具体描述
本书结合国内现阶段典型高速公路隧道的施工过程，对初期支护和永久衬砌结构的实际受力状况和围岩体的稳定性开展原位试验，进行长期跟踪观察，同时，采用数值模拟手法对现场结果进行相互印证分析，归纳出锚喷支护和模筑混凝土复合式隧道结构体这一主流结构形式与围岩体在修建阶段及早期运营阶段的实际力学行为，作为高速公路隧道维修加固研究的基础条件。在此基础上，对不同围岩特征和物性、原始地应力场进行物理模拟，通过大比尺多纽数的相似模型试验，针对不同隧道病害形式下的维修加固方法与效果进行研究，以期对我国高速公路隧道的维修加固工作在基础及应用等方面提供参考。
本书可供从事隧道建设的科技人员使用，也可作为高等院校隧道专业师生的参考书。
桥梁与结构健康监测技术：理论、方法与应用 本书内容聚焦于现代基础设施，特别是桥梁、大型结构以及复杂建筑物的健康监测（Structural Health Monitoring, SHM）领域，旨在系统性地梳理该领域的前沿理论、实用方法和工程实践案例。 --- 第一部分：理论基础与传感技术 第一章：结构健康监测的演进与系统架构 本章深入探讨结构健康监测（SHM）的产生背景、发展历程及其在现代工程管理中的战略地位。从传统的定期巡检模式，过渡到基于实时数据的状态评估，清晰勾勒出SHM的价值链。详细阐述SHM系统的基本架构，包括数据采集层（传感器网络）、数据传输层（有线与无线通信）、数据处理与存储层（边缘计算与云计算）以及信息发布与决策支持层。重点讨论SHM系统在不同环境（如海洋、高寒、地震活跃区）下的特殊要求与设计原则。 第二章：新型传感技术原理与集成 本章详细介绍支撑SHM系统的关键传感技术。内容涵盖： 分布式光纤传感技术（FBG与DOS）： 重点分析其在应变、温度、振动、声发射（AE）等参数上的高精度测量能力，以及在长距离结构（如超长输油/气管道、特长桥梁主梁）上的应用优势。 压电材料与电磁学方法： 探讨压电材料（PZT）在主动模态识别和损伤定位中的应用，以及基于电磁学原理的无损评估技术（如脉冲涡流）。 基于MEMS的惯性传感器： 分析微机电系统（MEMS）加速度计和陀螺仪的性能提升，及其在振动分析和倾斜监测中的应用潜力。 嵌入式与自供能传感器： 讨论能量采集技术（如振动能、太阳能、温差能）如何解决无线传感器节点的供电难题，从而实现长期、低维护的监测部署。 第三章：信号处理与数据预处理 有效的数据提取是SHM的核心挑战。本章聚焦于从原始信号中提取有效信息的技术： 噪声抑制与滤波技术： 介绍卡尔曼滤波、小波变换在去除环境噪声和随机干扰中的应用。 模态识别的先进方法： 详述频域分析（如FFT、频响函数法）和时域分析（如随机子空间识别SSR、频域分解FDD）的数学基础、优缺点及适用范围。 损伤特征提取： 探讨基于信号幅值变化、频率漂移、模态阻尼比变化等指标来表征结构损伤的数学模型。 --- 第二部分：损伤检测与状态评估 第四章：基于振动特性的损伤识别 本章是SHM的核心应用章节，专注于利用结构动力学特性变化来定位和量化损伤。 经典模态参数识别方法： 深入讲解欧拉-伯努利梁、欧拉-刘梁理论在桥梁结构中的应用，如何通过计算模态频率、振型来构建基准模型。 损伤指标的构建： 介绍影响函数法、柔度矩阵法、曲率模态法等，这些方法如何将模态参数的变化直接关联到损伤的刚度损失。 模型修正与参数化损伤定位： 阐述如何利用有限元模型（FEM）作为基准，通过迭代优化算法（如遗传算法、粒子群优化）来反演损伤在结构中的位置和严重程度。 