李曉明 （棗莊學(xué)院城市與建筑工程學(xué)院，山東 棗莊 277160）

0 引 言

近年來，我國對土木工程結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測系統(tǒng)的方法主要是利用傳感器、信息處理和有限元及人工智能等技術(shù)。因為土木工程結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測系統(tǒng)能夠為土木結(jié)構(gòu)的性能提供很大信息，以便對其結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行及時修護(hù)，進(jìn)而為土木結(jié)構(gòu)的維護(hù)和管理決策提供可靠的信息。在我國，結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測技術(shù)在航天航空等領(lǐng)域早已取得了較大的成就。但是結(jié)構(gòu)的性能檢測在土木工程領(lǐng)域應(yīng)用的比較晚，當(dāng)然，土木工程結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)得到充分的重視和推廣。

1 土木工程結(jié)構(gòu)的損傷檢測

土木工程的結(jié)構(gòu)損傷識別主要是通過對結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行測試和分析，進(jìn)而判斷土木工程的結(jié)構(gòu)是否受到損傷的過程。目前，土木工程結(jié)構(gòu)的損傷識別主要包括以下四個層次:結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷；對損傷的定位；對結(jié)構(gòu)損傷大小進(jìn)行評價；對結(jié)構(gòu)的剩余壽命進(jìn)行估計。

1.1 局部檢測方法

對土木工程結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測系統(tǒng)的方法之一就是局部檢測法。局部檢測法主要包括目測法、聲發(fā)射法、射線法和超聲波技術(shù)等。同時，局部檢測法還需要預(yù)先知道結(jié)構(gòu)損傷的位置，并且對檢測儀器的要求也比較高，尤其是對于一些大型復(fù)雜的設(shè)備結(jié)構(gòu)，局部檢測法就無法檢測出整體結(jié)構(gòu)的損傷信息，這也是局部檢測法的最大缺點之一。

1.2 整體檢測方法

對土木工程結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測系統(tǒng)的方法還包括整體檢測法。整體檢測法是指利用損傷發(fā)生前后結(jié)構(gòu)參數(shù)特性的改變進(jìn)而診斷出結(jié)構(gòu)損傷的方法。整體檢測方法具體可以分為以下幾種。

①動力指紋法。動力指紋法是指從動力測試中獲取的含有結(jié)構(gòu)特性的信息，主要通過分析與結(jié)構(gòu)動力特性相關(guān)的動力指紋變化來判斷結(jié)構(gòu)的真實狀況。

②模型修正法。模型修正法主要利用動力試驗數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過條件優(yōu)化約束，不斷地修正結(jié)構(gòu)模型的剛度分布情況，進(jìn)一步得到結(jié)構(gòu)剛度變化的信息，然后就能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷判別與定位。這種方法在處理子結(jié)構(gòu)的損失方面具有很多優(yōu)點。

③神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是指對人腦和自然神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行的抽象和模擬。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是由大量處理單元相互聯(lián)結(jié)組成，按照一定的連接而獲取信息的聯(lián)系模式。

④遺傳算法。遺傳算法主要是指從一組隨機產(chǎn)生的初始解進(jìn)行搜索，進(jìn)而檢測出整體損失的一種方法。因此，整體檢測法是土木工程結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測系統(tǒng)的主要方法。

2 土木結(jié)構(gòu)損傷識別中存在的主要問題

近年來，我國已經(jīng)對土木工程結(jié)構(gòu)性能檢測的研究投入很大的資金，并且結(jié)構(gòu)損傷的識別已經(jīng)發(fā)展成為土木工程領(lǐng)域一個重要的研究方向。但是，由于我國的試驗測試技術(shù)和現(xiàn)場條件的限制等，結(jié)構(gòu)損傷識別技術(shù)的發(fā)展受到了很多方面的制約進(jìn)而發(fā)展比較緩慢。

