(完整版)土木工程智能结构系统-欧进萍

土木工程智能结构系统欧进萍大连理工大学哈尔滨工业大学

引言I.结构振动控制系统II.结构健康监测系统III.智能混凝土、制品与结构引言重大工程大型结构、重要基础设施、重大岩土工程自然灾害作用●地震作用、强风作用、极值风浪作用

结构振动、地表塌陷、山体滑坡●工程灾变危害●环境侵蚀、腐蚀作用钢筋锈蚀、材料老化

损伤积累、抗力衰减●长期载荷、疲劳荷载地表塌陷、边坡失稳

---灾害演变作用导致系统损伤积累的突然失效●工程活动的诱变灾害地震灾害唐山地震中，24.2万余人死亡、整座城市瞬间夷为平地神户地震中，6000人死亡，35万人受伤，300万人无家可归，损失超过1500亿美元风致振动及其危害特殊的风振效应——涡激振动、驰振、颤振、抖振可能导致结构振动发散长期的风振效应将导致结构疲劳损伤与裂纹扩展岩土工程灾变危害耐久性失效及危害钢材腐蚀与疲劳损伤混凝土开裂与剥离结构抗力严重退化重大工程的灾变危害已经成为制约工程活动和重大工程安全运行的关键问题危及社会和经济的可持续发展

监测与控制是重大工程灾害（变）演化规律研究与安全保障的重要途径自感知自诊断自适应自愈合航天飞行器结构健康监测与自适应控制飞机机翼形状自适应控制与疲劳损伤监测土木水利大型结构健康监测与控制急需智能材料与结构系统复合材料集成技术微电子技术计算机技术信息处理技术基础结构智能结构系统传感系统数据处理监测诊断系统控制决策驱动系统

监测、诊断与控制是智能结构系统的主要功能I.结构振动控制系统“智能”阻尼器（半主动控制）可控但只需要少量的动力主动控制系统可控但需要大量的动力被动控制系统（隔震与耗能减振）不可控也不需要动力结构振动控制分类50年代：结构变刚度概念—日本Kobori60年代：沙层或橡胶层基础隔震结构—中国李立60年代末：叠层橡胶支座隔震—美国Kelly

基础隔震发展70年代初：结构设置金属耗能元件—美国Kelly

结构耗能减振发展72年：结构振动的现代控制方法—美国Yao

结构主动控制发展80年代末～90年代初：AMD、半主动控制系统

结构主动控制应用90年代：智能驱动材料的应用

结构振动的智能控制兴起发展概况1.结构基础隔震考验：1995年日本神户地震设计规程：我国及世界其它国家难题：结构竖向隔震近20年我国已经建成500余座隔震建筑2.结构耗能减振耗能减振体系的分析和设计方法线性非正交阻尼体系非线性体系设计指南和规程研究方向：结构抗灾性态控制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:沈阳市政府大楼摩擦耗能器抗震加固（吴波、李惠等，1998）2.4ApplicationsofPEDSs128frictionaldamperswithmultiplefrictionallayers,themaximumdampingforce250kN,developedinHIT北京饭店抗震加固的粘滞耗能减振应用（王亚勇等，1999）DampingbraceStiffnessbraceStructureIStructureII156JARRET(Viscous-Spring)dampers,maximumdampingforce500kN北京火车站抗震加固的粘滞耗能减振应用（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相对位移(mm)ModelcurveTestcurvef=0.5HzDisp.(mm)Force(kN)Force(kN)Disp.(mm)f=2.0HzModelcurveTestcurveHystereticcurveofdampingforceMorethan20buildingswithPEDSshavebeenbuiltinChina3.结构主动控制系统结构激励响应计算机（控制算法）控制作动器传感器反馈信号传感器前馈信号初期阶段（1972～1985）：现代控制理论的应用——发展了各种主动最优控制算法第二个阶段（1985～1992）：主动控制系统试验实现和工程应用起步ATS/ABS和AMD试验实现1989年日本Kajima建筑公司建成了世界上第一幢采用AMD系统的11层办公大楼——京桥成和大厦1990日本Kajima建筑公司建成了世界上第一幢采用主动变刚度控制系统的三层办公楼快速发展阶段（1992～）:日本多栋采用AMD/HMD的建筑建成结构半主动控制和智能控制蓬勃掀起(能量输入少、控制鲁棒性好）——结束了长期争论的结构主动控制的能源和系统可靠性问题结构主动控制发展的主要阶段1986～1989，美国Soong等人

