第一章 绪论
1.1 研究背景
随着现代科学的进步，土木工程领域各项技术的快速发展，导致土木工程结构向复杂化方向发展。超高层建筑，超大跨度桥梁，超长距离桁架结构，海上平台结构，大型水利结构和大型核电站也在增加。这些大而复杂的结构受到材料的老化，外部环境的影响以及使用过程中施加的载荷的影晌或是结构本身的缺陷导致结构强度发生变化，可能降低结构的功能或甚至导致结构失效。大型结构的失效通常会导致重大的灾难性事故，例如桥梁突然断裂和空间网格结构的整体破坏，海上平台发生事故都将造成重大人员伤亡和无法估量的经济损失。在目前中国城镇使用的建筑物中，约有 50%是在 20 世纪 60 年代之前建造的，不少建筑物已达到设计设计寿命。在这些社会基础设施中存在大量令人担忧的安全问题。这些已有的损坏会导致桥梁结构缺陷，甚至导致结构失效，中国有大量土建工程正在使用中，有很大一部分已进入维修期和老化期。
同样，即使在发达国家土木工程结构的健康状况也不容乐观。美国土木工程师学会调查了 2005 年该国正在使用的建筑结构的健康状况，结果十分糟糕。美国的社会基础设施的健康状态是低于全球的平均水平，并且结构的功能仍在加速老化。美国联邦公路管理局还勘察了 2006 年公路桥梁的健康状况。根据调查数据显示，美国超过20 英尺的桥梁中有四分之一的具有“结构缺陷”或“过时的功能”。土木工程结构性的失效在全世界范围内呈现一种愈演愈烈的状态。在使用中维护土木工程结构需要大量的人力，物力和财力，而且桥粱结构的维护成本相当惊人。据报道，位于美国纽约的布鲁克林大桥已经修复了三个多月，需要超过 100 万美元的维护费用。对于这种桥梁，加拿大平均每年有 300 座需要进行维护。日前在中国使用的许多桥梁已进入需要维护和翻新的“旧桥”行列，当桥梁使用时间超过 25 年时，其维修费用几乎可以可以新造同样的两座桥了。桥梁使用 30 年的维修费是 10 年以上桥梁的 4 倍以上，土木工程结构的维修费用是整个社会的沉重负担。随着中国经济的稳步发展和繁荣，桥梁数量不断增加，规模不断扩大。在中国已经建成了许多具有相同水平的先进桥梁的公路桥梁，润扬长江公路大桥，苏通长江公路大桥等代表。2018 年交通运输部发布 2017 年末全国公路桥梁 83.25 万座、5225.62 万米，比上年增加 2.72 万座、308.66 万米，其中特大桥梁 4646 座、826.72 万米，大桥 91777 座、2424.37 万米。
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1.2 研究现状
结构监测的核心活动可以分为以下几个方面：监测策略的选择，监测系统的安装，监测系统的维护，监测中断情况下的数据管理和关闭[20]，这些核心活动的每一项都可以分为更多的子项，如表 1.1 所示。每项核心活动都非常重要，但最重要的是制定良好的监测策略，监测策略会受到其他每项核心活动和子活动的影响，分为以下的几个方面：
1.建立监测目标； 2.识别并选择要监控的代表性参数； 3.选择合适的监控系统； 4.设计传感器网络； 5.建立监测计划； 6.规划数据利用； 7.控制监控成本；
对于一个监控项目来说，定义监控目标并确定要监控的参数非常重要，这些参数必须以反映结构行为为基础。每个结构都有自己的特点，所以必须根据结构的具体情况选择用于监测的参数。我们可以将它们分为三个基本类别，即静态监控，动态监控，
系统识别和模态分析，这些类别可以组合在一起。每种方法都具有优势和缺点，结构行为和监测目标决定了是使用其中一种或多种方式组合在一起。
第二章 光纤布拉格光栅及主成分分析法基本原理
2.1FBG 基本原理
2.1.1FBG 介绍
