日本桥梁和建筑结构监测：大跨度桥梁振动技术的应用与发展

日本人是如何建造桥梁的？

在日本等群岛国家，大跨度桥梁是连接岛屿、绕过海湾的交通枢纽的重要组成部分。由于大跨度桥梁的柔性和低阻尼特性，在其使用寿命期间可能会发生各种类型的变形。桥梁的振动以及日本是一个自然灾害多发的国家，使得桥梁建设的实时动态监测非常重要。

中国工程院院刊《工程》2019年第6期刊登了横滨国立大学藤野洋三教授研究团队的《日本桥梁与建筑结构监测研究与实施综述》一文。文章回顾了振动技术在桥梁、建筑物、道路路面等建筑结构监测方面的发展，通过介绍结构监测的典型实例，总结了利用分布式传感器阵列对桥梁、建筑物结构进行监测，以及利用车辆对桥梁路面和混凝土路面进行监测的方法。最后，文章指出了日本结构监测技术的发展前沿。

本文来自微信公众号：中国工程院学报（ID：CAE-Engineering），作者：Yozo Fujino、Dionysius M. Siringoringo、Yoshiki Ikeda、Tomonori Nagayama、Tsukasa Mizutani，原标题：《日本的桥梁与建筑结构监测丨工程》，标题图片来自：维基百科

一、引言

日本在开放国门、废除了德川幕府时期持续了两个多世纪的严格贸易限制后，终于在1868年的明治维新期间引入了近代基础设施建设技术。这一时期，人们开始使用金属作为结构材料。19世纪70年代左右，日本开始使用铆接技术制造的铸铁和熟铁作为建造新桥梁的材料。日本长崎的黑铁桥（跨度27m）是第一座近代铸铁桥。从1895年开始，钢材迅速取代熟铁成为金属桥梁的首选材料。1923年的关东大地震暴露了熟铁的诸多弊端，此后，日本大部分桥梁建设材料都选择了高强度钢材。清洲桥是一座横跨日本东京隅田川的自锚式眼杆链悬索桥。 该桥跨度183米，是当时铆接桥的典型代表。

20世纪初，钢筋混凝土在基础设施中的应用开始越来越普遍，而到了20世纪50年代，预应力技术开始广泛应用于许多简单的建筑结构构件中，先进的钢筋混凝土技术的出现，使得大跨度成为可能，为桥梁、高层建筑的建设提供了动力。

在日本这样的群岛国家，大跨度桥梁是连接岛屿、绕过海湾的交通枢纽的重要组成部分。大跨度桥梁的建设始于二战结束后，1955年，日本长崎长崎大桥建成，全长243.7m的钢拱桥——西海大桥竣工，从此日本掀起了建设大跨度桥梁的潮流。日本本州四国大桥工程（HSBP）的实施，标志着日本第一个大跨度桥梁工程立项40周年。本州四国大桥是日本连接本州和四国两岛的国家桥梁建设项目，工程于1975年开工，1999年全面竣工，连接线由多座大跨度桥梁组成，其中明石海峡大桥为全线最大跨度桥梁，全线最长的悬索桥，多多罗大桥为全线最长的斜拉桥。 迄今为止，日本已建成跨度大于500m的悬索桥15座、斜拉桥3座、桁架桥1座，表1为部分桥梁列表。

表1 日本最大跨度大于500m的桥梁

1964年，东京被选为夏季奥运会的主办城市，日本的建筑业开始蓬勃发展。这为战后重建时期日本各大城市的基础设施建设带来了新的发展。结构工程技术发展迅速，特别是在抗震、抗风设计和施工方面。20世纪60年代，与地震有关的法规明确禁止建造高层建筑。直到1968年，第一座高层办公楼才建成。36层、147米高的霞关大厦于1968年竣工，是日本东京的一座现代化办公高层建筑。这座标志性建筑的出现改变了人们对日本和其他地震多发国家的认知。此后，市区修建了越来越多的高层建筑，到目前为止，已有40多座高度超过200米的高层建筑。

多年来，横滨地标塔一直是日本最高的建筑。横滨地标塔建于1993年，高296米，是一座集办公和购物于一体的大楼。新大楼阿倍野Harukas建成，高300米，集办公和购物于一体，是日本目前使用的最高建筑。日本最高的建筑是东京晴空塔，建于2012年。该塔高634米，可用作广播塔、餐厅和观景塔。

土木工程与其他工业产品有一个非常重要的区别，土木工程的每座建筑结构都是独一无二的，它们根据不同的当地地理地质条件进行设计，使用不同的建筑材料，采用不同的施工工艺。土木建筑是大自然的产物，没有两座完全相同的土木建筑，与批量生产的商品有很大不同。土木建筑的另一个重要特点是，它们是作为社会资产建造的，预计使用寿命很长。土木工程结构的寿命通常很长，有些甚至长达数百年。因此，必须确保建造的基础设施符合设计要求和设计假设。为了确保有效使用寿命，检查建筑结构的实际状况也很重要。从另一个角度来看，大跨度桥梁和高层建筑的设计和建造的进步离不开复杂的模型、分析和先进的技术。量化和监测与这些新模型、分析和技术相关的不确定性至关重要，以确保其准确性和有效性。 为此，科研人员对大型重要结构进行了长期和短期的结构监测，获得了非常有价值的资料。

建筑结构监测通常涉及多个方面，涉及多种方法，本文强调振动技术在桥梁、建筑物和道路路面等建筑结构监测中的应用。振动是建筑结构监测的方法之一，因为振动响应可以反映建筑结构的整体和局部性能。基于振动技术的监测系统是抗震抗风建筑结构研究中的重要工作。在地震监测方面，日本气象厅（JMA）主要采用位移地震，但在建筑结构抗震研究中，加速度记录比位移记录更方便，因为加速度在建筑结构运动方程中作为直接输入运动。此外，传统地震仪可以记录大地震时的饱和振幅振动。

1948 年，日本在内陆发生毁灭性的地震——福井地震（有关地震的详细信息，请参阅表 2）后，开始开发强震仪。强震加速度计委员会 (SMAC) 开发了 SMAC 加速度计（以委员会命名）。SMAC 加速度计是一种模拟设备，可以记录高达 1 g（g = 9.8 m·s-2）的振动。1956 年，日本的建筑物中共安装了 25 个 SMAC 加速度计，标志着日本开始对建筑结构进行地震反应监测。到 1975 年，日本已安装了约 1,000 个 SMAC 加速度计。这些设备从 1964 年新潟地震、1968 年十胜近海地震和 1978 年宫城近海地震等事件中捕获了宝贵的地震数据。 从这些测量中获得的经验已被用于日本的高层建筑的设计。

自20世纪80年代末起，SMAC地震仪系统逐渐被淘汰。随着信息技术和数字记录技术的发展，新型加速度计不断涌现。现代加速度计通常是一个小型的微机电系统（MEMS）近年来，研究人员对无线传感器网络进行了大量的研究和开发。在日本，无线传感器网络在建筑结构监测中的实际应用已得到多项研究的证实。无线传感器网络的应用存在两个问题：一是无线通信的鲁棒性，二是降低功耗。无线传感器网络的这些问题需要进一步研究。

