钢结构全寿命周期健康监测系统研究
钢结构全寿命周期健康监测系统研究
发表时间：2018-07-23T09:37:23.590Z 来源：《基层建设》2018年第14期 作者： 王乐亭
[导读] 摘要：本文对钢结构全寿命周期健康监测必要性进行了简要介绍，并以压电材料为核心，提出构建施工监测与健康监测一体化系统的具体步骤。
中核西北建设集团有限公司
摘要：本文对钢结构全寿命周期健康监测必要性进行了简要介绍，并以压电材料为核心，提出构建施工监测与健康监测一体化系统的具体步骤。
关键词：压电材料；施工监测；健康监测；全寿命监测；
1. 钢结构全寿命周期健康监测必要性
近几十年来，随着我国经济水平的快速提高，设计方法及施工技术的飞速发展，钢结构在我国建筑工程中的应用越来越广泛[1]。钢结构应用己成为建筑结构的热点和亮点，目前，钢结构除了在高层、高耸、大跨及空间结构中具有强大的优势，在多层和住宅类结构中也极
具前景和生命力。然而，在钢结构应用飞速发展的同时，钢结构施工及正常服役过程中的事故却不断的在增加。在这些事故中，有些是由
于施工阶段工程质量不合格造成的，有些是由于自然或人为灾害如地震、火灾、大风、撞击等难以预防而造成的意外损害。因此对各类具
体钢结构体系的健康特征的考核，如各类型钢结构施工阶段及交付使用之前的整体健康评价、己使用一定时期的既有钢结构的耐久性评
价、灾后钢结构的健康评估、目前还缺乏一些基本的手段及系统考核方法。结构的“生命周期”可以划分为三个阶段：施工阶段，使用阶段和
老化阶段。结构风险贯穿结构整个生命周期，在施工阶段和老化阶段的平均风险率较高。为了准确把握结构在生命周期内损伤和衰退过程
中的健康状况，有效控制结构性能退化产生的风险，避免可能产生的安全事故，对结构进行施工与服役全寿命周期健康监测具有重要理论
意义和学术价值，工程应用前景也非常广阔[4]。
2. 传统监测系统的缺陷
传统的监测系统通常是由两个独立的部分组成的，即施工监测系统与健康监测系统。这两个系统由不同的单位分开独立建设，施工控制的传感器系统没有被健康监测系统利用，施工控制采集到的大量初始数据也没有被健康监测系统利用。健康监测系统的初始状态建立在
结构交付使用之后的状态上，两个系统重复建设造成了巨大的浪费，同时也使健康监测系统由于缺少结构建成时的真实状态而导致监测效
果欠佳。为此构建施工监测与健康监测一体化系统，实现工程结构的施工与运营全寿命健康监测具有重大意义。
3. 压电材料在钢结构全寿命健康监测中的应用
Curie兄弟于1880年发现压电效应[6]。当对压电元件施加机械变形时,就会引起内部正负电荷中心发生相对移动而产生点的极化,从而导致元件两个表面上出现符号相反的束缚电荷,且电荷密度与外力成比例,这种现象称为正压电效应。正压电效应反映了压电材料具有将机械能
转变为电能的能力。检测出压电元件上的电荷变化即得知元件或元件埋入处结构的变形量。因此利用正压电效应,可将压电材料制成传感元
件。反之,在压电元件2个表面上通以电压,由于电场的作用,造成压电元件内部正负电荷中心产生相对位移,导致压电元件的变形,即逆压电效
应。逆压电效应反映了压电材料具有将电能转换为机械能的能力,可以用于驱动器的制造。
在损伤监测识别方面，基于压电材料的压电阻抗技术在结构健康监测领域有着良好的应用前景[7]。机械阻抗法是基于压电陶瓷材料的机电耦合特性，并综合考虑压电陶瓷动态特性及结构阻抗信息的一种监测方法。压电阻抗法应用于结构健康监测具有激励信号的频率高，
