳統(tǒng)的應(yīng)變檢測方法，其存在著不足之處，

如貼片工作量大，安裝不方便且成活率低，每一測點(diǎn)都需要連一個(gè)單獨(dú)的線到二

次儀表上，使用的導(dǎo)線多而復(fù)雜，易受溫度和電磁場、潮濕等的影響，特別是野

外測量時(shí)對(duì)儀器的抗干擾性能要求高，應(yīng)變片不能重復(fù)使用，不適合于做長期監(jiān)

測等。

(2)振弦式應(yīng)變傳感器的對(duì)測點(diǎn)的頻率響應(yīng)過慢，不能很好的測試動(dòng)態(tài)應(yīng)

變，數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，而且讀數(shù)很慢，需要一個(gè)個(gè)測點(diǎn)的讀數(shù)。弦式傳感器也存在安

裝不方便，一般較難粘在表面，使用焊接安裝，而且不能很好的將混凝土的應(yīng)變

傳遞到采集儀上，這是由弦式傳感器的構(gòu)造決定的。振弦傳感器的工作原理是源

于一根張緊的鋼弦振動(dòng)的諧振頻率與鋼弦的應(yīng)變或者張力成正比。鋼弦外面用鋼

管封裝著，屬于鎧裝，不是柔性的，因此不能很好的將測點(diǎn)的變形傳遞到鋼弦上

(在支座有損失)。

(3)光纖光刪式傳感器可以串接在一根線上，因此線會(huì)少些，但是光纖光

柵式傳感器安裝的成活率不高，穩(wěn)定性問題主要表現(xiàn)在傳感元件的蠕變效應(yīng)，主

要是由于黏合劑的蠕變引起的。

3.2傳輸方式選擇

3.2.1有線連接的傳輸方式

總線上可接多個(gè)

RS485集線盒

每?個(gè)集線盒上

都可按不同類型

的傳感器多個(gè)

HY-65050F由5485集線盒

位移傳感器u

電源"

HY-65DJ3000B

.變傳感器

RS-

RC65D工程結(jié)構(gòu)

體動(dòng)靜態(tài)撓度沉

降測試儀

圖3-1有線連接傳輸示意圖

有線連接的數(shù)據(jù)傳輸，這種傳輸方式運(yùn)用于早期的施工監(jiān)控和結(jié)構(gòu)監(jiān)控中,

適用于小型的工程。采用這種的傳輸方式，存在弊端有以下幾個(gè)方面：

（1）不能遠(yuǎn)程監(jiān)控（RS485最大傳輸距離是1219米）；

（2）浪費(fèi)了大量的電纜線或光纜線；

（3）浪費(fèi)大量的時(shí)間來布引線；

（4）在施工中，容易造成引線的破壞，使得檢測或監(jiān)測失敗。

3.2.2無線+有線連接的傳輸方式

]無線數(shù)據(jù)中繼收發(fā)器

HY-65O5OF[0

位移傳感器U□（接到集線盒上）

無線傳輸有效距離可以有100?200米、

1000?2000米、2000?5000三種供用戶選擇

HY-65DJ3000B

應(yīng)變傳感器每一個(gè)集線盒上

調(diào)]都可按不同類型

12VI1源的傳感器共20個(gè)

RS-

RC65D工程結(jié)構(gòu)

體動(dòng)靜態(tài)撓度沉

降測試儀

J以有多個(gè)無線數(shù)據(jù)收發(fā)盒來組成多達(dá)數(shù)百個(gè)傳感器的測試網(wǎng)絡(luò)

[無線數(shù)據(jù)中繼收發(fā)器

1□（接到集線盒上）

HY-65DJ3000B

應(yīng)變傳感器每一個(gè)集線盒上

無線數(shù)據(jù)中繼收發(fā)器■都可按不同類型

（接電腦端）12V也源的傳感器共20個(gè)

筆記本電腦

RC65D工程結(jié)構(gòu)