在无线传感器网络的发展中，基于振动的建筑结构监测系统所获得的数据有多种用途，包括监测极端条件下建筑结构的响应，为设计和工程再开发提供反馈。20世纪90年代，随着越来越多的桥梁和高层建筑的建成，结构监测系统被应用到施工过程中，大型建筑结构的振动控制也变得越来越普遍。随着系统的不断完善，建筑结构在不同环境和不同载荷条件下的响应数据也在不断积累。这些数据可用于评估建筑结构的状况，指示潜在的损坏，并有助于做出修复和/或翻新决策。监测数据还为建筑结构的维护和管理提供了依据。

表2 本文所涉及的地震列表 Mw：矩震级。

本文回顾了土木结构监测的策略与实践，侧重于日本的研究与实施以及作者自身的经验。研究者获得了一些新的、意想不到的发现，表明了监测的重要性。主要包括桥梁结​​构监测和建筑结构监测两部分。各部分的监测案例按类型、策略和目的进行分类。

2.桥梁结构监测

1. 大跨度桥梁设计验证监测

动态性能是大跨度桥梁设计中的一个重要考虑因素。由于大跨度桥梁的灵活性和低阻尼特性，在其使用寿命期间可能会发生各种类型的振动。空气动力学稳定性和地震响应因此，日本的大跨度桥梁在早期开发阶段、设计阶段和最终施工阶段进行动态测试是很常见的。研究人员有时会在施工阶段安装监测系统，并且此类监测数据在施工完成后会保留数年。此类监测数据已用于验证与地震和风荷载相关的设计假设。在以下章节中，我们描述了一些与设计验证监测相关的研究工作。设计验证的重点是抗风荷载、抗地震荷载和建筑结构响应。

1. 风振响应监测设计验证

日本大跨度桥梁发展初期，力（特别是风荷载）的量化在设计过程中非常重要。由于缺乏历史经验，设计假设的不确定性很大，难以进行大规模的试验测试。验证成为重要的设计步骤。1973年至1975年，研究人员建造了包括明石海峡大桥在内的高强桥十分之一截面的桥梁模型，以验证抗风设计方法。对m的桁架加劲梁进行了自然风况试验（图1）。实验结果测得的风阻系数与风洞试验估算值一致。

图 2 (a) 明石海峡大桥监测系统；(b) 明石海峡大桥 10 分钟平均风速与中梁横向位移的关系；(c) 测量值与设计规范的比较（由本州四国桥梁管理局提供）。1A 和 4A - 锚碇；2P 和 3P - 主桥塔；β - 风偏角（即迎面而来的风与桥梁轴线法线之间的角度）。经 J-STAGE 许可转载自参考文献，© 2010 并经 J-STAGE 许可转载自参考文献，© 2006

对桥梁使用寿命期间进行监测的尝试，已经从桥梁设计的早期阶段发展到传感器技术和信息系统的发展。例如，图2显示了在完成阶段的明石海峡大桥的仪器数据。该图显示了使用全球定位系统（GPS）测量的平均风速和横向位移之间的关系。由于桥梁跨度足够大，GPS定位可以准确测量桥梁的位移。从实验中获得的观测值接近设计的平均值，最大值保守且具有合理的裕度。此外，研究人员还测量了HSBP中各种大跨度桥梁的自然风的功率谱、湍流强度和空间相关性。对数据进行了研究，并验证了设计假设，发现其在合理范围内。

图 2 (a) 明石海峡大桥监测系统；(b) 明石海峡大桥 10 分钟平均风速与中梁横向位移的关系；(c) 测量值与设计规范的比较（由本州四国桥梁管理局提供）。1A 和 4A - 锚碇；2P 和 3P - 主桥塔；β - 风偏角（即迎面而来的风与桥梁轴线法线之间的角度）。经 J-STAGE 许可转载自参考文献，© 2010 并经 J-STAGE 许可转载自参考文献，© 2006

风洞试验通常使用横截面模型来确定气动阻尼和刚度。风洞试验中风速因素的变化是已知的，但这很少在已建成的大跨度桥梁的全尺寸试验中得到证实。为了证实气动刚度和阻尼的变化，研究人员在日本的白鸟桥上进行了风致振动响应监测，这是一座三跨悬索桥，总长度为 1,380 m（330 m + 720 m + 330 m）（图 3）。从建成到 1998 年大桥正式通车，研究人员在桥上每隔 30 至 55 米安装一个加速度计，并连续数周记录了不同风速条件下建筑结构的风致振动响应数据。

图 3 (a) 白鸟大桥；(b) 用于环境振动测量的运动传感器布局（Z1~Z19 表示传感器的位置）。确定的变化：(c) 气动阻尼和刚度与风速的关系；(d) 摩擦力产生的阻尼和刚度与风速的关系。经美国土木工程师学会许可转载自参考文献，© 2005 和经 Elsevier Ltd. 许可转载自参考文献，© 2007

研究人员采用逆分析方法评估了建筑结构在环境振动和强风条件下的性能，结果表明，总体上，固​​有频率随风速的增加而减小，而阻尼比随风速的增加而增大。研究人员在试验中量化了空气动力学和摩擦对风速的影响，结果表明，空气动力学对风速的影响远小于支撑摩擦对风速的影响，空气动力学对风速的影响约为摩擦对风速的影响1%，其特性与风洞试验中空气动力学的特点一致（图3（c））。作者认为，这些试验结果是对空气动力学和大跨度桥梁在风洞试验中的全面监测，这是国际上首次对结果进行解释和比较。

此外，研究者发现，相位差的局部效应主要集中在主梁边缘处，这一发现可用于判断支座处摩擦引起的附加阻尼和刚度的作用(图3(d))。摩擦引起的阻尼和刚度的变化趋势比较明显，即主梁在振动较小时，呈现低阻尼、大刚度的特点，当风速增大时，阻尼也会增大，即当支撑脱落时，刚度会因建筑结构变形增大而随风速而减小。参考文献[18]对风速对刚度和阻尼的影响做了详细描述。在桥梁长期的抗震监测中，研究者也观察到了支座引起的摩擦。关于附加刚度和阻尼的影响，在参考文献中有详细说明。

2.抗震设计验证监测

从监测建筑结构获得的地震反应数据已用于验证抗震设计。日本最长的斜拉桥多多罗桥（图4）就是一个例子。Geiyo地震（Mw = 6.7）对多多罗桥产生了强烈的激励。桥位处的最大地面加速度为144cm·s–2。对地震反应的观测表明，从监测系统记录的地面运动计算出的反应谱和实际地震荷载低于设计规范。研究人员通过仿真分析研究了桥梁的抗震性能，并验证了建筑结构模型和假设。模拟结果与实际观测到的地震反应基本一致。

图 4 (a) 多多罗桥；(b) 2001 年广岛附近艺予地震期间桥梁抗震设计反应谱与观测反应谱的比较；(c) 多多罗桥监测系统（单位：m）（由本州-四国桥梁管理局提供）。EW：东西向；NS：南北向；V：垂直向。P1、P2 和 P3 为桥墩；P4 为桥端墩

大跨度桥梁抗震分析中的一个重要工程问题是地面运动的空间变化。由于大跨度桥梁的支座被大跨度结构隔开，地震波的传播被延迟，从而导致这种空间变化。根据在阪神大地震（神户地区） (Mw = 6.9) 期间观察到的地震响应，对日本大鸣门桥进行了此类分析。研究表明，地面运动的空间变化增加了主梁的垂直响应。在其他大跨度桥梁的垂直梁响应中也观察到了类似的增加趋势，包括 2001 年广岛附近的秋田大桥。

