大跨斜拱桥结构健康监测系统的设计与开发

李宏男，田 亮，伊廷华，任 亮

(大连理工大学建设工程学部土木工程学院，辽宁大连116023)

大跨斜拱桥结构健康监测系统的设计与开发

李宏男，田 亮，伊廷华，任 亮

(大连理工大学建设工程学部土木工程学院，辽宁大连116023)

沈阳伯官大桥是中国首座六跨中承式飘带形提篮斜拱桥，为确保该桥在施工及服役期间的安全，对其设计并安装了一套完整的结构健康监测系统。介绍了安装系统的仪器选型及测点布设方案，监测系统的功能、构成及其实现过程，包括传感器子系统、数据采集与传输子系统、数据管理子系统以及状态评估子系统。为满足传感器数量多、分布广、信号测量精度和同步性要求高的需求，自主研发了一套分布式结构健康监测数据同步采集仪器，实现了多类型传感器及多终端设备之间的精准同步采集。该监测系统为实时监测桥梁的响应，在线把握桥梁的性态，合理制定桥梁的养护计划，提供了有效的手段。

拱桥；结构健康监测；有限元分析；数据同步采集；系统集成

引 言

由于车辆荷载、环境侵蚀、人为作用以及养护维修不及时，桥梁结构在其长期服役期间将不可避免地发生累积损伤和疲劳破坏。因此，对桥梁结构的性能进行实时地监测与诊断，及时发现结构的损伤，对可能出现的灾害进行预测，并评估其安全性，已成为土木工程学科发展的必然要求［1］。所谓结构健康监测，就是利用现场的、无损的、实时的方式采集结构与环境信息，分析结构反应的各种特征，获取结构因环境因素、损伤或退化而造成的改变［2］。

目前世界上许多大桥已相继安装了不同规模的结构健康监测系统，如加拿大的Confederation桥安装了一套结构动力监测系统，对桥梁在风荷载、车辆荷载、冰荷载以及地震等作用下的动力响应进行了有效地监测［3］；日本的Akashi Kaikyo大桥安装了包括地震仪、风速仪、加速度计、速度计、GPS以及位移计等多种传感器组成的监测系统，对桥梁进行了有效的动态监测。此外，像挪威的Skarnsundet斜拉桥、丹麦的Great Belt East悬索桥、美国的Sunshing Skyway斜拉桥、韩国的Seohae斜拉桥等均安装了结构健康监测系统，取得了良好的监测效果。自20世纪90年代开始，中国在各种形式的大型桥梁上也逐步开始安装结构健康监测系统。在悬索桥领域：香港青马大桥布设了大量的加速度传感器及应变计，并安装了风速仪和GPS系统，用以长期监测外部荷载和桥梁响应，该系统是当时世界上规模最大的结构健康监测系统之一［4］；广州虎门大桥建立了三维位移GPS实时动态监测系统，先期安装的7台GPS信号接收机，实现了大桥的全天候连续高精度测量，为研究该桥的实际服役性能提供了基础数据［5］；润扬长江大桥除了对车流状况、气候环境、索塔沉降等进行了常规监测，还对主跨位移、钢箱梁截面应力、钢索拉力以及悬吊体系和索塔的振动等进行了重点监测［6］。在斜拉桥领域：朱永等［7］设计开发了大佛寺长江大桥结构健康监测系统，通过该系统采集到大量监测数据，检验了其开发的光纤应变测量系统和激光/光电位移挠度测量系统的可行性和可靠性；山东滨州黄河公路大桥结构健康监测系统［8］，包括对风荷载、温度、应变、位移和加速度等物理量的全面监测，该系统在成桥试验中记录了大桥在各种工况下的响应，为评估桥梁的实际性能起到了良好的效果；近年建成的苏通大桥安装了14类共计788个传感器用以监测桥梁的服役状态，并将日常的养护管理融入到实时的监测系统［9］。与悬索桥和斜拉桥这种缆索支撑体系桥梁相比，关于拱桥的监测研究工作还相对较少。但随着拱桥跨度的不断增大和造型的日益复杂，关于拱桥的长期服役性能监测也逐渐引起了研究人员的重视。如丁

