結構監測系統用於預防損壞
建築物結構的損壞——無論是橋樑、高層建築、水壩、塔架或工業基礎設施——很少突然發生且毫無預兆。細微裂縫、振動頻率變化、輕微的地基沉降以及因重複荷載引起的位移增加通常首先表現為「症狀」。問題在於，這些症狀往往難以透過常規的目視檢查發現。結構健康監測（SHM）系統正是在此發揮作用：利用感測器和分析技術，持續或定期地監測結構狀況，從而及早發現潛在損壞並採取預防措施，防止損壞加劇。
什麼是結構監測系統？
結構監測系統是一套軟硬體組合，旨在測量結構對荷載和環境的反應，並將資料處理成狀態資訊。這些系統可安裝在新建和既有結構上。其主要目的不僅在於收集數據，更在於產生結構健康指標：結構是否仍然安全、是否有任何性能變化，以及何時需要進行檢查或維修。
在實踐中，結構健康監測（SHM）融合了土木工程、感測器和儀器、數據通訊以及基於統計或人工智慧的分析。其具體實施方式因需求而異：有些僅用於監測重型車輛通行時橋樑的振動，有些用於監測大壩周圍邊坡的變化，還有一些用於監測高層建築因風和地震造成的變形。
為什麼監測比單純的目視檢查更有效？
目視檢查仍然很重要，但它也有其限制。首先，檢查通常是按特定週期進行的，例如每六個月或每年一次。在這些週期之間出現的損壞跡象可能難以察覺。其次，並非所有損壞都能從表面看到；例如，混凝土內部鋼筋的腐蝕、接縫的弱化或結構剛度的變化。第三，目視評估通常依賴檢查員的經驗，並且可能帶有主觀性。
監測系統具有許多優勢：它們能夠客觀地收集數據，全天候運行，並能偵測到地震、洪水或過載等極端事件。這使得資產所有者能夠從“故障發生時才維修”的維護方式轉變為“基於狀態的維護”，後者通常更安全、更經濟，尤其從長遠來看。
結構監測系統的主要組成部分
結構監測系統通常由以下組件構成：
1. 感測器
感測器是系統的「感覺器官」。感測器的類型是根據要測量的參數來選擇的，例如應變、振動、傾斜、溫度或位移。
2. 資料採集系統（DAQ）
數據採集設備收集來自感測器的訊號，將其轉換為數位數據，然後儲存或發送到伺服器。
3. 數據通信
數據可以透過有線方式（光纖、乙太網路）或無線方式（蜂窩網路、LoRa、Wi-Fi、無線電）傳輸。具體選擇取決於距離、頻寬需求和現場條件。
4. 資料儲存與處理平台
這可以是本地伺服器或雲端伺服器。平台管理資料庫、執行預處理（過濾）並提供儀錶板。
5. 分析和警報系統
分析模型會將實際數據與基線或閾值進行比較。如果出現異常情況，系統會透過電子郵件、簡訊或應用程式發送警報。
常用監測參數類型
為防止損壞，監測的參數必須與結構行為的變化直接相關。一些最常見的參數包括：
– 應變：觀察結構元件如何承受負荷，以及是否有異常的應變增加。
– 位移和變形：包括梁撓度、地基沉降或橫向位移。
– 振動：固有頻率和阻尼比的變化可以顯示因裂縫或接頭損壞而導致的剛度變化。
– 傾斜：對於塔樓、擋土牆和軟土地基上的建築物很重要。
– 溫度和濕度：環境因素會影響膨脹、收縮和腐蝕—這通常是造成長期損壞的原因。
– 荷載和壓力：例如水壩上的水壓或橋樑上的交通荷載。
常用感測器技術
結構健康監測中一些常用的感測器技術包括：
– 應變計（電阻式）用於測量鋼材或鋼筋混凝土中的局部應變。
– 加速度計用於監測振動、動態反應和極端事件的影響。
– 傾角儀/傾斜儀，用於監測傾斜或旋轉。
– 使用LVDT或位移感測器高精度測量線性位移。
– 光纖布拉格光柵（FBG），用於遠距離應變/溫度測量，抗電磁幹擾。
– 裂縫測量儀，用於監測裂縫寬度隨時間的變化。
– 用於偵測鋼筋或鋼結構中腐蝕過程的腐蝕感測器。
感測器的選擇不能隨意。從系統設計階段就必須考慮安裝位置、測量範圍、耐候性、校準、維護便利性等因素。
監控系統如何防止損害
結構監測系統透過多種機制防止損壞：
1. 及早發現異常狀況
當數據趨勢顯示異常模式時——例如，撓度緩慢增加或振動頻率降低——工程團隊可以在故障發生之前進行徹底檢查。
2. 極端事件後評估
地震或洪水過後，結構響應資料可以幫助判斷建築物是否仍可安全使用，或是否需要暫時關閉。與等待全面的人工檢查相比，這可以加快決策速度。
3. 支援基於狀態的維護
維護工作並非按照固定的計畫進行，而是根據實際需求隨時調整。這樣一來，成本更容易控制，故障風險也更低。
4. 設計驗證與強化
對於新建或加強結構，監測可以驗證其性能是否符合設計要求。如果不符合，則可及早進行調整。
實際應用上的挑戰
儘管結構健康監測 (SHM) 具有顯著優勢，但實施起來也面臨許多挑戰。由於溫度和濕度等環境因素的影響，收集到的數據可能非常龐大且雜訊較大。如果沒有合適的濾波器和分析模型，系統可能會產生誤報。其他挑戰還包括電力供應、遠端通訊連接以及感測器安裝和維護成本。
此外，監測並不能取代全面檢查。即使是最好的系統，仍然需要透過現場檢查、材料測試或無損檢測進行驗證。結構健康監測（SHM）應被視為決策輔助工具－它能指示何時何地應該專注於檢查。
基礎設施應用實例
在橋樑中，振動和應變感測器可用於監測車輛荷載的反應並偵測剛度變化。在高層建築中，加速度計和傾斜儀有助於監測風和地震的影響。在水壩中，壓電計和變形感測器用於監測水壓和潛在滲漏。同時，在工業結構中，監測可以監測材料因重複作業而產生的疲勞。
關閉
結構監測系統是預防損壞和降低基礎設施故障風險的有效現代策略。透過利用合適的傳感器、數據採集、通訊和分析技術，資產所有者可以及早發現損壞跡象，快速應對極端事件，並更聰明地規劃維護工作。歸根究底，監測不僅關乎技術，更關乎建構安全文化和數據驅動的資產管理——從而確保結構始終可靠、安全且經久耐用。