體動(dòng)靜態(tài)撓度沉

12Vl瞞

降測試儀

圖3-2無線+有線連接傳輸示意圖

無線+有線連接的數(shù)據(jù)傳輸，這是目前普遍采用的一種傳輸方式，它不但降

低了在施工現(xiàn)場拉接引線帶來的勞動(dòng)量，也能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)控要求。如果想遠(yuǎn)

距離傳輸，可以通過CDMA手機(jī)GPRS網(wǎng)絡(luò)無線數(shù)據(jù)透明傳輸，即用遠(yuǎn)端的計(jì)算機(jī)

來和現(xiàn)場測試的計(jì)算機(jī)之間數(shù)據(jù)通信。使用手機(jī)用的GPRS網(wǎng)絡(luò)來傳輸信號(hào)，這

樣傳輸和通信的距離就可以無限遠(yuǎn)了。在這個(gè)傳輸示意圖中，要注意連接電腦的

無線數(shù)據(jù)中繼收發(fā)器有的需要電源供電，有的靠電腦的USB口供的電就能夠滿

足。

3.2.3無線連接的傳輸方式

HY45DJ3000B應(yīng)變

傳感器（詢）

某個(gè)測試梁或某個(gè)截面

中繼收發(fā)

器（接盒RS-

子端）IRC65D工程結(jié)構(gòu)體動(dòng)

靜態(tài)撓度沉降測試儀

傳感器無線數(shù)據(jù)收發(fā)器

傳感器無線數(shù)據(jù)收發(fā)器

12V電源用于無線的傳輸接力紅外線遙控器

無線數(shù)據(jù)中用來控制傳感器電源的接通和關(guān)閉

繼收發(fā)器

（接電腦

□、端）

筆記本電腦

可以組成多達(dá)數(shù)百個(gè)無線傳輸傳感器的測試網(wǎng)絡(luò)

12V電源

圖3-3無線連接傳輸示意圖

完全無線連接方式安裝快捷，能節(jié)省很多的時(shí)間，也能省去了很多布線和查

線的麻煩，大大提高了工作效率。但在實(shí)際工程的適用中，其造價(jià)比較高，并且

要注意：如果有條件，盡量使每個(gè)天線間處在可視（不遮擋），這么對(duì)信號(hào)傳輸

質(zhì)量有幫助。如有有遮擋的情況，那么可盡量把天線放高點(diǎn)，這樣有利于信號(hào)傳

輸質(zhì)量。

通過上面三種傳輸方式的介紹，分別了解了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)工程的實(shí)際

情況來確定采用哪種的傳輸方式。選擇依據(jù)是：

（1）實(shí)際工程布線的可行性；

（2）是進(jìn)行長期監(jiān)測還是短期監(jiān)測。長期監(jiān)測一般采用后兩種傳輸方式；

（3）工程監(jiān)測經(jīng)費(fèi)的預(yù)算。

3.3采集儀選擇

一般來說，采集儀會(huì)給傳感器一個(gè)激勵(lì)信號(hào)，然后得到傳感器傳回的響應(yīng)信

號(hào)，從響應(yīng)信號(hào)中來判斷傳感器所測參數(shù)的變化，所以采集儀中各參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)采

集也有一?定的影響。

對(duì)采集儀的選擇，應(yīng)該結(jié)合工程的實(shí)際情況和監(jiān)測需要，需要從以下兒個(gè)方

面來考慮：

（1）從采集儀通道數(shù)來選擇；

（2）從最高采樣頻率來選擇；

（3）傳感器參數(shù)的設(shè)置；

（4）傳感器的標(biāo)定；

（5）從采集方式來選擇，即是否可進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集能力；

（6）A/D分辨率；

（7）供電方式；

（8）整個(gè)采集儀箱子是否設(shè)有保護(hù)措施，如防雷擊裝置等。

4.儀器設(shè)備安裝

4.1儀器設(shè)備的安裝

在整個(gè)工程檢測或結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中，所用到的主要儀器有數(shù)據(jù)采集儀和