系统地完成了1:4模型的单层、三层和六层钢框架模型的ATS和AMD主动控制试验

ABS/ATS系统控制小型结构需要数千瓦、控制大型结构则高达数千千瓦能源（Soongetal，1991）被动TMD系统的不足①只能控制结构某个振型的反应，而且控制效果对被控振型的频率非常敏感（最优频率比偏离5%时，控制效果下降约30％）

——不适合结构抗震控制②TMD控制能力有限（质量之比3％、给结构附加的阻尼比不超过4%）

——不适合大阻尼、如钢筋混凝土结构控制③TMD系统的质量行程通常较大HMD系统——TMD和主动控制作动器组合而成

AMD系统——质量块和主动控制作动器组成质量块是作动器给结构施加控制力的支撑点HMD系统AMD系统HMD/AMD系统一般设置在结构顶层日本京桥成和大楼(1989)AMD-1AMD-2控制计算机传感器传感器传感器ab日本彩虹桥施工期桥塔HMD控制（1991～1992）日本横滨LANDMARK大厦(1993)日本东京新宿52层建筑用TRIGON控制装置（1994）Roller南京电视塔，中国，2001（未实现）广州新电视塔(广州塔)HAMD控制系统

（周福霖，欧进萍等，2012）工程简介总高600m包括450m高塔楼和150m高天线桅杆固有周期达10.92秒——风敏感结构总建筑面积102,000m2塔体有37层封闭楼层分别作为观光层，餐厅，电视广播技术中心以及休闲娱乐区等体态生动建筑结构由一个向上旋转的椭圆形钢外壳变化生成相对于塔的顶、底部，其腰部纤细，体态生动广州塔振动控制系统HMD=TMD+AMD消防水箱(5)重600吨*2AMD质量(1)重57吨*2直线电机驱动的AMD主塔顶加速度控制效果主塔顶位移控制效果控制系统安装层平面图广州塔主塔450m,基本周期11s截至到2003年…50幢建筑物和高耸结构采用了主动或混合质量阻尼(AMD/HMD)控制技术15座桥塔在施工阶段采用了主动或混合质量阻尼(AMD/HMD)控制技术（降低风振的效应）1幢建筑物采用了主动变刚度控制技术9幢建筑物采用了主动变阻尼控制技术1幢建筑物、两座斜拉桥索采用了磁流变阻尼控制技术——合计76座关注点：1）主动控制的能源供应

2）控制系统的可靠性研究方向：1）半主动控制

2）加速度反馈控制结构激励响应传感器传感器计算机（控制算法）控制作动器半主动控制装置前馈信号后馈信号4.结构半主动控制系统结构半主动控制发展的主要阶段1960年日本Kobori提出结构变刚度的减振概念1983年美国Hrovat提出半主动控制算法——半主动控制系统尽可能实现主动最优控制力的规则1990年日本Kobori提出结构主动变刚度控制系统1920年代提出结构主动变阻尼机械控制装置1992年Kawashima等人、Mizuno等人和Shinozuka等人同时提出了结构主动变阻尼控制系统

1994年Symans和Constantinou做了较好的工作主动变刚度装置世界上第一栋应用主动变刚度控制系统的日本Kajima研究所办公楼(1990)F粘滞液体电液伺服阀传感器主动变阻尼装置计算机控制器及不间断电源日本应用主动变阻尼控制系统的KajimaShizuoka建筑（1998）结构激励响应传感器传感器计算机（控制算法）控制作动器智能控制装置前馈信号后馈信号5.结构智能控制系统计算机（智能控制算法）智能控制算法智能控制装置（以智能驱动材料应用为标志）混和智能控制

