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摘要：结构健康监测是指利用现场的无损传感技术，通过包括结构响应在内的结构系统特性分析，达到识别结构损伤或退化的目的。对结构进行长期的健康监测，可以从科学的角度对结构从施工阶段和竣工投入使用后的整个服役期的运行状况进行监测和评估。
关键词：结构健康；监测；系统
引 言
近年来，随着科学技术的迅速发展和快速发展的中国建筑行业，极大的推动了我国经济和基础设施建设的发展。当建筑给我们生活质量带来改善和提高的同时，不容忽视的是建筑行业的快速发展与建筑结构安全之间的矛盾也日益突出。近年来，国内外的工程事故层出不穷。如桥梁的突然折断、建筑骤然倒塌等，造成了重大的人员伤亡和财产损失，已经引起人们对于重大工程安全性的关心和重视。如何通过科学的手段来获得结构整个生命周期的健康状况，评价其是否安全可靠，以便为结构施工、维护及改建做出正确决策和避免建设高峰带来的事故高峰，保证人民生命财产安全，合理的结构健康监测已发展为当前土木工程研究的一个重要课题。
1结构健康监测的发展及研究现状[1]
结构健康监测技术起源于20世纪50年代，最初目的是进行结构的载荷监测。随着结构日益向大型化、复杂化和智能化发展，结构监测技术的内容逐渐丰富起来，不再是单纯的载荷监测，而是向结构损伤检测、损伤评估、结构寿命预测乃至结构损伤的自动修复等方面发展。结构健康监测的前提是从工程结构中提取能够反映结构特征的参数信号，如应力、应变、温度、变形、速度、加速度、位移等局部或整体信号，然后利用合理有效的信息处理方法从采集的原始数据中提取结构损伤和老化信息，对结构所承受的载荷和结构运营状况进行监测，为结构的安全使用和维护工作提供参考，达到降低维护费用，预报灾难性事件的发生并将损失降低至最小的目的。这种技术在航空航天、机械等领域已经得到广泛的应用，但在土木工程领域，尤其是在建筑结构方面，还处于基础性的探索阶段。
20世纪80年代中后期到90年代，结构健康监测系统的研究迅速发展起来，欧美一些国家首先明确提出了结构健康监测的新理念，并先后在一些重要的大跨度桥梁或结构体系新颖的桥梁上安装了健康监测系统，主要监测环境荷载、结构振动和局部应力状态，用以监测施工质量、验证设计假定和评定结构安全状态。随着社会经济的发展，人们对防灾减灾的日益重视，结构健康监测系统研究已经成为航空航天、国防、复合材料、土木工程等领域的热点研究方向。各国均在新建的和己服役的重要工程结构上增设健康监测系统。
随着科学技术发展，结构健康监测的研究从最初的航空、航天和大型机械领域，到重要的大型桥梁结构，目前已逐步应用于很多其它工程结构，例如海洋平台结构、超高层建筑与空间结构、水利水电结构等。
2建构健康监测系统
结构健康监测技术不只是传统结构检测技术的简单改进，而是运用现代传感与通信技术，实时监测结构服役期间在各种环境条件下的结构响应与行为，获取反映结构状况和环境因素的各种信息，分析结构的健康状况、评估结构的可靠性，为结构管理与维修决策提供科学依据。因此，结构健康监测系统应该具备自动、实时在线的结构损伤识别和状态评估能力。
根据结构监测的流程，我们可以将结构健康监测系统分为4个子系统，每个子系统的具体情况如下：
1、传感器系统。主要通过传感器将待测的物理量转变为电信号。根据需要监测的对象和目的，通常包括位移计、应变计、加速度计、风速风向仪、信号放大处理器以及连接界面等。
2、信息采集与处理系统。一般包括信号采集器以及相应的数据存储设备等。将系统安装在待测结构中，采集数据并初步处理。
3、信息通信与传输系统。将采集并处理过的数据传输到监控中心，通常包括网络操作系统平台、安全监测局域网与因特网的连接等。
