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海底隧道健康监测综述
《结构健康监测》课程论文
海底隧道健康监测综述
学生姓名:
徐小倩
学号:
21140933055
专业:
建筑与土木工程
目录
摘要1
1前言2
1.1选题背景及意义2
1.1.1选题背景2
1.1.2选题意义2
2海底隧道健康监测2
2.1海底隧道健康监测概念2
2.2海底隧道健康监测技术3
2.3光纤监测系统4
2.3.1光纤监测系统组成5
2.3.2光纤传感器7
2.3.3光纤监测系统特点7
2.4振弦式应力、应变监测系统8
2.4.1系统构成8
2.4.2振弦式传感器8
2.5监测系统功能、组成及结构10
2.5.1监测系统功能10
2.5.2监测系统结构11
2.5.3系统理论基础11
2.5.4监测系统组成12
2.5.5系统组成14
2.6系统运行15
2.6.1振弦传感器数据转化15
2.6.2光纤式传感器数据转化17
2.6.3监测数据判识与处理18
2.6.4数据分析方法与结构损伤识别19
3海底隧道混凝土损伤识别20
3.1混凝土损伤20
3.1.1损伤的定义21
3.2损伤变量21
3.3损伤识别方法22
3.3.1基于结构响应的识别方法23
3.3.2基于位移观测的结构识别方法25
3.3.3基于变形曲率和应变观测的结构识别方法26
3.3.4基于结构柔度阵的结构识别方法26
3.3.5矩阵修正法的结构损伤识别28
3.3.6结构识别的神经网络法29
4结论与展望29
参考文献31
海底隧道健康监测综述
摘要
由于海底隧道工程环境的特殊性与复杂性,因此为保证海底隧道运营安全,必须对海底隧道进行长期的结构健康监测,以此了解隧道结构在复杂环境中的受力变化状况,从而及时了解隧道结构损伤位置及损伤程度,进而对结构安全状况做出评估并加以有效处理。
本文研究的目标在于通过损伤识别理论的研究,并结合“健康”监测方法来识别高水压作用下的隧道结构长期损伤发展、损伤状态,综述了光纤监测系统、把握隧道衬砌的实时一工作状态、保证结构安全性。
关键词:
海底隧道;健康监测;损伤识别
TheMonitoringReviewofHarbourTunnelHealth
Abstract
Duetothespecialnatureandcomplexityofsubseatunnelengineeringenvironment,soastoensuresafeoperationunderseatunnel,theneedforlong-termunderseatunnelstructuralhealthmonitoring,inordertounderstandthesituationtunnelforcestructurechangesinacomplexenvironment,andthustokeepabreastofthetunnelthelocationandextentofdamagetostructuraldamage,andthenmakeanassessmentofthestructureofthesecuritysituationanddealwiththemeffectively.
Objectiveofthisstudyisthatbystudyingthedamageidentificationtheory,combinedwiththe"health"monitoringmethodstoidentifythetunnelstructureunderhighwaterpressuredevelopinglong-termdamage,injurystatus,reviewthefiberopticmonitoringsystem,tograspthereal-timestatusofatunnelliningworktoensurestructuralsafety.