2001 年日本广岛附近的艺予地震中，第一座来岛海峡大桥倒塌。研究人员将观测到的地面运动应用于动态 3D 有限元分析，并验证了中央支撑失效。杆组件的设计性能。对极端事件中观测到的数据进行重新分析可以为验证和更新设计提供有价值的信息。

另一个重要的设计验证案例是阻尼值的合理估计和相关机理的恰当描述。合理估计阻尼值和描述相关机理非常困难，因为相关机理非常复杂，估计值对激励条件非常敏感。尽管如此，一些研究者还是利用大跨度桥梁的地震记录来解释阻尼机理并估算阻尼值。例如，Kawashima等人利用Suigo Bridge（一座长度为290.45 m的双跨连续钢箱梁斜拉桥）的地震记录来估计阻尼机理。利用33条地震记录阐明了桥塔和桥面的阻尼特性。研究发现，阻尼比与测得的加速度有关，并取决于建筑结构构件和振动刺激的方向。

日本鹤见翼大桥自通车以来，研究人员一直对该桥进行强震观测，并获得了一些重大地震记录。地震记录显示，地震摇晃持续时间较长，地震反应位移幅值的阻尼较小。研究人员从横滨海湾大桥10次地震的地震记录中发现，随着地震震级的增加，竖向和水平方向低阶模态的阻尼比均呈增大趋势。对于小震级地震，平均阻尼比为2%；然而随着地震震级的增加，不同方向的阻尼比均明显增大，最大可达4%~5%，导致其大于之前建议的2%。

2. 桥梁监测，验证隔震系统的性能

日本桥梁采用隔震技术已有30多年的历史，日本第一座隔震桥是宫川大桥，该桥主梁为三跨连续非组合钢梁，长105.8m，此桥位于静冈县春野町，1991年3月通车，是从全国选定的8座建设基础隔震系统试点桥梁之一。隔震装置采用铅橡胶垫（LRB）。为检验隔震桥梁的地震响应特性，科研人员在宫川大桥的桥墩帽、主梁和自由场安装了强加速度传感器。1992年4月25日，日本气象厅记录到一次4.9级地震，震中位于日本静冈县。这是日本基础隔震桥梁监测系统的首次地震记录。 分析记录有助于研究人员确定基础隔震桥梁设计中应采用的一些重要方面。

下面介绍几个短跨度、中跨度和长跨度隔震桥梁监测案例。1995年阪神大地震前，日本有几座桥梁安装了基础隔震系统，其中有些还安装了地震监测系统。1995年阪神大地震是此类基础隔震系统首次遭受强烈震动。在隔震桥梁上安装结构监测系统的最初目的是确定隔震系统的性能。由于隔震是一项新兴的先进技术，因此有必要使用从实际事件中获得的地震反应记录来验证此类桥梁设计程序和模型的准确性。

研究人员对基础隔震桥梁在大地震期间的性能进行了详细研究。他们选择了日本西部关西地区的松之滨高架桥（图5）。该桥于1994年通车，是阪神高速公路上第一座基础隔震桥，为四跨连续钢箱梁桥，全长211.5 m，曲线半径560 m。地震发生时，桥梁位于震中东南约35 km处。松之滨高架桥有两座基础隔震桥：桥A和桥B。Chaudhary等人。 采用系统识别方法对1995年阪神（阪和）高架桥的隔震体系进行了研究，研究表明，采用简单的等效线性二自由度（2-DOF）集中质量模型来捕捉基础隔震松之滨高架桥的整体性能是可行的，基础隔震体系的性能令人满意。因为它可以有效地将上部建筑结构与下部建筑结构解耦，进而通过滤除其他频率，使主梁的地震反应谱仅包含上部主建筑结构的频率。

图 5 松之滨高架桥的抗震隔震结构。（a）总体布局和强震传感器；（b）桥墩帽和抗震支座的照片；（c）桥墩帽和主梁上的传感器位置。BH：钻孔 P20 至 P32 指示桥墩的位置。经美国土木工程师学会许可，转载自参考文献，© 2000

图6为1995年日本阪神（神户）大地震主震及余震的观测结果。结果表明，两座桥梁的自振频率随着地震烈度的增加而逐渐降低，一阶模态频率的降低与二阶模态频率的降低与桥梁下部结构刚度的降低有关，一阶模态阻尼比与隔震器有关，其阻尼比在B桥上比在A桥上大。这是由于两座桥梁上所采用的隔震系统的特点所致。研究人员在山上大桥上设置了类似的地震监测系统，并进行了地震反应分析。值得注意的是，该桥的隔震系统采用高阻尼橡胶（HDR）支座，1995年该桥曾遭受阪神大地震的袭击，隔震系统从实际地震中识别出的隔震支座的性能与安装前的预期性能一致。 预期性能是通过负载测试获得的，并且在建模不确定性范围内（即摩擦的影响）。

图6 模态参数随地震烈度的变化。（a）固有频率（ω0）；（b）阻尼比（ξ）。上标A和B分别代表桥A和桥B；上标1和2分别代表第一模态和第二模态

在两种情况下，都将确定的刚度和阻尼系数与等效线性化实验值进行比较，以进一步评估隔震支座的性能。研究人员发现，微小的建筑结构元素对隔震系统有影响。利用这些反馈信息，研究人员改进了高速公路高架桥隔震系统的设计和使用。

研究人员根据1995年日本阪神（神户）大地震期间对隔震桥梁地震响应的观测，得出结论，隔震系统比橡胶垫横向力分配系统具有优势，因为其阻尼性能在很大程度上降低了响应位移。因此，1995年阪神（神户地区）大地震后，隔震系统的使用量大幅增加。日本国土交通省（MLIT）管理的国家公路上约有120座桥梁。2017年已采用隔震，新建桥梁200座。此外，隔震系统也被用于加固现有桥梁。

大跨度桥梁比中小跨度桥梁具有更大的变形性能，大跨度桥梁上所受的地震荷载通常小于风荷载，但由于大跨度桥梁主梁自重较大，桥梁上部结构引起的惯性荷载可能大于主梁自重，因此常见的隔震方法是进一步延长自振周期来减轻地震荷载，具体方法是采用专门设计的塔梁连接体系，将梁与塔隔离，达到隔震的目的。在减轻地震荷载的同时，桥梁的变形性能可能造成建筑结构发生过大的位移。因此，在对大跨度桥梁进行隔震时，需要慎重考虑是否减轻地震荷载。

日本的一些大型缆线使用塔式桥梁的桥梁，例如，日本纳戈亚的Meiko Triton有线电视桥梁使用弹性电缆来连接纵向的桥梁。在主塔和主梁之间，并使用刀片型油阻尼器到另一个例子是日本的Higashi-kobe桥，以扩展桥梁的自然振动期。梁。

在日本，一些长期桥梁（包括具有地震隔离系统的桥梁）配备了密集的永久性地震监测系统。研究地震下的桥梁的性能，在桥上安装了密集的综合监测系统。

作为其动态监控系统的一部分，该桥在36个位置配备了85个加速度计通道（图7），以评估桥梁的全球和本地绩效，研究人员在1990年和1997年之间从六个主要地震中进行了不同的加速度计。通过观察第一个纵向模式，对码头和主梁之间的响应的分析以及使用有限元模型进行分析来研究。