对损伤敏感性高，且其敏感范围仅局限于粘贴压电陶瓷片的局部小范围，无需考虑远场作用（如荷载、边界条件等）影响的优点。在压电
阻抗法中，压电陶瓷片同时被用作执行器及传感器，当对压电陶瓷片施加交流电场时，压电陶瓷片会产生机械振动，同时带动结构发生振
动。结构的机械振动又反作用于压电陶瓷片，使压电陶瓷片产生电响应，具体表现为电阻抗发生变化[8]。理论上可根据结构的机械阻抗变
化来判断结构损伤状况，但实际工程中结构的机械阻抗难以直接测得。但是，由于压电材料的机电耦合性质，使得电阻抗和机械阻抗两者
之间存在着对应的关系。所以，可以对粘贴于结构表面压电陶瓷电阻抗的测量间接判断结构的健康状况。
综上所述利，用压电材料的正压电效应可以制成压电传感器,进行多种机械量如应力,应变,位移,加速度等的测量。利用压电阻抗技术可以灵敏检测到损伤的产生。在施工阶段，将压电传感器按照一定的方式安装到结构上且在服役阶段也不拆除,对所测得的电信号进行分析,从
而可以获得结构施工及运营状态的应力,应变,位移,加速度及关键部位损伤信息, 从而实现施工监测及健康监测功能综合一体化。
4. 压电健康监测技术具体实施步骤
通过以下三个步骤实现对工程结构施工与运营的全寿命健康监测。
施工全过程模拟：传统结构设计的分析对象是正常使用极限状态和承载能力极限状态的整体结构模型，一般只是针对特定阶段下的单个结构构件进行设计和分析验算，而没有针对整个动态连续的施工全过程对结构构件进行分析。与此同时，常用的结构设计计算软件不能
准确地模拟施工全过程对结构影响，例PKPM仅仅是通过在整楼模型施加分层荷载进行模拟施工过程对结构的影响，而实际上这与施工期
间结构真实的受力及变形状态存在着很大的差异。如果结构的设计过程中忽略这些差异，将会给结构的安全施工带来很大的的隐患。在我
国近年来的结构倒塌事故中，约75％事故是在施工过程中发生的，而其中的绝大多数是由于在设计过程中未考虑施工过程的影响，由此可
见，传统结构设计方法很难满足建筑结构安全的需要，而采用施工全过程模拟的方法研究施工过程对结构受力及变形的影响显得极为必
要。
模型实验研究：在有限元模型计算的基础上，选择具体项目结构中关键受力部位，进行关键部位的足尺或大比例模型试验（拟静力试验）,研究关键部位的受力和变形能力,提出结构健康监测的预警指标。并通过对结构关键受力部位分析,提出健康监测优化方案。
压电健康监测技术应用：利用有限元计算结果及模型实验选择监测点并进行监测点优化布置。在这些选择的优化布置监测点上布置以压电材料为核心制作的传感器，全过程跟踪监测关键部位在施工过程中应力,应变,变形,等机械物理量的变化情况，保证施工安全，提高施
工质量。利用施工阶段监测到的各种信息对施工阶段及交付使用之前的结构整体健康性能做出评价，并为结构服役阶段压电传感器损伤监
测提供基础信息依据。保留施工阶段布设的压电传感器，通过测量分析耦合于结构的压电材料电阻抗（导纳）信号的变化来判断正常使用
阶段及灾后阶段结构损伤状况。利用人工神经网络及监测到电阻抗（导纳）信息实现对结构损伤状态的识别、定位和评估。
5.结语
本文提出的压电健康监测技术，可以为钢结构工程的顺利完成提供保障。并为钢结构施工完成后的长期监测、使用寿命评估提供依据。
参考文献
[1]张丽. 监测技术在大跨钢结构工程施工中的应用研究[D].南昌大学,2017.
