建筑结构健康监测与维护研究

一、引言

随着建筑行业的蓬勃发展，各类建筑不断涌现，部分建筑服役年限逐渐增长，加之建筑使用功能的变化、环境因素的影响，建筑结构面临着性能退化、安全隐患增加等问题。建筑结构健康监测与维护作为保障建筑安全运行的重要手段，能够及时发现结构损伤，评估结构性能，指导维护与加固工作。深入研究建筑结构健康监测与维护，对确保建筑安全、降低维护成本、推动建筑行业可持续发展具有重要意义。

二、建筑结构健康监测与维护研究的背景与意义

2.1 研究背景

近年来，建筑结构的规模和复杂性不断增加，超高层建筑、大跨度桥梁等大型结构对安全性和可靠性的要求愈发严格。同时，建筑结构在长期服役过程中，受自然环境（如地震、风蚀、腐蚀介质等）和人为因素（如超载使用、改造等）影响，结构性能会逐渐劣化。传统的定期检查和人工检测方式难以满足现代建筑结构安全监测的需求，因此，发展先进的建筑结构健康监测与维护技术迫在眉睫。

2.2 研究意义

建筑结构健康监测能够实时获取结构的工作状态信息，及时发现结构的损伤和异常，为结构维护和加固提供科学依据，避免因结构破坏引发的安全事故，保障人民生命财产安全。合理的维护策略可有效延长建筑结构的使用寿命，降低全生命周期成本。此外，对建筑结构健康监测与维护的研究有助于推动建筑检测技术、材料科学等相关领域的发展，促进建筑行业的技术进步。

三、建筑结构健康监测技术

3.1 传感器技术

应变传感器可用于测量结构构件的应变变化，通过监测应变数据判断结构的受力状态和是否出现损伤。常见的应变传感器有电阻应变片、光纤光栅应变传感器等，其中光纤光栅应变传感器具有抗电磁干扰、精度高、可实现分布式测量等优点 。

位移传感器用于监测结构的位移响应，如激光位移传感器、全球定位系统（GPS）位移监测设备等。激光位移传感器适用于近距离高精度位移测量，GPS 位移监测设备则可用于大型结构的远程、实时位移监测 。

加速度传感器能够捕捉结构在动力荷载（如风荷载、地震作用）下的加速度响应，通过分析加速度数据评估结构的动力特性和损伤情况，是结构动力监测的重要工具 。

3.2 数据采集与传输技术

数据采集系统负责将传感器采集到的信号进行转换、放大和存储。现代数据采集系统具备高精度、高采样率和多通道采集能力，可满足不同类型传感器的数据采集需求。数据传输技术则将采集到的数据传输至数据处理中心，常用的传输方式有有线传输（如以太网、光纤）和无线传输（如 ZigBee、4G/5G 网络） 。

3.3 数据分析与处理技术

信号处理技术对采集到的原始数据进行滤波、降噪、特征提取等处理，去除干扰信号，提取反映结构状态的有效信息。例如，采用快速傅里叶变换（FFT）将时域信号转换为频域信号，分析结构的频率特性 。

结构损伤识别方法基于处理后的数据，通过建立结构模型，运用模式识别、机器学习等算法，判断结构是否发生损伤以及损伤的位置和程度。如有限元模型修正法，通过对比实测数据和模型计算数据，对有限元模型进行修正，从而识别结构损伤 。

四、建筑结构维护策略

4.1 预防性维护

根据建筑结构的设计使用寿命、使用环境和历史监测数据，制定定期检查和维护计划。在结构未出现明显损伤前，对结构进行清洁、防腐、防锈等保养工作，及时更换易损部件，预防结构性能退化，降低结构发生严重损伤的风险 。

4.2 修复性维护

当结构出现损伤或性能下降时，采取修复措施恢复结构的功能和性能。对于混凝土

结构的裂缝，可采用灌浆法进行修补；对于钢结构的腐蚀部位，进行除锈、防腐处理；

对于结构构件的局部损坏，可采用替换或加固的方式进行修复 。

4.3 加固改造维护

针对服役年限较长、承载能力不足或使用功能改变的建筑结构，通过加固改造提升结构的性能。采用增大截面法、粘贴钢板法、碳纤维加固法等技术，增强结构构件的强度和刚度；对结构体系进行优化调整，满足新的使用需求 。

五、建筑结构健康监测与维护现存问题

5.1 监测技术局限性

现有传感器在精度、耐久性、可靠性等方面仍存在不足，部分传感器受环境因素影响较大，导致监测数据不准确。数据采集与传输过程中，存在数据丢失、传输延迟等问题，影响监测系统的实时性和稳定性 。

5.2 维护决策困难

结构健康监测获取的数据量大且复杂，数据分析与处理技术尚不完善，难以准确判断结构的损伤程度和剩余寿命，导致维护决策缺乏科学依据。不同维护策略的成本效益评估体系不健全，无法为维护决策提供最优方案 。

六、建筑结构健康监测与维护优化措施

6.1 改进监测技术

加大对传感器技术的研发投入，开发高精度、高可靠性、长寿命的新型传感器，提高传感器的环境适应性。优化数据采集与传输系统，采用先进的通信技术和数据处理算法，确保数据的准确采集和实时传输 。

6.2 完善维护决策体系

深入研究数据分析与处理技术，结合人工智能、大数据等技术，提高结构损伤识别和剩余寿命预测的准确性。建立科学的维护决策模型，综合考虑结构性能、维护成本、使用需求等因素，制定最优维护策略 。

七、建筑结构健康监测与维护的发展趋势

7.1 智能化与信息化融合

未来，建筑结构健康监测与维护将与物联网、大数据、人工智能等技术深度融合。通过构建智能监测系统，实现监测数据的自动采集、分析和预警，利用人工智能算法实现维护决策的智能化，提高监测与维护的效率和准确性 。

7.2 全生命周期管理

从建筑结构的设计、施工到服役、拆除的全生命周期角度，进行健康监测与维护管理。在设计阶段预留监测接口，施工过程中进行质量监测，服役期实时监测结构健康状态，拆除前评估结构剩余价值，实现结构全生命周期的高效管理 。

八、结论

建筑结构健康监测与维护是保障建筑安全运行、延长使用寿命的重要手段。当前，建筑结构健康监测与维护面临监测技术局限、维护决策困难、管理体系不完善和资金人才短缺等问题。通过改进监测技术、完善维护决策体系、健全管理体系、增加资金投入与人才培养等优化措施，并顺应智能化信息化融合、全生命周期管理、多学科交叉发展等发展趋势，能够有效提升建筑结构健康监测与维护水平，为建筑行业的可持续发展提供有力保障。

参考文献

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