基于这些分析，获得了以下结果（图7）：

①系统识别产生了三个典型的纵向模式，它们在桥端盖和主梁之间的相对模态位移有所不同。

②在小地震中​​，LBC尚未作为完整的铰链连接，因此，研究人员在中等地震中观察到较高的固有频率。

图7（a）横滨桥的布局和永久的地震隔离系统（b）横滨桥的LBC位置； the的传感器：the the the The The The The The The The Flough;

3.桥梁监控结构修改验证

在1995年的汉辛地震之后，日本建设部于1995年2月27日发布了一项提案，以重建和维修高速公路损坏了地震损坏的高速公路，这是1997年完成的。 AKE。

结构性监测提供了对装修过程的见解，并验证了横滨桥的效率，这是一个自1990年以来的桥梁系统，这是一个密集的桥梁计划考虑了两个最大的可靠地震，即太平洋板俯冲带或中等大型远场地震和近场内地震发生的远场8级地震。

改造建议使用了以前的监测结果和对地面运动的潜在损害模拟，并得出结论，在这种激发下，对桥梁塔和轴承进行了重大损害。

如前所述，对横滨桥的地震监测表明，在大型地震中，LBC可能无法正常运行，在桥梁端码头的基础上，LBC可能会在2005年失败。如图8所示。

图8的照片（A）和示意图（b）使用电缆的故障安全设计系统。

4.建筑结构控制系统验证的桥梁监控

为了抑制空气振动响应，振动控制通常用于大型桥梁，并且弹性增强了，并且控制设备需要更大的能力。

从实际情况来看，在以下三种情况下，主动控制要比被动控制好：

①存在各种振动模式；

②通常在施工期间观察到自振动的频率的变化；

③安装空间有限，并且首选小型设备。

这三个情况适用于具有较大弹性的大型跨度桥，尤其是在施工阶段。

图9 Hakucho桥塔的振动控制系统。

为了确保在大型跨度上安装的控制系统可以发挥预期的作用，并可以提供与控制系统性能有关的反馈信息，监视系统非常重要。

（5）在极端情况下进行桥梁监控

与欧洲和北美等发达的地区相比，日本在世界上认可了自然灾害的重点。 ①在极端负载条件下验证设计假设的合理性或局限性；

1.强风和台风期间的桥梁监测

日本每年的台风袭击平均每年的台风土地平均造成了大量的人员伤亡。

在Akashi kaikyo桥开业（Akashi kaikyo桥）之后，它经历了两个强大的typhoons，即typhoon typhoon vicky（1998年的第7台泰铢）和typhoon Typhoon（Typhoon）（Typhoon（Typhoon）（Typhoon）（Bart）（Bart）（BART）（BART）（BART）（BART）（1999年的第18个Typhoon） （PSD），风速波动的空间相关性和桥面板响应。

表3中提到的台风列表

图10在台风“ Viji”（1998年的第7台台风）和台风“ Bart”（1999年的第18个台风）中，在Akashi Strait Bridge的持续时间（7 Typhoon“ Viji”（7 Typhoon）和The tye Speed（band）的持续时间（BART）中间。 9）和风速（D）关系

当风速波动与风速的降低时，将风速波动的估计非常重要。设计标准Davenport方程。

In addition to monitoring the vibration of the bridge panel and bridge tower, the researchers also monitored the parallel cable of the Akashi Strait Bridge. During the Typhoon "Vegeta" and Typhoon "Bart", the researchers observed the excessive tail flow vibration phenomenon, which destroyed the HDR damper installed to suppress the vortex vibration of the cable. The researchers used image and wind monitoring data for visual inspections, studied tail flow vibration phenomena, and proposed that the method of connecting the spiral steel wire rope to improve the aerodynamic characteristics of the suspension cable.

在Meiko West Bridge的施工过程中，研究人员观察到大量的电缆振动的振幅。它的振动机制无法解释经典的振动机制，例如涡流兴奋或尾部流动。

但是，RWIV的刺激机制已成为研究，因为这种现象不仅涉及风和电缆的特征，而且还涉及钝性工作的流动性。

观察许多跨度的桥梁已经确认了类似的RWIV，包括对日本的Aratsu桥和tempozan桥的观察以及世界各地的其他桥梁（参考这些观察值的完整列表）。

监测是研究极端风负荷的失败原因的重要手段，因为流体和结构之间的相互作用可能会导致罕见现象，到2011年，这些现象在风洞中不容易繁殖。振动传感器通道位于14个位置。

在1999年3月（3月6日和22日）的强风事件下，长期的风向监测记录，2006年12月25日（12月25日至28日）（6月29日和7月12日）和11月20日（11月20日至22日）问候数[图11（c）和（d）]。

研究人员观察到了两个主要的单频振动，即具有0.6 Hz的单频振动和0.8 Hz频率。

图11在Hakucho桥上的光滑振动：（a）Hakucho桥上的永久监控系统（AM和AK代表桥梁塔和主梁的位置； Omenon观察到实验的方向（MF代表多个频率，SF代表一个频率（左）；内部振动频率为0.6 Hz，其频谱傅立叶傅立叶振幅（右）（f）的振动频率为0.8 Hz；有限元模型：（g）0.603 Hz的频率为0.603 Hz； （H）0.775 Hz的频率

为了阐明振动机制，基于监视数据的分析，研究人员还进行了详细的有限元分析和风洞测试研究[图11（g）]，而单个频率振动则以0.8 Hz的频率对应于0.8 Hz的频率。电缆很低。

研究人员使用1：20的风洞测试模型来研究不同的风速和单次振动的风速。因此，这些研究结果不会引起更严重的问题。

2.大地震期间的桥梁监测

日本发生了几次大地震，对桥梁的设计规格有重大影响。对数据的响应，研究人员研究了桥梁的地震性能（即，地面加速到地面上的地面上的数值模拟），以评估从这些地震中获得的经验，并从监测系统中获得的地震响应。

Higashi -Kobe桥（图12）是一种特殊情况，因为它是1995年日本汉辛（Kobe）的跨度桥梁之一，桥梁帽子结构的主要光束结构失败了[图12（b）]为桥梁ID额外的冗余，以避免桥梁的倒塌。

图12在1995年日本（Kobe地区）的大地震期间，Dongshenhu桥的损坏。

地震系统可以在地震中成功记录桥梁的响应，以防止桥梁连接的桥梁失败。 EST基金会。

在横滨湾进行了六年的翻新，由于东日本（东北）地震的强烈地面振动在2011年表明，地震装置（LBC）有效地发挥了作用。

图13在2011年东方日本（东北）地震中观察到的地震记录的LBC照片。土木工程师，转载于参考，©2013

尽管在2011年的东部（东北）地震中，水平影响并未通过 - 方向接触问题对建筑物的结构造成的损害。桥梁，然后使用验证模型估算地震中地震中的桥塔，挡风玻璃和LBC。

（6）监视和管理桥梁设施

1.大跨桥的维护和管理

由于越来越多的桥梁，日本正在将结构性监控用于现有的跨度桥梁的维护和管理，这是1962年建造的，这是日本的第一个现代跨度悬架桥梁。加速电表记录桥梁的振动。

监测的主要目的是在桥梁和相关的内力平衡（δ1），桥塔的中间（δ3），主梁的末端（Δ4）的末端（Δ4），以及在添加每个阶段的情况下，都可以观察到桥梁的影响。家庭和废墟城市，这意味着在桥梁维修工作期间，内力之间的平衡是紧密维持的。

