土木工程结构监测技术的发展与展望
摘要：结构监测技术对于土木工程学科具有重要意义。一方面，重大工程的监测对于保障工程项目安全及风险控制非常有效。另一方面，土木结构试验的发展也进一步需要监测技术的不断进步，以满足更加丰富严格的研究需要。本文通过查阅资料、整理课堂笔记，对结构检测技术进行了分类整理和概括性介绍，同时重点关注了一下近几年兴起的监测新技术。 关键词：结构检测 土木工程
The Development and Prospect of Structure Monitoring
Technology in Civil Engineering
Abstract: Structure monitoring is important in civil engineering. On the one hand, monitoring of important projects is very effective in ensuring the security and controlling the risk of the project. On the other hand, the development of the structure experiment demands the monitoring technology to develop further, to meet the needs of more serious scientific search. The article classifies the structure monitoring technology and introduces it generally by looking up information and finishing the classroom notes.
Key words: structure monitoring civil engineering
1. 引言
结构监测对于土木工程学科具有重要意义。一方面，重大工程的监测对于保障工程项目安全及风险控制非常有效，大量的工程事故表明在事故发生前，人们都是能够从监测数据上发现预兆的。另一方面，土木结构试验的发展也进一步需要监测技术的不断进步，以满足更加丰富严格的研究需要。近年来，结构全寿命概念的兴起又对结构健康监测提出了新的任务与要求。因此，土木工程的结构监测已经成为土木工程学科研究和发展的一个重要领域。
本文通过查阅资料、整理课堂笔记，对结构检测技术进行了分类整理和概括性介绍，同时重点关注了一下近几年兴起的监测新技术。
2. 结构监测技术的分类
从监测的环节上看，一般的监测系统可分为传感器系统、数据采集系统、数据处理与控制系统以及结构健康与评估系统。一套完善的系统应该分别满足各个环节的要求，即通过使用最为经济的传感器设备和最有效的算法得到对结构的最好的评估数据。随着我国工程建设的不断进步，对于这些监测各个方面的要求也将更加严格，以提升监测工作的科学性和准确性。
从监测设备是否需要与被测物体相连的角度来看，结构监测设备又可分为接触设备（contact sensor）和非接触设备（non-contact sensor）。
接触设备是属于较为传统的一种结构监测技术。常用的监测传感器多属于这一分类。如常用的力传感器、加速度传感器、位移加速器等。
1
位移传感器 加速度传感器
力传感器
非接触监控设备是近年来结构监测技术的热点。首先，传统的监测技术如钢结构超声波探伤监测、反射波低应变法测量桩基强度等也属于非接触设备这一类别。此外，现如今越来越多的特殊的结构监测状态有着无线传输数据的要求，这其中尤其以大型结构试验最为突出，比如高频爆破时的结构状态测量出于安全考虑要求试验人员尽量远离试验场地、对超高层结构的位移加速度监测如果采用传统的接触设备，整个过程将变得极为繁琐（因为没有那么长的电线，所以只能按楼层分段进行测量）。而“随着无线网络通讯的发展，特别是无线传输技术的发展，无线健康监测系统应运而生。无线智能传感器不但能免除繁琐的安装工程，特别是可移动式无线传感器的发明，免除了封道检测，节约成本，节省时间，而且传感器内部可嵌入信号处理和分析方法，实现智能监测桥梁结构。”[1]上述试验的复杂性也对结构监测技术提出了新的要求，根据这个要求，一些新的技术热点如三维激光扫描仪、数字摄影测量也逐渐兴起，本文将在后半部分稍作介绍。
钢结构超声波探伤 桩基低应变法
从监测对象的角度划分，结构监测技术又可分为砌体结构监测、混凝土结构监测、钢结构监测、结构试验对象监测等。每一类的结构有着各自不同的监测特点和管理方法，监测不同于检测，它是长时间地对结构的某一参数状态定量地进行控制观察，因此对于重要工程监测设备的耐久性也有更为严格的要求。近年来，随着结构全寿命的概念的兴起，对于监测的 2
寿命要求甚至到了贯穿结构从开始到报废始终，在混凝土结构监测中，基于光纤传导的监测技术将在未来愈发重要。
3. 结构监测新技术
三维激光扫描仪（LiDAR Scanner）又被称为实景复制技术，是测绘领域继GPS 技术之后的一次技术革命。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势. 三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。
三维激光扫描仪
这项起源于测绘工程的新技术现已逐渐用于土木工程领域。由于三维激光扫描仪可以通过非接触的方式获取结构的位置信息（甚至包括各点应变、加速度），因此在一些难以用传统设备测量的特殊情况中使用它将极为有效和便捷，且数据也会比过去的取样估算更加准确和直观。