[2]林金地,韦永斌,林冰,林波,周克.杭州国际博览中心大跨度钢结构施工应力监测技术[J].施工技术,2016,45(02):18-20+104.
[3]韩杰,黄浩,赵超.某超高层建筑悬挑钢结构施工模拟分析及现场监测[J].施工技术,2013,42(08):40-42+53.
[4]秦榛,杨慧.大跨度连体桁架钢结构施工监测技术[J].低温建筑技术,2013,35(03):67-68.
[5]薛子凡,邢志国,王海斗,李国禄,刘喆.面向结构健康监测的压电传感器综述[J].材料导报,2017,31(17):122-132.
[6]张丽. 监测技术在大跨钢结构工程施工中的应用研究[D].南昌大学,2017.
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[8]宋琛琛,谢丽宇,薛松涛.压电阻抗技术在结构健康监测中的应用研究[J].结构工程师,2014,30(06):67-76.
钢结构桥梁的疲劳与寿命评估
钢结构桥梁的疲劳与寿命评估
钢结构桥梁作为现代城市交通的重要组成部分，承载着大量的车辆和行人通行任务。然而，长期以来，由于外界环境和车辆荷载的作用，钢结构桥梁容易受到疲劳损伤，严重影响其使用寿命和安全性。因此，进行钢结构桥梁的疲劳与寿命评估是至关重要的。
一、疲劳损伤机理
疲劳是指物体在经历了一定次数的应力循环加载后发生损伤的现象。钢结构桥梁受到交通荷载作用时，会产生周期性的应力变化，而长期循环加载会导致钢构件内部的裂纹逐渐扩展，最终引发疲劳破坏。常见的疲劳损伤机理包括低周疲劳、高周疲劳和蠕变疲劳等。低周疲劳是指加载周期较长，应力变化较大的疲劳损伤，主要发生在大型移动荷载作用下；高周疲劳是指加载周期较短，应力变化较小的疲劳损伤，主要发生在交通荷载作用下；蠕变疲劳则是由于长期受到恶劣环境条件作用下，钢结构桥梁会出现温度变形和应力松弛，从而引发蠕变破坏。
二、疲劳与寿命评估方法
为了确保钢结构桥梁的安全使用和延长其寿命，需要进行疲劳与寿命评估。在评估过程中，可以采用以下方法：
1. 材料试验与力学性能研究：通过对钢材料的拉伸试验、冲击试验等试验手段，获取钢材料的力学性能参数，进而分析其疲劳性能。 2. 荷载测量与应力分析：通过悬挂应变片、应变计等装置对桥梁进行实时荷载测量与应力分析，以获取荷载数据与桥梁的应变应力分布情况。
3. 疲劳寿命计算：根据钢材料的疲劳试验数据和荷载数据，采用伤害累积理论来计算钢结构桥梁的疲劳寿命。
4. 结构健康监测：借助现代技术手段，如无损检测、振动测试等，对钢结构桥梁的健康状况进行实时监测，及时发现疲劳裂纹、变形等问题。
5. 寿命预测与可靠性评估：通过建立可靠性模型，综合考虑材料的疲劳特性、载荷环境、结构健康状况等因素，对钢结构桥梁的寿命进行预测与评估。
三、寿命延长与维护策略
对于已经投入使用的钢结构桥梁，为了延长其寿命和保障其安全，需要采取适当的维护策略。具体策略包括：
钢结构住宅全生命周期环境影响评价
价值工程
———————————————————————作者简介：马恒升（1955-），男，陕西西安人，长安大学建筑工程学院副教授，硕士生导师，研究方向为房地产；崔诗佳（1988-），女，陕西西安人，硕士研究生，研究方向为技术经济与管理；王萍（1987-），女，山东滨州人，硕士研究生，研究方向为技术经济与管理。0引言近几年，对住宅建筑的环境评价，大部分都集中于住宅的建造阶段，而钢结构住宅的优势则主要集中于其使用、维护和拆除阶段。因此，利用全生命周期评价技术，对钢结构住宅的环境影响进行评价，对明确钢结构住宅的环境性能具有非常重要的价值。