工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

Word版本，下載可自由編輯工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測隨著我國經(jīng)濟(jì)的進(jìn)展和科技的長進(jìn)，許多大型結(jié)構(gòu)工程得以興建，但它們在服役過程中不行避開的會受到荷載作用、環(huán)境腐蝕、材料老化、疲勞破壞等因素的耦合作用而產(chǎn)生損傷累積，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的抗力衰減，簡單啟發(fā)突發(fā)事故。

常規(guī)的人工檢測的辦法帶有很大的主觀性，檢查時光過長，不能在突發(fā)大事后快速查明結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。因此，工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)越來越受到社會各界的廣泛重視，對災(zāi)難的提前預(yù)警或在災(zāi)難發(fā)生后評估結(jié)構(gòu)的損傷程度及其剩余壽命已成為當(dāng)前各國學(xué)者們討論的熱點問題。

1結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的概念

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測指通過現(xiàn)場的無損傳感技術(shù)，利用包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性分析，達(dá)到檢測結(jié)構(gòu)損傷或退化的目的[1]。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的過程包括：利用一系列傳感器得到系統(tǒng)定時取樣的動力響應(yīng)測量值，然后從這些測量值中抽取對損傷敏感的特征因子，并對這些特征因子舉行統(tǒng)計分析，從而獲得結(jié)構(gòu)當(dāng)前的健康情況。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的內(nèi)容包括荷載監(jiān)測：包括風(fēng)、地震、溫度和交通荷載等；幾何監(jiān)測：監(jiān)測結(jié)構(gòu)各部位的靜態(tài)位移；結(jié)構(gòu)的靜、動力反應(yīng)：如應(yīng)變、加速度、頻率和模態(tài)信息等[2]。

對重大工程結(jié)構(gòu)舉行實時健康監(jiān)測、準(zhǔn)時識別結(jié)構(gòu)的損傷累積并評估其使用性能和壽命，建立相應(yīng)的平安預(yù)警機制，對可能浮現(xiàn)的災(zāi)難舉行提前預(yù)警，不僅對于提升結(jié)構(gòu)的平安性和牢靠性具有重大的科學(xué)意義，而且可以降低結(jié)構(gòu)的運行和維護(hù)費用，因此已成為21世紀(jì)人類亟待解決的重要課題。

2結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器子系統(tǒng)、信息采集與處理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、損傷識別、模型修正和平安評定及預(yù)警子系統(tǒng)組成[3]。

傳感器子系統(tǒng)，主要包括各智能傳感元件，利用各智能傳感元件感知結(jié)構(gòu)的荷載和響應(yīng)信息，并以光、電、聲、熱等物理量的形式輸出，該系統(tǒng)是健康監(jiān)測系統(tǒng)最基礎(chǔ)的子系統(tǒng)。

信息采集與處理子系統(tǒng)，完成對傳感器數(shù)據(jù)的收集和信號的初步處理。

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)，主要對傳感器采集的數(shù)據(jù)、經(jīng)數(shù)字信號處理的數(shù)據(jù)及后續(xù)分析數(shù)據(jù)舉行存儲管理。

損傷識別、模型修正和平安評定及預(yù)警子系統(tǒng)，由損傷識別軟件、模型修正軟件、結(jié)構(gòu)平安評定軟件和預(yù)警設(shè)備組成。

3傳感器

3.1傳感器簡介

傳感器能感觸到被測量的信息，并能將這些信息按一定邏輯變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出。傳統(tǒng)的振動測量采納的傳感器有壓電式力傳感器、加速度傳感器、阻抗傳感器、應(yīng)變片等，它們已廣泛應(yīng)用于各類工程結(jié)構(gòu)的實測中[4]。

3.2傳感器的優(yōu)化布置

傳感器的布置對于參數(shù)識別和損傷監(jiān)測具有重要的意義。普通來講，傳感器的優(yōu)化布設(shè)應(yīng)遵從以下幾個原則[4]：

使傳感器系統(tǒng)的設(shè)備、數(shù)據(jù)處理、傳輸和數(shù)據(jù)通道等費用最小。

從含有噪聲的測量數(shù)據(jù)中得出較好的結(jié)構(gòu)模型參數(shù)的估量。

利用對大型結(jié)構(gòu)模型的實驗討論，改善結(jié)構(gòu)控制。

有效確定結(jié)構(gòu)特性及其變化，改進(jìn)結(jié)構(gòu)整體性能評估系統(tǒng)。

對于大型結(jié)構(gòu)，提升結(jié)構(gòu)早期損傷識別的能力。

4結(jié)構(gòu)損傷識別

損傷識別是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的核心。它的基本思想是認(rèn)為損傷將顯著轉(zhuǎn)變結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量或耗能能力，進(jìn)而引起所測結(jié)構(gòu)動力特征或響應(yīng)的轉(zhuǎn)變。利用從監(jiān)測數(shù)據(jù)中提取不同部位的信息，并比對結(jié)構(gòu)無損狀態(tài)下的相應(yīng)信息，來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的健康檢測與評估，從而推斷損傷的浮現(xiàn)、位置和程度。

