劉有棟

摘 要：對于一些土木工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康檢測，了解其在臺風(fēng)、地震、爆炸等一些災(zāi)害性事件發(fā)生之后的健康狀況，需要花費(fèi)大量的時間和人力，對于這些土木工程建筑來說，其關(guān)鍵性節(jié)點(diǎn)或者結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般都位于建筑裝飾物或者外覆蓋物下面，在關(guān)鍵性的土木工程結(jié)構(gòu)如軍事指揮中心、發(fā)電廠、醫(yī)院、水廠等，經(jīng)歷災(zāi)害性事件后需要立即進(jìn)行健康評估，將結(jié)構(gòu)健康狀況的有關(guān)信息向政府部門上報(bào)，可以為營救人民生命和財(cái)產(chǎn)起到至關(guān)重要的幫助作用。本文將就土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和具體應(yīng)用展開探討。

關(guān)鍵詞：土木工程結(jié)構(gòu)；健康監(jiān)測系統(tǒng)；應(yīng)用

土木工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測，一般是指在現(xiàn)場使用結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性分析技術(shù)和無損傳感器技術(shù)，檢測土木工程結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)退化或者損傷等問題。1994年美國加州發(fā)生大地震，雖然一些建筑物沒有倒塌但是建筑物結(jié)構(gòu)已經(jīng)被損傷，由于沒有進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康檢測因此未發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)歷了若干次余震后倒塌了?？梢钥闯鲞M(jìn)行結(jié)構(gòu)健康檢測是至關(guān)重要的，土木工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測也是目前土木工程領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者研究的重點(diǎn)課題。

1土木工程結(jié)構(gòu)長期健康監(jiān)測系統(tǒng)概念分析

土木工程結(jié)構(gòu)長期健康監(jiān)測系統(tǒng)能夠針對結(jié)構(gòu)從設(shè)計(jì)、施工到竣工使用進(jìn)行全過程健康狀態(tài)監(jiān)測和評估，實(shí)際施工是否嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行、土木工程結(jié)構(gòu)投入使用后荷載是否正常、經(jīng)歷災(zāi)害性事件后結(jié)構(gòu)是否有損傷等，都可以通過結(jié)構(gòu)長期監(jiān)測系統(tǒng)得到相關(guān)結(jié)論。較為先進(jìn)的健康監(jiān)測和損傷識別技術(shù)能夠在損傷早期發(fā)現(xiàn)損傷的位置和程度，如果傳感器精度允許，還能通過得到的數(shù)據(jù)預(yù)測結(jié)構(gòu)的使用壽命。理想的結(jié)構(gòu)損傷識別技術(shù)應(yīng)該具備一項(xiàng)能力，就是將結(jié)構(gòu)損傷造成的偏差和結(jié)構(gòu)建模造成的區(qū)別開來。雖然近年來我國的科學(xué)技術(shù)水平不斷提高，出現(xiàn)了一些整體比較成功的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)，但是并沒有建立具體的制度和標(biāo)準(zhǔn)，讓我們能夠通過監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)分析結(jié)構(gòu)的健康狀況和安全狀態(tài)，因此，如果土木工程結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，針對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測仍是一大難題。

土木工程結(jié)構(gòu)長期健康檢測系統(tǒng)是一種在線監(jiān)測技術(shù)，這個系統(tǒng)主要包括了傳感器、處理器、數(shù)據(jù)采集器、通信設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備和報(bào)警設(shè)備等，傳感器的主要作用是將檢測到的信號轉(zhuǎn)化為設(shè)備可以識別的電信號，數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理設(shè)備則是采集這些電信號并進(jìn)行處理，將處理過后的數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對這些信息進(jìn)行最終處理，通過得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康狀況評估。一般系統(tǒng)要配備獨(dú)立的電源供給設(shè)備，防止外界因素造成斷電，造成設(shè)備無法正常和持續(xù)工作，通信設(shè)備應(yīng)該包括有線通信設(shè)備和無線通信設(shè)備兩種。