Keywords:
HarbourTunnel;HealthMonitoring;DamageIdentification
1前言
1.1选题背景及意义
1.1.1选题背景
最近十几年以来,大型工程结构使用期间的健康监测受到越来越多的关注,这对研究结构长期受力状况以及后期结构维修养护均具有重要意义。
目前国内外在大型桥梁、建筑结构、水库大坝等发面已经开展了大量结构健康监测工作,也取得了显著的社会和经济效益。
虽然国内外有些学者结合具体工程,对海底隧道结构健康监测进行了一些研究,并取得了一定的成果,但由于管理、设计或者施工等方面理念的不同,目前海底隧道结构健康监测的应用仍不常见。
为了研究这种结构的长期力学行为,就必须对隧道结构进行长期的监测,通过大量的数据来了解海底隧道的健康状况,从而保证其运营期间的安全、稳定。
海底隧道相比山岭隧道,地质环境更为复杂,无论从结构受力还是结构所处环境来看,海底隧道结构的健康状况都更为人们所关注,因此对其进行结构健康监测就显得非常必要。
1.1.2选题意义
我国是一个多山的国家,已成为世界上隧道工程最多、最复杂、发展最快的国家。
大量公路隧道的修建有力的促进了我国公路隧道建设技术的进步,一批工程难题得到突破。
隧道工程与其他地上普通结构,在勘察、设计、施工和管理上具有较多的不确定性和复杂性,造成大量隧道出现不同程度的病害,有的甚至刚投入运营就产生病害。
海底隧道相比于普通隧道,大多数是在水压较大、掘进距离长的软土地层中修建的,具有高水压、强透水、水下环境复杂等特点;其纵向土层性质及水土压力差异造成荷载沿纵向变化,隧道纵向差异沉降较大;大断面造成结构受力增大,结构稳定性差;隧道长期处于水下腐蚀环境中,对结构耐久性影响较大。
其结构稳定性、耐久性问题是设计、施工及运营阶段需要重点研究的关键技术。
因此,需要在施工工程和运营阶段通过健康监测进行检验和反馈,优化设计、施工,并评估结构安全性。
2海底隧道健康监测
2.1海底隧道健康监测概念
结构健康监测(StructuralHealthMonitoring,简称SHM)的定义就是利用现场的无损传感技术,通过分析包括结构响应在内的结构系统特性,对结构损伤的位置、程度进行调查分析,以检测结构损伤或退化。
其目的就是通过建立一个实时监测系统,以便管理者能对重大结构的损伤进行实时监测,预测结构的性能变化和剩余寿命并做出维护措施和计划。
隧道结构健康监测(TunnelStructuralHealthMonitoring简称TSHM)是SHM在隧道工程中的应用。
TSHM最为关键的核心技术是测试技术和隧道结构安全评估分析技术。
测试技术要能够长期可靠地实时采集到隧道结构体和所处环境的关键参数(如土、水压力和结构受力、变形等);安全评估分析技术要能够建立起隧道结构和所处地质环境的关系模型,从而分析隧道结构在不同环境条件下的响应和特性。
根据实测的参数特征变化判断隧道结构的安全和健康状况。
海底隧道结构监测系统一般由3部分组成,即监测、诊断、评价(如图1)。
要实现隧道安全实时监测,必须要有可行和有效的现场监测技术、完整的隧道状态信息、科学的安全分析评估手段等。
这些都是传感器技术、数据传输技术、计算机硬件和软件技术、信号分析技术、人工智能技术、隧道工程等多学科的交叉融合的产物。
2.2海底隧道健康监测技术
目前结构健康监测领域应用最广泛的是光纤监测技术。
日本、美国、和瑞士的光纤传感监测系统在土木工程中的应用已经从混凝土的浇筑过程扩展到桩柱、地基、桥梁、大坝、隧道、大楼、地震和山体滑坡等复杂系统的测量或监测。
在隧道方面,Inaudi等在一个现存的隧道旁30米距离处修建的另一个隧道壁上安装了8个距离不等的光纤伸长计,安装位置为从已存的隧道在通向新隧道的小孔洞中,用于监测修建隧道时土石的受压情况。