模糊控制神经网络控制遗传进化

……智能控制智能控制算法智能控制装置（以智能驱动材料应用为标志）混和智能控制

磁流变阻尼控制压电驱动

（或压电变阻尼）控制形状记忆合金阻尼控制

……智能控制智能控制算法智能控制装置（以智能驱动材料应用为标志）混和智能控制智能控制算法＋智能控制装置智能控制5.1结构智能控制装置发展的主要阶段Ehrgott和Masri（1992）、Gavin等人（1993）较早地应用电流变液研制开发土木工程结构主动变阻尼装置1997年Mcmahon和Makris研制开发出最大阻尼力达到445kN的电流变液阻尼器1995年，美国Lord公司报道性能优良的小型磁流变液阻尼装置1996年起，Spencer等人系统研究磁流变液阻尼器的性能与结构磁流变阻尼控制结构振动的智能控制装置特点：电、磁或温度控制出力大、能耗小、反应迅速(1)形状记忆合金应用途径超弹性形状记忆效应1）SMA阻尼器及其应用2）SMA驱动元件＋损伤应急控制系统形成智能混凝土结构损伤应急控制系统智能SMA混凝土梁损伤应急控制分析与试验(李惠等,2001)无控制时的应力分布－0.056Mpa1.297Mpa(b)T=81℃

的应力分布0.197Mpa－0.162Mpa(2)压电陶瓷叠层式压电驱动器压电－摩擦可调阻尼器（欧进萍等,1999）PZT驱动器摩擦型拟粘滞型压电陶瓷驱动器中国电子科技集团公司第二十六研究所研制T字芯板压电－摩擦可调阻尼器（欧进萍等,2002）(3)磁致伸缩材料

磁致伸缩驱动器（Ackermanetal，1996）(4)磁流变液及其智能阻尼器1)本构关系2)两种定型的磁流变液——MRF270/50,MRF8000/50——哈尔滨泰达尔科技有限公司（欧进萍，关新春，李金海，2003）

y3)磁流变液测试装置（欧进萍，关新春，李金海，2000）实际装置照片装置原理图20吨MR阻尼器原型

（美国Lord公司，1996）热膨胀储液器LORDRheoneticTMSeismicDamperMR-9000MR液体3级活塞直径:20厘米行程:16厘米电源:<50瓦特,22伏4）磁流变阻尼器LORDRheoneticTMSeismicDamperMR-9000直径:20厘米行程:16厘米电源:<50瓦特,22伏20吨MR阻尼器原型

（美国Lord公司，1996）热膨胀储液器MR液体3级活塞4）磁流变阻尼器20吨MR阻尼器（美国Lord公司，1996）磁流变阻尼器与控制器定型产品

——MRD-10，MRD-200，MRD-400

——哈尔滨泰达尔科技有限公司

（欧进萍，关新春，李金海，2003）岳阳洞庭湖大桥斜拉索风雨振动的MR阻尼控制

(主跨：2310m)

（倪仪清,陈政清，Spencer等,2001)5.2工程应用156根索采用312个Lord公司MR阻尼器控制山东滨州黄河大桥(主跨：84+300+300+84m)

——最长的20根斜拉索风雨振动的MR阻尼控制（哈工大，2003）渤海JZ20－2N平台结构磁流变阻尼控制——哈工大，2005完成研究方向：大出力智能驱动（阻尼）器智能主动－被动复合阻尼器智能传感器与驱动器一体化6.主动控制力特征以及半主动控制系统设计方法(Ouetal,2003)6.1Maincontrolsystems1.ActiveSystemsATSorABSSystemActivecontrolalgorithmsIntelligentcontrolalgorithmsHugepower(MWormore)needsforapracticalstructureAMDsystemAnalysisorDesignMuchlesspowerneedsforapracticalstructureRoller2.SmartDampingSystemsMRDamper