文献2[2]“通过使用三维激光扫描仪对天幕钢结构的立柱、横梁与行架进行扫描测量，建立点云模型，获取钢柱中心坐标，并与全站仪测量的结果进行比较，以确定三维激光扫描在工程上能够达到的测量精度，为三维激光扫描仪在钢结构工程竣工验收上的运用做准备。”类似的应用因为有极大的优越性，将在未来越来越多。
三维激光扫描技术突破了单点测量的方式，可以高精度、高密度、高效率对建筑表面进行测量，以“点云”形式真实呈现了建筑整体结构和形态。利用三维激光扫描技术，可以实现对建筑物的整体监测，避免了单点监测的局部性和片面性。然而，由于三维激光扫描仪的仪器费用较高，且判别的算法尚未完全成熟，因而还需要一定时间的发展与推广。
数字摄影技术（Digital Photography ）的发展已经比较成熟，这是一种以非接触的形式获取空间信息的方法，在较远的距离上捕捉足够多的动态图像信息，经过编写的数字图像处理算法处理可以得到被测结构的数据. 。
和传统的监测技术相比，数字摄影具有非接触、功能强大、即拍即得的优点。而和新兴的监测新技术相比，数字摄影在成本和时间上的节省尤其突出。数组摄影技术涉及到图像识别处理，特殊的监测情况甚至需要重新编写可靠且稳定的算法，这对专业人员的素质的要求也更加的严格。
3
新一代数字摄影机
文献3[3]“开发了一种基于数字图象处理技术进行工程结构动态位移监测的方法。在固定点安置CCD 摄像机，通过图像采集卡对处于动态的被监测结构物上的标志点进行视频图像采集，然后用数字视频编辑软件将动态数字图像转换为逐帧存储的连续静态的数字图像序列，再用编写的程序自动对图像序列逐帧连续处理，就获得动态目标点的坐标，并拟合出运动曲线，实现动态位移监测. 经实际工程监测, 证明该方法是简便有效的监测手段。”
数字摄影获取的信息量大，不仅能显示客观、真实的影像，而且在同一瞬间可以摄取多个目标点，利用相关算法进行识别，这是其他方法所不能得到的。用于桥梁监测领域，使用一架小型飞机在一天之内就可以对几十座大桥进行摄影监测，与传统的方法相比，极大地节省了人力和物力。
参考文献：
[1]吴峰. 基于无线传感器的模态测试与损伤识别[D].哈尔滨工业大学,2013.
[2]范占永, 袁铭, 严勇, 叶宝, 葛坤龙. 三维激光扫描测量天幕钢结构精度分析[J]. 现代测绘,2009,02:7-9.
[3]张国栋, 赵文光, 文银平. 结构动态位移监测图像处理技术的工程应用[J]. 华中科技大学学报(城市科学版),2005,S1:10-12.
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土木工程结构监测技术的发展与展望
摘要：结构监测技术对于土木工程学科具有重要意义。一方面，重大工程的监测对于保障工程项目安全及风险控制非常有效。另一方面，土木结构试验的发展也进一步需要监测技术的不断进步，以满足更加丰富严格的研究需要。本文通过查阅资料、整理课堂笔记，对结构检测技术进行了分类整理和概括性介绍，同时重点关注了一下近几年兴起的监测新技术。 关键词：结构检测 土木工程
The Development and Prospect of Structure Monitoring
Technology in Civil Engineering
Abstract: Structure monitoring is important in civil engineering. On the one hand, monitoring of important projects is very effective in ensuring the security and controlling the risk of the project. On the other hand, the development of the structure experiment demands the monitoring technology to develop further, to meet the needs of more serious scientific search. The article classifies the structure monitoring technology and introduces it generally by looking up information and finishing the classroom notes.
Key words: structure monitoring civil engineering
1. 引言
结构监测对于土木工程学科具有重要意义。一方面，重大工程的监测对于保障工程项目安全及风险控制非常有效，大量的工程事故表明在事故发生前，人们都是能够从监测数据上发现预兆的。另一方面，土木结构试验的发展也进一步需要监测技术的不断进步，以满足更加丰富严格的研究需要。近年来，结构全寿命概念的兴起又对结构健康监测提出了新的任务与要求。因此，土木工程的结构监测已经成为土木工程学科研究和发展的一个重要领域。
本文通过查阅资料、整理课堂笔记，对结构检测技术进行了分类整理和概括性介绍，同时重点关注了一下近几年兴起的监测新技术。
2. 结构监测技术的分类
从监测的环节上看，一般的监测系统可分为传感器系统、数据采集系统、数据处理与控制系统以及结构健康与评估系统。一套完善的系统应该分别满足各个环节的要求，即通过使用最为经济的传感器设备和最有效的算法得到对结构的最好的评估数据。随着我国工程建设的不断进步，对于这些监测各个方面的要求也将更加严格，以提升监测工作的科学性和准确性。