图14（a）Ruohuqiao（b）如果扩展了家用桥的主要光束，则进行桥梁上的变形测量​​。

图15家用桥的变形测量​​。

大型跨度桥的变形不仅在修复中很重要，而且在极端的载荷条件下，例如强风和台风。

图16 Akashi海峡桥的性能。

因为与传统的位移测量相比，加速度测量可以应用于各种形状和位置的相对任意结构。

因此，一些研究人员根据随机振动理论的加速响应提出了一种基于最大位移响应的快速评估方法。应用范围，位移是桥梁的主要性能指标。

环境测量对于评估结构的耐用性越来越重要。

图17（a）Akashi海峡桥的干燥空气注入系统；（b）主电缆的监视。

对大型桥梁环境的监控是一个挑战性的问题，是评估桥塔上严重擦洗的迹象。

另一个重要的问题是对大型跨度桥梁的磨损，尤其是铁路运输的磨损。

2.桥梁道路维护管理监控和移动车辆监控

由于许多桥梁是在宽阔的公路网络中分布的，因此，移动车辆被视为有效监控桥梁的替代方法，因为在评估这些桥梁和道路状况时，安装永久性监控设备的成本是通过驾驶量来衡量的。 ETE路面的速度为80 km·H - 1，以评估混凝土路面的条件。

（1）应用路面大纲及其在桥梁功率特征评估中的应用

研究人员在正常的驾驶条件下使用了道路表面轮廓的动态响应算法，并对其性能进行了评估。

Kalman滤波器和粒子过滤器是典型的数据同化技术；估计路面的轮廓是状态矢量的一部分。 ）。

图18（a）模型（b）通过三种类型的车辆进行了测量的轮廓。轮胎，HF和人力资源的垂直位移代表路的平坦度；

为了根据车辆响应估算大纲，必须首先确定HC模型的参数。

此外，与传感器测量的轮胎接触测量值相比，大纲估计技术已用于几个桥梁动态问题（图19），结果表明，这两种方法在动态频率范围内保持一致[图20（a）]，可以通过桥梁估算桥梁的质量。桥的ibute。

图19轮胎估计的实验装置。

图20（a）在时间域和轮胎中估计的轮胎和轮胎的强度；

其次，使用轮廓估计技术可以从驾驶车辆中识别桥梁的振动频率。

（2）评估配备GPR的车辆的混凝土路面状况

The bridge panel is an important part of the bridge structure. In most applications, bridge panels are made of steel concrete or composite materials. Damage is in the place where the weather is harsh in winter, and the use of ice salt will accelerate the corrosion of the bridge panel.

The damage of the concrete bridge panel usually occurs in the interior, and it can not be highlighted from the surface until the later period. Sexual technology (such as impact echo, chain traction, and ultrasonic pulse speed) evaluate the condition of concrete bridge panels. It is necessary to make more effective and reliable assessments for panels.

At present, a new evaluation system is being developed to make efficient and stable loss of concrete bridge panels. The highway is driving at a normal speed (80 km · h –1) and quickly scan the concrete bridge panel in a non -contact method. Capture. The test personnel will manually check these signals and evaluate the road conditions. To be accurate, the accuracy of these testing only depends on the experience or priority of testing personnel.

Figure 21 uses a vehicle equipped with GPR to evaluate the condition of the concrete bridge panel.互相关函数得出的结果（上部）与通过锤击测试检测出的异常声音获取的结果（下部）之间的比较（白色虚线框表示整个桥面板；红色实心框表示受损桥面板的位置，受损桥面板是经锤击测试检测出的）；（d）在潮湿条件下对含有混凝土人为损伤的钢筋混凝土桥面板样本进行GPR测试的最大互相关函数的颜色图；（e）施加阈值后，在潮湿条件下对含有混凝土人为损伤的钢筋混凝土桥面板样本进行GPR测试的结果（黑色区域：低于阈值；白色区域：高于阈值；红色虚线框：人为损坏的位置）。经J-STAGE许可，转载自参考文献，©2017

手动检查图像是一项既费体力又费时间的工作。因此，有研究者已经提出了一种从GPR信号中自动检测损坏的算法。该算法首先估算了来自未损坏区域的信号（被称为“参考信号”）与来自目标区域的信号之间的互相关值。如果目标区域没有被损坏，则GPR信号的波形与参考信号的相似度很高，从而导致较大的互相关值。相反，受损区域的互相关值较小。混凝土桥面板内部的典型损坏类型包括水平裂缝和图21（b）所示的“沙状”损坏（偏析）。

通过将某个阈值应用到互相关，可以确定损坏和未损坏的区域。图21（c）显示了锤击测试结果与从GPR信号获得的最大互相关函数之间的比较。结果表明它们之间有很好的一致性。为了验证损伤检测算法，我们准备了含有人为损伤的全尺寸桥面板，并采用了该算法[图21（b）]。人为的水平裂缝的宽度约为1 mm、5 mm和10 mm。受损的桥面板内部通常含有水，这会加速损坏的进程。水的存在还可以提高损坏检测的准确性。我们在干燥和潮湿条件下分别进行了损坏检测，结果如图21（c）和（d）所示。在干燥条件下，我们发现了宽度为10 mm的裂缝。在潮湿条件下，我们在人为裂缝处发现了较小的互相关值。但是，在应用阈值后，我们在所有裂缝宽度区域识别出了裂缝区域。该算法现已被应用于许多实际桥梁，并与锤击测试结果保持了良好的一致性。

三、建筑结构的监测

（一）用于验证主动和半主动控制系统的建筑物监测

在20世纪90年代和21世纪初，振动控制技术的研究与开发在日本迅速发展。作为地震和风力工程领域的一项创新技术，振动控制系统在建筑结构中的实际应用在全球引发了越来越多的关注。有研究者已经提出将各种机械设备用于建筑结构的被动、半主动和主动控制。主动和半主动控制已被应用于许多建筑结构。使用数字信息技术的振动监测为实际应用提供了支持，因为控制过程需要振动传感器才能实现反馈控制律并验证控制效果。1989年建成的协和大楼（Kyowa Building），首次将主动控制系统应用在了建筑物中。到2009年，日本已完成了约70个主动和半主动控制装置的安装工作，其中52个是主动控制装置，17个是半主动控制装置。在主动控制应用中，有51个是主动质量阻尼器（AMD）系统。

在本节中，我们描述了一个监测AMD系统性能的例子，因为这是主动控制系统在现有建筑物中最广泛的应用。通过对主动控制建筑物的记录数据进行振动分析，我们验证了控制系统的有效性。图22所示的是附加阻尼比在不同周期下对第一振动模态的依赖性，不同周期来源于在小地震、强风和强制振动测试下所记录的振动数据。注意，该图并未显示等效阻尼比，而是显示了附加阻尼比[66]，附加阻尼比的定义是受控阻尼比和非受控阻尼比之差。对于主动控制系统，我们可以在AMD系统不运行时评估不受控阻尼比。在该图中，附加阻尼比的范围为0.7%~18.2%，其平均值为7.8%。我们无法获得大约20种应用的阻尼比信息，因为这些信息不是通过阻尼比进行评估的，它们是通过其他标准进行评估的。尽管变化较大，但图22显示，附加阻尼比会随着第一自然周期的增加而减小。由于高层建筑是具有较长自然周期和较小阻尼比的柔性结构，因此即使很小的附加阻尼也能非常有效地降低震动响应。