测量结果表明,距离隧道钻孔机(即新隧道位置)较近的光纤伸长计有较大的应变,伸长计的变形量与距新隧道垂直距离的远近呈指数下降趋势;在NS隧道,监测系统用来评估喷射混凝土的短期和长期的收缩性能以确定喷射混凝土的厚度。
我国口前仅在一些大跨桥上安装使用:
如上海徐浦大桥结构状态监测系统包括测量车辆荷载、温度、挠度、应变、主梁振动、斜拉索振动六个子系统。
至于国内的大型结构如隧道结构等,根据可得的监测、研究结果做出正确、合理、科学的健康评估结论的相关理论、方法还圣待研究。
单从结构上来说,隧道结构的修建仅是用人工结构物替代被开挖部分的地层并承担相应荷载,所以对隧道结构来说,其结构稳定性和工作性似乎容易把握。
而恰恰相反的是,隧道结构周围地层的复杂性、多变性、地层与结构间的作用机理的不确定性都可能给结构带来不可预见的风险;结构健康监测可以用来监测隧道结构运营环境、荷载环境及当前响应,并据此追溯、评价结构适用性事故、异变或损伤特征,破坏指示等可能影响结构服役性和耐久性的诸多因素。
结构健康监测方法是一种用于探测、量测并记录结构区域性行为,根据结构运营状态、环境相关的参数,比如加速度、位移、应变、湿度和温度等。
隧道结构在服役寿命内,从管理及安全角度要求进行周期性的监测,检查,维护及维修;而结构的长期安全不仅取决于初期的建设质量,还与结构自身行为及与周围地层的相互作有关。
隧道结构全役寿命内的健康监测可以提取结构的初始缺陷、超限的、不稳定的应力、应变,而这些因素都可能直接导致结构的健康问题。
所以,隧道结构的健康监测能保证周期性的缺陷检查并提供可用于维护、维修的耐久性建议及判断结果隧道周围的高水压增加了隧道结构运营的附加风险,所以,需要对隧道结构进行全过程不间断的健康监测。
并就各阶段隧道结构的承载能力,周围环境恶化、水压作用下的渗流损伤变化,结构响应等诸多方面进行判识,根据判识结果给定隧道结构在全役寿命中的安全、稳定性,提供紧急预警预报并预测结构的长期寿命。
2.3光纤监测系统
对于结构的健康监测来说,可以采用各种各样的系统,比如光纤系统就包含了SOFO,微弯曲(Microbending),布拉格光纤(Bragggratings),法布里光纤
(Febry-perot)等。
从应用实例上来说,结构健康监测己经从其最初的应用领域-航天航空工程转换到了土木工程领域,尤其是大型的桥梁结构或高层建筑。
A.Elgamal等应用传感器、无线传输系统并开发了一个灵活的、可升级的软件平台来实现适时的复杂结构系统中的传感器数据采集、分析、数值模拟等功能[6]。
隧道结构的长期监控,与常规大型结构的监控相一致,系统仍是由三部分组成:
传感器系统,信号传输与采集系统,数据处理与监测系统。
但是在隧道结构的健康监测中,由于结构所处地层的特殊性,这就要求了系统中和各组成部分有独特的与隧道结构相适应的功能。
人们对隧道工程结构的长期安全性的关注随着微电子技术、通信技术和控制技术的发展逐渐成为现实。
但目前的长期结构行为监测,由于其开展时间不长,技术水平有限,仍处于初期的阶段,国内亦没有正式进行过此类监测工作,也无具体的监测方法与评价系统对隧道结构的长期健康进行评定。
本文提出一种适于具体隧道健康监测的安全自动化监测系统,系统是两种监测方法、系统相结合的复合监测系统,包含传统的振弦式传感设备与光纤传感设备。
隧道安全自动化监测系统是一套针对隧道结构的变位、应力、渗压等数据进行采集、处理的数据采集系统,系统所采集的数据经过处理后,既可以为用户的在线分析提供决策依据,也可以提交给有关的上层结构分析软件做进一步的分析处理,为监测对象提供早期安全预警报告。
2.3.1光纤监测系统组成
光纤监测系统主要由光纤光栅传感系统、光纤光栅网络分析系统、光纤通
讯传输网络、信息处理系统四部分构成。
图2.2所示为系统组成结构。
各组成部分及其功能相关介绍如下:
(1)光纤光栅传感系统
系统应用准分布式光纤光栅传感技术,通过各种不同功能的光纤光栅传感器,将被测的不同形式的物体量(如应变、温度等)转变成便于记录及再处理的光信号进行传输。
由于从传感器输出的信号为光信号,所以可以直接通过光缆进行远距离传输。
光纤传感器系统包括光纤传感器的选型,选择具体的传感器调制方式和符合监测性能要求的光纤传感器单元;然后需考虑光纤传感器的拓扑方式;最后要考虑传感器的安装方式:
外表粘贴式或内部埋入式。
依照实际情况对监测隧道安装定量的传感器,传感器种类依照监测内容和结构特点而定,传感器种类有:
光纤光栅温度传感器,埋入式光纤光栅应变传感器,表面式应变传感器,光纤光栅位移传感器,光纤光栅钢筋计,光纤光栅压力传感器等。
图2.2隧道结构健康监测系统组成体系图
(2)光纤光栅网络分析系统
系统通过放置在每一个监控室的光纤光栅传感网络分析仪将光纤光栅传感
器经光缆远程传输过来的光信号直接进行数字量识别并以物理量的方式在计算
机终端显示、记录或直接进入监测数据库。
包括光纤传感器的校正、采样模块
以及海量实时数据的存储结构和方式。
(3)光纤通讯传输网络
使用光缆直接将传输信号引入中心监控室的信息处理系统上。
(4)信息处理系统
该系统由计算机主处理器及软件系统构成,软件系统包括当所有硬件系统用作信息收集、处理和传送,工作站内的信息处理、分析、传送、储存管理,以及用作结构分析、评估等。
包括大量数据的有效性分析、结构长期安全性能指标的参数选择、结构运行状态的可视化系统以及相应的灾害提前预警功能等。
光纤智能监测系统的各部分之间是相互联系、缺一不可的,每一部分都是整个系统的有机组成部分。
由于目前光纤传感器的标准化程度还不高,不同类型的传感器一般都需要特定的解码系统,因而一旦传感器确定后,相应的信号采集与处理系统也随之而定。
所以光纤传感器的优化布置方法和实时信号的分析监测便成为光纤智能健康监测系统应用的关键问题。
进行监测时,光纤传感器测量到的结构实时状态信号经过信号传输与采集系统送到监测中心,进行相应的处理和判断,从而对结构的健康状态进行评估。
若监测到的关键健康参数超过设定的阂值,则通过即时信息(5MS)、E-mail等方式及时通知相关的管理机构,以便采取相应的应急措施,避免造成重大的人员伤亡和财产损失。
2.3.2光纤传感器
光纤光栅是以光纤为基本材料,通过激光加工形成的一种特殊器件,能够对满足布拉格条件的光进行反射,在实际工程中,要检测的点如果受到应变、温度、压力、位移和加速度等变化,波长就会改变,这样通过检测波长的变化就可以检测出此点的应力状况。
进而可以判断出被检测物体的安全状况。
光纤传感器原理见图2.3,从目前常规的隧道健康监测来说,有以上几种光纤传感器:
光纤光栅钢筋计;光纤光栅表埋入应变传感器;光纤光栅压力传感器;光纤光栅温度传感器。
光纤传感器在监测中具有其独到的优点:
如抗电位势、射频干扰;静动态量测;低功率损耗;绝对值量测;独立的耐光性;尺寸小,重量轻;固有的安全、耐久性等。
图2.3光纤传感器原理图
2.3.3光纤监测系统特点
(l)准分布式全光测量及传输
光纤光栅传感器本身为无源器件,传感信号的感测及传送均为光信号,因而监测现场没有电子设备,不受电磁干扰,无系统零飘现象。
(2)测试精度高且具有准确的测点空间定位能力
光纤光栅传感器结构小巧且布设距离没有限制,可以准确定位各测点的空间位置。
(3)实时性
系统中所有监测点的单次测量频率为50Hz。
(4)系统安装及长期使用过程中无需定标
光纤光栅本质稳定,不存在零点漂移。
由于光纤光栅采用光中心波长表征温度测量值,属于数字量,光源的老化衰减及传输光纤布设、使用过程中由于弯曲、扰动而引入的光信号衰减不影响测量精度。
光传感网络分析仪无可动部件,长期使用无需标定。
