土木工程智能結構控制體系的相關探討

陳勃彤

大連理工大學，遼寧大連 116000

1 智能結構的系統構成

信號的處理器、傳導器和控制器共同組成了智能結構系統，源自仿生學的工作原理是指類似生物會對外界環境的變化產生不同反應一樣，信號也會在結構內部完成傳輸任務。在智能結構設計時，會用到穩定性較高的傳感器和信號驅動元件進行集成處理工作，結構內部一旦存在安全隱患，傳感器會立刻啟動外部傳輸系統，將危險信息傳輸到控制器中，再經控制器決定如何處理，以達到結構減震的目的。

建筑結構具有傳導性，一旦其受到外界環境的影響必然會導致土木工程結構特性發生改變，而配有適應裝置的智能結構則可根據外部環境自行調整整體結構狀態以保證建筑結構安全，尤其當遭遇強風或地震這種自然災害時。不僅如此，智能結構控制系統有助于實現結構控制一體化的優勢在地震強度不明確時便可發揮得淋漓盡致；智能結構控制體系有助于提高建筑結構抗震性也是智能材料在工程結構和振動控制中實現智能化的關鍵之一。因此可以說，智能結構的出現對建筑設計、施工及檢測而言都是一次革新。

2 智能材料的研發應用

應用于土木工程的智能結構控制系統主要集中在三個方面：其一，使結構與形狀相適應；其二，對建筑結構進行健康診斷與評定；其三，強化建筑結構的抗震性及抗風降噪等能力。而智能材料主要有兩類，一類用于制造傳感元件，另一類用于制造驅動元件。用于制造傳感元件的智能材料可以感知到材料內外結構的刺激強度和應變能力，因而又被稱為感知材料，主要適用于光導纖維、亞高分子合金及壓電陶瓷等；用于制造傳感元件的智能材料主要有變體材料、形狀記憶材料及磁流變體材料等，它們能夠根據外界環境的變化來調節自身結構，以形成一定的自適應功能與機械性。

3 智能檢測與健康診斷

3.1 智能傳感元件

土木工程中常將傳感元件粘貼或埋入在建筑結構中進行健康監測，這樣不僅得到的監測結果更為準確，還能夠更好地評價建筑結構的安全性與你耐久性，有利于為工作人員提供合理依據和良好建議，決定該建筑結構是需要維修還是宣布報廢。重大土木工程建筑結構中，設備一般處于陳舊老化的不良狀態，傳統的傳感器因不能適應其實際使用需求而被有耐久性和穩定性較高的傳感器所替代。尤其是在智能傳感材料出現后，類似光纖和具有形狀記憶的合金及電阻應變絲等先進材料的應用為土木工程智能檢測大開方便之門。

3.2 健康診斷評定

根據覆蓋范圍不同，健康診斷評定分為局部和整體兩種，局部診斷評定的對象一般是比較具體且可以的建筑結構，即當前技術發展較為成熟且涉及眾多現代科學的無損檢測，例如目測法、X 射線檢測、超聲波檢測、硬度測試法及磁粉法等等。無損檢測技術相當昂貴，且僅局限于建筑結構的局部診斷評定，應用范圍較小不說，有些檢測部位甚至檢測不到，這就導致對建筑結構的整體診斷評定檢測不及時，影響到建筑在正式投入使用后的安全性。

是否有一種方法可以針對建筑結構本身的整體性進行診斷評定呢？經實驗證實，智能結構控制系統可以通過自感知、自診斷的智能傳感元件完成這一任務。例如應用光纖技術和半導體材料設備進行實時監測，不僅能夠靈敏測出結構損傷，還能對損傷程度進行有效監控，可謂一舉兩得。智能結構控制系統檢測到的常見問題有發生裂縫破損問題和應力作用下裂縫會愈演愈烈，通過只能結構控制系統可以最大限度地控制結構裂縫，避免發生超過限度后的災難性建筑安全事故。

4 智能結構的關鍵問題

4.1 提高信息處理技術

智能結構控制系統中主要的結構元件有傳感元件、驅動元件和乙級控制元件，它們在組合的過程中若要成功定位則要求進行一個完整的計算過程，在這個計算過程中常用小波分析技術、時間有限元模型理論及光時域反射計檢測技術等對數據總線、連接網絡進行定位，并將傳感器的信息處理與數據傳輸融為一體。

4.2 發展控制集成技術

各部件的運行全部由與控制運動、產生感覺及實現高級腦功能的高級神經中樞大腦類似的智能結構控制系統全權主導，眾多元件經集成化處理后被連到控制系統當中，結構內部處于半閉合的狀態。土木工程結構一旦不幸遭遇火災、地震、洪水等惡劣的自然災害而發生形狀改變時，智能結構控制系統的可變性難度加大，因此在技術發展過程中，只有解決了結構與形狀穩定的問題才能獲得預期效果。

4.3 提高智能傳感技術

智能傳感技術的強大優勢在于能夠實現建筑結構在線、實時的監測，而這一優勢又需要依賴傳感元件來完成。理論上傳感元件的使用具有一定的特殊性，主要表現在以下三點：其一，尺寸大小與薄厚程度不會影響結構外形；其二，主體結構的材料會與混凝土材料相容，并使強度影響到最低；其三，傳感材料強大的物理性能在信號、電磁干擾方面發揮得淋漓盡致，因此研究智能傳感技術要結合多家學科知識，實現傳感材料物理性能的優化升級。

4.4 發展智能驅動技術

作為能夠改變智能結構形狀和力學的智能驅動技術還是有效解決智能結構自身缺陷修補的關鍵性技術之一。驅動元件在結構內部中應用后會和自適應結構組成一個統一的功能性元件，該元件會隨之外部環境的變化而改變結構的性能參數，自適應結構既是智能建筑與眾不同的標志性構成，又是智能建筑向高級轉變的關鍵所在。智能驅動技術的主要研究內容有以下三點：其一，驅動系統材料本身的機械性能要好，例如加大彈性模具量、提高抗沖擊性等；其二，驅動系統材料與主體材料結合時，其兼容性與結合度要高；其三，加強頻率響應寬，提高相應的速度，保證結構易被控制。

5 結論

土木工程智能建筑結構作為一門新興學科，其涵蓋范圍廣、應用潛力大，尤其在加強建筑結構安全性方面。目前土木工程智能結構控制系統雖然已取得了令人可喜可賀的成績，而且現代建筑結構受其影響也有了一定發展，但隨著新材料、新技術的問世，未來土木工程智能建筑結構的發展趨勢一定是多元化的，這就要求我們要必須實事求是、與時俱進，不斷創新。