1全生命周期评价技术1.1全生命周期评价的定义全生命周期评价（lifecycleassessment，LCA）是一种用以评估产品在其整个生命周期，从原材料获得到生产、使用和报废处置整个过程，对环境影响的技术和方法，被称为“从摇篮到坟墓”。按国际标准化组织定义：汇总和评估一个产品（或服务）体系在其整个寿命周期期间的所有投入及产出对环境造成的和潜钢结构住宅全生命周期环境影响评价LifeCycleAssessmentaboutEnvironmentalImpactofSteelStructureHouse马恒升MAHeng-sheng；崔诗佳CUIShi-jia；王萍WANGPing（长安大学建筑工程学院，西安710061）（SchoolofCivilEngineering，Chang'anUniversity，Xi'an710061，China）摘要：钢结构住宅是建筑业发展的重要趋势，其环境性能评价还有待深入。文章以全生命周期评价技术为基础，从资源消耗、能源消耗和污染排放三方面，对钢结构住宅的环境影响评价进行了探索，以明确钢结构住宅的环境性能，推动钢结构住宅更好推广，促进钢结构住宅产业的可持续发展。Abstract:Thesteelstructurehouseisanimportanttrendofbuildingindustry.Itsenvironmentalperformanceremainstobefurtherexploration.Inordertodefinitetheenvironmentalperformanceofthesteelstructurehouse,andpromoteitlarge-scaleapplication,andimproveitsindustrysustainabledevelopment,ittriestouselifecycleassessmenttechnologyinthepaper,tovaluetheenvironmentalimpactofthesteelstructurehouse,fromtheutilizationofresourcesandenergyconsumptionandpollutiondischarge.关键词：钢结构住宅；环境影响；生命周期评价Keywords:steelstructurehouse；environmentalimpact；lifecycleassessment中图分类号：TU3文献标识码：A文章编号：1006-4311（2012）23-0050-03
以全寿命周期为核心的设备管控体系的构建与实施
＿ｌ聱 ＿ｌ版
文章编号：１６７１—０７１１（２０１１）０９—００２６—０３
以全寿命周期为核心的
设备管控体系的构建与实施
李家波，任凤萍
（莱芜钢铁集团有限公司，山东莱芜２７１ １０５） 设备・论坛
摘要：介绍莱芜钢铁集团有限公司型钢公司板带厂冷轧生产线构建与实施以全寿命周期为核心的设备 管控体系的情况，以及取得的成效。
关键词：全寿命周期；设备管控体系；构建；实施 中图分类号：Ｆ２７３ 文献标识码：Ｂ
莱芜钢铁集团有限公司型钢公司板带厂冷轧生产线一 期工程于２００６年７月试生产，年生产能力为２０万ｔ。主要包括
一条推拉式酸洗机组、一台单机架可逆轧机机组、一条重
卷机组以及配套的空压站、制冷站、废酸再生站、废水处 理站、除盐水站和循环水泵站等。一期配套工程启动后，
面对全新的设备和工艺，如何做到设备的优化配置，使设 备在其寿命周期内优质、高效、经济运行，充分发挥其最
