土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法探析

【摘要】 介紹了土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重要性及其概念設(shè)計，并對各種結(jié)構(gòu)損傷檢測方法進(jìn)行了評述，最后對結(jié)構(gòu)監(jiān)測的幾個重要問題作了展望。

【關(guān)鍵詞】 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測;損傷檢測;振動參數(shù);智能傳感技術(shù)

工程結(jié)構(gòu)自建成后，隨著服役時間的增長，不斷受環(huán)境侵蝕和各種荷載以及自然災(zāi)害等的作用，若沒有適當(dāng)?shù)木S護(hù)，將使十木工程基礎(chǔ)設(shè)施的狀態(tài)逐漸趨于劣化而變得不可靠。檢測已有建筑物或橋梁等結(jié)構(gòu)在一些災(zāi)害性事件(如地震、臺風(fēng)、爆炸等)后的健康狀況，通常是很費(fèi)時的，因為關(guān)鍵性的結(jié)構(gòu)構(gòu)件或節(jié)點一般都在外覆物或建筑裝飾物的下面。

一、土木工程結(jié)構(gòu)長期健康監(jiān)測系統(tǒng)的概念設(shè)計

結(jié)健康監(jiān)測指利用現(xiàn)場的無損傳感技術(shù)和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的特性分析包括結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，以達(dá)到檢測結(jié)構(gòu)損傷或退化的一些變化圖。土木工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測已經(jīng)成為土木工程學(xué)科研究和發(fā)展的一個重要領(lǐng)域。

結(jié)構(gòu)長期健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)Y(jié)構(gòu)從設(shè)計施工、竣工投入使用一直到結(jié)構(gòu)的整個服役期的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和評估。施工階段是否是嚴(yán)格按照原始的設(shè)計來完成的、投人使用后是否是在正常荷載情況下工作的、在一次偶然事件如地震、臺風(fēng)或爆炸等作用后結(jié)構(gòu)是否有損傷、整體的工作狀態(tài)如何等，這些都是需要回答的問題。

理想的健康監(jiān)測與損傷識別技術(shù)應(yīng)能在結(jié)構(gòu)損傷出現(xiàn)的較早時期發(fā)現(xiàn)損傷，在傳感器精度允許的情況下確定損傷的位置，估計損傷的程度，并預(yù)測出結(jié)構(gòu)的剩余有效壽命。理想的損傷識別方法應(yīng)該具備的另一重要性能是，能夠區(qū)分結(jié)構(gòu)建模誤差引起的偏差與結(jié)構(gòu)損傷引起的偏差間的區(qū)別。盡管近幾年出現(xiàn)了一些運(yùn)用較為成功的整體監(jiān)測技術(shù)，但對于如何從量測得到的信息來解釋結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)及損傷情況，卻遠(yuǎn)未建立起完善的科學(xué)理論。對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體監(jiān)測仍然是土木工程領(lǐng)域面臨的一大挑戰(zhàn)。

二、結(jié)構(gòu)損傷檢測基本方法

1.基于頻率觀測的結(jié)構(gòu)損傷識別

結(jié)構(gòu)的固有頻率是表示結(jié)構(gòu)固有特性的整體量，當(dāng)結(jié)構(gòu)的局部出現(xiàn)損傷時，結(jié)構(gòu)的固有頻率將發(fā)生變化，隨著剛度的降低，結(jié)構(gòu)的固有頻率將會增大。正是由于這一特性加上結(jié)構(gòu)固有頻率易于測量和測量誤差小，很多研究者將結(jié)構(gòu)的固有頻率作為結(jié)構(gòu)損傷識別的損傷標(biāo)示量。但是，利用頻率作為損傷診斷的標(biāo)示量也存在一定的局限性:

(1)對損傷位置的不敏感性。不同形式的結(jié)構(gòu)損傷可能引起相同的頻率改變，在對稱結(jié)構(gòu)中，兩個對稱位置上結(jié)構(gòu)相同程度的損傷將引起結(jié)構(gòu)固有頻率相同的改變。

(2)結(jié)構(gòu)不同位置損傷對結(jié)構(gòu)各階固有頻率的影響不相同。有的位置的損傷對低階頻率影響較敏感，對高階頻率則不敏感;有的位置損傷則對高階頻率影響敏感，對低階不敏感。在實踐中容易測得的結(jié)構(gòu)固有頻率是前幾階低階頻率，高階頻率則不易測出。用頻率作為結(jié)構(gòu)損傷標(biāo)示量對結(jié)構(gòu)某些位置的損傷不易探測到。

2.基于結(jié)構(gòu)固有振型變化的損傷識別方法

相對結(jié)構(gòu)固有頻率而言，結(jié)構(gòu)的固有振型包含了更多的損傷信息，特別是對結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行定位，利用結(jié)構(gòu)固有振型要更加準(zhǔn)確。國內(nèi)外眾多研究者運(yùn)用結(jié)構(gòu)固有振型作為損傷標(biāo)示量對結(jié)構(gòu)的損傷問題進(jìn)行了研究。大量試驗表明，基于結(jié)構(gòu)固有振型變化的損傷識別方法可以得出以下基本結(jié)論:結(jié)構(gòu)振型對結(jié)構(gòu)的局部變化較為敏感，可以用來確定結(jié)構(gòu)模型誤差和損傷的可能位置。然而其缺點是模態(tài)振型的測量由于系統(tǒng)噪聲和觀測噪聲的影響存在較大的測量誤差，使得特征振型的變化常常被測量誤差所掩蓋，給基于振型的結(jié)構(gòu)損傷識別方法在實際應(yīng)用中造成很大的困難;由于現(xiàn)場條件的限制，實際的觀測振型數(shù)據(jù)是不完整的，而基于自由度不完整振型數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)識別方法研究得還很不充分。

