确保当前基础设施的安全性和可靠性，是当今我们必须要面对的，因为它比以往任何时候都更加迫在眉睫。为了不对气候变化产生更大的影响，并与可持续的经济和环境政策保持一致，最大限度地发挥已经存在的基础设施的能力并发掘其潜力，至关重要。目前大多数建筑物都是在第二次世界大战后建设热潮期间建造的。然而现在，这些建筑物已经到了使用寿命的终点。
老式的监测方法
结构健康监测（SHM）在过去几十年中得到了广泛的研究。SHM对现有结构的优化评估和维护政策非常重要。尽管如此，SHM尚未在土木工程基础设施中得到大规模和系统的应用。这主要是由于缺乏可靠且价格合理的通用监测解决方案。过去最常用的SHM方法是基于电应变传感器、加速度计、倾斜仪等，这些方法在应用于实际结构时遇到了一些挑战。直到最近几十年，SHM的解决方案都是基于使用离散传感器，收集和进一步分析有限的实验数据量，以及结合现场数据的记录和手动或半自动的后处理使用。在动态SHM的情况下，大多数方法都是基于模态参数的识别和比较。
图1西班牙塞维利亚市的Alamillo斜拉桥
这种“老式”程序的一个例子是年,在Alamillo斜拉桥(图1)施工和初始服务期时布置的SHM，但直到最近几年仍在使用。仪器和采集系统布置在这样一个重要的斜拉桥上，而且这又是第一次使用无背索的斜拉桥设计，因此必须对建筑和服务阶段进行全面监控。如图2显示，包括塔顶的一组三轴加速度计和桥面板上的三个单轴加速度计。在加速度传感器的信号放大后，通过使用双通道示波器,“现场”对数据进行部分检查，然后以简单的方式进行数字化和记录，以便在办公室进行进一步的全面检查和分析。
图2OBR传感器的加载布置和位置
随着传感技术的快速发展，在未来，数据分析和数学工具（大数据软件）将会用在结构健康监测中。例如，利用分布式传感器和传感器网络，可以在每个实验设置中获得大量的数据，这些数据可以通过远程和无线通信进行轻松的传输。获得的海量信息需要大数据进行处理，包括数据驱动方法、模式识别、聚类方法、神经网络和遗传算法等。此外，正在广泛研究使用不同于模态参数（固有频率、模式形状和阻尼）的振动参数作为损伤识别的特征。
为了便于在桥梁服役条件下全面实施SHM，其新趋势仍在研究中。而基于分布式光纤传感器（DOFS）的分布式传感技术，是目前最有前途的传感技术之一。
分布式光纤传感器
光纤传感器（OFS）采用分布式方式，与其他OFS具有相同的优势，即较高的稳定性、耐用性，且体积小、抗外部电磁干扰能力强。在大型结构的监测中，可以提供结构精确、同时连续监测数千个点的能力，由于使用单个传感器，操作简单、成本低。
其工作原理是：在监测环境发生应变和温度变化时，光纤内的散射信号将发生变化，从而实现分布式传感。散射是真正分布式光纤传感器的起源，它可以简单地定义为光与光学介质之间的相互作用。在DOFS中可以产生三种不同的散射过程，具体来说是：拉曼散射、布里渊散射、瑞利散射。然而，最大的挑战是开发这些具有适当灵敏度和空间分辨率的传感器。
基于布里渊散射的多自由度测量系统，由于其测量范围很大，对于大跨度桥梁、隧道、管道和水坝等大型结构的监测非常有用。该技术具有相当低的空间分辨率，仅为1米，这极大地限制了基于这种散射系统进行的损伤检测。另一方面，基于瑞利散射的光学背散射反射计（OBR）技术，可以提供高灵敏度和亚毫米级的空间分辨率，能够检测、定位和量化损伤。该技术包括测量信号的频率响应，其光学频率能够扩展到几十纳米的带宽内进行线性扫描。
OBR在土木工程混凝土结构健康监测中的应用,引起了人们的极大兴趣,因为在这种类型的结构中，不可能准确地预测出每个可能产生的裂缝的确切位置，这样就避免了严重的裂缝产生。然而,由于混凝土的特性(材料的粗糙度和不规则性）,如果没有适当的布置和粘合技术，则不能保证传感器与被监测结构之间的完全粘合，以及从基材到传感器的正确传输。一些研究已经解决了在静态载荷下，DOFS正确地发挥粘合特性和执行粘合程序，以及疲劳的问题。
实验室测试
在将DOFS应用于实际结构之前，对其可靠性和性能进行了两次试验研究，目的是检验对混凝土构件弯曲和剪切裂缝进行监测的可行性。
弯曲试验
OBR测量系统被安装在加泰罗尼亚技术大学（TechnicalUniversityofCatalonia）结构技术实验室的一块混凝土板中。钢筋混凝土板长度为5.6米，宽度1.60米，厚度0.米。板的两端按照简支梁进行约束，并且在板的跨中位置使用1MN容量的控制器施加载荷。然后在板的顶部和底部表面用OBR传感器进行监测。
图3传感器1和2的位置（左:板正面，右:板底部和中部）
使用的光纤是长度为50米的单模光纤（SMF）。为了纤维免受划伤和环境破坏，一种聚合物（聚酰亚胺）涂层被用来保护纤维。首先，清洁粘合区域，洗净并去除油脂。将一种工业胶水涂在粘合区域，即混凝土表面上，但注意不要施加过量的粘合剂。所用的胶水为单组分（不混合）化学型氰基丙烯酸乙酯，具有低黏度。操作过程中避免使用刷子涂抹粘合剂。