佳的效益功能，是冷轧生产线所面临的一大难题。
一、前言 冷轧生产线的设备管理有以下特点。
１．寿命周期的可控性 该线是新建生产线，工艺复杂，技术含量高，设备通
用性差。 ２．设备操作人员年轻
冷轧职工的业务素质参差不齐，队伍中青工比例占８０％ 左右，其中又有６０％的青工是刚毕业的技校或大中专学生。
３．设备经济运行的紧迫性 冷轧生产线投产之初，存在的一系列设计、施工、设
备和操作问题，带来了频繁的被动抢修，既影响正常的生 产，还浪费了大量的人力、物力和财力。２００７年冷轧的边
际效益平均一５００元／ｔ钢，设备故障停机率平均３．７２５％。面对
巨大的成本压力，如何有效、经济地管理好冷轧设备，降
低设备故障，构建一个有效控制设备寿命、可操作性强的 设备经济管理控制体系，不仅是提高设备利用率和冷轧产
品质量的有效手段，也是降低成本的关键。 二、以全寿命周期为核心的设备管控体系的构建
设备全寿命周期管理过程，贯穿着三大阶段的管理，
２６ 中国设备工程Ｉ ２０ｌ１年ｏ９月 其核心目的就是在通过采取管理措施等，使没备在寿命用 期内运行最稳定、可靠和经济（如图ｌ所示）。对冷轧生产
钢结构维护保养方案
钢结构维护保养方案
一、维护保养的重要性
钢结构长期暴露在外界环境中，会受到各种因素的影响，如大气腐蚀、温度变化、振动、疲劳等。如果不进行及时有效的维护保养，钢结构可能会出现锈蚀、变形、裂纹等问题，严重影响其结构性能和使用寿命。因此，定期的维护保养可以及时发现和解决问题，延长钢结构的使用寿命，降低维修成本，保障人员和财产的安全。
二、维护保养的周期
1、 日常检查
建议每周进行一次外观检查，包括检查钢结构表面是否有锈蚀、油漆剥落、焊缝开裂等现象。
检查连接部位的螺栓、铆钉是否松动。
2、 定期检查
每半年进行一次较为全面的检查，除了外观检查外，还应使用专业工具测量钢结构的变形情况，检查支撑系统的稳定性。
对重要的节点和焊缝进行无损检测，如超声波检测、磁粉检测等。
3、 特殊检查 在遭受自然灾害（如地震、台风、暴雨等）后，应及时进行检查，评估钢结构的受损情况。
当钢结构的使用功能发生改变或进行了重大改造时，也需要进行专项检查。
三、维护保养的内容
1、 表面清洁
定期清除钢结构表面的灰尘、污垢、杂物等，保持表面清洁。
对于油污等难以清除的污渍，可使用合适的清洁剂进行清洗。
2、 防腐处理
定期检查钢结构的防腐涂层，如发现涂层破损、剥落，应及时进行修补。
对于锈蚀的部位，应先进行除锈处理，然后重新涂刷防腐涂料。
根据使用环境和防腐要求，选择合适的防腐涂料，如富锌底漆、环氧面漆等。
3、 焊缝检查与维护
定期检查焊缝是否有裂纹、气孔、夹渣等缺陷。
对发现的缺陷进行修复，修复方法应符合相关标准和规范。
4、 螺栓连接检查与紧固 定期检查螺栓连接是否松动，特别是承受动荷载的部位。
如有松动，应按照规定的扭矩值进行紧固。
5、 变形监测
使用测量仪器定期监测钢结构的变形情况，如垂直度、水平度、挠度等。
对超出允许变形范围的结构，应及时分析原因并采取相应的措施。
6、 防火处理
钢结构的疲劳寿命和评估
钢结构的疲劳寿命和评估
疲劳是指物体在周期性加载下的循环应力作用下逐渐累积损伤的现象。钢结构广泛应用于建筑、桥梁、船舶等领域，而对于钢结构的疲劳寿命和评估，对于保障结构的安全性和可靠性具有重要意义。
一、疲劳寿命的含义和评估方法
疲劳寿命是指钢结构在不断受到循环应力作用下，能够保持结构完整性和性能的时间。钢结构的疲劳寿命评估方法目前主要有试验方法和计算方法两种。