图22 主动控制中附加阻尼比对第一自然周期的依赖性

在2007年之前，现有的半主动控制系统从未经历过大地震和中等强度地震，这是结构设计的目标。2007年7月16日，日本新潟县中越冲地区发生了大地震，地震震动了新潟市的万代大厦（Bandaijima Building），大厦共有31层。在大厦顶层记录到的最大加速度为100 cm·s–2 。安装在大厦第五层楼上的半主动控制阻尼器的最大控制力为640 kN，最大行程为5.2 mm。控制力的最大极限值为1500 kN，行程的最大极限值为60 mm。在此之前，该建筑在2004年10月23日还经历过一次较小的地震，即2004年的日本中越-新潟（新潟县）地震。当时的半主动控制器-结构系统的响应小于2007年新潟县中越冲地区发生的大地震中半主动控制器-结构系统的响应。图23显示了安装在大厦第五层楼上的半主动阻尼器的冲程-控制力关系。基于带外生变量的自回归（ARX）模型的识别结果，在这些地震及其余震下，最低控制模态的等效阻尼比约为7%。通过被应用于风向观测的随机减量（RD）技术，将未进行半主动控制的阻尼比评估为1%。

于结构控制中的健康监测。基于观测数据的控制验证应当被广泛推广并向公众公开。

（二）被动控制系统验证的监测

被动控制被认为是进行大规模刺激时最有用的技术，因为它既不需要外部能量供应，也不需要基于振动测量的计算。实际上，被动控制的应用范围远远超过了主动控制和半主动控制的应用范围的总和。但是，在2011年东日本（东北地区）地震（Mw = 9.0）之前，被动控制的有效性很难被确认，因为这种系统不需要监测系统来进行振动控制；另外，在这些地区还未发生过中等强度地震和大地震，而且这些地区的许多建筑物都有被动控制系统。考虑到实际应用数量，目前，振动监测在被动控制建筑物中还没有得到广泛应用。

在2011年3月7日，即东日本（东北地区）大地震发生的前四天，在由日本建筑学会（Architectural Institute of Japan，AIJ）主办的一次专题讨论会上，有学者提供了几篇有关被动控制验证的报告。在专题讨论会上，专家们建议，在大地震下应通过实际的测量记录来验证被动控制。在20世纪初期，日本修订了Building Standard Law（BSL）以适应基于性能的设计，这就要求结构设计师和工程师要检查建筑物的性能是否符合设计要求。设计师和工程师可以通过观测和相应的分析来进行确认。

在2011年东日本（东北地区）大地震之后，日本隔震学会（Japan Society of Seismic Isolation，JSSI）下的振动控制委员会（Vibration Control Committee）开始研究基础隔震建筑物和振动控制建筑物的实际性能。该委员会共收到了有关327座基础隔震建筑物和130座振动控制建筑物（基础隔震建筑物除外）的问卷答复。按照JMA十级地震强度等级，大约有100座受振动控制的建筑物在主震超过“低5级”的地区。“低5级”等级来源于最小地震等级的第六个等级，而且该等级在0.5~5.0 s的频率范围内的峰值加速度约为50~100 cm·s–2 。

报告指出，在地震期间，研究人员对15座受振动控制的建筑物的结构响应进行了记录，并对其中的11座建筑物进行了系统识别，以识别其自然周期、相应的阻尼比及不受控制的地震响应等。AIJ下设的结构控制小组委员会要求政府向公众公开建筑物中控制系统的验证结果，已验证的建筑物总数略超出了JSSI报告所列出的数量。近年来，日本带有振动监测系统的建筑物数量有所增加。但是，大多数振动监测系统所记录的数据并没有向公众或研究人员开放。

图24显示了主震下被动控制建筑物在第一振动模态下的等效线性自然周期和相应的阻尼比。与图22不同，图24显示了基于参考基准的等效阻尼比。一个图表示结构中一个受控的水平方向。动态特性的评估可以通过ARX模型或子空间系统识别来进行。在识别中，输入信号是第一层或底层的加速度，而输出信号是高层的加速度。因此，图中描述的阻尼效果是建筑物阻尼和已安装的被动控制装置的结果。对于被动控制系统，将等效阻尼比划分为附加阻尼和结构阻尼是不太可能的。每个图代表了主震下的平均值。报告中的建筑物都是具有典型楼层平面图的多层结构，且已安装的被动控制设备被分为磁滞阻尼器、屈曲约束支撑、黏性阻尼器和液压油阻尼器。被动控制装置在两个相邻建筑物之间不包含任何联合阻尼器。这里需要指出，考虑到它们的方差较大，要为识别结果找到一个好的回归曲线是不可能的。所示曲线可作为了解控制效果总体趋势的一个参考。

图24 被动控制中等效阻尼比（ξ）对第一自然周期（T）的依赖性。R2 ：相关系数；H：磁滞阻尼器；V：黏性阻尼器；O：液压油阻尼器；BRB：屈曲约束支撑

除了一座五层楼高的钢筋混凝土建筑，该图显示的结果大部分来自11~54层楼高的中高层建筑。图中所示的结构类型为钢筋混凝土结构（RC）、钢框架钢筋混凝土结构（SRC）、带钢梁的钢管混凝土柱（CFT）和钢结构。地面加速度峰值随着建筑物位置的不同而不同。在日本东北地区仙台市，在一座21层楼高的办公大厦的地下室，研究人员记录的水平加速度峰值为210 cm·s–2和310 cm·s–2 。然而，在日本东京及其周边地区，即埼玉县和神奈川县，研究人员记录的其他建筑物的水平加速度峰值为50~140 cm·s–2 。应当指出，日本东京都会区的地震动与其结构设计中的小地震或中等强度地震相对应。因为输入加速度比东京都会区的地面加速度小，所以图24排除了日本中部地区岐阜市的建筑物，该建筑物具有半主动阻尼器和被动阻尼器。

该图表明，被动控制在所有被观测的建筑物中均有效，因为不受控制的建筑物的第一水平模态的阻尼比通常在1%~2%。大都市地区的主要激振水平不足以使磁滞阻尼器充分发挥作用。值得注意的是，磁滞阻尼器所产生的阻尼对于磁滞阻尼器而言效果稍差。磁滞阻尼器的顶层和底层之间的加速度峰值比的范围为1.7~10.9，而黏性阻尼器和液压油阻尼器的顶层和底层之间的加速度峰值比的范围为1.1~3.1。这些阻尼比揭示了阻尼器动力特性之间的差异：具有位移依赖性的磁滞阻尼器在大地震下工作良好，而具有速度依赖性的黏性阻尼器和液压油阻尼器在小地震、中等强度地震及大地震下工作良好。由于被报道的建筑物数量有限、识别结果差异较大以及建筑结构设计原理未被公开，所以，要准确地描述控制有效性的总体趋势是比较困难的。但是，等效阻尼比刚开始是增长的，之后随着时间的变化出现了下降趋势。如果想让阻尼比一定，那么被动控制则无法对第一模态大于3 s的高层建筑进行跟踪。从图22中可以看到，等效阻尼比随时间的变化同样出现了下降趋势。在实际的建筑结构中，阻尼器的安装有严格的空间限制，并且安装成本高。然而，通过对地震观测记录进行分析，我们也可以了解建筑结构的振动控制机制。所以，我们建议对建筑结构进行监测，以促进建筑结构控制技术的发展。