在过去几年中，光纤布拉格光栅传感器在传感器进入了逐渐发展的阶段。在光纤布拉格光栅传感器经过了最初的发展之后，现在看来光纤布拉格光栅传感器与经过验证的传统传感器相比具有更加卓越性能的情况下还具有更高的发展前途。包括可以改进的测量质量，更好的可靠性以及自动测量，让操作员更加准确的判断，更容易的安装和维护寿命成本。光纤布拉格光栅传感器在健康监测中的广泛应用的花费是昂贵的，但它们在更加恶劣的环境中的具有十分可靠的稳定性。对关键性的技术指标需要使用可靠的技术进行监测：当造价非常高的结构（如土木工程结构）的发生安全性事故可能导致灾难性后果，在这种情况下传感器的价格不再是一个问题，对于这种情况来说光纤布拉格光栅传感器是一种非常好的选择。在光纤布拉格光栅传感器进行健康监测的结构中，使用这种技术的成本远远低于发生灾害过后的处理成本。当涉及大量传感器时，可以使用准分布式或全分布式光纤布拉格光栅传感器。在某些极端应用中，例如石油和天然气行业，光纤布拉格光栅传感器有时是唯一可用的可靠和长期的监测解决方案。光纤布拉格光栅传感器的最大优势是因为光纤有着十分良好的可靠性，容易对接可以简单的将光纤布拉格光栅传感器和信号调制器连接，也可以是将光纤布拉格光栅传感器作为长标距传感器和分布式传感器。
在几乎所有光纤布拉格光栅传感器应用中，光纤都是薄玻璃纤维，通常采用聚合物涂层（在极端情况下甚至是金属涂层）进行机械保护，插入适合目标中应用。因为玻璃是一种惰性材料，即使在高温下也能抵抗几乎所有化学品，是在恶劣化学环境中应用的理想材料，例如在石油和天然气井，火花塞发动机或混凝土结构中遇到各种突发情况，光纤都可以轻松应对。光纤具有抗风化作用，并且不会受到任何腐蚀。后者属性对于民用工程结构所需要的长期可靠健康监测来说具有很大的优势。只要选择适当的处理技术和光纤类型，在一些已知的困难中，例如油井中的光纤变暗，都将不是问题。由于光纤芯中的光被限制在光纤中不与任何周围的电磁（EM）场相互作用，只能用于测量，因此光纤布拉格光栅传感器本质上不受任何电磁干扰（EMI）的影响。与其他传感器相比具有十分独到的优势，当无法避免电磁（EM），射频（RF）或微波（MW）的存在时，光纤布拉格光栅传感器显然是理想的传感解决方案。除非光纤受到损坏，否则光纤布拉格光栅传感器不会因为受到外部冲击桥梁或大坝所产生的任何电磁场的影响。光纤布拉格光栅传感器也不受附近电机的影响，例如电力机车，电力线或变压器。除了提高传感器可靠性外，其 EMI 抗扰度还可以用来作为光纤温度传感器，监控的大功率电力变压器温度。通过设计，光纤布拉格光栅传感器具有十分可靠的安全性和自然防爆性，使其特别适用于有风险的土木结构（如天然气管道或化工厂）的健康监测应用。
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2.2PCA 的工作原理
2.2.1PCA 介绍
本文旨在探讨 PCA 方法在 SHM 中的一些应用。还包括一些与 POD 相关的参考文献，这是另一种调用 PCA 的方法。Trendafilova 在 2000 年使用 POD 和参数识别的方法来识别结构的非线性参数，分析测量数据和模拟数据的双正交分解之间的差异[73]。Zang 和 Imregun 使用频率响应和 ANN 检测损伤[74]。为了包括频率响应的分析数据，他们使用 PCA 来减少数据大小。2003 年，Boe 等人应用 PCA 进行振动响应的损伤诊断，利用分布在结构中的 PZT 传感器收集数据，可以确定损坏的定位[75]。作者还声称，这种方法可以用于其他类型的传感器，如加速度计。同年，Sophian 在两个铝样品中应用涡电流获得的响应数据使用 PCA 进行特征提取[76]。Nitta 提出了一种基于两阶段的方法，用于检测受损建筑物的楼层刚度的降低量[77]。在第一步中，POD 用于估计结构的模态矢量，以便检测和定位损伤。在第二步中，通过系统识别子系统来执行量化损坏的方法。Golinval 等。使用 PCA 和基于振动的信号进行结构中的损伤检测和定位[78]。激励由电动振动器产生，加速度计用作传感器。该方法包括在 PCA 模型中使用子空间的角度。Yan 提出了一种结构损伤诊断方法，包括两步程序：首先，将数据空间聚类到几个区域，然后在每个区域应用 PCA 进行损伤检测[79]。
