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地下设施的结构健康监测
地下设施的结构健康监测
-―技术方面的问题与挑战
摘要
由于土地的稀缺,许多城市规划者正在认真考虑地下空间,来满足住宅,商业,交通,工业以及城市发展的需要。
除了节约土地资源,地下建筑物提供的好处包括,对于地震和飓风防范的安全性,避免了城市噪音。
然而,由于独特的设计以及施工,在项目施工和运营期间,它们需要严格的结构健康监测(SHM)方案,尤其是在附近的地面有着重要的建筑物时。
进行连续监测可以有助于减少潜在的危险,确保更好的性能和促进深入理解整体的结构性能。
本文讨论了重要的技术问题和地下建筑物的结构监测所而临的挑战。
详细地概述了可用的传感器技术以及全而监测的方法,特别强调了地下作业所遇到的情况。
也强调了这种监测的实际好处,通过几个涉及地下结构的真实案例进行了研究。
1.序论
民用基础设施是任何一个国家重要资产的重要组成部分之一。
它们未能履行最佳状态水平,会影响该国的国内生产总值。
然而,在世界许多地区,民用基础设施的H益老化正在给土木工程师造成不可预见的维护问题。
这也促使积极研究在实时和自动化结构健康监测系统(SHM)的发展,它也促进了关键基础设施的持续监测以及人员参与的最小化。
SHM的定义是建筑物的运行情况和荷载环境的监测,以及跟踪和评估操作事件的任何症状,异常和破坏/损伤。
这可能影响其平稳运行,适用性或者安全可靠性。
破坏/损伤可能是由材料属性,几何结构,边界条件,系统的连接以及加载环境所引起的。
因此,综合的SHM监测要求对各个方而进行密切监测。
目前SHM相关的绝大多数研究只专注于表而结构,例如桥梁和建筑物。
几个现实中的桥梁己经全面进行了仪器的安装,并且正在监测运行中。
然而,由于地下结构监测系统和技术的发展能力的有限,最近已经吸引了全世界的城市开发者的关注。
支持地下结构建设的最重要的论据之一就是它们能够缓解土地资源稀缺的压力,特别是在那些大都市。
通过地下工程所节省的有用的地而空间,可以被用来进行其他的社会工作,或者可以进行生态公园的建立/保护。
此外,地下结构被认为是不易受到极端事件所损伤的,例如地震,风暴/飓风。
与地面建筑物相比,不易受到噪音污染。
在存储易燃碳氢化合物和其他危险化学品方面,它们也比起地面结构更加安全。
地下空间也不会受到电磁波的影响,对于电磁相关的研究/制造比较理想。
新加坡的地下科学城的提议很好的反映了地下工程的趋势。
图1显示了所提议的科学城的概念设计,它将容纳杰出的科学研究实验室。
这种结构不会以任何方式影响当前地区的园林绿化,也不会与任何环境问题产生冲突。
这种杜绝噪音的环境对于实验室里的研究是很理想的。
图1.新加坡的地下科学城的概念设计
然而,不像地面的建筑物,地下建筑物的设计和施工更为复杂和昂贵。
它们往往会在施工中和运营中遇到前所未有的困难。
通常,许多复杂的岩土工程和环境参数无法在设计阶段中考虑到。
因此,它们中的大多数可能会被保守或者错误的估计,从而导致不经济或者不安全的设计。
遗憾的是,施工完成之后,设计假设往往得不到验证。
因此,一个比较全面的仪器设备在地下结构施工间能为外部荷载,应力分布,变形以及持续发生的损伤提供长期的监测,从而保证了高水平的安全性。
同时,它可以作为设计验证的手段以及作为未来施工节省开支参考的数据库。