Activefrictionaldamper2.Semi-ActiveSystemsAVSSystemAVDSystemHITLordCd.AVDMRD传感器AVDOrMRD计算机控制器及不间断电源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!《结构振动控制——主动、半主动和智能控制》欧进萍科学出版社2003目录绪论第1章动态系统及其重要特性第2章结构振动的主动控制算法第3章结构振动的模糊控制第4章结构振动的神经网络辨识与控制第5章结构振动的模糊神经网络遗传优化控制第6章结构主动质量阻尼（AMD）控制系统第7章结构主动变刚度控制系统第8章结构主动变阻尼控制系统第9章结构磁流变阻尼控制系统第10章结构压电驱动和压电变摩擦阻尼控制系统第11章结构形状记忆合金（SMA）驱动和阻尼控制系统第12章结构主动、半主动与智能控制系统设计方法附录结构振动控制的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.结构健康监测系统二十世纪，结构分析、计算和设计已经形成相对完整的理论和方法。一大批大型土木工程结构的设计、建造和运行使用，标志着结构设计理论和建造技术的巨大成就。金茂大厦(420.5m)台北101(508m)上海环球金融中心（101层/492m)西尔斯大厦(443m)深圳地王大厦(325m)世贸中心(417m)佩重纳斯大厦(454m)中环广场大厦(374m)日本计划建造800和2000m高的空中大厦高层建筑正向着高度更高、体型更大、结构更复杂、建筑更艺术和优美的方向发展英国千年穹顶（320m)日本福冈穹顶(222m)广州新机场上海八万人体育场(280×277m)加拿大蒙特利尔体育场美国亚特兰大体育馆(佐治亚穹顶)国家大剧院（218×146m)2008奥运会主场馆2008年以前我国将建造许多大跨空间结构苏通大桥(1088m)日本明石海峡大桥(1999m)杭州湾大桥(36km，世界最长桥)南京三桥(648m)xxx大伯尔特桥（1624m)江阴长江大桥（1385m）世界前十大悬索桥中:

我国占3座(第3、5、6)世界前十大斜拉桥中:

我国占5座(第1、4、5、7、9）粤港澳跨海大桥等多座大跨桥梁正在规划建设中未来10－20年内大跨桥梁在世界范围内仍保持快速增长

三峡大坝

库区600km长、393亿m3库容量；100年防洪能力，世界巨型水库

小浪底水库渤海BZ-12渤海8号平台渤海JZ20-2MUQ南海平台中国已建成使用的钢质平台结构近150座水深≤30米平台100余座导管架平台最大水深146m二十一世纪，人们面对这样一大批大型土木工程结构不得不发出这样关切的问题：重大工程的损伤、乃至灾害演化的规律是什么？它们的健康和安全状态、以及使用寿命如何？面对日日退化的重大工程结构和系统，我们是维修加固还是报废重建？重大工程结构的损伤演化与健康监测是二十世纪取得巨大成就的土木工程学科留给二十一世纪的重大科学问题监测传感器数据采集、传输与管理结构模型修正健康诊断重大工程结构健康监测系统监测传感器数据采集、传输与管理结构模型修正健康诊断

环境条件整体性态局部性态重大工程结构健康监测系统监测传感器数据采集、传输与管理结构模型修正健康诊断

环境条件整体性态局部性态重大工程的健康监测系统

多数据同时采集数据远程传输数据库管理重大工程结构健康监测系统监测传感器数据采集、传输与管理结构模型修正健康诊断

环境条件整体性态局部性态

多数据同时采集数据远程传输数据库管理

初始模型损伤识别与定位模型修正重大工程结构健康监测系统监测传感器数据采集、传输与管理结构模型修正健康诊断

环境条件整体性态局部性态

多数据同时采集数据远程传输数据库管理

初始模型损伤识别与定位模型修正

环境作用标准健康准则结构分析健康评定可靠性预测重大工程结构健康监测系统重大工程结构健康监测系统的功能

验证设计理论、施工质量监测结构局部和整体性态监测结构损伤、抗力衰减及其演化规律识别结构损伤及其位置安全性、耐久性评定与可靠度预测安全预警

长期性、实时性与自动化是对监测系统的基本要求1.1大型桥梁结构的特点社会经济特征造价高——几至几十亿元一座桥社会影响大——生命线工程的重要结构力学特征环境侵蚀、疲劳载荷、灾害作用突出

结构损伤累积和抗力衰减明显结构的冗余度较小

易发生“各个击破”的多米诺骨牌效应建造过程的时变结构状况，受力可能更不利1.桥梁监测美国八十年代中后期

SunshineSkyway桥安装500多个传感器英国八十年代后期日本九十年代初期香港90年代LantauFixedCrossing桥、青马大桥内陆90年代虎门桥、江阴长江大桥1.2桥梁监测的早期研究与应用状况大型桥梁结构的健康与安全监测已经成为科研与工程技术人员的关注热点！香港青马大桥风与结构健康监测系统