損傷識別技術(shù)可分為整體法和局部法兩種。整體法試圖評價整體結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，而局部法則依賴成熟的無損檢測技術(shù)對某個特定的結(jié)構(gòu)部件舉行檢測。通常先用整體法確定一些可能的損傷部位，然后再結(jié)合局部法對這些部位的構(gòu)件舉行具體詳細(xì)的損傷檢測，進(jìn)而對結(jié)構(gòu)的損傷狀況舉行精確評估。

4.1整體檢測法

結(jié)構(gòu)整體檢測法主要有：動力指紋分析法、模型修正與系統(tǒng)識別法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、遺傳算法等幾種。

假如結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷，質(zhì)量和剛度等結(jié)構(gòu)參數(shù)會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致相應(yīng)的動力指紋的變化，這是動力指紋分析法所依據(jù)的原理。模型修正與系統(tǒng)識別法的基本思想是使用動力測試資料，利用條件優(yōu)化約束，不斷修正模型中的剛度分布，然后與修正剛度后模型的反應(yīng)所測數(shù)據(jù)比較。當(dāng)兩者基本吻合時，則認(rèn)為此組參數(shù)為結(jié)構(gòu)當(dāng)前參數(shù)。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以生物神經(jīng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，模擬人腦的功能，是一種由容易神經(jīng)元銜接成的具有高度非線性的超大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。遺傳算法是按照達(dá)爾文進(jìn)化論中適者生存、優(yōu)勝劣汰的進(jìn)化原則來搜尋下一代的最優(yōu)個體，以得到滿足要求的最優(yōu)解。

4.2局部檢測法

傳統(tǒng)的局部檢測辦法有染色法、目檢法、壓痕法、回彈法、超聲脈沖法、射線法等。近年來又浮現(xiàn)了一些新的特地針對土木工程結(jié)構(gòu)的局部損傷檢測辦法，如聲放射法、Lamb法、頻域ARX法、超聲光譜法、幾何時域法等。

5工程應(yīng)用

土木工程結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用的一個重要對象，目前在大型橋梁、大壩、高層建造等土木工程結(jié)構(gòu)中，健康監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用及功能驗證是討論的一個熱點。英國在總長522m的三跨變高度延續(xù)箱梁的Foyle橋上布設(shè)傳感器，監(jiān)測橋梁運營階段在車輛與風(fēng)荷載作用下主梁的振動、擾度和應(yīng)變等響應(yīng)，同時監(jiān)測環(huán)境風(fēng)和結(jié)構(gòu)溫度場[5]。我國的江陰長江馬路大橋也采納了結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)。為了對橋梁的工作環(huán)境、橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)、橋梁在車載等各類外部荷載因素作用下的響應(yīng)舉行實時監(jiān)測和討論，全面了解橋梁的運營條件及質(zhì)量退化情況，為橋梁的運營管理、養(yǎng)護(hù)修理、牢靠性評估以及科學(xué)討論提供依據(jù)，在原有監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上舉行了改造和升級，建立江陰大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。新的健康監(jiān)測系統(tǒng)增強了光纖應(yīng)變測試系統(tǒng)監(jiān)測主梁內(nèi)力以及GPS位移測試系統(tǒng)監(jiān)測主梁線型和橋塔位移，從而實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)，包括內(nèi)力、位移、振動、溫度等信號舉行長久在線采集與管理，并舉行有效的數(shù)據(jù)堆積和分析，獵取反映橋梁健康情況的特征信息，對大橋的平安牢靠性作出評價。

6存在的問題及展望

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的討論目前尚處于基礎(chǔ)性的探究階段，距離有用性的系統(tǒng)目標(biāo)還有很大的差距。目前需要解決的問題還有無數(shù)，歸納起來主要有這幾個：缺乏統(tǒng)一的有效的損傷量化指標(biāo)、信號處理的不精確?????性、高成本、傳感器優(yōu)化布局存在困難、土木工程結(jié)構(gòu)的不確定因素和復(fù)雜的工作環(huán)境對結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的敏感性會造成不利的影響。因此，將來的進(jìn)展方向表面在以下幾個