这就使得那些还不是很熟悉的施工技术或者一项已知的技术超出正常范围内的应用,变得息息相关起来。
最近发生在新加坡的实例突出了这一事实,2004年4月20日,在Nicoll大道环形捷运路线(MRT)的施工期间,一个临时挡墙,它支持着一个邻近Nicoll大道的33米深的基坑,在毫无警示下坍塌了,导致横跨的六车道公路的大面积塌陷。
这场事故的地点,如图2所示,而积有着两个篮球场那么大。
除了造成一个重要交通
网络的关闭以外,事故造成了四人死亡以及多人受伤。
平时这个时候交通非常拥堵,而幸运的是,事故发生时没有车辆行驶,否则,伤亡会更大。
图2.坍塌后的Xicoll大道
虽然事件还在调查之中,由调查委员会的临时报告间接指出,在设计和旋喷桩的施工中,形成了挡土系统的一部分。
委员会指出,在不熟悉的施工技术下,更应该强调喷射灌注桩的定期检测。
预测值与实际值之间的比较,以及关键路口的定期检测能够尽早察觉有害趋势。
特别的是,报告指出“有需要将来自各个检测仪器的信息进行整合,将关键的信息相关联到作业场所会有什么事情发生,以及施工中每一个细节的质量o"Xicoll大道的倒塌,严重强调了施工期间SHM的必要,特别是在城市中心,在那里关键性的建筑物很可能位于暗挖/施工地点上方的地而上。
在严重损伤或者土支护结构失效以前,SHM可以提供足够的预警。
虽然SHM的重要性是大家公认的,但是被确认为总体地下资产管理系统的一个至关重要的因素,它还没发展到这个阶段。
其最主要的原因就是SHM还没有成为实践方而的相关准则。
另一个原因是,到目前为止,关于地下结构的详细的成本效益分析还没执行过。
同时,更为广泛的来讲还没有有效的方法来认证。
木文解决的主要问题涉及到了地下结构的SHMo详细地描述了各种类型的传感技术,特别强调了地下条件下所遇到的问题。
借助了一些实例研究以及作者们进行的研究,来证明了SHM的实际优势。
的传感器系统
只有在所有关键部位的传感器系统对结构进行监测,才能实现全方位的结构监测。
同时,很难想象只使用任何一种传感器就能追踪完整的结构行为以及监测到所有可能的结构异常。
因此,全面监测要求部署作用上能够相互互补的传感器系统,并且要保留一定的冗余。
这是为了在没有引起监测系统的总体崩溃的条件下,一部分传感器不能正常运行是允许的。
此外,触感器以及相关的数据检索系统应能承受住施工以及运行期间的所遭遇到的地下恶劣环境。
一般说来,SHM传感器可以分为表面贴附式和嵌入式两种。
如果表面贴附式传感器在任何阶段发生了故障,是可以替换的。
然而,对于嵌入式传感器的维修以及更换来说,是非常有限的。
因此,嵌入式传感器,如果应用在地下结构中的话,其性能应该特别强大和
持久的。
下面部分就介绍了各种传感系统的工作原理,这些系统可用于地下结构的监测。
根据地下结构所遇到的情况,来突出了他们的优点和缺点。
应变计
应变计是结构性能监测方而使用的最为广泛的传感器。
在结构的表面,应变是由弯曲,扭曲,剪切,拉长/压缩所引起的变形。
因此,应变测量能够捕捉到元件性能的好坏。
因为其有效的性能,所以对于时间和温度测量很稳定。
此外,它具有较小的尺寸和惯性,并且在应变范围内能够表现出线性响应。
商业应变计有着各种类型,有机械的,电气的或者光电的。
下面是成功商业化的突出类型的各种应变计。
振弦式应变计(VWSG)
图3显示了一个典型VWSG的制造细节,一个VWSG主要使用一根预应力不锈钢钢丝组成,它的两端被固定在耳状物上,耳状物是点焊而成以及构成监测组成部分。