WindandStructuralHealth

MonitoringSystem(WASHMS)桥梁概况：双塔悬索结构总桥长2160m

主跨长1377m

桥面离海面高62m

混凝土桥塔高206m

总投资

72亿元港币——香港公路署(1995~)世界上跨度最大的公路、铁路两用双层桥风速仪地秤应变传感器温度传感器加速度传感器位移传感器GPS系统数据采集、传输微机交互处理系统监测系统

(350个传感器)监测的桥梁构件：主索缆索卡箍和吊杆锚碇和桥塔钢板桥面箱梁桥面支座GPS接受站设置位置(14个）GPS测得正常桥梁位移桥面竖向：650mm

横向：250mm桥塔纵向：100mm

横向：50mmGPS测得的桥面位移时程问题：地秤和应变传感器(电阻式)耐久性健康诊断还未形成自动系统海洋平台是荷载、抗力和风险等

各种矛盾比较集中的一类结构2.1海洋平台结构的特点造价高：亿元/座环境恶劣：风、浪、流、冰作用,地震威胁

环境腐蚀、地基冲刷、材料老化服役状态恶化速率快——设计使用期15-20年失效后果严重：

巨大的经济损失、严重的环境污染2.海洋平台结构安全监测系统2.2渤海海洋平台安全监测（已近10年）渤海JZ20-2MUQ平台（位置:东经40o30’,北纬121o21’

）实时安全监测传感系统摄像机雷达气象站海冰海流计加速度计应变仪环境条件监测系统风速与风向冰压力波高与方向冰压力时程实时安全评定方法

极限强度模板及其映射技术实时线设计线倒塌线平台结构不同方向的承载力实时安全监测数据管理系统

——日监测数据报表IMRSE系统总体设计系统框图DFI数据IMR数据系统管理核心IMR数据管理系统计算核心ENSA软件安全状态管理安全趋势分析平台维修决策辅助生成检测方案辅助生成维修方案安全度评估核心结构重分析强度储备比汇总极限承载力分析结构疲劳

寿命预测结构可靠性分析

（非确定性方法）损伤分析腐蚀裂纹凹陷、失直海生物桩基冲刷维修加固效果分析卡箍灌浆加劲板水下焊接安全实时监测分析与评估管理系统本项成果撰写著作1部《海洋平台结构安全评定——理论、方法和应用》科学出版社2003欧进萍段忠东、肖仪清绪论第1章海洋环境荷载的概率模型第2章海洋平台结构的动冰力作用与冰激振动第3章海洋平台结构的累积损伤与抗力衰减第4章海洋平台结构的检测、维护与修理技术第5章海洋平台结构安全评定——确定性方法第7章海洋平台结构检测、维修与报废决策第8章渤海八号生产平台的安全评定第9章海洋平台结构的实时安全监测附录：海洋平台结构检测维修、安全评定与实时监测软件系统3.结构健康与安全监测早期总体状况解决的主要问题整体性态监测局部性态短期监测－动力特性识别频率、阻尼、振型－设计验证、施工质量检测－离线或短期安全评定存在的主要问题－传统监测系统（传感元件)

耐久性差、稳定性差、抗电磁干扰差－局部性态（应力、应变、疲劳损伤、裂纹扩展等）

性能退化（材料老化、钢构件锈蚀等）

长期监测困难－损伤识别与定位、模型修正仍然困难－数据采集与处理、损伤识别与模型修正、健康诊断与安全预警等

系统集成化、自动化、实时性程度不高4.

