工程结构在服役时间不断遭受外在荷载、环境侵蚀和自然灾害等作用，其实际性能状态或‘健康状态’将随着服役时长逐渐劣化而变得不可靠，如建筑结构的突然倒塌、桥梁的骤然折断等。对结构的健康状态进行监测或‘诊断’——即结构健康监测，已成为保障重要工程结构健康运营的有效手段和首要选择，已发展成为土木工程领域的重要研究方向。

结构健康监测系统或‘健康状态诊断工具’能实现对结构工作状态的实时监测，利用监测的数据诊断结构的潜在的损伤或‘病害’，评估结构的健康状态，预测结构的性能变化或‘病变趋势’，并做出维护和加固再设计决策。图1为一典型基于结构实际监测数据的消能减震结构再设计流程，可用于解决基于传统设计方法设计的消能结构及消能构件的设计性能与实际性能不符的关键问题。

图1 基于实际监测数据的消能减震结构再设计

图2 一栋实际消能减震结构及其健康监测系统

图2为一栋实际消能减震结构及其附属健康监测系统。该建筑位于日本宫城县仙台市东北工业大学校园内，长48米、宽9.6米，高34.2米，地下一层为钢筋混凝土结构，地上八层为混凝土预制楼板钢框架结构。该建筑结构设计已满足日本对学校建筑的抗震规范要求，为进一步提高结构的抗震性能，并验证该大学自主研发的油阻尼器的耗能性能，沿楼层及长短边方向均匀布置了共计56组油阻尼器设备。为研究结构和附加油阻尼器设备在实际地震中的工作性能，结构中装配了一套健康监测系统：在结构第一、四和八层中布置了双向加速度计，用于采集楼层在结构长边和短边方向的地震加速度响应数据；在结构第一层和第八层中沿结构长边和短边方向，选取了共4组油阻尼器，安装了力和位移传感器，用于采集油阻尼器在地震中的力和位移响应数据。图3为一组实测的结构楼层长边方向的楼层加速度和油阻尼器地震响应数据，该组数据采集于2003年5月26日（9时24分33秒）发生的矩震级为7级的大地震。

图3 实际地震中的监测数据(记录:20030526)

结构的地震监测数据包含了重要的结构动力特征信息，如结构系统的低阶模态信息，如何利用这些监测数据量化和评估结构潜在的损伤和健康状态是结构健康监测的重要任务。对于实际的复杂土木工程结构，这一任务面临诸多挑战，例如结构损伤研究通常需要借助一个准确可靠的数值模型作为参考模型，如基于结构设计详细建立的有限元模型（图4所示）。然而，由于实际结构的复杂性及施工误差的不确定性，加之结构分析假设的存在，结构初始有限元模型通常不能准确代表真实结构，模型预测结构响应与实际监测数据存在差异。图5为初始有限元模型预测的结构在2003年地震激力作用下的地震响应，包含楼层加速度及油阻尼器阻尼力响应。与实际结构监测数据对比，不难发现模型预测响应与实际监测数据之间存在明显的差异。

图4 结构初始有限元模型

图5 初始有限元模型预测的结构和油阻尼器响应

结构的实际监测数据通常认为是可靠的，可以用来修正初始有限元模型，图6为一修正有限元模型预测的结构在2003年地震激力作用下的地震响应。与该过程相关的技术称为模型修正或模型更新，模型修正技术已在机械和航空航天领域获得深入且富有成果的研究。对于复杂的大体积土木工程结构，受限于结构量测信息的不完整，其模型修正问题通常为一病态方程，加之结构分析耗时，土木工程结构的有限元修正问题极具挑战性。

图6 修正有限元模型预测的结构和油阻尼器响应

教研室有关健康监测的研究主要为绕这一项极具挑战性的问题展开，即复杂土木工程结构的模型修正问题，以图2所示油阻尼器钢结构的为工程应用背景，利用结构长期的地震动监测数据，已经成功开展了对结构有限元模型修正和模型参数不确定性量化等方面的研究，具体研究方法包括：矩阵模型修正方法、贝叶斯模型修正方法及加速克里金随机模拟方法等。

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