土木工程結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與損傷識(shí)別技術(shù)

摘? ? 要：近幾年來，科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展推動(dòng)了土木工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的快速發(fā)展，使得土木結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到了不斷地改進(jìn)與完善。就目前而言，土木工程結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由信息處理系統(tǒng)、傳感器、人工智能等監(jiān)測(cè)設(shè)備和監(jiān)測(cè)技術(shù)組成。此外，對(duì)于土木工程領(lǐng)域而言，其性能監(jiān)測(cè)與損傷識(shí)別技術(shù)較為落后，那么相關(guān)技術(shù)人員要充分發(fā)揮先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的價(jià)值優(yōu)勢(shì)，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與探傷識(shí)別技術(shù)進(jìn)行研發(fā)，這樣才能推動(dòng)土木工程領(lǐng)域的快速發(fā)展。本文主要闡述土木工程結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與損傷識(shí)別技術(shù)的優(yōu)勢(shì)并提出了具體的研究方法，旨在為相關(guān)工作人員提供技術(shù)指導(dǎo)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：土木工程結(jié)構(gòu);性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng);損傷識(shí)別技術(shù)

1? 引言

對(duì)于土木工程結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言，其主要是通過信息處理、傳感器、人工智能等先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研發(fā)而成的，該性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠在土木工程建設(shè)過程當(dāng)中為相關(guān)工作人員提供更多的信息數(shù)據(jù)，為相關(guān)人員提供精準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)損傷部位，給土木工程結(jié)構(gòu)管理和維護(hù)工作提供了良好的便利。此外，智能監(jiān)測(cè)技術(shù)也被廣泛地應(yīng)用在航空航天等多個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中并獲得了良好的效果，但其在土木工程領(lǐng)域的發(fā)展較晚，相關(guān)監(jiān)測(cè)和損傷識(shí)別技術(shù)還較為落后，這就需要行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)技術(shù)人員對(duì)該性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和損傷識(shí)別技術(shù)進(jìn)行不斷的研發(fā)，這樣才能為土木工程行業(yè)的健康發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

2? 土木工程結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)

對(duì)于結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別而言，其主要是對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行分析，然后在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上判斷該結(jié)構(gòu)是否受到了損害。在土木工程行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，專業(yè)人員將土木工程結(jié)構(gòu)中的損傷識(shí)別指標(biāo)主要分為：是否由損傷發(fā)生、定位損傷、評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)損傷大小、估計(jì)結(jié)構(gòu)剩余壽命等方面。

2.1? 局部監(jiān)測(cè)

對(duì)于土木工程結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言，其最常用也最重要的一種方法是局部監(jiān)測(cè)法。對(duì)于局部監(jiān)測(cè)法而言，其主要涉及射線法、目測(cè)法，以及聲發(fā)射法，通過局部監(jiān)測(cè)法能夠準(zhǔn)確判斷出土木工程結(jié)構(gòu)受損傷的位置，對(duì)該位置的損壞程度大致進(jìn)行了解，在此過程中就需要較為精確的監(jiān)測(cè)儀器才能滿足實(shí)際的使用需求。如果土木工程的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、規(guī)模較大，那么需要的監(jiān)測(cè)儀器只有配備更高的精度才能滿足實(shí)際需求，對(duì)結(jié)構(gòu)損傷部位進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，從而為相關(guān)工作人員開展維修工作提供良好的便利和指導(dǎo)。

2.2? 整體監(jiān)測(cè)

在土木工程領(lǐng)域中，性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)常用的方法還有整體監(jiān)測(cè)法。對(duì)于該方法而言，其主要是對(duì)土木工程損傷前后本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化特征進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在監(jiān)測(cè)過程當(dāng)中，主要使用到的整體監(jiān)測(cè)方法分為以下幾個(gè)類型：第一，動(dòng)力指紋法。對(duì)于這種方法而言，其首先要對(duì)土木工程開展動(dòng)力測(cè)試，然后在測(cè)試中得到工程結(jié)構(gòu)的相關(guān)信息，將得到的結(jié)果信息與對(duì)接動(dòng)力特性進(jìn)行對(duì)比，利用動(dòng)力指紋的變化規(guī)律就能對(duì)工程結(jié)構(gòu)的變化情況進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。第二，模型修正法。對(duì)于這種方法而言，其主要是在動(dòng)力試驗(yàn)得到的信息數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對(duì)工程結(jié)構(gòu)條件進(jìn)行約束與優(yōu)化，然后將工程結(jié)構(gòu)模型剛度的分布情況進(jìn)行修正，在獲得結(jié)構(gòu)剛度變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，對(duì)工程結(jié)構(gòu)的損傷狀況進(jìn)行判斷，該方法在處理過程中存在操作簡單、投資金額少等優(yōu)勢(shì)。第三，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。這種方法主要是利用儀器將工程結(jié)構(gòu)的損壞程度利用人腦、自然神經(jīng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的方式進(jìn)行模擬，將系統(tǒng)調(diào)整為信息聯(lián)系模式，由大量系統(tǒng)信息單元對(duì)結(jié)構(gòu)損害程度進(jìn)行判斷，最終通過系統(tǒng)輸出較為準(zhǔn)確的信息數(shù)據(jù)。