（二）用于结构评估和损坏检测的建筑结构监测

信息技术的进步使得需要传感器和控制律的主动和半主动控制方法得以实现。随着振动控制技术的不断发展，该领域的研究重点逐步转向了使用信息技术的结构评估和损害检测方面，使用信息技术的结构评估和损害检测被广泛称为结构无损监测。尽管使用结构无损监测技术来维护和管理土木工程结构的想法在过去一直存在，但对通过振动测量来检测建筑物中的损坏的研究是从20世纪后期才开始的。促使这项研究开展的第一个推动力是1995年日本阪神（神户地区）大地震，该地震袭击了日本典型的现代化大城市。地震的破坏范围极其广泛，结构工程师需要投入大量的时间和精力来判断许多建筑物的安全性。因此，日本启动了对公共建筑、医院和高层建筑等重要建筑结构地震损伤的快速和自动评估的前沿研究课题。

在实施这项研究期间，日本发生了东日本（东北地区）大地震。在主震后和余震期间，地震灾民返回家乡的指示给东京造成了一些混乱。在大城市，政府建议灾民在发生大地震后最好不要返回家中。在大地震后，如果建筑物还可以被安全使用，那么办公楼的租户应该在大楼里呆几天。非结构工程领域的专家不可能保证建筑物的安全性。这也是人们对通过振动监测进行损坏检测感兴趣的另一个原因。由于设计中使用的分析模型无法准确描述地震响应，因此监测结果会对地震后能否继续使用建筑物的决策产生极大的影响。此外，研究人员还发现，当建筑物管理员向用户或居民报告建筑损坏时，使用地震观测记录是非常有效的。然而，实际建筑物中的传感器数量是有限的。因此，建筑物管理员需要将测量数据与基于模型的分析结合起来，以向用户提供有关建筑结构损坏的有用的信息。

对于中高层钢结构建筑，研究人员可以在最低振动模态下，利用数量有限的传感器轻松评估等效线性动力特性。以识别结果为基础，研究人员通过修改钢结构建筑的分析模型，可以等效线性评估所有楼层上和所有楼层里的结构响应。在不久的将来，按照可接受的精确程度来评估每个结构构件的响应应该是比较困难的，原因是：①安装的传感器数量有限；②许多非结构构件会影响整个结构的地震响应；③很难从结构构件的测量结果中提取出与损伤直接相关的信号。

在实际情况中，研究人员将根据结构和非结构构件、设备、家具等的损坏程度，综合评估由地震导致的整个建筑物的损害程度。每一个损伤的例子都可以按照与加速度有关、与位移有关或与二者都有关的方式进行分类。这也就是说，所有楼层的加速度和位移对地震后临时使用决策的制定都是有用的。楼层之间的位移是指两个相邻楼层的位移之间的差值，它是用于检测每个楼层中结构损坏的必要信息。

参考文献[73，74]中提出了一种基于线性模态分析的损伤检测方法，如图25所示，该方法旨在通过使用楼层上数量有限的传感器所记录的信息，对中高层钢结构建筑的损坏程度进行评估。研究人员利用部分楼层的数据记录估算了所有楼层的地震响应。首先，参考文献[73]中所提出的方法是，通过一个单输入多输出（asingle-input-multioutput，SIMO）-ARX模型来识别每个水平方向上最低模态的等效线性模态特性。图25显示了通过SIMO-ARX模型分析的建筑物的案例研究。假设第j个模态：

在第i个输出层上的模态振幅是含有两个未知数bj和cj的一个正弦函数，并可由等式（1）近似表示：

等式（1）中，Hi是第i个输出位置到屋顶的标准化高度（图25中= 1~3）。等式（1）中的参数通过最小化等式（2）中的性能指标来Sure.

等式（2）中，uijβj是第j个模态在第i个输出层识别出的模态振幅，而n是测得的输出数量。

图25 通过使用某些楼层上记录到的加速度值估算所有楼层上的加速度值

将bj和cj优化后，通过将公式（1）中的Hi设定为每个楼层的标准化高度，可以求得每个楼层的第j个模态振幅。这个过程可以利用图中的红线和红框表示。

接下来，使用与第j个模态的频率相对应的带通滤波器，根据该楼层测得的加速度，计算出所选输出楼层的第个模态响应加速度。在第j个模态下，利用每个楼层的模态振幅和所选楼层的模态加速度来获得每个楼层的模态加速度。通过将几种最低模态的模态加速度叠加，可以估算每个楼层的地震响应。在这种方法中，输出数量与所选的最低模态的数量无关。此外，通过对加速度进行二次积分并执行上述类似的过程，可以计算出位移。在没有先验分析模型的情况下，使用这种方法可以估算出整个建筑物的地震响应，并通过模态识别来实现物理现象。

此方法已被应用于位于日本东京日本铁路（JR）新宿站西侧的29层钢结构建筑中。该建筑物的平面图在北向南（NS）方向25.6 m处，在东向西（EW）方向38.4 m处；该建筑物高27.8 m，没有结构控制装置。加速度计被安装在最低层（地下室）以及地面上的第1层、第8层、第16层、第22层、第24层和第29层楼上。2011年东日本（东北地区）大地震主震引起的建筑物的加速度是以100 Hz的采样频率被记录下来的。

图26显示了最大响应加速度和最大响应位移沿高度方向上的估计分布。该估计分布使用了在第1层、第16层和第29层楼上测得的三个加速度，并考虑了模态叠加中的三个最低振动模态。研究人员在第16层、第22层和第29层楼上分别安装了两个加速度计（NS1和NS2），因此在同一楼层上有两个平面图。在第8层楼上，通过相应加速度的双重积分无法获得相对于地面的位移。从图中可以看出，被估算的响应与观测到的响应之间有很好的一致性。在2011年东日本（东北地区）大地震中，这座29层建筑的性能仍处于线性范围内。然而，应该注意的是，该研究并不适用于非线性范围。

图26 以第1层、第19层和第29层楼上测得的加速度为基础，结合三种最低振动模态估算的南北方向上所有楼层中心的地震响应。（a）最大响应加速度；（b）最大响应位移；（c）安装了加速度计的楼层；（d）标准楼层和传感器位置。UD：由上至下，即垂直

研究人员通过1/3比例的18层钢试样进行了振动台试验，首次研究了该方法在非线性范围内的适用性。该试验于2013年在“E-Defense”上进行，E-Defense是由日本国家地球科学与防灾研究院（National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention，NIED）主管的三维全方位地震测试设备。图27显示了一种抗弯框架结构，它是用于测试的钢试样，其尺寸为6.0 m长（在x 方向上有三个长为2.0 m的隔间）× 5.0 m宽（在y 方向上有一个隔间）× 25.3 m高。该框架结构模型是按1/3比例缩小的建筑物，它的各组成部分的高度如下：地基高为0.7 m，第一层楼高为1.65 m，其他各层楼高为1.35 m。模型总重量为4180 kN。该框架由箱形钢柱和H形钢梁组成，柱宽为200 mm。x 方向上的钢梁深度为270 mm，法兰宽度为85~95 mm；y 方向上的钢梁深度为250 mm，法兰宽度为125 mm。