睿［10］对巫峡长江大桥建立了一套分布式光纤传感监测系统，成功检测到了钢管混凝土结构的内部损伤，监测数据对桥梁的维护和加固起到了重要作用；张彪等［11］对瀛洲大桥开展了基于光纤光栅传感器的桥梁监测研究，主要是对主副拱和桥墩结合部的倒三角区、中跨主梁内的高强钢绞线系杆和拱结构等进行了重点监测，取得了良好的监测结果。

1 工程背景

沈阳伯官大桥横跨沈阳浑河，北接棋盘山，南连沈抚新城，桥梁总长885 m，桥宽32 m，双向六车道，如图1所示。该桥是中国首座六跨中承式飘带形提篮斜拱桥；桥的拱肋采用变截面矩形空心钢箱体系，上下游拱肋之间组成三维空间结构，最大跨径120 m，最大拱高67 m；拱座以上拱肋双向倾斜，呈倒V状，内倾17°，除主跨拱肋外其余拱肋均无横向风撑；吊杆采用双索面布置，共计172根；主梁采用钢-混凝土叠合梁结构，混凝土桥面板通过剪力钉与吊杆横梁相连。

图1 沈阳伯官大桥鸟瞰图Fig.1 Birdview of Shenyang Boguan Bridge

伯官大桥结构形式新颖、受力复杂，比如除主跨拱肋外，上下游拱肋间均无横向风撑且为陡拱，使其自身稳定性较差；桥面采用格构式体系，造成其整体性不强；拱脚处各构件相互交错，构造复杂，属于应力较为集中的薄弱部位。此外，考虑到该桥的车流量较大，若定期封闭交通对其进行检测与维护，既不现实也不经济。因此，无论是从安全的角度出发，还是从经济性上考虑，都有必要对其建立一套完整的结构健康监测系统。

2 系统功能与设计

2.1 系统的功能需求

目前，安装的桥梁健康监测系统主要存在3个方面的问题：1)不同类型的传感器缺乏统一的数据采集平台，难以实现不同系统间的数据交换；2)不同待测物理量之间难以实现同步控制与采集，这使得系统的损伤识别与安全评估无法基于同步监测数据；3)监测传感网络与软件系统不能有效集成，使得系统采集的海量数据无法得到及时充分的利用。为了克服这些问题，所设计的健康监测系统拟具备以下功能：

(1)针对不同类型的数据能够进行同步控制与采集；

(2)能够实现荷载及结构响应的长期、远程、实时监测；

(3)能够实现数据的自动存储，并具备可视化的人机交互界面；

(4)能够对环境荷载及结构响应进行分级实时预警；

(5)能够对大桥进行损伤识别及安全评估，并提供合理的维护建议。

2.2 系统的整体设计

为实现伯官大桥结构健康监测系统的预期功能，首先对系统进行了总体设计，如图2所示。整个

健康监测系统包括4个子系统，即：传感器子系统、数据采集与传输子系统、数据管理子系统以及结构状态评估子系统。其中前两个子系统位于大桥现场，后两个子系统则位于桥端的监测中心内。

图2 沈阳市伯官大桥结构健康监测系统Fig.2 Structural health monitoring system for Shenyang Boguan Bridge

3 有限元分析

3.1 有限元模型建立

通过对桥梁进行有限元数值分析，可以确定桥梁结构的关键受力部位，为传感器的选型和布设位置，以及各监测量阈值的设定提供依据。为此，本文首先采用桥梁结构有限元分析软件MIDAS-CIVIL对伯官大桥建立了空间杆系有限元模型，如图3所示。整个模型包括6 597个梁单元，174个桁架单元，1 518个板单元，6 365个节点。模型中混凝土拱肋、钢拱肋、拱间横梁、吊杆横梁、桩基础等采用空间梁单元模拟；吊杆和系杆采用桁架单元模拟；承台和桥面板采用板单元模拟。为提高计算效率，将抛物线式拱轴线离散成若干直线段的空间梁单元；双索面布置的吊杆通过换算截面特性按照单索面模拟；桥面系建模中，忽略二期铺装，将其以均布荷载的形式施加到吊杆横梁的各节点上。约束条件的确定是建模中的又一关键环节，其中伸缩缝通过放松板端约束模拟；钢混拱座与承台之间的连接则采用弹性连接模拟；桩基础底部固结，为精确模拟桩-土相互作用，桩基单位长度节点的边界条件采用土弹簧模拟。