(5)高可靠性
每条传感链的首端及尾端均通过接头引出,正常工作过程中只需将首端接头连接到监测站即可实现所有测点的远程自动监测。
一旦施工或使用过程中不可抗拒因素导致传感链断损,可以将该传感链对应的尾端接头也连接到监测站,此时该传感链的所有传感器以断点为界分别经由首端接头和尾端接头将各自测温信号传送给监测站,实现传感链的愈合。
2.4振弦式应力、应变监测系统
2.4.1系统构成
振弦式应力、应变监测系统组成与光纤监测系统相似,主要包含的单元及模块如下:
(l)基本传感元件:
钢筋应力计,混凝土应变计,水压压力计;
(2)数据采集系统:
振弦式传感器通过激振电路激振后,输出的频率信号可采用各种频率仪、数字频率仪,进行测频或周期的测试。
也可通过频率电压转换器或接日转换,输送给打印机、函数记录仪、光线示波器、微机等进行数据处理、记录存储;
(3)数据传输系统:
通过有线网络进行适时传递;
(4)集成总控系统。
2.4.2振弦式传感器
振弦式传感器由受力弹性形变外壳(或膜片)、钢弦、紧固夹头、激振和接收线圈等组成。
钢弦自振频率与张紧力的大小有关,在振弦几何尺寸确定之后,振弦振动频率的变化量,即可表征受力的大小。
如图2.4所示,工作时开启电源,线圈带电激励钢弦振动,钢弦振动后在磁场中切割磁力线,所产生的感应电势由接收线圈送入放大器放大输出,同时将输出信号的一部分反馈到激励线圈,保持钢弦的振动,这样不断地反馈循环,加上电路的稳幅措施,使钢弦达到电路所保持的等幅、连续的振动,然后输出的与钢弦张力有关的频率信号。
图2.4振弦式传感器工作原理图
振弦这种等幅连续振动的工作状态,符合柔软无阻尼微振动的条件,振弦的振动频率可由下式确定:
(2.1)
式中,f为初始频率;L为钢弦的有效长度;p为钢弦材料密度。
由于钢弦的质量m、长度L、截面积S、弹性模量E可视为常数,因此,钢弦的应力与输出频率f0建立了相应的关系。
当外力F未施加时,则钢弦按初始应力作稳幅振动,输出初频f0;当施加外力(即被测力一应力或压力)时,则形变壳体(或膜片)发生相应的拉伸或压缩,使钢弦的应力增加或减少,这时初频也随之增加或减少。
因此,只要测得振弦频率值f,即可得到相应被测的力一应力或压力值等。
2.4.3系统特点
(l)可重复性和稳定性高。
(2)高灵敏度。
振弦式传感器对于微小的被测力变化可产生较大的频率变化,从而具有很高的灵敏度。
(3)抗干扰能力强,而且信号能够远距离传输。
振弦式传感器输出的是一频率信号,所以处理过程中无须再进行刀D及D/A转换。
因此,其抗千扰能力强,而且信号能够远距离传输。
(4)寿命长,成本低。
(5)应用范围广泛。
2.5监测系统功能、组成及结构
2.5.1监测系统功能
(l)数据采集功能
应用振弦式传感器、光纤式传感器等多种类型的传感器对温度、渗压和应力等各种参数进行测量。
(2)数据巡测功能
采用现场采集单元,侮个单元自带实时时钟,各个数据采集模块具有人工巡测、定时巡测、选点巡测、选点单测、选组巡测等数据采集功能。
(3)数据显示功能
以图形或表格形式显示被监测对象的原始量、工程量、关联量、检测时间、工程单位等数据,并且可以显示系统概貌(工况图)、监测布置图、通信拓扑图、监测数据历史曲线等。
(4)操控功能
在上位计算机上可实现系统状态查询、在线实时测量、计算公式编辑、修改系统配置、修改传感器配置、修改通信路由、数据分析、曲线作图、数据报表、显示打印等操作。
(5)数据通信功能
系统现场采集的数据可以通过有线数据通信(现场总线或光缆)传输到主控室,通信距离可以达到20Km。
(6)数据存贮保护功能
系统所有的监测数据和配置数据除了在上位机保存于数据库中之外,在上位机不工作时,所有监测数据在现场单元中还可以得到及时保存,在上位机重新工作后,可以及时重新传输到上位机保存。