结构健康与安全监测智能系统

——研究与应用发展趋势数据采集、管理与融合单变量、单传感器多变量、多传感器同步自动采集海量数据存储与管理多传感器监测数据的融合光纤压电材料电阻应变片（箔）疲劳寿命丝（箔）无线传感网络

碳纤维半导体材料形状记忆合金高性能、分布式智能传感器数据传输技术有线传输先进无线传输、网络传输安全评定可靠度预测安全评定与可靠度预测安全预警损伤识别理论与方法单损伤变量识别多性态变量损伤识别、定位及损伤应急控制智能感知材料与传感元件光导纤维压电材料电阻应变丝(箔)疲劳寿命丝(箔)碳纤维半导体材料形状记忆合金

特点：大规模表面附着式或埋入式传感分布阵列1.光纤应变和温度传感器及其应用

强度型相位型（干涉型）波长型

——光纤光栅芯层包层光波方向折射率

n1折射率

n2折射率

n光纤光栅结构与传感机理光纤光栅中心波长随外界的应力和温度变化而变化瑞士Lucerne大桥中埋入光纤光栅传感器(Nellen，1997)三峡古洞口砼面板堆石坝面板裂缝监测分布式光纤传感技术(蔡得所,1998)强度型分布式光纤传感器OTDR黑龙江呼兰河大桥光纤光栅监测系统（欧进萍、周智等，2000）桥长520米，主跨40米箱形混凝土梁预应力张拉施工监测结果运营状态实时监测数据智能斜拉索或吊杆——钢索直接布入OFBG传感器(欧进萍、周智等，2002）BareOFBG光纤光栅智能吊杆（拉索）专利号：03132592；03260480.7

智能拉索实际工程应用

——山东滨州黄河公路大桥光纤光栅智能斜拉索智能吊杆实际工程应用——四川倮果大桥光纤光栅智能吊杆加固后的大桥光纤光栅温度计（专利号：03260021.6和03260022.4）光纤金属基础封装应变传感器（专利号：02273563.1）光纤光栅管式封装应变传感器专利号：（022735623)光纤金属基础封装应变传感器（专利号：03260080.1

）2.封装式布拉格光纤光栅(OFBG)——应变和温度传感器(欧进萍、周智等,1999～)封装传感器的传感特性性能指标：应变测试精度：1～2

量程：0～5000

绝对测量抗电磁干扰、温度补偿FRP-OFBGstrainsensorsFRPBars3.玻璃纤维－光纤光栅（FRP-OFBG)筋式应变传感器(欧进萍、周智等,2001～)FPbundleResinOFBGbarFRP-OFBG筋式标准应变传感器南京三桥南塔基础施工监测（主跨648m，水深约30m）OFBGFRP-OFBG传感筋

OFBG智能地秤支座基础感知梁滚动支座6根感知梁的排列面板吊装构件组合OFBG智能地秤的制作形成的地秤实车试验1）PVDF传感原理PVDF是一种压电聚合物材料，具有在变形下产生电荷的物理特性3.压电薄膜(PVDF)传感器(适用于面应变与裂纹扩展监测)(哈工大,2001～）2）应变监测PVDF动应变监测监测3)裂纹扩展监测V-t5.疲劳寿命传感器(南航，1998－哈工大，2001）重复离散性小于5％电阻记忆应变门槛值小于1000

时间

应变疲劳传感器传感原理6.形状记忆合金（SMA）传感器(李惠，哈工大,2002-)(a)应力－应变

(b)应力－电阻变化率SMA传感器7.无线传输与无线传感网络系统1）无线传输系统2）无线传感网络系统3）无线传感局域网接收站—PC机传感器节点无线传感器（美国Berkley）

MEMS（含加速度、温度、声、光、磁等6种传感器）发射频率:916MHz（ISM）微处理器：4MHz,50Kb/s

传输距离：60m（最近已达300m）Wirelessaccelerometer

Basestation

Micro-processor

unitWirelesstransceiver

OutputSensingunitAccelerationModulatorEnergyunit无线加速度传感器网络

(欧进萍、喻言等,2001～)Frequency:433.33MHzSamplerate:20HzPrecision: 8mgDistance: 300metersVoltage: 3－5V(DC)Temperature:-25℃~70℃Idletime: 68daysContinuouslyworkingtime:18hours深圳地王大厦风振响应的无线传感网络监测系统（建筑高325m，68层）(哈工大－香港城大，2003）HIT结构高度:325m(68层)主要传感器:风速仪2无线传感器569层66层44层22层2层MEMS（含加速度、温度、声、光、磁等6种传感器）第66层加速度反应第66层加速度谱室内与室外噪声对比建筑沿高度噪声分布69层66层44层22层2层8.渤海CB32A生活平台实时安全监测系统(第二代监测系统，哈工大等，2001～）