接下来，用动态应变仪对混凝土板中的钢筋进行监测，线性位移传感器（LVDT）测量板的中心和两端的挠度，磁传感器“Temposonics”记录混凝土板中的接缝开口，其目的是将DOFS的结果与标准仪器提供的结果进行比较，用于裂缝宽度的评估。
测试包括通过钢架上的液压千斤顶增加荷载，直到板发生破坏。在加载过程中，OBR系统测量了沿板的应变分布。实测结果与分析预测结果吻合较好，在50KN处(与理论开裂荷载相对应)的跨中位置，首先出现明显的应变分布峰值。峰值的位置与试验中肉眼观察到的裂纹位置相当吻合。
在此基础上，结合应变计和LVDT标准监测的其他实验结果，提出了一种获得平均裂缝宽度的方法。实际上，通过得到混凝土表面沿纤维方向的应变，可以得到平均裂缝宽度的表达式。该方法是基于对沿特征长度L的实验应变分布进行积分。为了整合并获得平均应变，应变分布由对应于混凝土抗拉强度值的应变给出。这是裂缝出现的应变值。在该标准下，首先取一段长度为L的裂缝，从总应变曲线下的面积积分得到平均应变。该平均应变由两个组成部分：一是混凝土开裂前的变形，二是开裂区域的裂缝初始变形。因此，可以计算出裂缝区域中所有裂缝的宽度之和。最后，定义平均裂缝宽度。
图4对受剪切的混凝土构件进行裂缝监测
该方法可以应用于不同的荷载水平，以便了解裂缝宽度随荷载增加的变化规律。通过裂缝宽度传感器在跨中实验获得的平均裂缝宽度，与用OBR系统记录的不同荷载水平下得到的平均裂缝宽度作比较，如表1所示。表1中第2列和第3列的值分别为传感器1和2的值。这些传感器位于横截面的两个不同点上，一个靠近板的边缘，另一个靠近中心的位置。因此，在第4列中计算了这些值的平均值，作为被调查的断面裂缝宽度的代表。
需要注意的是，这种比较只在跨中进行，因为这是唯一一个使用传感器测量裂缝开口(Temposonics)的截面。结果表明，该方法与实验结果吻合较好。
剪切试验
在受剪切的混凝土梁中，斜裂缝的倾斜角度是难以预测的。因此，由于斜裂缝不垂直于竖向和横向配筋，混凝土梁的斜裂缝机理，比轴向力或弯曲引起的裂缝更为复杂。与弯曲情况相比，在梁轴线上出现垂直裂缝的情况下，在剪切作用下，裂缝的倾角对裂缝宽度是一个额外的未知因素。因此，只在一个方向上布置单个DOFS是合适的，因为这个方向是未知的。解决方案可以是在正交方向上布置2个DOFS。通过一系列纤维检测裂纹，可以得到裂纹的发展过程，从而确定裂纹的方向。为了验证该方法的可行性，在随后的实验室试验中也采用了DFOS方法，对一组跨度为8米的部分预应力混凝土（PPC）梁施加剪切破坏。使用传统的离散仪器，对混凝土构件的剪切裂缝模式进行表征，可能是一个非常复杂甚至不可能的问题。
图5剪切破坏试验装置
由于剪切开裂情况下裂缝倾角未知，因此采用基于OBR的DOFS，对3段PPC梁进行测量。从图中可以看出，位移传感器输出的应变曲线，在水平、垂直和倾斜方向上的展开情况，目的是将DFOS的剪切裂缝宽度结果，与传感器提供的结果进行对比。
在加载试验中，通过分析应变，对纤维的每一段进行划分，可以通过将其与DOFS获得的应变峰值对应，来确定不同裂纹的位置。由于获得了高空间分辨率的水平和垂直测量值，初步获得了剪切裂缝形态的痕迹。OBR系统得到的结果，与荷载试验过程中目测到的现场剪切裂缝形态吻合较好。
与弯曲的情况类似，基于DOFS在水平和垂直方向上获得的应变分布结果，开发了一种计算剪切裂缝宽度的方法。OBR法得到的平均剪切裂缝宽度和I-2梁腹板上的位移值，如表2所示。并考虑对角线电位计D1和D2进行比较。一般来说，在每种仪器中得到的裂纹宽度的大小顺序是相似的，特别是在裂纹宽度开始增大的载荷水平下。需要考虑的是，结果的比较只能在位移所覆盖的总裂纹区域内取平均值。
图6OBR系统给出的裂纹形态结果与现场试验的结果相吻合
实际应用案例
在实验室对受弯剪作用的混凝土构件进行裂缝监测时，DOFS性能表现良好，并将该监测技术应用于巴塞罗那的两个实际结构中。一个是砖石结构，另一个是预应力混凝土桥梁。在这两种情况下，在修复或加固工程中监测结构，并使用DOFS作为监测技术的理由是，结构的某一部位可以提供精确的信息，并且灵敏地反映结构中的重要变化，虽然这可能会给操作者带来不安全的情况。但是应该考虑到在这两种情况下，这些结构都必须在维修工程期间继续使用。在开发这类传感技术时，将通过实验室试验获得的知识，转移到现实世界的情景中，总是很重要的。
医院
图7医院主楼景观（联合国教科文组织世界遗产）
一个有趣的应用是DOFS在历史遗迹中的使用。如本例中所示，这座被联合国教科文组织认可的世界遗产——医院，也是加泰罗尼亚建筑在现代主义运动中的一个精美范例。经过多年的运营，由于其中一层的一些砖砌石柱出现裂缝，特别是两根柱子上出现了危险的损坏迹象，因此其结构的特性引发了人们的
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