从监测设备是否需要与被测物体相连的角度来看，结构监测设备又可分为接触设备（contact sensor）和非接触设备（non-contact sensor）。
接触设备是属于较为传统的一种结构监测技术。常用的监测传感器多属于这一分类。如常用的力传感器、加速度传感器、位移加速器等。
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位移传感器 加速度传感器
力传感器
非接触监控设备是近年来结构监测技术的热点。首先，传统的监测技术如钢结构超声波探伤监测、反射波低应变法测量桩基强度等也属于非接触设备这一类别。此外，现如今越来越多的特殊的结构监测状态有着无线传输数据的要求，这其中尤其以大型结构试验最为突出，比如高频爆破时的结构状态测量出于安全考虑要求试验人员尽量远离试验场地、对超高层结构的位移加速度监测如果采用传统的接触设备，整个过程将变得极为繁琐（因为没有那么长的电线，所以只能按楼层分段进行测量）。而“随着无线网络通讯的发展，特别是无线传输技术的发展，无线健康监测系统应运而生。无线智能传感器不但能免除繁琐的安装工程，特别是可移动式无线传感器的发明，免除了封道检测，节约成本，节省时间，而且传感器内部可嵌入信号处理和分析方法，实现智能监测桥梁结构。”[1]上述试验的复杂性也对结构监测技术提出了新的要求，根据这个要求，一些新的技术热点如三维激光扫描仪、数字摄影测量也逐渐兴起，本文将在后半部分稍作介绍。
钢结构超声波探伤 桩基低应变法
从监测对象的角度划分，结构监测技术又可分为砌体结构监测、混凝土结构监测、钢结构监测、结构试验对象监测等。每一类的结构有着各自不同的监测特点和管理方法，监测不同于检测，它是长时间地对结构的某一参数状态定量地进行控制观察，因此对于重要工程监测设备的耐久性也有更为严格的要求。近年来，随着结构全寿命的概念的兴起，对于监测的 2
寿命要求甚至到了贯穿结构从开始到报废始终，在混凝土结构监测中，基于光纤传导的监测技术将在未来愈发重要。
3. 结构监测新技术
三维激光扫描仪（LiDAR Scanner）又被称为实景复制技术，是测绘领域继GPS 技术之后的一次技术革命。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势. 三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。
三维激光扫描仪
这项起源于测绘工程的新技术现已逐渐用于土木工程领域。由于三维激光扫描仪可以通过非接触的方式获取结构的位置信息（甚至包括各点应变、加速度），因此在一些难以用传统设备测量的特殊情况中使用它将极为有效和便捷，且数据也会比过去的取样估算更加准确和直观。
文献2[2]“通过使用三维激光扫描仪对天幕钢结构的立柱、横梁与行架进行扫描测量，建立点云模型，获取钢柱中心坐标，并与全站仪测量的结果进行比较，以确定三维激光扫描在工程上能够达到的测量精度，为三维激光扫描仪在钢结构工程竣工验收上的运用做准备。”类似的应用因为有极大的优越性，将在未来越来越多。
三维激光扫描技术突破了单点测量的方式，可以高精度、高密度、高效率对建筑表面进行测量，以“点云”形式真实呈现了建筑整体结构和形态。利用三维激光扫描技术，可以实现对建筑物的整体监测，避免了单点监测的局部性和片面性。然而，由于三维激光扫描仪的仪器费用较高，且判别的算法尚未完全成熟，因而还需要一定时间的发展与推广。
数字摄影技术（Digital Photography ）的发展已经比较成熟，这是一种以非接触的形式获取空间信息的方法，在较远的距离上捕捉足够多的动态图像信息，经过编写的数字图像处理算法处理可以得到被测结构的数据. 。
和传统的监测技术相比，数字摄影具有非接触、功能强大、即拍即得的优点。而和新兴的监测新技术相比，数字摄影在成本和时间上的节省尤其突出。数组摄影技术涉及到图像识别处理，特殊的监测情况甚至需要重新编写可靠且稳定的算法，这对专业人员的素质的要求也更加的严格。
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新一代数字摄影机
文献3[3]“开发了一种基于数字图象处理技术进行工程结构动态位移监测的方法。在固定点安置CCD 摄像机，通过图像采集卡对处于动态的被监测结构物上的标志点进行视频图像采集，然后用数字视频编辑软件将动态数字图像转换为逐帧存储的连续静态的数字图像序列，再用编写的程序自动对图像序列逐帧连续处理，就获得动态目标点的坐标，并拟合出运动曲线，实现动态位移监测. 经实际工程监测, 证明该方法是简便有效的监测手段。”
数字摄影获取的信息量大，不仅能显示客观、真实的影像，而且在同一瞬间可以摄取多个目标点，利用相关算法进行识别，这是其他方法所不能得到的。用于桥梁监测领域，使用一架小型飞机在一天之内就可以对几十座大桥进行摄影监测，与传统的方法相比，极大地节省了人力和物力。
参考文献：
[1]吴峰. 基于无线传感器的模态测试与损伤识别[D].哈尔滨工业大学,2013.
[2]范占永, 袁铭, 严勇, 叶宝, 葛坤龙. 三维激光扫描测量天幕钢结构精度分析[J]. 现代测绘,2009,02:7-9.
[3]张国栋, 赵文光, 文银平. 结构动态位移监测图像处理技术的工程应用[J]. 华中科技大学学报(城市科学版),2005,S1:10-12.
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