3.2 结构模态分析

模态分析可反映结构在外界激励下的振动形态，对桥梁结构而言，往往是前几阶振型起控制作用，本次分析重点关注前10阶模态。采用子空间迭代法对该桥进行模态分析，首先进行静力计算，将预应力施加到结构上，然后将二期铺装、防撞墙、栏杆、人行道、绿化槽等二期恒载以均布荷载的形式施加到吊杆横梁上，以考虑其对结构振动的影响。表1给出了模态分析得到的桥梁前10阶模态频率，包含了前3阶水平振动、前3阶扭转振动和前4阶竖向振动，振型如图4所示。

图3 伯官大桥有限元模型Fig.3 Finite element model of the Shenyang Boguan Bridge

表1 桥梁的前10阶模态频率Tab.1 The first 10 modal frequency values

4 传感器子系统

4.1 传感器选型及布置方案

根据桥梁模态分析结果可见，前10阶振型中钢箱拱脚、主梁和吊杆的振动幅度相对较大，相比其他部位，在外界激励下更易发生振动破坏，因此选择以下4个部位进行重点监测：1)吊杆内力监测；2)主梁振动监测；3)钢箱拱脚应力监测；4)钢箱拱位移监测。此外，考虑到风荷载是大桥承受的主要荷载之一，因此对风速风向也进行了监测。表2详细列出了系统的监测项目、传感器选型及布置数量。图5为传感器布设位置详图。

4.2 监测方案的具体实施

4.2.1 吊杆内力监测

吊杆是拱桥的关键受力构件，易于受环境腐蚀和疲劳损伤而发生断裂，如綦江彩虹桥、宜宾南门大桥、运村大桥等均由吊杆断裂而导致垮塌。因此对吊杆内力进行实时的跟踪监测显得非常必要，这是本次监测的一个重点。如所周知，由于拱肋变位和桥面变位等因素影响，短吊杆比长吊杆更容易产生弯曲和剪切变形，使得短吊杆受力更加复杂且不利［12］。同时，考虑吊杆本身的受力大小，应选择内力较大的短吊杆进行内力监测。

图4 桥梁的前10阶模态振型Fig.4 The first 10 modes of the bridge

表2 监测项目及传感器的类型Tab.2 Monitoring items and sensor type

该桥在成桥时施工监控单位利用油压千斤顶法对吊杆内力进行了测量，本文则利用建立的有限元模型对吊杆内力进行了数值计算，如图6所示，可见施工监控测得的吊杆内力、数值计算得到的吊杆内力与吊杆内力设计值基本吻合，从而也说明了有限元模型建立的精确性。综合上述三者结果可知，各跨最端部的吊杆内力最小，其余吊杆内力分布相对较为均匀。考虑到各跨每端部第2根吊杆长度相对较短，因此选择这些吊杆进行内力监测，其中3#跨跨度大，吊杆数量多，为保证监测结果的可靠性，又选取了另外两根吊杆进行监测。本次监测共选择了20根吊杆进行监测，测点为图7箭头所指吊杆。

图5 伯官大桥传感器布置位置图Fig.5 Distribution of sensors in Shenyang Boguan Bridge

图6 桥梁吊杆内力分布图Fig.6 Internal force distribution of the suspender

目前，吊杆内力测试通常采用油压千斤顶法、压力传感器法和振动频率法等，其中前两种方法仅适用于吊杆张拉过程中的内力测试，而对成桥状态的吊杆内力进行监测，振动频率法几乎是唯一选择。振动频率法利用附着在吊杆上的高灵敏度传感器，拾取吊杆在环境随机激励下的振动信号，经过滤波和频谱分析确定吊杆自振频率，然后根据索力与自振频率的关系求得吊杆索力［13］。本次吊杆监测采用LC0101加速度传感器。该桥为加强对吊杆的保护，在其外侧包裹了一层哈弗护套。哈弗护套的存在给传感器的布设带来一定的困难，因此需要对传感器支座进行特别设计。首先在哈弗护套上开一个矩形切口，将传感器紧固在吊杆上，然后用自制的PVC护套对被切割位置进行防水密封处理。这种设计不仅没有对哈弗护套造成过大的破坏，而且非常便于以后传感器的检查与维修，如图8所示。