各種傳感器。數(shù)據(jù)采集儀主要固定在一個(gè)安全、不影響施工和以后運(yùn)營的地方。

除了采集儀的安置以外，更重要的是傳感器的安裝，因?yàn)樗P(guān)系到整個(gè)健康監(jiān)測

系統(tǒng)測量結(jié)果的準(zhǔn)確度，也就關(guān)系到整個(gè)結(jié)構(gòu)是否能夠安全施工和安全運(yùn)營的關(guān)

鍵，是整個(gè)系統(tǒng)中的重點(diǎn)。下面將介紹各種比較常見的傳感器的用途，以及安裝

方法和注意事項(xiàng)。

4.1.1測量土壓力傳感器的安裝

目前，測量土壓力的常用傳感器有單膜土壓力盒和雙膜土壓力盒，適用與建

筑基礎(chǔ)、擋土墻、隧道、土壩、沉井、橋墩等結(jié)構(gòu)邊界土壓力的長期觀察。在土

壓力測量之前，土壓力盒的埋設(shè)問題非常重要，直接關(guān)系到土壓力測試精度以及

傳感器成活率的最重要因素。土壓力盒主要應(yīng)用于以下三種情況。

（1）測量基底接觸壓力時(shí)傳感器的埋設(shè)

測量基底接觸壓力時(shí)，要求土壓力盒承壓板與基礎(chǔ)底板下的墊層面齊平。埋

設(shè)時(shí)，據(jù)現(xiàn)場情況可采用直接埋設(shè)、預(yù)留孔埋設(shè)及混凝土塊體埋設(shè)等方法。

（2）測量結(jié)構(gòu)物接觸壓力時(shí)傳感器的埋設(shè)

測量采用大開挖-回填方法施工的地下結(jié)構(gòu)物（如淺埋地下鐵道、人防工事）

以及橋臺(tái)、擋土墻等所受的接觸壓力，可在結(jié)構(gòu)物施工過程中預(yù)留土壓力盒位置,

即在結(jié)構(gòu)物混凝土澆注前，將預(yù)埋件安裝于內(nèi)外模板間。在測量深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)

（如地下連續(xù)墻）的接觸壓力時(shí)，土壓力盒的埋設(shè)工藝比較復(fù)雜，通常采用水壓

（或氣壓）活塞式埋設(shè)法、掛布法及土壓力盒埋設(shè)器法等。

（3）測量自由場土壓力時(shí)傳感器的埋設(shè)

測量填土中的應(yīng)力、土壓力盒的埋設(shè)方法簡單，只需控制土壓力盒周圍土體

的密實(shí)度及埋設(shè)面的水平度。測試軟土中深層水平應(yīng)力，則需在現(xiàn)場鉆孔，然后

在孔中埋設(shè)鏟式側(cè)向土壓力盒。

4.1.2水壓力測量傳感器安裝

在施工中，土體孔隙水壓力變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響不可忽視。尤其是水泥粉煤灰

碎石樁在軟土地基中采用振動(dòng)沉管法施工會(huì)產(chǎn)生較大的超孔隙水壓力，這使得在

后期的基坑開挖過程中樁隆起成為可能，影響結(jié)構(gòu)的安全。為了減小樁基施工對(duì)

上體的擾動(dòng)，必須采取相應(yīng)的監(jiān)測手段對(duì)打樁的全過程進(jìn)行信息化指導(dǎo)，這包含

了對(duì)土體孔隙水壓力的監(jiān)測。

目前常用的空隙水壓力計(jì)可用于建筑基礎(chǔ)、沉井、橋梁墩臺(tái)、隧道等結(jié)構(gòu)的

地下空隙水壓力的測量，若與土壓力盒配合適用，可同時(shí)測量地基總壓力和地下

空隙水壓力。

空隙水壓力計(jì)其錐型透水石聯(lián)有金屬錐頭，它適合在鉆孔中使用。在予埋設(shè)