传感器线圈,固定在电线之上。
当通电时,线圈会张拉电线,同时测量下所产生的振动频率。
从振动原理来看,振动的自然频率f,与电线中的张力F有关。
在这里L是表示电线的长度,m是单位长度的质量。
应变力的任何改变,即A£,会引起张力的的相应改变,即AF。
因此,自然频率也就改变了Afo对于较小的应变力,可以使用胡克定律,应变力
的改变可以表示为
在这里Y表示电线的弹性模数,A表示电线的横切而积。
图3.振弦式应变计
如果VWSGs用于结构部分的长期监测,可能会受到温度波动的影响。
在解读它们的读数时,应该特别注意。
如果结构部分和VWSG有着相同的热膨胀参数Q。
如果监测的部分是没有条件限制的,那么就作为自由热膨胀应变力aAT以及温度的变化AT处理。
因此,在被监测的部分以及VWSG中,不会有额外的压力产生。
VWSG的读数也就不会受到任何改变。
如果外部荷载施加到了结构的某个部分,那么应变力就有所增加。
因此,在实际情况下,两者影响效果(热膨胀和外部荷载)会被叠加起来,而VWSG将只扑捉来自于外部荷载产生的应变力。
因此,如果所检测部分的热膨胀系数和VWSG的相同的话,就没有必要对VWSG测量的应变力数据进行校正。
但是,所测部分的热膨胀系数不同的话,即如果该结构部分没有其他限制条件的话,那么在VWSG中的应变力就等于(B-a)ATo这个结果是不真实的,因为这并不能引起被检测部分的任何压力。
因此,一般来说,当荷载和温度波动同时发生时,被测的应变力e=应该改为:
ficorr=一(”—么)人71(3)
VWSG在地下结构的使用中性能很好,即使振动,线路也不会随着时间衰减,所以它们非常适合长期监测。
它们可以很容易的点焊到钢筋混凝土结构构件上去。
这做工仪器技术在连接新加坡和马来西亚的大桥中得到了采用,在1997年的施工中广泛的安装了VWSGso甚至8年以后,这些安装在大桥上的VWSGs仍然可以运作。
Oosterhout(2003)提到了主要基于VWSGs关于地下结构的一个类似的监测方案。
时间长达5年。
这就清楚地证明了VWSGs的性能强大和寿命长的特点。
VWSGs的主要缺点就是,它们只适合于测量静态压力,因为他们需要拔线。
它们也容易受到周围环境振动的形式的外部噪音。
如果安装在外部(例如深基坑中用于支撑临时挡土墙的钢支柱上),需要采取特别保护来避免受到日常施工作业带来的损害。
电应变计(ESG)
ESGs基于的原理是,在机械应力的作用下,导体中的电阻会随着荷载产生的压力引起相应比例的变化。
ESG基本上是由薄金属箔网格,粘结到薄且坚韧以及灵活的聚酰亚胺塑料薄膜上。
它能够粘结在被测部分的表面,如图4(a)所示。
聚酰亚胺薄膜给应变计与被测部分之间提供了电绝缘性。
当结构部分受到荷载时,它的应力就背转移到了箔网格上,其电阻也随之变化。
电阻的相对变化,箔网格
的AR/R与应变力e的关系是:
等=S罰⑷
其中SB称作测量因素或者ESG的校正常量。
在用于应变力计制造的大多数合金中,其变化范围在2-4之间,如铜镰合金,線洛合金。
应变计的输出AR/R通过惠斯通电桥电路,被转化成电压信号,如图4(b)所示。
这个电路的输出电压Vo由下式可知:
输入电压Vi,由应变计消耗的电能来决定,这又取决于应变计的长度(一般是和100mm)以及应变计的初阻值。
输出电压值的范围是每单位应力的1至10UV之间。
图4.(a)电应变计箔片,(b)惠斯通电桥电路.