光纤光栅、压电薄膜与疲劳寿命传感器光纤光栅传感器PVDFPVDFsensor疲劳寿命计传感器布设现场与传输导线布设：●加速度传感器：8个●光纤光栅传感器：259个●压电薄膜传感器：178个●疲劳寿命计:64个●导线总长：27，000米覆盖：●管节点：12处●焊缝：23条●杆件：20根传感器布设统计数据布设完智能传感器准备下海的平台导管架海上安装就位的平台导管架CB32APlatformafterConstructedInterfaceofDataAcquisitionSystem数据管理、网络传输与远程监测系统网络服务器实时数据库总控数据库备份数据库互联网RemoteDataTransferandMonitoringSystemTransferspeed:6.2MbpsTransferdistance:56kmWorkingfrequency:5.7GHzCB32AwirelessnodeWirelessnodeontheearthInterfaceofRemoteTerminal山东滨州黄河公路大桥(哈工大，2003)

三塔四跨斜拉桥：84+300+300+84m

2003年11月合拢，2004年7月18日通车

健康监测系统

138光纤光栅应变和温度传感器

2风速仪

39加速度传感器

1+3GPSMOTOROLA无线传输系统

LABVIEW数据采集系统

MATLAB应变模态损伤识别方法

ANSYS7.2有限元分析模型

SQLSERVER2000网络数据库

LABVIEW软件开发平台

MR智能阻尼控制

20根最长的斜拉索上安装了40MR智能阻尼器半主动控制算法电缆和光缆传输MOTOROLA无线传输系统现场控制中心基于Internet网络数据采集软件与界面Internet网络远程操纵和控制台湾研华PCI-1713数采卡,美国NI公司LABVIEWPCI总线结构分析数据处理数据采集数据查询SQLServer2000数据库Intranet数据库服务器查询、打印、显示等网络数据库系统首页界面系统功能区界面数据采集系统界面基于Internet网络集成系统（现场中控室）智能健康监测系统

是工程理论综合与发展的象征是高新技术集成化的重要标志是现代结构试验技术的集中体现进一步研究的问题

传感器的耐久性与复杂损伤变量和耐久性监测传感器无线传感网络结构损伤识别与定位结构模型修正与安全评定健康监测集成系统重大工程应用设计标准与标准化系统III.智能混凝土、制品与结构水泥与混凝土世界用量逐年递增混凝土结构普通混凝土高强混凝土高性能混凝土智能混凝土我国年混凝土用量约10亿立方米，钢筋用量约2500万吨钢筋和混凝土仍将是我国主要的工程结构材料主要内容：1.机敏混凝土及其制品2.智能纤维加强筋3.自增强阻尼混凝土4.自修复混凝土1.机敏混凝土及其制品机敏混凝土（或水泥浆）碳纤维混凝土添加纳米混凝土＋1.1碳纤维水泥石机敏特性美国钟端玲（DDL.Chung）1993年等首先发现了碳纤维混凝土（CFRC）的压敏效应电阻率vs压应力李卓球等1996年提出了CFRC的三阶段自诊断区的概念；1998年首先发现了CFRC的温敏(Seebeck)效应电位差vs温差碳纤维水泥石的力学（本征）特性（与普通混凝土比）抗压强度抗折强度抗拉强度高2-4倍极限拉应变高20-40倍压缩韧度指数高60-100%机敏混凝土同时具备结构材料和功能材料的良好特性1.机敏混凝土制备与特性2.机敏混凝土制品3.机敏混凝土结构系统哈工大1998年起主要研究内容制备工艺与配合比力学性能与耐久性机敏特性(压敏、温敏和电磁屏蔽)标准传感器热敏制品1.机敏混凝土制备与特性2.机敏混凝土制品3.机敏混凝土结构系统哈工大1998年起主要研究内容混凝土结构梁的自感知与自诊断系统1.机敏混凝土制备与特性2.机敏混凝土制品3.机敏混凝土结构系统哈工大1998年起主要研究内容说明：碳纤维混凝土——欧进萍等添加纳米混凝土——李惠等碳纤维混凝土的温敏特性与制品——李卓球等1）力学性能添加纳米砂浆的抗压强度添加纳米砂浆的抗折强度编号 28天强度(MPa)

