淺析土木工程結構健康監測系統的研究狀況與進展

劉有棟

摘 要：對于一些土木工程結構進行健康檢測，了解其在臺風、地震、爆炸等一些災害性事件發生之后的健康狀況，需要花費大量的時間和人力，對于這些土木工程建筑來說，其關鍵性節點或者結構構件一般都位于建筑裝飾物或者外覆蓋物下面，在關鍵性的土木工程結構如軍事指揮中心、發電廠、醫院、水廠等，經歷災害性事件后需要立即進行健康評估，將結構健康狀況的有關信息向政府部門上報，可以為營救人民生命和財產起到至關重要的幫助作用。本文將就土木工程結構健康監測系統的研究現狀和具體應用展開探討。

關鍵詞：土木工程結構；健康監測系統；應用

土木工程結構的健康監測，一般是指在現場使用結構系統特性分析技術和無損傳感器技術，檢測土木工程結構的結構退化或者損傷等問題。1994年美國加州發生大地震，雖然一些建筑物沒有倒塌但是建筑物結構已經被損傷，由于沒有進行結構健康檢測因此未發現，在經歷了若干次余震后倒塌了。可以看出進行結構健康檢測是至關重要的，土木工程結構的健康監測也是目前土木工程領域專家學者研究的重點課題。

1土木工程結構長期健康監測系統概念分析

土木工程結構長期健康監測系統能夠針對結構從設計、施工到竣工使用進行全過程健康狀態監測和評估，實際施工是否嚴格按照設計方案進行、土木工程結構投入使用后荷載是否正常、經歷災害性事件后結構是否有損傷等，都可以通過結構長期監測系統得到相關結論。較為先進的健康監測和損傷識別技術能夠在損傷早期發現損傷的位置和程度，如果傳感器精度允許，還能通過得到的數據預測結構的使用壽命。理想的結構損傷識別技術應該具備一項能力，就是將結構損傷造成的偏差和結構建模造成的區別開來。雖然近年來我國的科學技術水平不斷提高，出現了一些整體比較成功的結構健康監測技術，但是并沒有建立具體的制度和標準，讓我們能夠通過監測得到的數據分析結構的健康狀況和安全狀態，因此，如果土木工程結構較為復雜，針對其進行結構健康監測仍是一大難題。

土木工程結構長期健康檢測系統是一種在線監測技術，這個系統主要包括了傳感器、處理器、數據采集器、通信設備、監控設備和報警設備等，傳感器的主要作用是將檢測到的信號轉化為設備可以識別的電信號，數據采集和數據處理設備則是采集這些電信號并進行處理，將處理過后的數據傳送到監控中心，監控中心對這些信息進行最終處理，通過得到的數據進行結構健康狀況評估。一般系統要配備獨立的電源供給設備，防止外界因素造成斷電，造成設備無法正常和持續工作，通信設備應該包括有線通信設備和無線通信設備兩種。

2土木工程結構損傷檢測的研究現狀

2.1土木工程結構損傷檢測的基本方法

①動力指紋分析法，土木工程結構可以看做是一套動力學系統，這套動力學系統中包括了質量、阻尼矩陣和剛度等結構參數，結構的損壞將會對這些結構參數造成影響，系統的模態參數和頻響函數也會因此發生變化，其中發生結構損傷的標志就是系統模態參數的變化，因此可以將其作為指紋來檢測結構損傷。要準確發現損傷所在的位置，應該先對損傷的狀況進行一系列假設，將這些假設作為實際損傷情況建立損傷數據庫，檢測結構發生損傷其動力指紋發生的變化并將其與數據庫中的指紋對比，將數據庫中最接近的指紋的損傷狀況作為結構的實際損傷狀況；②系統識別法和模型修正法，在理論層面，模型修正法就是先通過分析建立有限元模型，將實驗中得到的加速度時程記錄、模態參數等數據等作為條件來優化約束，不斷修正剛度分布，最終實現對結構損傷的定位和判別。在理論層面這項技術比較直觀，但是實際應用中存在諸多問題，如建模存在誤差、噪聲測量存在誤差等，都限制了這種方法的廣泛應用，實際使用中很難得到完備的模態信息，求解特征方程可能得不到唯一解，雖然近幾十年模型修正法不斷完善，但是并沒有得到一個被領域專家學者都認可的標準方案；③神經網絡法，非參數模型具備很多方面的優勢，尤其是在參數模型難以選擇的情況下，這其中受到技術人員青睞的方法是神經網絡法，不論研究的是非線性結構還是線性結構，使用神經網絡法都能得到結論，因此對于一些需要考慮非線性的土木工程結構，吸引力較大，國內外都針對神經網絡法開展了深入研究并取得了一定的成績。

2.2研究存在的若干問題

近年來基于振動的土木工程結構損傷檢測技術在學術研究上取得了優異成績，并且得到了廣泛的應用，但是對于橋梁和高層建筑等較為復雜的土木工程結構，其損傷檢測仍然存在一定的問題，現在應用較多的土木工程結構損傷檢測技術，有很多都是從航空航天領域拿過來的，因此存在一定的適用性問題，這些問題主要體現在以下幾個方面：①模型誤差，相對于航空航天和機械結構，土木工程結構允許有較大的模型誤差，但是對于結構的損傷檢測，如果誤差較大可能造成損傷檢測的結構存在較大偏差；②測量噪聲，在土木工程結構損傷檢測中，不可避免的會產生噪聲，因此長期的檢測必須確保傳感器的耐久度符合使用要求，這樣才能保證數據的準確性和穩定性；③測量數據不完整，我們一般無法測得土木工程結構的完成模態信息，只能得到一部分模態信息，而一些損傷檢測方法必須使用完整模態，雖然有具體的解決辦法但是會產生較大的誤差。

3傳感器優化布置技術

參數識別和損傷檢測都受到傳感器布置因素的影響，假定給出了n個傳感器，我們需要解決的問題就是如何優化布置這些傳感器以獲得關于土木工程結構最多的健康信息；假設已經安裝了傳感器p個，還需要增加g個，如何布置才能得到損傷檢測的最優結果，這是傳感器優化布置需要解決的問題。完善的傳感器布置系統應該是：費用最低、得到的結構模型參數較好、實現整體性能評估、實現損傷的早期識別。很多專家學者都針對傳感器的優化布置進行了深入研究和探討，近年來人們普遍關注的一種方法就是“有效獨立法”。

4結束語

綜上，土木工程結構損傷監測系統和損傷檢測技術是近年來新興的技術，發展前景廣闊，在土木工程領域將會得到廣泛應用，為早期預測結構損傷做出重要貢獻。

參考文獻：

[1]胡明文.數據挖掘與土木工程的健康監測及診斷[J].振動工程學報.2004，（01）：37

[2]李宏男.土木工程結構健康監測研究進展[J].防災減災工程學報.2003，（03）：125

[3]崔連忠.探究光纖傳感技術在土木工程健康監測中的應用[J].城市建設理論研究.2013，（12）：62