结构健康监测教程

结构健康监测是土木工程领域近几十年伴随先进传感、物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术而蓬勃发展起来的全新学科分支，其科学内涵是在线把握“原型结构”的真实状态，并为智慧管养提供决策支持。因健康监测具有实时采集外部环境荷载、在线把握结构响应特征、识别结构可能损伤形式、揭示结构倒塌破坏机理、优化结构维修养护计划、验证发展既有设计理论这六项独特优势，而被与理论分析、数值仿真和模型试验并誉为土木工程学科发展的“四轮驱动”。

本书面向土木工程新工科“智能建造”专业课程体系建设的需求，系统阐述了结构健康监测领域的基础知识和最新进展。内容涵盖：绪论，监测系统设计、实施与维护，传感器选型与优化布设，荷载作用与环境监测，结构响应、变形与耐久性监测，数据同步采集、传输和存储，监测大数据预处理，监测大数据统计分析，结构物理参数识别，结构模态参数识别，结构有限元模型修正，结构损伤识别，结构状态评估与预警，结构健康监测典型案例。本书可供相关专业科研人员和工程技术人员参考，亦可作为高等院校土建类专业研究生和高年级本科生阅读。 [1]

第1章 绪论

1.1 结构健康监测的起源和发展

1.1.1 产生背景

1.1.2 发展历程

1.2 结构健康监测系统组成和分类

1.2.1 系统构成

1.2.2 监测分类

1.3 结构健康监测的研究对象

1.4 结构健康监测的科学和工程意义

1.5 结构健康监测的发展趋势

思考题

参考文献

第2章 监测系统设计、实施与维护

2.1 监测系统设计

2.1.1 设计原则

2.1.2 总体设计

2.1.3 详细设计

2.2 监测系统实施

2.2.1 硬件设备安装

2.2.2 软件开发与部署

2.2.3 系统调试与试运行

2.2.4 采集子站和监控中心的安装与配置

2.3 监测系统维护

2.3.1 日常管理

2.3.2 定期检查与维护

2.3.3 异常处置

思考题

参考文献

第3章 传感器选型与优化布设

3.1 传感器基本分类

3.1.1 按照测量对象分类

3.1.2 按照传输方式分类

3.1.3 按照传感方式分类

3.1.4 按照测量原理分类

3.2 传感器选型原则

3.3 传感器优化布设基本概念

3.3.1 力学原理

3.3.2 基本流程

3.4 传感器优化布设评价准则

3.4.1 基于振动响应强度的评价准则

3.4.2 基于参数识别误差的评价准则

3.4.3 基于模态重构效果的评价准则

3.4.4 无线传感器优化布设评价准则

3.4.5 其他优化布设评价准则

3.5 传感器优化布设求解方法

3.5.1 确定性求解方法

3.5.2 随机类求解方法

3.6 传感器优化布设软件集成

思考题

参考文献

第4章 荷载作用与环境监测

4.1 风荷载监测

4.1.1 风速和风向监测

4.1.2 风压监测

4.2 地震动监测

4.3 车辆荷载监测

4.4 环境因素监测

4.4.1 环境温湿度监测

4.4.2 降雨量监测

思考题

参考文献

第5章 结构响应、变形与耐久性监测

5.1 结构响应监测

5.1.1 加速度监测

5.1.2 应变监测

5.2 结构变形监测

5.2.1 位移计

5.2.2 测斜仪

5.2.3 连通管

5.2.4 GPS

5.2.5 高精度全自动全站仪

5.2.6 沉降仪

5.3 结构耐久性监测

5.3.1 混凝土构件耐久性监测

5.3.2 钢制部件耐久性监测

思考题

参考文献

第6章 数据同步采集、传输和存储

6.1 监测数据同步采集

6.1.1 基本概念

6.1.2 采集系统技术要求

6.1.3 采集系统组成

6.1.4 采集系统分类

6.2 监测数据传输

6.2.1 数据传输介质

6.2.2 数据通信协议

6.2.3 无线传输技术

6.3 监测数据存储

6.3.1 数据库系统

6.3.2 数据库设计

思考题

参考文献

第7章 监测大数据预处理

7.1 典型异常监测数据类型

7.2 监测数据的噪声预处理

7.3 监测大数据异常诊断

7.4 异常(错误) 数据恢复

7.4.1 基于压缩感知群稀疏优化的错误数据恢复方法

7.4.2 基于监测数据相关性的缺损数据填补方法

思考题

参考文献

第8章 监测大数据统计分析

8.1 基本统计分析

8.1.1 集中趋势

8.1.2 离散程度

8.2 概率密度函数估计

8.2.1 正态分布

8.2.2 高斯混合模型

8.2.3 核密度估计

8.3 极值分析

8.3.1 区间极值法

8.3.2 过阈法

8.3.3 平均条件穿越率法

8.4 相关性分析