4.2.2 主梁的振动监测

对主梁进行振动监测，可利用获得的桥梁结构的模态参数，对有限元模型进行修正，并可以对结构进行进一步的损伤识别和状态评估。有效独立法是目前土木工程结构中应用最为广泛的传感器优化布设算法。因此采用有效独立法对加速度传感器的最优布设位置进行了计算，这里分别给出了10，20以及30个测点时的传感器布设情况，综合考虑振型的可视性、对称性以及施工条件的限制，最终选择12个测点布设传感器，即主跨的L/4，L/2和L/4位置和其余边跨的中央位置，如图9所示。本次监测同样选择了LC0101加速度传感器，工程施工时，将传感器固定于吊杆横梁的预埋件上，如图10所示。

4.2.3 钢箱拱的应力监测

钢箱拱由预应力钢混拱座与钢拱肋构成，钢拱肋以一定角度与拱脚处的预应力钢混拱座相接在一起形成复杂的三维空间拱肋体系。钢箱拱主要承担吊杆传来的桥梁自重及车辆荷载，是重要的承载构件。为保证钢箱拱在服役期间的安全，应对其应力进行实时监测。传感器的具体布设位置将直接影响监测数据是否能够正确反映钢箱拱的服役状态。为了选取合理的测点，采用有限元模型对钢箱拱受力状态进行了三维数值模拟，有限元模型如图11(a)所示。图11(b)为钢箱拱的应力分布图，可以看到在自重及车辆荷载作用下，钢混拱座顶部应力较大。同时考虑到钢混拱座为不规则的实体构造，而钢混拱座顶部又为两种不同材料构件的连接处，所以预应力钢混拱座顶部即为钢箱拱最为薄弱的部位，应对其应力进行重点监测。

图7 吊杆内力测点布设方案Fig.7 Monitoring points layout for the suspenders

图8 加速度传感器的安装与保护Fig.8 Installation and protection of accelerometer

图9 主梁加速度传感器布设方案Fig.9 Accelerometers layout for main beam

应力监测通常采用电阻应变片、振弦式应变计、压电陶瓷和光纤光栅传感器等方法，其中光纤光栅传感器具有精度高、寿命长、耐腐蚀和潮湿、抗电磁干扰等优点，非常适合桥梁结构的长期在线监测。本系统采用自主研发的光纤光栅应变传感器对钢混拱座的应力进行监测，同时使用光纤光栅温度传感器进行温度补偿。由于光纤光栅传感器比较脆弱，在施工中容易遭到破坏，因而将其封装在一个自制的PVC套管内，这样既保护了传感器的尾纤，同时可以避免温度传感器与混凝土接触，构造如图12所示。

图10 安装在主梁上加速度传感器Fig.10 Accelerometer installed on the girder

图11 钢箱拱有限元分析Fig.11 Finite element analysis of steel box arch rib

4.2.4 钢箱拱位移监测

钢箱拱的空间位置是衡量该桥是否处于正常服役状态的一个重要标志。若钢箱拱的空间位置发生变化，必然影响大桥的承载能力及构件的内力分布。因此对钢箱拱位移进行监测，能从整体上把握桥梁的整体性能。考虑GPS中的RTK(Real Time Kinematic)技术具有高效、快速、全自动、全天候、高精度等优点，非常适合大桥在恶劣环境下的位移监测［14］，因此本项目采用GPS对钢箱拱位移进行在线监测。利用有限元模型对钢箱拱位移进行了数值模拟，发现3#跨钢箱拱顶端的竖向位移最大，横向位移可忽略不计，而4#跨钢箱拱顶端的竖向位移稍小于3#跨，但横向位移却远大于3#跨，说明3#跨拱顶横向风撑的设置大大减小了拱肋的横向位移。因此将位移测点布设在未设横向风撑的4#跨钢箱拱顶。钢箱拱位移监测共采用了一台GPS基准站及两台GPS流动站，图13为安装在钢箱拱顶部的GPS天线。

4.2.5 风速风向监测

在大桥运营过程中，风荷载是结构产生动态响应的重要影响因素。因此，对桥梁风荷载进行了重点监测与研究。考虑到沈阳的霜冻天气时间较长，选择了具有防冰霜涂层设计的RMYoung 05103-45风速风向传感器，其量程与精度均满足工程实际要求，如图14所示。