2.1 結(jié)構(gòu)模型出現(xiàn)了誤差

目前，人們對木工程結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的損傷進(jìn)行的預(yù)測都是在一定的基本條件下進(jìn)行的，一般在規(guī)定的條件下，必須將客觀的系統(tǒng)抽象為具有一定模型形式和參數(shù)的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)然，針對具體的土木工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，在進(jìn)行模型化的過程中，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性導(dǎo)致了很多隨機性的出現(xiàn)。結(jié)構(gòu)模型誤差的產(chǎn)生主要是由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，進(jìn)而必須要將引入的結(jié)構(gòu)鏈接和邊界條件等進(jìn)行一定的簡化和假定等，這就導(dǎo)致結(jié)構(gòu)模型不能準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)內(nèi)部的一些細(xì)節(jié)問題，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)模型出現(xiàn)了很大的不完備性。當(dāng)然，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，一些新的試驗方法能夠減少結(jié)構(gòu)模型產(chǎn)生的誤差，但是這種誤差是不可能完全被消除的。隨著新理論和新模型的出現(xiàn)，對土木結(jié)構(gòu)的性能也能進(jìn)行更加精確的檢測，同時這也是通過結(jié)構(gòu)識別方法而改進(jìn)結(jié)構(gòu)模型的主要目的。由于土木工程結(jié)構(gòu)模型誤差的存在，如果不對這些誤差進(jìn)行仔細(xì)地分析，就會進(jìn)一步造成處理結(jié)構(gòu)損傷識別的問題。因此，結(jié)構(gòu)模型出現(xiàn)的誤差是土木結(jié)構(gòu)損傷識別中存在的主要問題之一。

2.2 實測數(shù)據(jù)的不完整性

土木結(jié)構(gòu)損傷識別中存在的問題還包括實測數(shù)據(jù)的不完整性。由于很多土木結(jié)構(gòu)損傷的識別方法假定結(jié)構(gòu)模型具有相同的自由度和實測自由度，在實際結(jié)構(gòu)中，再加上條件上的限制，就會造成實測數(shù)據(jù)的不完整性。實測數(shù)據(jù)的不完整性主要是由于結(jié)構(gòu)測試傳感器大多只能布置在一些有限的位置上，尤其是對于一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，傳感器安裝的就更加稀疏。同時，實測數(shù)據(jù)的不完整性還無法給結(jié)構(gòu)損傷識別提供有用的信息，這種條件也在一定程度上加劇了識別問題產(chǎn)生。因此，實測數(shù)據(jù)的不完整性是土木結(jié)構(gòu)損傷識別中存在的非常重要的問題。

2.3 實測數(shù)據(jù)的不精確性

在對實測的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的采集和處理的過程中，由于電子信號的隨機誤差存在，并且傳感器由于質(zhì)量問題也會帶來一定的系統(tǒng)誤差，進(jìn)而造成信號處理或識別技術(shù)具有非常大的不精確，這些都被認(rèn)為是實測數(shù)據(jù)的不精確性造成的誤差。在對土木結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識別的實際過程中，為了使實測自由度和模型自由度盡可能地匹配完整，一般都采用模型縮聚和模態(tài)擴展的方法，進(jìn)而就會導(dǎo)致一些誤差的出現(xiàn)，這同樣也是實測數(shù)據(jù)不精確性造成的誤差。數(shù)據(jù)誤差的存在還可能會掩蓋因結(jié)構(gòu)特性改變而引起的結(jié)構(gòu)改變，進(jìn)而就會導(dǎo)致檢測系統(tǒng)無法進(jìn)行對損傷識別。當(dāng)然，在對土木結(jié)構(gòu)的損傷識別進(jìn)行研究的過程中，有些因素是完全無法避免的，也是所有損傷識別方法無法消除的問題。因此，這些因素成為限制結(jié)構(gòu)損傷識別進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵。目前，對于一些方法仍無法較好地解決實測數(shù)據(jù)不精確性的問題，我們應(yīng)該進(jìn)行更多的研究。

3 結(jié) 語

通過對土木工程結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和損失識別的方法進(jìn)行研究。目前，仍很多問題需要進(jìn)行具體的解決，尤其是對于土木結(jié)構(gòu)模型出現(xiàn)的誤差、實測數(shù)據(jù)的不完整性和實測數(shù)據(jù)的不精確性等，我們應(yīng)該加強研究并解決這些問題。同時，我們還可以吸取其他結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域內(nèi)的先進(jìn)方法，進(jìn)而對土木結(jié)構(gòu)性能檢測系統(tǒng)進(jìn)行更好的改造。因此，現(xiàn)階段研究土木工程結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測系統(tǒng)與損傷識別的方法具有非常重大的現(xiàn)實意義。

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