8.4.1 皮尔逊相关性分析

8.4.2 典型相关性分析

8.5 回归分析

8.5.1 线性回归

8.5.2 非线性回归

思考题

参考文献

第9章 结构物理参数识别

9.1 结构系统识别内涵

9.1.1 结构动力学三类问题

9.1.2 参数识别基本过程

9.2 结构系统识别方法分类

9.2.1 时域识别方法

9.2.2 时域动力复合反演方法

9.2.3 频域识别方法

9.3 时域信号重构

9.3.1 时域算法

9.3.2 频域算法

9.3.3 结构转角信息重构

9.4 物理参数时域识别经典算法

9.4.1 时域识别法概述

9.4.2 时域识别最小二乘法

9.5 动力复合反演方法

9.5.1 方法概述

9.5.2 分解算法

9.6 物理参数频域识别经典算法

9.6.1 频域识别法概述

9.6.2 灵敏度分析方法

9.7 考虑系统不确定性的结构物理参数识别

9.7.1 贝叶斯定理

9.7.2 基于贝叶斯理论与有限元模型的物理参数直接识别

9.7.3 利用抽样算法进行间接求解

思考题

参考文献

第10章 结构模态参数识别

10.1 模态参数识别基本方法

10.1.1 频域分解法

10.1.2 随机子空间法

10.1.3 特征系统实现算法

10.1.4 其他模态参数识别方法

10.2 时变模态参数识别方法

10.2.1 基于自然激励技术– 特征系统实现算法的慢变模态参数识别

10.2.2 基于小波变换的快变模态参数识别

10.2.3 基于变分模态分解– 希尔伯特变换的瞬变模态参数识别

10.2.4 其他时变模态参数识别方法

思考题

参考文献

第11章 结构有限元模型修正

11.1 有限元模型修正基础理论

11.1.1 有限元建模及动力测试

11.1.2 模型缩聚与扩阶

11.1.3 相关性判断准则

11.1.4 有限元模型修正过程

11.2 有限元模型修正方法

11.2.1 修正方法分类

11.2.2 确定性模型修正方法

11.2.3 随机性模型修正方法

11.3 基于频域子结构技术的有限元模型修正

11.3.1 基于子结构的结构特征解快速算法

11.3.2 基于子结构的结构特征解灵敏度快速算法

11.3.3 基于子结构的有限元模型修正过程

11.4 基于时域动力响应灵敏度的有限元模型修正

11.4.1 基于动力响应灵敏度的反问题及其求解

11.4.2 有限元模型修正过程

思考题

参考文献

第12章 结构损伤识别

12.1 损伤识别层次划分

12.2 损伤识别方法分类

12.3 基于监测数据的损伤识别

12.3.1 频域法

12.3.2 时域法

12.4 基于模型修正的损伤识别

思考题

参考文献

第13章 结构状态评估与预警

13.1 结构状态评估内涵

13.1.1 安全性评估

13.1.2 耐久性评估

13.1.3 疲劳性能评估

13.2 结构状态评估常用方法

13.2.1 层次分析法

13.2.2 基于时变可靠性理论的评估方法

13.2.3 模糊综合评判法

13.3 结构安全预警

13.3.1 预警的一般原则

13.3.2 预警功能构成和指标选定

13.3.3 预警阈值设置

13.3.4 预警方式

思考题

参考文献

第14章 结构健康监测典型案例

14.1 大跨度桥梁结构健康监测

14.1.1 桥梁结构特点及监测内容

14.1.2 香港青马大桥结构健康监测系统简介

14.2 高层建筑结构健康监测

14.2.1 高层建筑结构特点及监测内容

14.2.2 广州塔结构健康监测系统简介

14.3 大跨空间结构健康监测

14.3.1 空间结构特点及监测内容

14.3.2 国家体育场无线传感健康监测系统简介

14.4 古建筑结构健康监测

14.4.1 古建筑结构特点及监测内容

14.4.2 藏式古建筑木结构健康监测系统简介

14.5 风机结构健康监测

14.5.1 风机结构特点及监测内容

14.5.2 风机结构健康监测系统简介

14.6 大坝结构健康监测

14.6.1 大坝结构特点及监测内容

14.6.2 大坝结构健康监测系统简介

14.7 海洋平台结构健康监测

14.7.1 海洋平台结构特点及监测内容

14.7.2 海洋平台结构健康监测系统简介

14.8 地铁隧道结构健康监测

14.8.1 地铁隧道结构特点及监测内容

14.8.2 地铁隧道结构健康监测系统简介

思考题

参考文献

附录1 信号处理基础理论

附录2 模态分析基础理论

附录3 贝叶斯基础理论

附录4 结构健康监测基准模型

相关知识

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