土木工程結構的性能監(jiān)測系統(tǒng)與損傷識別方法研究

摘要：新世紀，我國的土木工程以及基礎設施的建設越來越多，相應地各種大跨度結構和超高層建筑也取得了較快的發(fā)展。在土木工程的學術研究領域，大型土木工程結構性能監(jiān)測的研究與應用也受到了極高的重視和關注。鑒于此，本文筆者結合理論研究和實踐經(jīng)驗，對土木工程結構性能監(jiān)測系統(tǒng)與損傷識別方法進行了簡要探討，期望能夠在一定程度上推動土木工程結構性能監(jiān)測系統(tǒng)與識別方法的發(fā)展。

關鍵詞：土木工程結構；性能監(jiān)測系統(tǒng)；損傷識別方法

當前，在我國各地的城市隨處可見高層建筑、大跨度空間結構以及特大橋梁等，并且人們在注重這些建筑功能的同時也強調了結構使用安全性以及舒適性等要求。不得不承認，當前人們對土木工程結構的研究還存在很多空白，尤其在土木工程結構性能監(jiān)測系統(tǒng)和損傷識別方法等方面的研究尚淺，當前加強對這兩方面的研究具有重要的理論意義和工程價值。

一、土木工程結構健康監(jiān)測的發(fā)展趨勢

20世紀50年代以來，人們就開始注重對土木工程結構的安全監(jiān)測工作，然而因為以往的土木工程結構監(jiān)測手段十分落后，加之沒有這方面的專業(yè)人才，導致其發(fā)展較為緩慢。近年來，隨著計算機技術、現(xiàn)代測試技術以及分析技術等的進步與發(fā)展，土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)也得到了初步的完善，并在實際土木工程結構中得到了一定的應用。但值得注意的是，我國雖然在土木工程結構健康監(jiān)測方面取得了一些成就，但還沒有建立起一套能夠高效滿足結構監(jiān)測需要的健康監(jiān)測系統(tǒng)。引起這一缺憾的原因很多，比如部分土木工程結構的體積太大、跨度太長、面積太廣等原因使得健康監(jiān)測系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性、耐久性等指數(shù)都不能很好地滿足實際工程的需要，也就不能有效地進行結構損傷識別及后續(xù)的安全狀態(tài)評估了。所以，加快建立一套高效的土木工程結構性能監(jiān)測系統(tǒng)是當務之急。筆者認為，高性能的智能材料傳感器在土木工程結構性能監(jiān)測中的應用以及以人工神經(jīng)網(wǎng)絡為代表的人工智能技術在結構損傷識別中的應用己經(jīng)成為了一種重要的發(fā)展趨勢。

二、土木工程結構的性能監(jiān)測系統(tǒng)

（一）用于整體監(jiān)測的傳感器系統(tǒng)

現(xiàn)階段，土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)較為常用的傳統(tǒng)傳感器有四種，即壓電式力傳感器、溫度傳感器、阻抗傳感器以及電阻應變片等。另外，當前也發(fā)展了一些比較新型的智能傳感器，比如光纖傳感器、壓電材料、電磁致伸縮材料制成的傳感器等。當前，應用于整體監(jiān)測的主要包括GPS接收機、激光準直儀、全站儀以及機器人測量方法等。最近幾年隨著GPS接收機技術以及軟件處理技術的快速成長和發(fā)展，加之整周模糊度在航解算的提出以及GPS衛(wèi)星信號解算精度的提高，為大型土木工程的安全性能監(jiān)測提供了可靠保障。

（二）土木工程結構性能監(jiān)測中存在的不足與問題分析

就目前的情況來看，我們在土木工程結構性能監(jiān)測方面還存在以下不足與問題之處：

1、土木工程結構的整體監(jiān)測尚未實現(xiàn)

因為土木工程結構具有不確定性的特征，價值各種復雜惡劣的工作環(huán)境會對其結構模態(tài)參數(shù)的敏感性造成諸多不利影響，所以現(xiàn)階段人們還未能攻破土木工程結構的整體監(jiān)測這一難題。筆者認為，要想真正解決這一難題，最好的方法是把結構分成許多子結構，通過各個子結構的模態(tài)參數(shù)變化來判斷整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

2、缺乏統(tǒng)一有效的結夠健康狀態(tài)評價機制

對土木工程結構健康狀態(tài)的評價缺乏一個統(tǒng)一有效的損傷量化指標是當前的普遍現(xiàn)狀，這就導致無法有效地反映某個局部構件的損傷對整個土木工程結構的影響情況，也就大大制約了結構性能的監(jiān)測。所以，當前我們應該想法設法地制定一個統(tǒng)一的有效的損傷量化指標，這樣才能真正把土木工程結構的健康狀況進行有效監(jiān)測和改善管理。