的位置先鋪墊10cm厚的細(xì)砂，用結(jié)實(shí)的細(xì)繩鉤掛住傳感器，沿鉆孔慢慢放入，

錐頭接觸到細(xì)砂后，再向孔中置放細(xì)砂將透水石完全裹住，以利透水。

4.1.3測量混凝土應(yīng)變傳感器的安裝

用于測量混凝土應(yīng)變的傳感器有很多種，根據(jù)傳感器的安裝位置可分為表面

式和埋入式，根據(jù)測量原理可分為光纖光柵傳感器、振弦式傳感器等?；炷翍?yīng)

變傳感器在結(jié)構(gòu)的布置時(shí)，應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：

（1）不管是光纖光柵傳感器還是振弦傳感器，是表面式布置還是埋入式布

置，其應(yīng)用于測量構(gòu)件某一方向混凝土應(yīng)變變化時(shí)，傳感器的軸線方向務(wù)必平行

于應(yīng)力測量方向。當(dāng)采用埋入式時(shí)，如圖4T的采用振弦傳感器，用細(xì)鐵絲纏住

定位，綁在與應(yīng)力測量方向一致的鋼筋上；當(dāng)采用表面式傳感器時(shí)，如圖4-2

的采用光纖光柵傳感器，在監(jiān)測點(diǎn)上，沿著混凝土應(yīng)變監(jiān)測的方向，要使得傳感

器牢牢地固定在混凝土表面上。常用的方法有：表面植筋法、黏貼法等。

圖4-1埋入式傳感器圖4-2表面式傳感器

（2）在鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)變測量中，傳感器多采用表面式安裝。如采用光纖光柵應(yīng)

變傳感器，則要在被測點(diǎn)焊接兩個(gè)和傳感器長度相對(duì)應(yīng)的底座，然后將傳感器用

螺栓固定在底座上。這種安裝方式可靠性高、安裝簡單，但要注意在焊接底座時(shí)

采用就弧焊滿焊（并且應(yīng)將光纖光柵鋼筋傳感器部分（中間段）浸泡在水中或布

包澆水，以免過熱損壞光纖光柵鋼筋傳感器），可防止底座與鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相對(duì)位

移，保證測量精度，并且傳感器用螺栓固定后，還需用特殊膠封蓋，可以防止因

鋼結(jié)構(gòu)振動(dòng)造成的螺栓松動(dòng)，增加測量的可靠性，見圖4-2。

（3）當(dāng)采用埋入式布設(shè)傳感器時(shí)，要把傳感器布在受力主筋下方，防止布

設(shè)好的傳感器方向受到澆筑混凝土的沖擊而改變所測的方向，見圖4-1o

（4）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的施工過程屬于典型的粗放式作業(yè)，如何很好的保護(hù)

傳感器的引線，以免在澆筑、振搗和壓模等施工過程中導(dǎo)致的沖擊折斷是在布設(shè)

感器時(shí)所必須要考慮的問題。傳感器的引線沿結(jié)構(gòu)鋼筋引出，用細(xì)鐵絲或者膠帶

綁在鋼筋底下，并且在引線出構(gòu)件表面處要對(duì)引線套上軟質(zhì)塑料管懸空于鋼筋籠

上方，以免在施工時(shí)引起導(dǎo)線損壞，見圖4-1。另外，應(yīng)盡量減小傳感器引線在

混凝土內(nèi)部的布設(shè)長度，可以在離傳感器較近處的模板上開洞，將引線引出。對(duì)

于光纖光柵傳感器，在引出時(shí)還需要注意不要把光纖彎折太大，否則會(huì)造成反射

的光信號(hào)很弱，甚至沒有信號(hào)。

圖4-3鋼結(jié)構(gòu)上表面式傳感器圖4-4傳感器光纜的保護(hù)

