淺談土木工程結構的性能監(jiān)測系統(tǒng)與損傷識別方法

李曉明 （棗莊學院城市與建筑工程學院，山東 棗莊 277160）

0 引 言

近年來，我國對土木工程結構的性能監(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。因為土木工程結構的性能監(jiān)測系統(tǒng)能夠為土木結構的性能提供很大信息，以便對其結構損傷進行及時修護，進而為土木結構的維護和管理決策提供可靠的信息。在我國，結構的性能監(jiān)測技術在航天航空等領域早已取得了較大的成就。但是結構的性能檢測在土木工程領域應用的比較晚，當然，土木工程結構的性能監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)得到充分的重視和推廣。

1 土木工程結構的損傷檢測

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

1.1 局部檢測方法

對土木工程結構的性能監(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等。同時，局部檢測法還需要預先知道結構損傷的位置，并且對檢測儀器的要求也比較高，尤其是對于一些大型復雜的設備結構，局部檢測法就無法檢測出整體結構的損傷信息，這也是局部檢測法的最大缺點之一。

1.2 整體檢測方法

對土木工程結構的性能監(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)生前后結構參數(shù)特性的改變進而診斷出結構損傷的方法。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構特性的信息，主要通過分析與結構動力特性相關的動力指紋變化來判斷結構的真實狀況。

②模型修正法。模型修正法主要利用動力試驗數(shù)據(jù)，進而通過條件優(yōu)化約束，不斷地修正結構模型的剛度分布情況，進一步得到結構剛度變化的信息，然后就能實現(xiàn)結構的損傷判別與定位。這種方法在處理子結構的損失方面具有很多優(yōu)點。

③神經(jīng)網(wǎng)絡法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡是指對人腦和自然神經(jīng)系統(tǒng)進行的抽象和模擬。神經(jīng)網(wǎng)絡法是由大量處理單元相互聯(lián)結組成，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)生的初始解進行搜索，進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構的性能監(jiān)測系統(tǒng)的主要方法。

2 土木結構損傷識別中存在的主要問題

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

2.1 結構模型出現(xiàn)了誤差

目前，人們對木工程結構中出現(xiàn)的損傷進行的預測都是在一定的基本條件下進行的，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)學模型。當然，針對具體的土木工程結構系統(tǒng)，在進行模型化的過程中，由于系統(tǒng)的復雜性導致了很多隨機性的出現(xiàn)。結構模型誤差的產(chǎn)生主要是由于結構的復雜性，進而必須要將引入的結構鏈接和邊界條件等進行一定的簡化和假定等，這就導致結構模型不能準確地反映結構內(nèi)部的一些細節(jié)問題，進而導致結構模型出現(xiàn)了很大的不完備性。當然，隨著科學技術的不斷進步，一些新的試驗方法能夠減少結構模型產(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)，對土木結構的性能也能進行更加精確的檢測，同時這也是通過結構識別方法而改進結構模型的主要目的。由于土木工程結構模型誤差的存在，如果不對這些誤差進行仔細地分析，就會進一步造成處理結構損傷識別的問題。因此，結構模型出現(xiàn)的誤差是土木結構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

土木結構損傷識別中存在的問題還包括實測數(shù)據(jù)的不完整性。由于很多土木結構損傷的識別方法假定結構模型具有相同的自由度和實測自由度，在實際結構中，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構測試傳感器大多只能布置在一些有限的位置上，尤其是對于一些復雜的結構，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構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構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)進行進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，并且傳感器由于質量問題也會帶來一定的系統(tǒng)誤差，進而造成信號處理或識別技術具有非常大的不精確，這些都被認為是實測數(shù)據(jù)的不精確性造成的誤差。在對土木結構進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，進而就會導致一些誤差的出現(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構特性改變而引起的結構改變，進而就會導致檢測系統(tǒng)無法進行對損傷識別。當然，在對土木結構的損傷識別進行研究的過程中，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構損傷識別進一步發(fā)展和應用的關鍵。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，我們應該進行更多的研究。

3 結 語

通過對土木工程結構的性能監(jiān)測系統(tǒng)的結構和損失識別的方法進行研究。目前，仍很多問題需要進行具體的解決，尤其是對于土木結構模型出現(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，我們應該加強研究并解決這些問題。同時，我們還可以吸取其他結構監(jiān)測領域內(nèi)的先進方法，進而對土木結構性能檢測系統(tǒng)進行更好的改造。因此，現(xiàn)階段研究土木工程結構的性能監(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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