图12 光纤光栅传感器的安装与保护Fig.12 Installation and protection of FBG sensor

图13 安装在桥梁上的GPS流动站Fig.13 GPS rover station installed on the bridge

图14 安装在桥梁上的风速风向传感器Fig.14 Anemometer installed on the bridge

5 系统的开发与集成

本系统采用模块化设计，首先对各子模块进行相对独立的开发，然后采用Lab VIEW对各子模块进行集成。图15给出了系统的可视化界面，采用LED显示方式，点击软件上桥梁任一测点位置的LED灯，系统即可显示该传感器的监测数据及变化趋势。此外，该系统具有数据自动分类存储功能，用户指定基本存储路径后，系统自动按“年-月-日-系统时间”的顺序建立子目录，方便用户在海量数据中调用需要的文件。

图15 沈阳伯官大桥结构健康监测系统界面Fig.15 User interface of structural health monitoring system for Shenyang Boguan Bridge

5.1 数据采集与传输子系统

数据采集与传输子系统由数据采集单元和数据传输网络组成，主要功能是实现多种物理量信号的采集、调理及预处理，并通过光缆传输到监测中心。

5.1.1 数据采集单元

光纤光栅传感器和加速度传感器为本系统布设的主要传感器，若分别用不同的数据采集系统对两类传感器信号进行采集，则两类信号的分析相对独立，难于实现数据交换。因此，为实现上述两类传感器基于同一采集平台同步采集数据的功能需求，基于NI CompactRIO平台与Lab VIEW软件自主研发了光纤光栅与加速度传感器同步采集系统。NI Compact RIO平台主要由3部分组成：数据采集模块、可重配置现场编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)和实时控制器。分别采用不同的数据采集模块对两类传感器信号进行采集；基于FPGA的可编程逻辑阵列，对两类数据采集模块，设计同步执行的逻辑电路，以实现两类信号的同步采集；使用实时控制器模块将采集到的数据实时传送到上位机中，并根据上位机的指令控制FPGA及实时控制器的运行［15］。Lab VIEW软件可与Compact RIO平台无缝衔接，因此使用Lab VIEW编写该同步采集系统的控制程序，包括FPGA程序、Real-Time程序和上位机程序3部分。FPGA程序可直接对Compact RIO平台上的FPGA模块进行配置，并针对不同类型的数据创建不同的先进先出数据缓存器(First In First Out，简称FIFO)，实现数据的同步采集与储存；Real-Time程序从FIFO中读取数据，按照数据类型和采集时间，给数据加入标识，然后将数据打包传送至上位机程序；为实现多状态的连续跳转，上位机程序采用状态机架构，将接收到的数据包解压后，将不同类型的数据发送到相应的数据处理程序，以实现数据的分析、显示及报警等功能。图16为同步采集系统的原理示意图，该系统实现了全桥120个光纤光栅传感器和32个加速度传感器的同步控制与采集，保证了两类传感器的协调工作。

5.1.2 数据传输网络

数据传输网络由一级、二级和三级网络构成，如图17所示。一级网络实现信号采集，考虑到传感器分布位置及传输信号衰减等因素影响，将数据采集装置安放在大桥的钢箱拱内；二级网络将所有信号转化为光信号，经过光纤光缆传输网络，由大桥现场传输到监测中心；三级网络主要实现监测数据的远程访问与管理，远程客户端经过因特网连入本地系统，使得大桥管理部门既可以在大桥监测中心也可以在远程客户端对监测数据进行管理。整个信号传输网络均基于TCP/IP标准设计，保证了系统的网络协调性。

5.2 数据管理子系统

数据管理子系统由安装在监测中心的高性能数据库服务器组成，其功能主要包括快速存储实时监测数据，实现各功能模块间的数据交换以及与因特网相连以实现远程监测。本健康监测系统共布设了156个传感器，每天24 h连续实时采集，数据量巨大且数据类型繁多，如何对其进行有效的管理直接关系到整套系统的运转效率。本项目采用大型网络数据库SQL Server 2000作为中心数据库，在Lab-VIEW开发平台上进行集成，使用数据库连接工具包(Database Connectivity Toolkit，简称DCT)作为Lab VIEW对SQL Server 2000数据库的访问工具。DCT具备多种功能模块，可方便实现数据库的存储、查询、修改及远程访问等操作。针对不同类型的数据，分别建立不同的数据表。实时监测数据及数据分析结果，将被分类存储到相应的数据表内。图18为DCT访问数据库的流程图。图19为数据分类存储的程序框图。