Mujica 使用具有 T2统计量和 Q-统计量的 PCA 来检测和区分结构中的损伤[80]。在这种情况下，为每个执行器构建 PCA 模型，并且以单独的形式执行每个模型的分析。该方法在使用 PZT 换能器的飞机涡轮叶片中进行了测试。它还包括使用基于案例的推理，并结合这些技术开发了 16 种方法。Wang 使用基于振动响应的 AR 模型，提取这些 AR 模型的响应特征[81]，从振动响应数据中分析整个模型的特点，由于数据量大且变化较大，需要使用控制图来监测这些特征。该方法时基于逐渐损坏的钢筋混凝土框架的数值模拟，使用加速时间历程来证明使用振动响应数据可以发现结构的健康状态。Gryllias 提出了一种两步法在梁结构中进行裂缝检测，其中包括在第一步中使用 POD 提取梁的适当正交模式（POM），然后使用四个算子进行形态学处理（扩张，侵蚀，打开和关闭）用于处理 POM[82]。同年，Leao 比较了监测飞机和板条系统健康状态的不同技术。使用基于电动机指令电流和操作条件的测量的 T2统计量和 Q-统计量[83]。
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第三章 小比例钢梁试验 ............................... 29
3.1 引言 ................................ 29
3.2 FBG 传感器的制作 ......................... 29
3.3 试验介绍 .......................... 30
第四章 大比例混凝土 T 梁试验 ......................................... 50
4.1 引言 ........................................... 50
4.2 试验介绍 ......................... 50
第五章 结论与展望 .......................... 60
第四章 大比例混凝土 T 梁试验
4.1试验介绍
4.1.1试验方案
本次试验的加载设备与上个试验的加载设备相同，均使用 pzt 电磁激振器。试验主体为一根混凝土 T 型简支梁，梁的计算长度为 4.0 米，高为 0.4 米。构件示意图见图 4-1，使用强度等级为 C35 的混凝土。上端受压区按照结构构造配筋，采用直径为8mm 的 HRB335 钢筋，下端受拉区配筋根据所需要的破话形式进行计算，采用 10 根直径为 12mm 的 HRB335 钢筋分两排、每排 5 根并列布置。钢筋使用详情见表 4-1；钢筋布置图见图 4-2。
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第五章 结论与展望
近年来，土木工程结构朝着大型化的方向不断发展，结构健康监测与损伤识别成为了越来越重要的研究方向。光纤布拉格光栅是一种新型的多用途传感器具有相对较高的精度、抗干扰能力强、传感器模型小安装简单等优点。主成分分析法则是一种非常有效的降维处理方法，可以去除数据中的噪声得到有用的部分。T2统计量和 Q 统计量是一种非常重要的数据处理参数。本文通过使用将光纤布拉格光栅传感器和主成分分析法相结合来对结构进行健康监测。主要工作如下：
（1）介绍了光纤的工作原理，说明了光纤布拉格光栅应用于现代大型结构中的的优越性，介绍了长标距布拉格光栅传感器的工作方式和工作原理，说明了长标距的优势，本文也是使用一种自主设计的长标距传感器；介绍了主成分分析法的基本原理和工作方式，说明了主成分分析法在现代统计学中的应用，T2统计量和 Q 统计量是一种非常有效的识别参数。
（2）介绍了小比例钢梁模型的损伤识别研究的试验方式和研究原理。通过对刚性结构的试验，可以发现无论是光纤布拉格光栅传感器还是加速度传感器，使用主成分分析法都可以较为准确的识别出结构的损伤状态。但是由于传统的加速度传感器结构较大，安装的距离较远，只能做到较为模糊的损伤识别，但是光纤布拉格光栅传感器就没有这方面的限制。从这方面可以看出光纤布拉格光栅传感器在应用的过程中可以在任何位置安装不受地点的限制。
（3）介绍了大比例混凝土 T 梁模型的损伤识别研究的试验方法和研究原理。通过对混凝土结构的研究，可以发现使用光纤布拉格光栅传感器可以较为明显的发现结构的状态和损伤位置，但是使用加速度传感器很难发现结构的损伤位置。从这里可以明显的发现光纤布拉格光栅传感器相对于传统的加速度传感器有着巨大的优势。一般传感器体积大并且对于混凝土一类的非线性结构的识别情况较差，但是光纤布拉格光栅传感器有着良好的识别率。
参考文献（略）