土木工程結構健康監測系統的研究狀況與進展

土木工程中的安全事故發生機率呈逐年上升的趨勢，對于土木工程結構健康監測的研究已經越來越受到國內外專家學者的關注。土木工程結構健康監測系統涉及不同的專業和領域，對于技術和能力的要求特別高，為了減少土木工程建設施工的安全事故發生頻率，提高土木工程建設的質量，必須對土木工程結構健康進行監測。

前言

土木工程的重要結構一旦發生事故，對建筑工程以及人民群眾的生命財產安全將造成不可估量的損失，所以越來越多的人將目光投向了土木工程建設的安全性研究。對土木工程結構健康進行有效的監測，可以提高土木工程建設的質量和安全性，避免和減少由于土木工程安全事故給人民群眾的生命財產造成的巨大損失。

土木工程結構健康監測的必要性

重大的土木工程結構，如橋梁、房屋等，與人民群眾的生命財產安全息息相關，一旦發生安全事故，將會帶來巨大的人員傷亡和經濟財產的損失。但是近些年來，我國土木工程的事故發生頻率不斷升高，對人民群眾的生命財產安全造成極大的威脅。對土木工程結構造成損害的原因有很多，比如洪水、地震等自然災害，或者爆炸等人為性的破壞性行為，都會對土木工程的結構造成不同程度的損害，這些損害所帶來的危害使人們對土木工程的結構安全問題越來越重視，怎樣對土木工程結構的健康狀況進行有效的監測，成為目前迫在眉睫的工作之一。

土木工程結構健康監測系統綜述

1.概念綜述

土木工程結構健康監測（SHM）是指通過現場無損傳感技術，對工程的結構響應等相關的結構系統的特性進行有效的分析，從而檢測出土木工程結構上的損傷或者退化程度。

土木工程結構健康監測需要對工程結構進行損傷識別和安全性能的評估，土木工程的結構損傷通常分為兩種，一種是突然性的損傷，另外一種是積累性的損傷。突然性的損傷是指地震、臺風、洪水等突發的自然災害，或者爆炸等突發性人為因素對土木工程造成的結構損傷，而經過長時間的使用過程中積累下來的對結構的損傷，則是土木工程的積累性損傷。通過對損傷的識別，可以清楚土木工程結構是否有損傷發生的情況，確定損傷的類型、部位以及損傷的程度，并對工程結構的剩余使用壽命做出評估。安全性評估則是在健康監測與損傷識別的基礎上，通過不同的技術手段對土木工程結構當前的安全性能和等級做出相應的判斷。

2.健康監測系統的組成

土木工程結構健康監測采用的是實時的監測技術，對工程結構進行在線監測，結構健康監測系統的組成部分可以分為傳感器子系統、數據采集和處理以及傳輸的子系統、損傷識別和安全評估子系統、數據管理子系統。傳感器系統的主要作用是將工程結構需要測量的物理量轉換成電信號進行輸出，數據采集和處理以及傳輸的子系統由軟件和硬件組成，通常安裝在待測的工程結構之中，對傳感器轉化的數據進行采集和處理，并且輸送到結構監測的中心。由損傷識別系統對采集回來的數據進行分析和整理，對土木工程的安全性能進行評估，對存在安全問題的工程結構進行安全預警，然后將分析得來的數據存儲在數據管理的子系統中，對整個土木工程結構健康監測所得到的數據進行管理。

健康監測系統的研究狀況

1.傳感器系統

傳感器系統有用于局部監測的傳感器系統，也有用于整體監測的傳感器系統，局部監測的傳感器系統是對土木工程的重要部位和結構進行感知，而整體監測的傳感器則是通過相應技術對土木工程的宏觀進行感應。用于局部監測的傳感器主要有光纖光柵傳感器、壓電材料傳感器及以形狀記憶合金為材料的傳感器，用于整體監測的傳感器主要有GPS接收機、全站儀、激光準直儀，也采用機器人測量的技術。

2.數據采集與處理系統

數據信息的采集和處理對土木工程結構健康監測系統具有重要作用，能夠對傳感器轉化的信息進行有效的采集和整理，數據采集系統有硬件和軟件兩個部分，可以通過一些信息技術將數字信號進行采集和整理，通常用到的計算機技術有C語言、Delphi等，可以通過編程對采集到的文字、圖片等數據信息進行多樣化的處理。

3.損傷識別和安全評估系統

土木工程機構的損傷識別是實時在線的識別和監測，通常使用動力指紋分析方法、模型修正和系統識別方法、神經網絡方法、遺傳算法等技術方法對工程結構進行監測。對土木工程結構安全的評估一般采取可靠度理論、層次分析法、模糊理論和專家系統等方法對其進行評估，可以對土木工程結構進行全面、系統、科學的評估判斷。

結構健康監測系統的應用

土木工程結構健康監測系統在國內和國際上都有較廣泛的應用，特別是大跨橋梁和高層復雜建筑的結構健康監測之中，國外應用較成功的范例是日本的明石海峽大橋以及德國的萊特火車站的大樓，都應用了土木工程的結構健康監測系統，對其結構進行損傷識別和安全評估。國內對土木工程健康監測的應用由于成本較高和技術復雜，主要應用在大型橋梁的監測中，如虎口大橋等。

在今后土木工程結構健康監測系統的發展過程中要特別注意對結構損傷程度的量化問題，采用有效的方法和損傷量化指標，加強對非線性數據的處理效果，采用無線監測系統，提高信息采集的效果。

總結：土木工程結構健康監測系統對于土木工程的安全性能評估以及今后的發展具有重要作用，雖然結構健康監測和損傷識別的技術是新興的科技，在應用過程中還存在一定的局限性，但要加大對結構健康監測領域的研究力度，將來會具有非常廣闊的發展空間。

（作者單位：廣東技術師范學院天河學院）