2土木工程結(jié)構(gòu)損傷檢測的研究現(xiàn)狀

2.1土木工程結(jié)構(gòu)損傷檢測的基本方法

①動力指紋分析法，土木工程結(jié)構(gòu)可以看做是一套動力學(xué)系統(tǒng)，這套動力學(xué)系統(tǒng)中包括了質(zhì)量、阻尼矩陣和剛度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)構(gòu)的損壞將會對這些結(jié)構(gòu)參數(shù)造成影響，系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)和頻響函數(shù)也會因此發(fā)生變化，其中發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷的標(biāo)志就是系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)的變化，因此可以將其作為指紋來檢測結(jié)構(gòu)損傷。要準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)損傷所在的位置，應(yīng)該先對損傷的狀況進(jìn)行一系列假設(shè)，將這些假設(shè)作為實(shí)際損傷情況建立損傷數(shù)據(jù)庫，檢測結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷其動力指紋發(fā)生的變化并將其與數(shù)據(jù)庫中的指紋對比，將數(shù)據(jù)庫中最接近的指紋的損傷狀況作為結(jié)構(gòu)的實(shí)際損傷狀況；②系統(tǒng)識別法和模型修正法，在理論層面，模型修正法就是先通過分析建立有限元模型，將實(shí)驗(yàn)中得到的加速度時程記錄、模態(tài)參數(shù)等數(shù)據(jù)等作為條件來優(yōu)化約束，不斷修正剛度分布，最終實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)損傷的定位和判別。在理論層面這項(xiàng)技術(shù)比較直觀，但是實(shí)際應(yīng)用中存在諸多問題，如建模存在誤差、噪聲測量存在誤差等，都限制了這種方法的廣泛應(yīng)用，實(shí)際使用中很難得到完備的模態(tài)信息，求解特征方程可能得不到唯一解，雖然近幾十年模型修正法不斷完善，但是并沒有得到一個被領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者都認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)方案；③神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，非參數(shù)模型具備很多方面的優(yōu)勢，尤其是在參數(shù)模型難以選擇的情況下，這其中受到技術(shù)人員青睞的方法是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，不論研究的是非線性結(jié)構(gòu)還是線性結(jié)構(gòu)，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法都能得到結(jié)論，因此對于一些需要考慮非線性的土木工程結(jié)構(gòu)，吸引力較大，國內(nèi)外都針對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法開展了深入研究并取得了一定的成績。

2.2研究存在的若干問題

近年來基于振動的土木工程結(jié)構(gòu)損傷檢測技術(shù)在學(xué)術(shù)研究上取得了優(yōu)異成績，并且得到了廣泛的應(yīng)用，但是對于橋梁和高層建筑等較為復(fù)雜的土木工程結(jié)構(gòu)，其損傷檢測仍然存在一定的問題，現(xiàn)在應(yīng)用較多的土木工程結(jié)構(gòu)損傷檢測技術(shù)，有很多都是從航空航天領(lǐng)域拿過來的，因此存在一定的適用性問題，這些問題主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①模型誤差，相對于航空航天和機(jī)械結(jié)構(gòu)，土木工程結(jié)構(gòu)允許有較大的模型誤差，但是對于結(jié)構(gòu)的損傷檢測，如果誤差較大可能造成損傷檢測的結(jié)構(gòu)存在較大偏差；②測量噪聲，在土木工程結(jié)構(gòu)損傷檢測中，不可避免的會產(chǎn)生噪聲，因此長期的檢測必須確保傳感器的耐久度符合使用要求，這樣才能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；③測量數(shù)據(jù)不完整，我們一般無法測得土木工程結(jié)構(gòu)的完成模態(tài)信息，只能得到一部分模態(tài)信息，而一些損傷檢測方法必須使用完整模態(tài)，雖然有具體的解決辦法但是會產(chǎn)生較大的誤差。

3傳感器優(yōu)化布置技術(shù)

參數(shù)識別和損傷檢測都受到傳感器布置因素的影響，假定給出了n個傳感器，我們需要解決的問題就是如何優(yōu)化布置這些傳感器以獲得關(guān)于土木工程結(jié)構(gòu)最多的健康信息；假設(shè)已經(jīng)安裝了傳感器p個，還需要增加g個，如何布置才能得到損傷檢測的最優(yōu)結(jié)果，這是傳感器優(yōu)化布置需要解決的問題。完善的傳感器布置系統(tǒng)應(yīng)該是：費(fèi)用最低、得到的結(jié)構(gòu)模型參數(shù)較好、實(shí)現(xiàn)整體性能評估、實(shí)現(xiàn)損傷的早期識別。很多專家學(xué)者都針對傳感器的優(yōu)化布置進(jìn)行了深入研究和探討，近年來人們普遍關(guān)注的一種方法就是“有效獨(dú)立法”。

4結(jié)束語

綜上，土木工程結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測系統(tǒng)和損傷檢測技術(shù)是近年來新興的技術(shù)，發(fā)展前景廣闊，在土木工程領(lǐng)域?qū)玫綇V泛應(yīng)用，為早期預(yù)測結(jié)構(gòu)損傷做出重要貢獻(xiàn)。

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