图16 光纤光栅与加速度传感器同步采集系统原理示意图Fig.16 The schematic diagram of synchronous acquisition system for FBG and accelerometer

图17 数据传输网络构架图Fig.17 Diagram of data transmission network

图18 DCT访问数据库的流程图Fig.18 Flowchart of DCT accessing database

5.3 结构状态评估子系统

结构状态评估子系统由安装在监测中心内的高性能计算机组成，其功能主要包括监测数据的深度分析与处理，结构异常响应的自动诊断及预警，大桥有限元模型的修正以及结构安全状况的有效评估。本系统由4个功能模块构成：自动预警模块、模型修正模块、状态及损伤识别模块、安全评估模块。图20给出了本系统运行的流程图。

(1)自动预警模块：采用指示灯及声音预警、手机短信和E-mail相结合的方式进行报警。根据结构分析方法合理设定结构各参数的报警阈值，当监测数据经过系统处理超过设定的阈值时，系统将自动启动报警功能。

(2)模型修正模块：利用系统实测数据对大桥有限元模型进行及时的修正，使有限元模型能够准确地反映和预测结构的动态响应，为结构状态识别及安全评估提供参考数据。

(3)状态及损伤识别模块：基于多尺度小波变换的损伤识别算法，采用在Lab VIEW平台调用MATLAB小波分析的方法，对大桥重要构件的状态参数及损伤情况进行自动识别，并给出适当的维护建议。

(4)安全评估模块：结合现场巡检结果，采用基于变权的层次分析法，对桥梁的安全状态做出评估，并生成结构健康状态评估报告。

图19 数据存储的程序框图Fig.19 Flowchart of data storage

图20 结构状态评估子系统运行流程图Fig.20 Flowchart of structural condition assessment subsystem

6 结束语

为保证伯官大桥施工及服役期间的安全，结合大桥的结构特点，对其建立了一套完整的结构健康监测系统，得出以下主要结论：

(1)建立了伯官大桥的三维空间有限元模型，通过结构模态分析，找到了结构的薄弱部位，为传感器选型及测点布设提供了依据。

(2)详细介绍了传感器的选型及测点布设方案，开发了光纤光栅与加速度传感器同步采集系统，实现了两类信号的同步精确采集，保证了两类传感器的协调工作，为结构状态识别及安全评估奠定了基础。

(3)整套结构健康监测系统采用模块化设计，首先对各个子系统分别进行设计与实现，然后基于Lab VIEW软件开发平台进行系统集成，实现了监测传感网络与软件系统的有效集成，为实现系统预期功能奠定了基础。

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Design and development of structural health monitoring system for long span skew arch bridge

LI Hong-nan，TIAN Liang，YI Ting-hua，REN Liang
(School of Civil Engineering，Faculty of Infrastructure Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116023，China)

Shenyang Boguan Bridge is the first half-through 6-span X skew arch bridge in China.To ensure the safety during its construction and service，a complete set of structural health monitoring system is designed and installed on it.In this paper，the schemes of instrument selection and placement of measuring points，as well as the function，composition and realization of the monitoring system including the sensor subsystem，data acquisition and transmission subsystem，data management subsystem and condition assessment subsystem are introduced in detail.To satisfy the high-standard requirement of the quantity，distribution，measuring accuracy and synchronism，a set of distributed data synchronous acquisition instrument for structural health monitoring is self-developed，which realizes the accurate synchronous acquisition between multi-type sensors and multiterminal instruments.This monitoring system has provided an effective means of real-time monitoring responses，on-line mastering the performance and reasonable planning the maintenance of the bridges.

arch bridge；structural health monitoring；finite element analysis；data synchronous acquisition；system integration

U445.7；U447

A

1004-4523(2015)04-0574-11

10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2015.04.010

李宏男(1957—)，男，长江学者特聘教授。电话：(0411)84709539；E-mail：hnli@dlut.edu.cn

2014-01-13；

2015-04-14

国家自然科学基金创新研究群体基金资助项目(51421064)；国家自然科学基金科学仪器专项(51327003)；国家优秀青年科学基金资助(51222806)