4.1.4鋼筋應(yīng)力傳感器的安裝

對(duì)鋼筋應(yīng)力的測量，目前采用的鋼筋應(yīng)力計(jì)有光纖光柵傳感器、振弦傳感器

等。在結(jié)構(gòu)上對(duì)選定的測試點(diǎn)布設(shè)鋼筋應(yīng)力計(jì)要注意以下幾點(diǎn)：

（1）根據(jù)預(yù)先確定的方案選定測點(diǎn)，將鋼筋應(yīng)力計(jì)沿著所要監(jiān)測的應(yīng)力方

向安裝，通常選擇與該方向的主筋對(duì)焊在一起，即在該主筋的中間段截去與鋼筋

應(yīng)力計(jì)一樣長度的鋼筋，把鋼筋應(yīng)力計(jì)兩端與主筋焊接上。在焊接時(shí)，一般采用

電弧焊，焊接的面積應(yīng)不小于鋼筋的有效面積；或者采用兩根鋼筋短頭夾在焊點(diǎn)

兩側(cè)并焊牢，在焊接的過程中，宜用軟布將鋼筋計(jì)殼體裹住，或者采用水流冷卻,

這是普遍采用的有效方法。

（2）在監(jiān)測方向，所選的與鋼筋應(yīng)力計(jì)焊接的主筋，其截面面積必須與鋼

筋應(yīng)力計(jì)兩端的鋼筋截面面積相當(dāng)，這樣通過傳感器測得的應(yīng)力值才能真實(shí)反應(yīng)

鋼筋的受力。

（3）如何保護(hù)好鋼筋應(yīng)力計(jì)的引線以免在澆筑、振搗和壓模等施工過程中

導(dǎo)致的沖擊折斷是在布設(shè)應(yīng)力計(jì)時(shí)所必須要考慮的問題。傳感器的引線沿主筋引

出，用系鐵絲或者膠帶綁在主筋上，并且在引線出結(jié)構(gòu)表面處要對(duì)引線套上鉛塑

管，以免在澆筑混凝土?xí)r而引起導(dǎo)線損壞。

（4）應(yīng)盡量減小鋼筋應(yīng)力計(jì)的引線在混凝土內(nèi)部的布設(shè)長度，我們可以在

離應(yīng)力計(jì)較近處的模板上開洞，將引線引出。

4.1.5結(jié)構(gòu)撓度測量傳感器的安裝

目前常用的撓度測量方法有經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、百分表等，已廣泛用于結(jié)構(gòu)施

工現(xiàn)場檢測及驗(yàn)收鑒定中，但這些廉價(jià)、結(jié)構(gòu)簡單的測量方法存在費(fèi)時(shí)費(fèi)力、使

用不便、實(shí)時(shí)測量困難等不足。因此，一些基于傳感技術(shù)的新型撓度測量方法，

如測量機(jī)器人（全自動(dòng)全站儀）、傾角儀、GPS、激光圖像法、連通管法、光電成

像法等逐漸應(yīng)用于結(jié)構(gòu)撓度監(jiān)測中，比如大型的橋梁結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)長期、遠(yuǎn)程、

自動(dòng)測量。下面將介紹幾種新型撓度測量傳感技術(shù)其監(jiān)測技術(shù)原理以及性能特點(diǎn)

的比較，見表4-1。

表4T結(jié)構(gòu)撓度監(jiān)測技術(shù)原理及性能特點(diǎn)的比較

方原理性能特點(diǎn)

法

該儀器主要由棱鏡和主機(jī)組成，由

主機(jī)的紅外測距儀發(fā)出的紅外線經(jīng)安

高度的智能化、很快

裝于結(jié)構(gòu)上棱鏡的反射后又被接受到，

測量的測量速度、大的量程和

從而測得結(jié)構(gòu)被測點(diǎn)到測量機(jī)器人之

機(jī)器人很高的測量精度是測量機(jī)

間的距離，同時(shí)，集成在主機(jī)上的電子

器人獨(dú)一無二的特點(diǎn)

經(jīng)緯儀測出棱鏡相對(duì)于主機(jī)的水平方

位角和垂直角，從而計(jì)算出結(jié)構(gòu)的變形

不需現(xiàn)場測量基準(zhǔn)