像VWSGs,由ESG所测的应变力需要进行基于温度影响的补偿。
温度的变化会引起S&的变化,同样也会初阻值(R)的变化,另外会引起不真实的应变力值,等于(B-a)AT。
温度相关的变化很小,以100°C来算,通常不足温度变化的1%。
因此,在日常压力分许中,除非预计的温度的变化有好几XX,否则它们可以忽略不计。
其他影响中,如考虑虚假值的变化可由下式知:
7-=(〃-呱AT+a(6)
'氏丿spurious
在这里,C表示应变计合金的电阻率温度系数。
如果在式6中的系数为零或者相互抵消的话,那么温度可以得到补偿。
然而,这种情况很少发生,而且也只有在非常狭窄的温度范围内才能实现。
因此,一般来说,把式5中的AR/R减去式6,就可以得到修正值。
由于其脆弱性,ESGs在安装期间需要相当地注意。
此外,电噪声也经常干扰ESGs,因为来自于惠斯通电桥电路的输出电压只有几毫伏。
幸运的是,通过使用缠绕的导线做成适当的接地屏蔽,使电噪声能够减少到允许的水平。
此外,ESGs非常容易受到水的腐蚀。
在新加坡,地下洞体的锚杆监测中,经常会遇到这样的问题。
因此,如果在地下结构中使用,ESGs必须适当密封起来,在那里,它们很可能会遇到过于潮湿的问题。
一般说来,在很长一段时间中,与VWSGs相比较,ESGs往往不稳定。
因为这个原因,大多数的长期研究中提到使用VWSGs,而不是ESGso然而,由于其低成木性,在短期监测中,往往首选ESGs而不是VWSGso
基于应变计的光纤布拉格光栅(FBG)
光学纤维,是非常纤细的玻璃和硅纤维,利用了光纤特性来产生光电信号,来表示能够测量的外部物理参数。
虽然它们最初的开发是处于通信的目的,从90年代开始,它们作为传感器使用己经有了相当大的共识。
由于各种现有的光纤技术,FBG已经被证实是用途最广的。
布拉格光栅是一种周期性结构,通过将感光的纤维暴露到紫外光源中来制成。
图5说明了基于应变计的FBG的工作原理。
如图所示,当光从宽带光源与光栅接触时,当其他信号传输时,一种单一的波长,被称为布拉格波长,被反射回来。
布拉格波长,入B.与光栅强度,A,以及有效折射参数n母关系如下:
光纤中的外部机械应变力通过光栅周期的膨胀或者压缩以及光弹性效应,来改变布拉格波长。
同样的,温度变化也能引起光栅周期和折射率的变化。
这些影响提供了手段,即采用光纤光栅写入到纤维中,以此来作为传感器的部件去测量应变力以及温度。
由于外部的干扰,会引起布拉格波长的改变。
应变力的改变△£,温度的改变AT,以及压强的改变AP,定量的描述为
也=KH+KtAT+KpA只(8)
ab
在这里,Ke,K,以及心分别表示为应变力(e),温度(T),压强(P)的波长灵敏度系数。
因此,以便作为应变力传感器使用(在没有压强),测量的应变力需要对温度进行纠正。
通常,这需要安装个额外的FBG,靠近应变力FBG,而不是粘附在结构上面。
温度单独变化,可以测到波长的改变。
然后对温度进行补偿。
此外,在VWSGs以及ESGs中,应变力假值(B-a)AT,由于纤维和结构的热膨胀性不同,还必须从测量到的应变中消除。
图5.基于传感器的FBG的制作和原理
在新加坡的南洋科技大学(NTU),—项全面的研究计划正在进行中,开发用于民用结构的具有成本效益和持久的FBG传感器。
NTU研究的这种应变力传感器主要由FBG,大约10mm长,夹在碳复合材料层中(50mm长,后),如图6所示。
Moyo(2002)在实验室一定大小的结构上,对这种FBG传感器进行了实验评估,通过静态和动态测试,证明了在民用结构上广泛使用的可能性。
其他的一些基于地面结构的FBG传感器的应用也己经提到过。
Liu等人(2002)证明了在进行地下结构监测中它们的可适用性。
Carboncompositelayers
FibresandwichingFBG
图研发的基于应变力传感器的FBG
FBG传感器体积小,重量轻,耐腐蚀,经久耐用。
VWSGs和ESGs需要导线用来记录数据,长距离监测时,会受到电磁干扰和噪声干扰。
另一方面,FBG传感器不受电磁干扰以及可以复用,因此消除了长缆的使用。
然而,与VWSGs和ESGs比较起来,它们非常的脆弱。
岀于这个原因,在民用结构上安装FBG传感器,由于恶劣的环境,往往会导致大部分的传感器不能正常工作。