强度值(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 抗压强度：最高提高26％抗折强度：最高提高27％素混凝土裂缝宽、数量少、延性差延性差纳米TiO裂缝多、细而密、延性好延性好2）压敏性能——碳纤维掺量与电阻率关系纤维长度为6毫米纤维长度为3毫米净浆3％Fe2O35％Fe2O35％TiO23％TiO25％SiO210％SiO2添加纳米砂浆压敏性能曲线添加纳米砂浆

压敏特性稳定电阻变化率与应力线性关系应变灵敏度高3）机敏混凝土制品——标准应变传感元件水泥浆试块系列产品：

30×30×50mm40×40×50mm

灵敏系数——智能混凝土：700；应变片：2

混凝土相容性好，制作简单耐久性能好

价格：约1～2元/个，应变片4～5元/个发展系列定型标准应变传感元件

标准应变传感器埋置在混凝土（C40）内的传感器对混凝土应力的监测测试系统试验结果水泥板规格：400

440

40mm控制器反馈驱动热电耦电源自控升温热敏系统4）热敏特性

——融雪化冰水泥板II.智能纤维加强筋1.FRP筋的研究与应用概况纤维增强塑料筋（FiberReinforcedPlastic，FRP)——连续纤维经聚合物树脂基体浸渍、拉挤成型FRP筋表面进行缠绕纤维束、粘砂和刻痕等处理可增强与混凝土的粘结。

旋转拉力机

加热炉

滑轮

树脂

分束盘

合束盘

FRPFRP筋

纤维束

纤维束

FPbundleResinbar1.1FRP筋制作1.2FRP筋特点抗拉强度高耐腐蚀非磁性重量轻高疲劳限值低导热性低导电性应力-应变关系直到破坏是线弹性的无屈服点抗剪强度不超过抗拉强度的10%弹性模量低，通常为普通钢筋的25%~70%高温条件下力学性能较差1.3FRP筋分类按纤维种类CFRP筋GFRP筋AFRP筋HFRP筋按几何形状一维FRP筋二维FRP网格三维FRP网格FRP一维筋和索FRP二维和三维网格1.4FRP筋的制备、力学与感知性能纤维加强筋(FRP)碳纤维加强筋(CFRP)玻璃纤维加强筋(GFRP)＋C-GFRP（哈工大与哈尔滨玻璃钢研究所，1999）CFRP筋测试试件ER--CFRP筋(

6)C-GFRP筋(

6)CFRP和C-GFRP筋同时具有加强筋和传感器的特性，在混凝土结构中应用显示良好前景

（Mpa)

（％）-ER-P～ER

P～

P～ER

P～

1.5FRP加筋混凝土梁感知性能CFRP和C-GFRP筋同时具有加强筋和传感器的特性，在混凝土结构中应用显示良好前景。但是，压阻特性的离散性还有待进一步改进！III.自增强阻尼混凝土引言——阻尼和阻尼材料在结构减振控制中起主导作用

结构弹性阶段阻尼比钢结构：1～2％钢筋混凝土结构：5％

结构大地震下的弹塑性阶段构件延性——滞回耗能

——实质是阻尼延性好、滞回耗能大、抗震性能好

2.自增强阻尼混凝土的阻尼特性阻尼增强掺料（添加挤）：苯丙乳液、聚醋酸乙烯乳液、乳胶、甲基纤维素硅粉、和改性的硅粉分别记为B、C、L、M、SF和GSF水（kg）掺和料(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材料的阻尼用损耗因子表征

表示弹性模量（储存模量）；表示损耗模量VA4000粘弹谱仪2.2自增强水泥砂浆阻尼性能的测定试件尺寸：（100×12×5mm）试验参数：频率（0.1~2Hz）温度（-30~30℃）

2.3自增强水泥砂浆损耗因子和储存模量（1）0.1Hz加载

-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