3.基于結(jié)構(gòu)柔度變化的結(jié)構(gòu)損傷識別方法

結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生損傷則意味著結(jié)構(gòu)剛度的降低，即結(jié)構(gòu)的柔度將增大。正是基于柔度的這一特性，中外較多研究者以結(jié)構(gòu)的柔度作為結(jié)構(gòu)的損傷標(biāo)示量對結(jié)構(gòu)的損傷問題進(jìn)行了研究。通過對比結(jié)構(gòu)損傷前后柔度陣的變化或?qū)Ρ葘崪y柔度陣與FEM分析柔度陣的差異，可以探測結(jié)構(gòu)的損傷或確定結(jié)構(gòu)模型誤差，由于觀測柔度陣正比于觀測頻率的逆矩陣，觀測柔度陣對結(jié)構(gòu)低階模態(tài)的變化更加敏感，適用于使用低階模態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)識別。基于柔度陣的結(jié)構(gòu)識別研究表明，結(jié)構(gòu)柔度矩陣在低階模態(tài)條件下包含了有關(guān)結(jié)構(gòu)特性的豐富信息，為低階模態(tài)條件下的結(jié)構(gòu)識別提供了一種新的有效途徑。對數(shù)據(jù)不完整、不精確條件下結(jié)構(gòu)識別柔度法的研究目前進(jìn)行得仍然比較少。為了充分利用柔度矩陣的低階模態(tài)敏感特性，仍需進(jìn)一步深入開展基于柔度矩陣的結(jié)構(gòu)識別研究。

4.基于模態(tài)應(yīng)變能量變化的結(jié)構(gòu)損傷識別方法

該方法首先定義了每個單元的模態(tài)應(yīng)變能及其計算方法，然后利用結(jié)構(gòu)損傷前后每個單元模態(tài)應(yīng)變能的改變來檢測結(jié)構(gòu)損傷的位置和大小。利用模態(tài)應(yīng)變能方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的損傷檢測時，主要步驟如下:(1)對未損傷結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模與分析，得到結(jié)構(gòu)的頻率、模態(tài)振型以及各單元的剛度矩陣;(2)由振動試驗和模態(tài)分析，獲取損傷結(jié)構(gòu)的頻率和振型。測量振型不完整時，用振型擴(kuò)充法擴(kuò)充;(3)由單元模態(tài)應(yīng)變能變化比方法確定結(jié)構(gòu)可能的損傷單元;(4)求得損傷單元的損傷系數(shù)，得到結(jié)構(gòu)損傷的大小。

試驗證明模態(tài)應(yīng)變能方法具有以下優(yōu)缺點: (1)基于單元模態(tài)應(yīng)變能變化的結(jié)構(gòu)損傷檢測方法簡便有效，便于實際應(yīng)用; (2)振型的不完整性和測試振型的隨即噪聲都對結(jié)構(gòu)損傷定位和損傷大小的確定有較大影響，采用多階模態(tài)疊加的方法，能較好地改善結(jié)構(gòu)損傷檢測的結(jié)果;(3)在實際應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)剛度的破損多種多樣，如何模擬剛度的各種破損情況將直接影響損傷大小的確定，有待進(jìn)一步的研究。

5.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量神經(jīng)元廣泛互連而成的。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，信息處理是通過神經(jīng)元之間的相互作用來實現(xiàn)的，只是信息的存儲表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)元件互連間分布式的物理聯(lián)系。學(xué)習(xí)與識別取決于神經(jīng)元與連接權(quán)系的動態(tài)演化過程，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的容錯性，較強(qiáng)的非線性性能，因而在控制、優(yōu)化、識別等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法不僅適用于線性系統(tǒng)，尤其適用于非線性系統(tǒng)，它比模態(tài)修正法及信號處理法的適應(yīng)性更強(qiáng)，其另一個優(yōu)點是處理環(huán)境振動的能力很強(qiáng)，省略了激振設(shè)備，更容易應(yīng)用于工程實際中。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于結(jié)構(gòu)損傷檢測中其檢測的準(zhǔn)確性，對多位置損傷的同時檢測以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的確定等方面的研究還處于初級階段，這些因素限制了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用，如何確定一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使其對結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行精確的檢測是有待研究的課題。

土木工程結(jié)構(gòu)的損傷檢測技術(shù)是一門新興的科學(xué)技術(shù)，目前正處于蓬勃發(fā)展之中。雖然這種技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于航空、航天、精密機(jī)械等領(lǐng)域之中，但是在土木工程領(lǐng)域的研究還處于起步階段，絕大多數(shù)研究還僅僅局限于試驗階段。從目前土木工程損傷檢測的研究動態(tài)來看，以下幾個方面問題的研究在該技術(shù)的未來發(fā)展方向上有比較重要的意義和迫切性:(1)發(fā)展更可靠的損傷判別指標(biāo)，該指標(biāo)不會誤判及漏判;(2)研究試驗參數(shù)變化、環(huán)境參數(shù)變化對結(jié)構(gòu)損傷識別的影響;(3)不依賴外部激勵源的損傷檢測研究。

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