4、信息分析与监控系统。它包括高性能计算机及分析软件。采集并处理过的数据被传输到该子系统，利用具备损伤诊断工程的软硬件分析接收到的数据，判断损伤的发生位置和鉴定损伤程度，对结构健康状况作出评估，如发现异常，会发出报警信息。
传统的监测系统即有线传输，是通过使用大量的信号传输线，把敏感元件或传感器与数据采集中心串联在一起，这样的系统耗资大，安装不便。信号传输线日久天长易遭受各种不利环境因素的影响，维护和更新费用很高。
从结构健康监测系统的组成出发，我们可以作出判断，得出如何评价一个结构监测系统的优良好坏。我们根据结构监测系统的构成，可以分为以下四个主要因素：第一，传感系统的灵敏性和精度；第二，数据传输和采集设备的性能；第三，观测点的选择和空间布置，即传感器的布置方式；第四，对测试数据的分析处理能力。[2]
3结构健康监测的主要内容
从结构健康监测的目的可以得出需要监测的内容。根据具体结构的受力特点及健康监测与安全评估要求，可以将监测系统一般实时监测分为如下内容：
1、结构工作的环境，包括荷载、风速、地面运动、环境温度、湿度等。
2、结构整体行为，包括结构在强风、强地面运动下的非线性特性，环境条件变化对结构动力特性、静力状态内力分布、变形的影响等。
3、结构局部特性，包括主要或重要构件及关键受力面在外部荷载作用下的响应，如应力、结构振动及加速度等边界、联接条件、钢梁焊缝等疲劳问题。
总的说来，结构健康监测的内容包括荷载监测、几何变形监测和结构响应监测等。荷载监测主要针对工程结构对象承受的各类荷载；几何变形监测主要针对高层建筑的整体水平位移与倾斜度，桥面和大跨屋面的变形，结构支撑部位及伸缩缝的相对位移等。结构响应监测主要针对结构各构件在环境振动和强震作用下的动力响应时程，结构在风压力作用下的时程曲线和风谱分析，结构构件的局部内力变化等。
4建立结构健康监测系统基本步骤
应用于实际工程时，对一个监测系统的设计来说，首先应该考虑的是建立该系统的目的和功能，对于特定的结构，建立健康监测系统的目的可以是结构监控与评估，或是设计验证，甚至以研究发展为目的。只有确定了监测系统目标和功能要求，充分考虑各项影响因素后才能确定系统的监测项目。
设计大型结构健康监测系统时，可以参考以下几个步骤[3]：
1、确定监测系统目标和功能要求。
2、根据系统目标和功能要求，结合结构类型、所采用的材料、工作环境以及其他影响因素。首先确定系统所需要获取的所有结构响应数据信息其次结合监测费用，根据结构实际情况对可选监测项目进行取舍，确定监测系统规模和最终的监测项目、监测内容以及监测位置。
3、构建监测系统体系结构，确定各部分的功能。
4、进行成本一效益分析，优化系统方案。
5、系统集成、调试和现场运行。
5结构健康监测目前研究存在的问题
就目前结构健康监测的研究水平来看，仍然存在几个尚待解决的问题：1、对结构健康状况的评价缺乏通用有效的损伤量化指标；2、测点数的巨大导致数据庞大和收集的不完备，相应信息处理困难；3、复杂荷载作用下健康监测系统采集道德信号处理分析技术仍存在许多问题；4、传感器的优化布置；5、由于时间和环境的变化导致传感器性能的退化乃至发生故障，这严重影响了损伤诊断率；6、光纤传感和无线传感的发展；7、结构健康监测的设计和开发还缺乏统一的标准或规程。
参考文献：
[1]伊廷华.结构健康监测教程[M].高等教育出版社，2020.
[2]李俊杰.浅谈通用土木工程结构健康监测系统平台设计[J].中国建材科技，2020，29（06）：123-124+14.
[3]李惠，鲍跃全，李顺龙，张东昱.结构健康监测数据科学与工程[J].工程力学，2015，32（08）：1-7.
作者简介：
望辉，男，硕士研究生