试验方法是通过搭建实验模型，给予不同频率和幅值的循环载荷加载，测量应变和应力的变化，然后评估结构的疲劳寿命。试验方法的优势在于可直接观测和测量结构变形和受力情况，但其劣势是成本高昂且耗时较长。
计算方法是通过使用疲劳寿命的评估公式来预测结构的寿命。常用的评估公式包括极限应力幅值公式、应力周期计数公式和应变幅值公式。计算方法的优势在于成本较低且速度较快，但其劣势是需要可靠的材料性能数据和较为精确的工况分析。
二、影响钢结构疲劳寿命的因素
1.循环载荷频率和幅值：循环载荷频率和幅值是影响钢结构疲劳寿命的重要因素。载荷频率越高、幅值越大，结构的疲劳寿命就越短。 2.材料的疲劳性能：不同的钢材具有不同的疲劳寿命。一般情况下，高强度钢材的疲劳寿命较短，而低强度钢材的疲劳寿命较长。
3.构件的形状和尺寸：构件的形状和尺寸对钢结构的疲劳寿命也有一定影响。一般情况下，形状复杂的构件疲劳寿命相对较短，而较为简单的构件疲劳寿命相对较长。
三、钢结构疲劳寿命评估的重要性
评估钢结构的疲劳寿命对于工程设计、结构检测和维护具有重要意义。
1.工程设计：在钢结构的设计阶段，进行疲劳寿命评估可以帮助工程师合理选择材料，优化结构形式和尺寸，预测结构的疲劳损伤，从而提高工程的安全性和可靠性。
2.结构检测：定期对钢结构进行疲劳寿命评估可以帮助监测结构的健康状况，及时发现潜在的疲劳问题，采取相应的维修和保养措施，延长结构的使用寿命。
3.维护管理：钢结构的疲劳寿命评估结果可以作为维护管理的依据，合理安排维修和保养周期，提高维护管理的效益和准确性。
钢结构监测技术方案概况
钢结构监测技术方案概况
钢结构监测技术方案是针对建筑物钢结构系统进行的一项监测和评估工作，包括钢结构的安全性、可靠性、抗震性能等方面。本文将从技术方案的概述、监测对象、监测内容和监测方法等方面进行详细介绍。
一、技术方案概述
1. 项目概况
本项目是一个大型的建筑钢结构系统的安全性监测和评估工程。监测对象为建筑物内的所有钢结构构件，包括梁、柱、桥架等。
2. 监测目的
本次监测的主要目的是确保建筑物的钢结构构件的安全性和稳定性，并保证其在出现任何异常情况时能够及时发现并采取相应的措施进行修复或更换，保证建筑物系统的稳定性和安全性。
3. 监测周期
监测周期应根据建筑物的使用寿命、使用频率和钢结构的材质等因素来确定。一般建议在使用寿命的一半进行首次监测，之后每年或每两年进行一次定期监测。
二、监测对象
监测对象是建筑物内的所有钢结构构件，包括梁、柱、桥架等。
1. 钢结构构件
在监测钢结构构件时，要对其相关信息进行整理和分类，主要包括：构件名称、构件编号、制作日期、施工日期、钢材规格、连接方式、连接构件、受力点位置、方位角等信息。
2. 声发射检测
钢结构监测方案采用声发射检测技术，该技术能够实时监测结构体的应力、裂纹和变形情况，通过该技术可以详细记录结构体的工作状态，并能够及时发现结构体的异常状态，为结构体的维护提供依据。
三、监测内容
1. 钢结构的完整性监测 通过钢结构的完整性监测，可以了解结构的材质、质量、受力状态和锈蚀等情况，以便进一步评估其安全性和可靠性。
2. 监测裂纹
裂纹是建筑物钢结构上最常见的问题之一，裂纹存在的原因可能是由于钢材材质的问题、钢材质量不好、结构重量过大、再生材料等。在监测过程中应对裂缝情况进行准确记录，并进行适当的分析和判断，及时发现裂纹的存在并采取相应的修复措施。
3. 监测变形
建筑物的变形也是钢结构监测的重要内容之一，主要监测钢结构在受力后的位移、变形和受力情况等，并进行适当的分析和评估，以确保其安全性和稳定性。