利用地心引力（鉛垂線）為基準(zhǔn)，采及不受日光、雨、霧等影

傾角儀用電學(xué)方法，測量結(jié)構(gòu)變形后相對(duì)于鉛響，適合自動(dòng)化測量，測

垂線的傾斜角，從而計(jì)算出結(jié)構(gòu)變形量范圍較大，可實(shí)現(xiàn)一維/

二維測量

在2臺(tái)以上的GPS接收機(jī)同步接收

衛(wèi)星信息的情形下，將其中一部接收機(jī)

能動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)、自動(dòng)三

設(shè)為參考站，通過無線電將參考站所接

GPS維測量，便于與計(jì)算機(jī)接

收的衛(wèi)星信息加以廣播，而裝在其他結(jié)

口，且測量范圍大

構(gòu)物上的GPS接收機(jī)藉此確定其三維坐

標(biāo)

利用激光良好的方向性，固定在結(jié)

激光構(gòu)被測點(diǎn)的激光器隨著結(jié)構(gòu)不同程度測量精度高，且采樣

圖像法的變形，照射在光電接收器上的激光光速率高，成本較低

斑中心也隨之發(fā)生等量變化，因此只要

獲取光斑中心位置就可得到結(jié)構(gòu)撓度

測量準(zhǔn)確度高，可實(shí)

利用連通管中各處液位相同的原

現(xiàn)自動(dòng)化及一維測量，不

理，將液位作為基準(zhǔn)，利用液位計(jì)測量

連通管法受測量距離限制及日光、

各個(gè)連通管中的液位變化，從而判斷出

雨、霧影響，但只能測量

該連通管所處的撓度變化

垂直位移

利用工業(yè)攝像機(jī)攝取安裝在橋梁

準(zhǔn)確度及采樣速率

光電上某點(diǎn)的測量標(biāo)志圖像，通過測量標(biāo)志

較高，測量范圍大，且測量

圖像法圖像的變動(dòng)，計(jì)算出測量標(biāo)志處的二維

距離較遠(yuǎn)

變形

目前，常用于測量結(jié)構(gòu)撓度的是機(jī)器人撓度傳感技術(shù)，測量機(jī)器人也稱為全

自動(dòng)全站儀器。測量機(jī)器人測定一個(gè)目標(biāo)棱鏡空間位置后，會(huì)自動(dòng)切換到下一個(gè)

目標(biāo)棱鏡，所測得的數(shù)據(jù)有目標(biāo)的距離、水平角和垂直角，從而來確定其位置。

之后，繼續(xù)切換到下一個(gè)目標(biāo)，這樣循環(huán)掃描便可依次獲得不同時(shí)刻各個(gè)點(diǎn)的空

間坐標(biāo)，各點(diǎn)在豎直方向不同時(shí)刻空間位置變化即反映出結(jié)構(gòu)撓度的變化。

4.1.6結(jié)構(gòu)支座沉降監(jiān)測傳感器的安裝

根據(jù)現(xiàn)行的規(guī)范要求，高層建筑物、高聳構(gòu)筑物、重要古建筑物及連續(xù)生產(chǎn)

設(shè)施基礎(chǔ)、動(dòng)力設(shè)備基礎(chǔ)、滑坡監(jiān)測等均要進(jìn)行沉降觀測。特別在高層建筑物施

工過程中應(yīng)用沉降觀測加強(qiáng)施工過程監(jiān)控，指導(dǎo)合理的施工工序，預(yù)防在施工過

程中出現(xiàn)不均勻沉降，及時(shí)反饋信息為勘察設(shè)計(jì)施工部門提供詳盡的一手資料，

避免因沉降原因造成建筑物主體結(jié)構(gòu)的破壞或產(chǎn)生影響結(jié)構(gòu)使用功能的裂縫，造

成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

目前，通常采用的是靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)來測量監(jiān)測點(diǎn)彼此之間的垂直高