图27（a）试样概述（B：隔间；C：钢柱；S30：混凝土板；FB：地基梁）；（b）在pSv110-1激发下的输入加速度。FL：楼层

如图27所示，加速度计被安装在每个楼层的两个角落处。加速度以200 Hz的采样频率被记录。在日本本州岛以南俯冲带发生超级大地震的情况下，在使用输入人为地震动（预计发生在爱知县对马岛）后，试验样本仅在x 方向（纵向）上被激发。地面加速度峰值约为300 cm·s–2 。对于全尺寸的建筑结构，在0.8~10 s的时间段内，阻尼率为5%的拟速度（pSv）响应谱值约为110 cm·s–1 ，输入持续时间约为460 s。对应于1/3比例的样本，人工地震的时间被缩减为：

如表4所示，重复加载的激发幅度峰值从20 cm·s–1 增加到420 cm·s–1。图27（b）显示了在pSv110-1激发下（此时，pSv响应谱值为110 cm·s–1 ）样本的输入加速度。

表4 1/3比例的18层钢试样的振动台试验

首先将建筑物建模，使其成为一个多自由度系统，然后对其进行分析。该系统的每个楼层都具有集中的楼层质量和线性剪切刚度。从质量和刚度矩阵可获得一个无阻尼特征值问题以及几个最低模态及其模态振幅。在有限的楼层上测得的模态振幅和相应的模态加速度是用于估算所有楼层结构响应的基本信息。与Ikeda和Hisada不同，Morii等假设输出的数量与所选的最低模态的数量相同。

最低的模态加速度可以从下面的等式（3）中获得：

等式（3）中，n 是被测的输出的数量；

是相对于地基的第k（k = 1， 2， …， n）个限制楼层上的相对加速度；

是相对于地面的第j个模态相对加速度；βkj 是通过最初假定的质量和刚度矩阵获得的第k个受限楼层的第j个模态参与系数。模态加速度被确定后，该过程与参考文献[73]中使用的过程相似。

在测试样本的应用中，研究人员在第1层、第4层、第10层、第15层和第19层楼上测量了加速度。在pSv340-1激发之前，该方法在估计响应与在被测量楼层上观测到的响应之间显示出良好的一致性。参考文献[73]中提出的方法采用了相同的振动台试验。三次样条插值的使用是由Kodera等提出的。该方法是用已知的有限楼层数量的加速度信息来估计所有楼层的移动变形。

对于高层钢结构建筑，先前的研究证明，当层间位移在1/50~1/30时，可以使用某些楼层上的加速度来估算每个楼层的加速度和位移。对于每个楼层的最大响应，这些估计的准确性可能在20%的误差范围内。即使建筑结构在大地震中变为非线性，结构响应的模态分析对于高层钢结构的分析仍然很有用。

下面的内容将讨论等效线性模态特性对结构响应振幅的依赖性。高层钢结构建筑的监测和系统识别结果表明，等效线性模态特性取决于地震响应幅度。图28显示了图26所示的29层建筑物在三种最低振动模态下的模态识别结果。红色三角形是根据29层楼上直接测得的加速度进行绘制的，黑点是根据模态加速度进行绘制的，这些加速度都通过了相应的带通滤波器。在图28中，ω 是等效自振频率；ξ 是相应的阻尼比；

是绝对加速度；R2是已确定的值与响应加速度之间的相关系数。随着最大加速度振幅的增加，相应的阻尼比将增大，而等效自振频率将减小。但是，阻尼比的变化幅度比自振频率的大。阻尼比在初始增加后，振幅开始降低，这是基于先前针对几座高层建筑的识别结果所指出的。自振频率与最大加速度的对数高度相关。在第一模态中，自振频率与模态加速度的相关性高于其与直接测量的加速度的相关性。

图28 第一模态（a）、第二模态（b）和第三模态（c）在EW方向上的模态特性的加速度依赖性

在东日本（东北地区）大地震发生前后，研究人员对日本仙台市的一座15层建筑物、日本东京的一座20层和一座21层建筑物以及日本横滨市的一座23层建筑物进行多次测量，发现了自振频率相似的振幅依赖性。假设在一定的位移范围内存在线性关系，这些高层建筑即使在位移很小的情况下也会显示出非线性响应，这在一般的结构设计中是不会被考虑的。

四、结论

本文从作者的角度对日本桥梁和建筑结构监测的发展进行了回顾。从历史的角度来看，日本的结构监测更加重视针对极端事件的结构性评估，鉴于日本普遍存在的恶劣环境条件（如频繁的地震活动和强风），所以这是一个比较合理的选择。在结构监测系统开发的初期，监测数据主要被用于验证设计假设、更新技术参数并促进被动、半主动和主动系统中的振动控制作用。后来，监测系统被用来评估各种环境和载荷条件下的结构性能，并被用于检测结构寿命周期内可能出现的结构劣化。监测系统也可被当作是一种依据，研究人员据此去调查事故原因，并就所需的维修和（或）翻新做出决定。近期有关监测的兴趣主要集中在通过监测数据使风险和资产管理合理化，从而进一步将监测应用扩展到操作和维护field.

本文介绍了结构监测的典型实例，包括利用分布式传感器阵列对桥梁和建筑物进行结构监测，以及利用车辆对桥梁路面和混凝土路面进行监测。在整个结构的寿命周期内，监测系统已从运动型监测系统转变为连续型和永久型监测系统，其中连续的监测数据可提供各种载荷和环境条件下（包括意外的极端事件）结构的行为信息。事实证明，这样的系统对于深入了解实际的结构行为、揭示设计中未考虑到的未知因素，以及为极端事件后必要的翻新提供结构信息是非常有用的。环境条件的监测对于评估结构的耐久性变得越来越重要。

我们期望日本的结构监测技术将会有更好的发展。当前至少有两个发展前沿，即传感技术的发展以及数据采集、分析和管理方法的发展。传感器将会发展成为更稳健和更可靠的无线传感器，从而促进无线传感器网络在大型结构监测中更广泛的应用。这可以通过更快的通信、更快的数据传输和更有效的功耗来实现。我们预计将来还会出现其他方法可被用于增强或补充当前基于振动的监测系统，如使用激光技术或无人飞行器（UAV）的非接触式振动监测技术，以及使用高精度摄像机的视觉监测技术。数据采集、分析和管理方面也有了新的发展。传感器容量和能力的提高意味着当前有更多的可用数据，这就需要一种便捷的方法来有效地整理有用的数据以进行结构评估。

因此，使用其他研究领域的先进技术（如计算机科学中的机器学习和深度学习）进行数据挖掘和特征提取对于更有效地进行数据管理非常重要。因此，结构监测有望成为结构工程的组成部分，在结构的整个寿命周期内对其进行监测的好处证明了安装成本的合理性。这种趋势强调了结构监测的必要性，即从流行的[“可以有”（nice to have）]范式转变为基本的[“必须有”（important to have）]范式。

改编原文：Yozo Fujino， Dionysius M. Siringoringo， Yoshiki Ikeda， Tomonori Nagayama， Tsukasa Mizutani.Research and Implementations of Structural Monitoring for Bridges and Buildings in Japan—A Review[J].Engineering，2019，5(6):1093-1119.

本文来自微信公众号：中国工程院院刊（ID：CAE-Engineering），作者：Yozo Fujino、Dionysius M. Siringoringo、Yoshiki Ikeda、Tomonori Nagayama、Tsukasa Mizutani

阅读原文：日本的桥梁和建筑结构监测丨Engineering - 桥梁监测52监测网