此外,一旦系统对现场单元进行了配置,其配置参数自动记入相关单元的非易失性存贮器中,掉电不受影响。
(7)抗雷击、抗干扰功能
在系统的电源接口、通信接口、传感器接口的设计中均采用了抗雷击措施,各模块单元采取光电隔离措施以及抗电磁干扰设计,使系统具有很强的抗雷击和抗干扰能力。
(8)报警功能
本系统可以根据事先预置的安全范围,对超过安全范围的监测对象值可实现自动声光报警功能。
2.5.2监测系统结构
本监测系统由分布式工业控制网络、专门开发的传感器检测模块和专用上位机软件包组成,可分为现场总线结构和光纤混合结构二种系统结构形式。
系统结构见图2.5。
图2.5系统结构示意
图2.5结构适合于现场敷设的工程系统。
这种系统结构是按照现场地理位置和监测点分布,敷设光纤或双绞线电缆,通过总线拓扑结构,将在不同测控现场的所有现场测控单元和主控室中的上位机用光纤或电缆连接。
这种结构的优点是系统结构简单,数据通信的可靠性最好,维护方便。
在挂接总线物理层重发器和应用层路由器的情况下,系统控制范围可以达到ZOKm,传输速率高达78Kbits/S。
该混合结构是将现场总线结构和光纤系统相结合。
这种系统结构是按照现场地理位置和监测点分布,将两种系统结合到一起。
这种方式的优点是系统结构安排灵活,有利于系统设计。
2.5.3系统理论基础
(l)数值模型
基于同济大学相关的研究和开发,系统采用了具有自主知识产权的有限元分析系统。
该系统可对隧道结构进行精确的有限元模拟,给出结构服役期间相应的状态。
(2)收缩徐变、温度效应影响分析
考虑隧道结构性能随时间的变化,对隧道结构从施工到服役期的静力分析,井分析温度及收缩徐变效应对结构健康监测的影响。
(3)数据获取与判识
系统能对所获海量数据进行有效性判断,同时能补充少量的残缺数据,使结构监测,损伤识别具有可用的数据。
(4)损伤识别
根据获取的数据,对隧道结构进行快速诊断,判断可能发生的损伤部位和相应的损伤程度。
(5)状态评估
对隧道结构进行合理有效的评估,为养护管理提供科学依据。
2.5.4监测系统组成
监测系统主要由软件系统和硬件设备组成。
其中软件系统主要是上位机软件,而硬件设备又分为两部分:
现场测控单元和光纤系统。
2.5.4.1软件系统(上位机)
(l)通信驱动层
在基于LonwbrkS总线结构的有线通信方式下,通信驱动层通过和LonDDEServe:
建立数据交换连接,实现上位机和各个现场测控单元(MCU)中的控制管理模块(D14OI)之间的通信。
而在无线通信方式下,通信驱动层通过对无线数传模块(D29DM)的控制和对无线对等网络通信协议(G一WNET)的处理来实现上位机和各个现场子网(或MCU)的数据交换。
(2)数据处理层
数据处理层的主要任务是完成即时采样数据以及现场MCU上报的历史记录数据的工程量转换。
由于MCU上报的是采样原始数据,而实际提交给用户的是工程量数据,所以要根据工程上的实际需要,把原始采样数据转换成工程量数据,这个过程即工程量计算。
(3)人机界面层
人机界面层是用户和系统之间的操作接口。
系统上位机软件以操作简单、方便、界面友好为原则,为用户屏蔽了很多复杂操作、增加了大量的冗余检错功能,从而提高的系统的易用性和系统配置参数的正确性。
〔4)配置组态层
配置组态层以树型结构显示系统配置的所有设备及其属性,并且可以通过主菜单和弹出出式菜单管理系统设备或修改设备属性。
2.5.4.2硬件设备
(1)数据采集模块
数据采集模块电路原理图
(2)光纤光栅
光纤光栅是利用光纤材料的光敏性:
即外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折射率的永久性变化,用紫外激光
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