与ESGs和VWSGs相比,
它们尚未完全成熟纳入标准领域的使用。
另外,与传统传感器系统相比,该测量系统和传感器相对比较昂贵。
中其他通常使用的传感器系统
表1总结中SHM中通常使用的变形测量计,加速度计,压力传感器以及温度传感器的显著特点。
下一节介绍压阻式传感器,它最近已经成为了普遍使用的损伤检测传感器。
Table1
SalientfeaturesofsomecommonsensorsusedinSHM
S.no.DevicePurpose
1ExTensometers
(a)Tapeextensometer
(b)Boreholeextensometer
2Accelerometers
3Pressuretransducers
(a)Diaphragmtype
(b)Quartzbased
4Temperatureaemsoiv
(a)Expansiontype
Measurementofconvergenc*e/divergence(relativedisplacementbetweentwopoints),e.g.inarockcavernsafterconstructionMeasurementofrelativedisphcementsbetweenseveralpoints.Canprovidedisplacemenldislribulioninlargerockvolu
Measurementofdynamicresponse,eitherharmonic(e.g.vibrationtests)ortransient(e.g・earthquakes)
Measurementofpressure
Measurementrangebetween200and700Mupto10kHzfrequencies
Measurementrange700MPa,upto200kHzfrequencies
Measurementoftemperature
(b)Resistaneetemperaturedetectors(RTD)
(c)Thermistors
(d)Thermocouples
压阻传感器
不像上述的传感器,压阻传感器是比较新型的传感器,到现在只有10年的时间。
它们没有测量任何直接的物理参数如压力,应力或者温度。
相反,它们是获取主结构体的特征来分析存在的任何结构损伤。
使用了压电传感器的技术就是所知的机电阻抗技术(EMI),甚至能够监测到早期损伤。
压阻传感器是由压电材料例如钳钛酸铅(PZT),以及也指压电陶瓷片或者PZT片。
图7(a)显示了一个典型的商用PZT传感器,适合用作压阻传感器。
根据压电现象,PZT片呈现出两种特殊的效应。
随着机械应力,它们会产生表面电荷响应。
应用在飞机上。
这就是所谓的直接效应。
相反,它们经受了机械变形,通过它们的厚度产生电场效应,这就是逆效应。
EMI技术就是使用这两种效应,同时协同进行的。
在EMI技术中,使用高强度环氧粘合剂以及通过阻抗分析仪通电激活的手段,把PZT片粘附到被测结构的表面。
在这种配置中,PZT片(长度为21,宽度w,厚度h)表现为受到轴向振动的一个细杆,如图7(b)所示。
一个机电系统的模型如图7(c)所示,其结构由两个相同的机械阻抗Z所替代。
耦合系统的复朵机电导纳Y(阻抗的倒数)可以得出:
况下,在裸眼看见之前,该技术能够监测弯曲和剪切裂缝。
借助一个实例,图8说明了怎样通过所检测到的导纳,来解读损伤。
一个大小为50*48*10mm的铝块,上面安了一个大小为10*10*的PZT片
(图8(G)。
在结构中钻入两个5mm直径的小孔,来进行损伤诱导试验。
图8(b),显示了在180-200KHZ的频率范围内,电导(导纳的实部)上的诱导损伤的影响。
由于该损伤,可以观察到一个主要的共振峰值,已经进行了左移。
一个简单但是粗略的方法是利用统计量词来量化损伤,例如根据未损伤与损伤的状态,均方根偏差或者相关系数。
然而,最近,Bhalla和Soh通过确定结构参数,制定了一个参数化的方法。
例如主结构的固有刚度和阻尼。
使用这种方法,发现铝块的己确认的刚度从初始状态的*107N/m减少到损伤后的*10\在严重损伤下校准结构参数,能够从测量的电导纳签名中很容易的解读。