3、在信號處理上不夠準確

今天，很多人都認為噪音信號是不變的高斯分布，并且感興趣的信號都有確定的頻率。事實上并不是這樣的，其實感興趣的信號頻率其范圍都比較寬，而且只能在一個不理想的變化環(huán)境中得到，這將成為未來很長一段時間內我們研究的重點。

4、傳感器在布設方面尚待提高

事實上，土木工程結構的健康監(jiān)測還離不開診斷傳感器的優(yōu)化布設這一個問題，我們在對傳感器進行布設的過程中應當做到使用盡量少的傳感器獲取盡可能多的結構信息。除此之外，開發(fā)適合結構監(jiān)測的專用傳感器也極為關鍵。現(xiàn)實中測量儀器的精度不高、效率偏低是一個難關。

三、土木工程結構的損傷監(jiān)測方法分析

土木工程的結構損傷識別主要是通過對土木工程結構的關鍵性能指標進行測試和分析，從而判斷土木工程的結構是否受到損傷的過程。毋庸置疑，結構損傷識別是土木工程結構健康監(jiān)測的一大核心內容，不容忽視。筆者在此把結構損傷識別分成四個階段，具體來說，首先是通過全局監(jiān)測手段探測出損傷的存在，也就是說監(jiān)測土木工程的結構有沒有發(fā)生損傷；其次是在受到損傷的情況下對其進行定位；第三是建立一個損傷量化指標，以此來確定損傷的嚴重程度，從而方便有效地制訂出合理的維修方案；最后需要指出的是進行結構損傷識別的最終目的，也就是對土木工程的結構安全情況、承載能力和剩余壽命進行評估。通常來說，土木工程結構損傷監(jiān)測的方法主要有兩種，一種是局部監(jiān)測，另一種是整體監(jiān)測。這里所謂的局部監(jiān)測就是通過對土木工程結構中的某個局部構件進行無損傷監(jiān)測，看它有沒有發(fā)生局部損傷以及損傷的程度情況，從而進一步判斷該損傷對結構整體工作性能的影響狀況。而整體監(jiān)測則相反，它是通過監(jiān)測土木工程結構的整體特性來評價整個結構的實際狀態(tài)，這一監(jiān)測方法在國內外應用十分普遍。

（一）局部監(jiān)測

通常來說，對土木工程進行局部監(jiān)測需要用到的方法和技術很多，比如目測法、聲發(fā)射法、射線法以及超聲波技術法等。值得注意的是，采用局部監(jiān)測的方法需要預先明確土木工程結構損傷的具體位置，同時它對監(jiān)測儀器的要求也很高，特別是對部分大型且復雜的工程結構，局部監(jiān)測的劣勢就會顯現(xiàn)出來，主要表現(xiàn)在無法監(jiān)測出整體結構的損傷信息這一問題上。

（二）整體監(jiān)測

具體來說，對土木工程進行整體監(jiān)測需要用到以下幾種方法：

1、動力指紋法。該方法是從動力測試中獲得的含有土木工程結構特性的有效信息，它主要是通過分析與結構動力特性相關的動力指紋變化來對結構的真實狀況進行評判。

2、模型修正法。該方法借助動力試驗數(shù)據(jù)，通過條件優(yōu)化約束來不斷地改變和修正土木工程結構模型的剛度分布情況，從而得到結構剛度變化的信息，繼而對結構損傷的位置和狀態(tài)進行明確，它尤其在處理子結構的損失方面優(yōu)勢明顯。

3、神經(jīng)網(wǎng)絡法。這一方法是指對人腦和自然神經(jīng)系統(tǒng)進行的抽象和模擬，它是由大量處理單元相互聯(lián)結而成的，且按照一定的順序連接來獲取信息的聯(lián)系模式。

4、遺傳算法。這一方法是從一組隨機產(chǎn)生的初始解進行搜索，并以此監(jiān)測出土木工程結構的整體損傷情況。當前，遺傳算法是土木工程結構性能監(jiān)測系統(tǒng)的一種主要方法。

參考文獻

[1]楊曉明.土木工程結構的性能監(jiān)測系統(tǒng)與損傷識別方法研究[D].天津大學，2006.

[2]李曉明.淺談土木工程結構的性能監(jiān)測系統(tǒng)與損傷識別方法[J].安徽建筑，2014，03：203-204.

[3]沈東強.基于神經(jīng)網(wǎng)絡的土木工程結構損傷識別方法研究[D].武漢大學，2004.

[4]王靜.基于模糊運算的結構損傷識別方法研究[D].鄭州大學，2013.