第五章：基于应变与裂纹监测的评估技术 针对结构局部性和累积损伤的监测： 应力应变关系与疲劳寿命预测： 结合实时应变数据，应用Miner累积损伤理论和S-N曲线，对钢结构和混凝土结构的疲劳损伤累积进行概率性预测。 声发射（AE）技术在混凝土与岩石结构中的应用： 详述AE信号的产生机理（如裂纹扩展、纤维断裂），信号定位算法（如能量法、时差定位）以及如何通过波形特征判别损伤类型（如钢筋屈服或混凝土剥落）。 超声波与导波检测： 介绍脉冲回波法和导波在检测构件内部缺陷（如空洞、分层）中的原理，特别是在复杂几何构件（如箱形梁腹板）中的部署策略。 第六章：概率模型与不确定性量化 由于环境、材料和模型自身的随机性，SHM结果必须具有概率可靠性。 贝叶斯推断在状态评估中的应用： 阐述如何将先验知识（如设计信息、历史数据）与新的监测数据结合，进行后验概率更新，从而得出更可靠的结构状态估计。 高斯过程回归（GPR）： 应用GPR模型来处理非线性、高维度的监测数据，并量化预测结果的不确定性区间。 残余寿命预测的可靠性分析： 结合可靠性指标（如可靠度指标$eta$）和寿命分布模型，为维护决策提供科学依据。 --- 第三部分：系统集成与工程应用 第七章：无线传感网络（WSN）的部署与优化 高效的通信是实现远程、大规模SHM的前提。本章侧重于WSN在工程环境下的实际部署： 拓扑结构设计与路由协议： 比较星型、网状、簇状网络结构在监测场景下的优劣，介绍低功耗多跳路由协议（如LEACH, RPL）的选择标准。 传感器数据融合策略： 探讨如何通过中央节点或边缘设备对来自不同类型传感器（如加速度计、应变计、GPS）的数据进行加权平均、互补融合，以提高整体监测精度。 低功耗管理与数据调度： 针对电池供电的节点，设计智能采样率调整机制，平衡数据更新频率与电池寿命。 第八章：数据可视化与决策支持系统 将复杂的分析结果转化为直观、可操作的信息是SHM的最终目标。 三维模型集成与信息叠加： 介绍如何将实时监测数据（如温度分布、应变云图、模态振型）与结构的三维CAD/BIM模型进行空间映射，形成“数字孪生”的直观视图。 预警阈值设定与自动报警机制： 基于风险矩阵和历史数据，建立多级预警系统（关注、注意、危险），并设计自动触发的远程通知和响应流程。 维护资源优化调度： 结合结构风险等级和经济成本分析，构建基于状态的维护（CBM）策略，实现从“定期维护”向“预测性维护”的转变。 第九章：工程案例分析与经验总结 本章通过具体的工程实例，展示SHM技术的综合应用能力： 典型长跨度斜拉桥的长期监测实践： 分析风、交通荷载与温度对主缆索力、塔柱位移的影响，以及如何通过SHM系统识别疲劳损伤的早期迹象。 重要地下结构（如深基坑、地铁隧道）的沉降与位移监测： 重点讨论水文地质条件变化对周边结构的影响评估，以及如何利用InSAR技术与地面传感器数据进行互补验证。 复杂工业设施的振动控制与安全评估： 以火力发电厂锅炉支撑结构或大型机械设备为例，展示SHM在保障高负荷、高温环境下结构运行安全中的作用。 --- 本书特色： 本书不仅提供了坚实的理论框架，更侧重于从工程实际需求出发，强调传感器选型、现场布设的工程化考量，以及数据分析结果向具体工程决策的转化路径。它为结构工程师、监测技术人员和基础设施管理者提供了一套全面、实用的SHM技术手册。
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