由于其高灵敏度,EMI技术在过去八年里引起了人们广泛的研究。
它在传统监测技术中也有一些其他优点,它得依靠荷载,压力或者应变力的测量得以发挥。
因为它不需要被监测结构的任何复杂的分析或者数值模拟。
它采用了低沉本,低能耗要求的PZT片,它能够以非嵌入的方式粘附在被监测物体上,可以不需要进行表而处理就能够被访问。
不需要复杂的数据处理或者昂贵的硬件。
借助一组这样的传感器,可以很容易地确定损伤的位置。
对于损伤的灵敏性,该技术比起全而监测的方法具有优势。
几个概念证明了无损检测
(NDE)在EMI技术的应用。
Frequency(kHz)
(s)
图技术的应用:
@)测试结构;(b)基于电导签名的损伤影响
虽然EMI技术己被证明对于损伤有高灵敏性,技术细节例如传感器的封装,仪器仪表以及长期保护尚未被标准化。
因此,在地下结构中使用EMI技术之前,需要特别的考虑。
XTU最近正在进行一项全面的研究方案,来开发基于EMI技术的低成本实用SHM系统。
其中包括可实现的PZT-structure维像模型以及损伤定位和定量算法的研发。
美国的研究小组正在积极研究开发低成本和便携式的签名采集系统以及无线技术,这将使得技术更加经济和在未来标准化。
3.地下结构的SHM带来的益处:
实例研究
这部分介绍了新加坡和世界其他地方,关于地下设施的监测和仪器设备方面的经验以及结果。
具体来说,强调了这些仪器的实用好处。
使用VWSGs进行深基坑围护的监测
临时墙,由横向的支柱支撐,通常用来地下室开挖时基坑四周的围护。
Coutts等人(2001)提到了在新加坡修建两个大型捷运站(MRT)时,基坑中土压力的监测。
这次开挖由驱动型军用桩和木材绝缘材料来进行临时围护。
由多层双I型梁横向支撐。
在Serangoon站最大的开挖深度为25m,Woodleigh站为。
为了监测一支I型横梁的荷载,两个VWSGs被安装在了该网络中,顶部与底部法兰之间的距离为lOOmmo两个应变计所得到测量平均值,确保了消除任何弯曲应变的可能性。
应变计安装在距离横梁两端3m处的位置,是为了避免可能的末端作用。
不需要进行温度的修正,假设应变计和支撐的热膨胀系数几乎相同。
通过监测支撑上的应力,调查人员发现,用不同的理论预测所测到的土压力有着明显的差别。
在Serangoon站,测到的土压力比理论预测要低得多,而在Woodleigh站,则又是另一回事。
有人还发现,在一些支撐的位置,压缩力超过了他们设计值高达51%。
利用测得的土压力,工作人员能够正确的估计到土壤参数,这是被用来精确计算土压力,以及确保在其他车站临时支撐更安全,更经济的设计。
Batten等人(1999)同样提到了关于圆形钢支撐的应力和温度监
测,这些支撑的直径大约lm,支撑着地下基坑的临时围护挡土墙。
在支撐的任何监测断面,安装的四个特别VWSGs,其中有内设的热敏电阻(同时记录应变力和温度)。
图9显示了在每个监测断而的VWSGs的安装示意图。
VWSGs被安装在每根支撑的两端,以及每隔两小时记录数据。
热敏电阻的存在使得温度的测量更加的便利,使得所测的应变力能够得到精确的温度补偿,以及对温度变化所引起的荷载变化的估计。
支撐上的温度上升,所测得的值通常只有固定状态中的52-63%o因此Batten等人(1999)建议,根据最大的支撐应变力,经常对应变力进行监测。
它还指岀,在夏天,支撑顶部的温度比底部的要高12°Co从而导致了附加的弯矩。
如图9所示的配置,关于xx和yy轴处的弯矩被确定为:
(10)
其中,Y表示支撑的杨氏弹性系数,I表示惯量力矩,£表示所
测量的修正后的应变力,x和y是应变计的坐标。
轴荷载为:
(11)
_AY
F=斗\Slop+^bottom+^left+bright)?
其中,A表示支撑的横截面积。
Batten和同事建议,特别是如果
从支撐两端附近所需的仪器的实际情况出发,
在每个横截而至少安装四个应变力计。
由于不均匀的应力分布,即使是很严重,平均计算能够消除错误。
Batten和同事还强烈建议,重复读数来消除外来的噪
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