土木工程結構的智能檢測與檢測系統

李馬力

【摘 要】土木工程結構的智能檢測與健康診斷系統是由傳感元件和信號采集再經傳輸和處理以及健康診斷等部分組成的。本文對該系統引進的智能傳感器、信息的融合以及對故障的診斷等影響工程結構的智能檢測與診斷系統采取了探究和討論。

【關鍵詞】土木工程智能監測；診斷系統

一、土木工程智能監測與檢測系統

（一）智能傳感元件

土木工程的健康監測就是利用性能穩定、耐久性好的傳感元件，埋入或粘貼于結構中，對最能反映土木工程安全狀況的參數進行監測，評價結構的安全性、耐久性，為維修、報廢、報警決策提供可靠的依據。土木工程結構與設施往往處于較惡劣的環境中，要求傳感器必需滿足耐久性、穩定性、與結構相容性等，傳統的傳感器很難滿足工程實際的需要。智能傳感材料的出現，如光纖、壓電材料、形狀記憶合金、碳纖維、電阻應變絲、疲勞壽命絲、半導體材料等，為土木工程長期智能監測打下了堅實的基礎。

（二）信號智能處理

土木工程健康監測的結構參數較多，如應變、加速度、速度、位移、溫度、旋轉等，再則，大型結構的多自由度特性要求的監測布點盡可能多，從而就要求采用盡可能多的傳感器，而且不同的參數測量采用的原理也大多不一樣，尤其智能傳感器的出現使得測量的信號差異很大。多傳感器的使用會帶來以下4個方面的問題：（1）多傳感器形成了不同通道的信號；（2）同一信號形成了不同的特征信息；（3）不同的診斷途徑和方法會得出有偏差的診斷結論；（4）來自多傳感器的監測信息和診斷決策信息具有強烈的不確定性。如何綜合利用來自多傳感器的多源不確定性信息以提高確診率成為土木工程健康監測系統亟需解決的問題。

（三）健康診斷與安全評定

健康診斷與安全評定可分為局部診斷與評定和整體診斷與評定兩種。局部診斷與評定針對的對象是具體可疑的結構構件，即通常的無損檢測與無損評價，其技術已比較成熟，幾乎涉及現代科學的每一分支，如射線檢測、聲與超聲檢測、電學與電磁檢測、熱力學與化學檢測等，具體而言，如X射線法、超聲回彈法、硬度測試法、渦流法、磁粉法、同位素法等。但是，這些方法的費用高，有些部位難以接近，對大型結構在事先無法預測損傷位置的情況下無法進行。正因為如此，人們設想能不能通過對結構整體特性，如動力特性和狀態反應等的測量來診斷與評價損傷，實際證明這種方法是可行的[1]。整體診斷與評價是對結構的特性參數如頻率、相位、振型、阻尼及狀態量等進行測量，通過分析這些量的變化對結構進行診斷與評價。

二、目前需要解決的問題

（一）對智能的傳感元件進行研究

參照所需要進行的監測量，來對智能材料各項性能進行改造，從而能夠研究出一種耐久性好并且可以埋入或者附著的傳感器。一些傳感器的原件等智能材料在很多領域如航空航天和機械行業獲得的成效相當顯著。但是要將其引入到重大土木工程中就必須做一些工作，如耐久性的問題和相容問題等。

（二）對傳感器的優化配置

因為結構的損傷模態本身具有的復雜性，所以對傳感器優化布置進行研究的時候，就要全面并且經濟的將結構信號提取出來。

（三）對參數的識別研究

雖然機械領域中對參數的識別已經相對成熟，然而在土木工程的識別中就有了瓶頸。在機械領域中，對參數進行測量通常較為恒定。因為土木工程的環境因素影響相對較大，甚至還存在某些非結構的構件如內墻和梯子以及存放物和周邊的建筑物等發生了變化，則完全有可能導致結構的參數發生變化，進而致使監測得到的量發生變化，這必然會對智能檢測和健康評估引進一些錯誤信息。

（四）利用專家系統進行研究

現今對土木工程結構的研究設計還只是停留在對構件的處理上，所以至今還沒有一個統一起來的結構標準。這就說明了健康監測和對損傷進行定位和評價還沒有具體的統一標準，且具有較強的個性。

（五）利用結構模型給予修正

現今結構建模以及對模型的修正還沒能夠較好的將損傷到結構中的靜和動態的特點反映出來，所以利用此模塊作為參考和設計參照標準時還需謹慎因為，它的可靠性程度還需要更深入地研究。

（六）利用相關領域范圍內的高新技術

其它領域有許多技術應用已經相當的成熟，如果能將這些先進的技術類似于應力的波理論和聲的發射技術應用到重大土木工程的研究去，則會取得比較好的研究成果。

三、目前亟需解決的問題

1.智能傳感元件的研究。根據需要的監測量，改善智能材料的性能，研究耐久性好、可埋入或附著、大規模分布式的傳感元件。雖然目前的所謂智能材料在航空、航天、機械等行業已取得較好的成效，但應用到土木工程還需做一些工作，如耐久性問題、相容問題、大應變問題等。

2.傳感器優化布置。由于結構損傷模態的復雜性，研究傳感器的優化布置，以便全面而經濟地提取結構信號。

3.結構體系可靠度研究。結構體系可靠度研究尚處于初步階段，對結構的安全狀況定量地描述尚有一段距離，但它是安全評定的必需工具。

4.結構模型修正。結構建模與模型修正尚不能很好地反映損傷結構的靜、動態特征，用它來作為參考、設計的標準的可靠性有待研究。

結 語

土術工程的結構在應用服役的過程中，必定會受到環境因素等多方面的影響，必定會導致損傷的累積，最終發生抗力的衰減。如果沒能及時給予維修或者報廢，這其中隱藏的隱患將難以預測，特別是重大土木工程結構。所以，我們必須要對結構的安全狀況進行評價和評定，就要借助于智能檢測與檢測系統，獲取結構的各種重要參數并推斷其合理性以及對結構進行健康監鋇帕勺意義重大因此，土木工程的智能檢測系統在未來具有十分廣闊的前景。

參考文獻：

[1]Housner G W.Structure control：past，present and future[J].Journal of EngineeringMechanics，1997，123（9）：897-899.

[2]歐進萍，關新春.土木工程智能結構體系的研究與發展[J].地震工程與工程振動，1999，19（2）：21-28.