3 土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別中存在的問題

近幾年來，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步促進(jìn)了土木工程行業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展，同時(shí)也擴(kuò)大了土木工程建設(shè)的規(guī)模和數(shù)量。隨著數(shù)量的逐漸增加，人們也越來越關(guān)注工程受到的結(jié)構(gòu)損傷問題。就目前而言，雖然在土木工程結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測(cè)技術(shù)投入了大量的資金，但由于相關(guān)監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展較晚、部分技術(shù)不成熟、人員專業(yè)水平有限以及缺乏先進(jìn)的參考經(jīng)驗(yàn)，那么性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與損傷識(shí)別技術(shù)的研發(fā)還存在一定的不足。

3.1? 結(jié)構(gòu)模型存在誤差

現(xiàn)階段，對(duì)于結(jié)構(gòu)性能損傷識(shí)別技術(shù)而言，其在使用過程中需要建立一定的條件基礎(chǔ)，主要是利用數(shù)學(xué)模型將抽象的事物進(jìn)行代替。由于結(jié)構(gòu)損傷性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自身存在一定的復(fù)雜性，那么在使用過程中會(huì)存在較大概率的隨機(jī)事件，那么相關(guān)人員在使用結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之前，要將監(jiān)測(cè)過程中可能產(chǎn)生的隨機(jī)事件模型在系統(tǒng)中做好預(yù)設(shè)，這樣才能提高監(jiān)測(cè)的精確。然而，即使做好了精準(zhǔn)的隨機(jī)事件模型預(yù)設(shè)，但在使用過程中也無法完全避免相關(guān)的問題，土木工程結(jié)構(gòu)模型的監(jiān)測(cè)就會(huì)產(chǎn)生精度誤差。隨著科技的不斷進(jìn)步，土木工程結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也逐漸向著信息化和現(xiàn)代化的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)型，一定程度上提高了監(jiān)測(cè)的精度，由于土木工程結(jié)構(gòu)模型本身存在一定的誤差，那么技術(shù)員可以采用結(jié)構(gòu)識(shí)別方法來縮減模型誤差的范圍，這樣才能有效識(shí)別工程結(jié)構(gòu)損傷的部位。因此，對(duì)于結(jié)構(gòu)模型誤差而言，其是當(dāng)前制約土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別基礎(chǔ)發(fā)展的一個(gè)重要因素，然而，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在水泥基壓電傳感器實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)逐漸研發(fā)出了減少結(jié)構(gòu)模型誤差的技術(shù)方法，逐步完善了土木工程結(jié)構(gòu)模型。主要實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

3.2? 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的缺失

在損傷識(shí)別過程當(dāng)中，出現(xiàn)的最大問題是測(cè)量的數(shù)據(jù)不夠完整，如果假設(shè)土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別為結(jié)構(gòu)模型，那么模型自身存在相同的實(shí)測(cè)自由度與自由度，在使用損傷識(shí)別技術(shù)過程中，其會(huì)受到環(huán)境因素的限制，那么就會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)不完整的現(xiàn)象，尤其是對(duì)一些結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的土木工程，其影響損傷識(shí)別技術(shù)發(fā)揮作用的因素種類更多，安裝的傳感器也較為稀疏，那么就提高了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)不完整的可能性。

3.3? 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的存在誤差

在采集和處理實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)過程當(dāng)中，由于電子信號(hào)本身存在一定的隨機(jī)誤差，不同質(zhì)量的傳感器會(huì)產(chǎn)生多種系統(tǒng)誤差，從而就會(huì)產(chǎn)生實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不精確的現(xiàn)象。對(duì)于識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷的過程而言，利用模態(tài)擴(kuò)散和模型縮句的方式來提高模擬自由度和實(shí)測(cè)自由度的吻合性會(huì)產(chǎn)生一些數(shù)據(jù)誤差，從而就會(huì)掩蓋工程結(jié)構(gòu)特性，那么在使用智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)過程中就無法準(zhǔn)確識(shí)別損傷的部位，進(jìn)而就會(huì)降低監(jiān)測(cè)的精確性。

4? 土木工程結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及損傷識(shí)別的修正

在土木工程領(lǐng)域發(fā)展過程當(dāng)中，結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)已經(jīng)成為了行業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)，但由于缺乏先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的指導(dǎo)，監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展速度較為緩慢，那么就需要對(duì)傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和損傷識(shí)別技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，才能滿足當(dāng)前的行業(yè)需求。

4.1? 強(qiáng)化系統(tǒng)的采集與處理

對(duì)于系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集與處理過程而言，其主要涉及的系統(tǒng)分為軟件和硬件兩個(gè)方面。對(duì)于軟件系統(tǒng)而言，其主要是利用行業(yè)內(nèi)的特殊方式將土木工程結(jié)構(gòu)數(shù)字信號(hào)儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中，然后交由專業(yè)的技術(shù)人員在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中將這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整合與優(yōu)化，從而就能在土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別過程當(dāng)中為相關(guān)工作人員提供信息參考依據(jù)。對(duì)于硬件系統(tǒng)而言，其主要由數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和傳輸電纜構(gòu)成，主要作用是擴(kuò)大計(jì)算機(jī)的信息數(shù)據(jù)儲(chǔ)存量以及信息整合優(yōu)化的效率。

4.2? 強(qiáng)化結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別及模型修正

對(duì)于結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別過程而言，采用模型修正法能夠降低數(shù)據(jù)測(cè)量的誤差。因此，工作人員在對(duì)土木工程進(jìn)行損傷識(shí)別之前，要對(duì)損傷識(shí)別軟件、修正模型軟件等進(jìn)行專業(yè)的檢查，確保相關(guān)軟件系統(tǒng)能夠正常發(fā)揮作用。此外，如果在土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別工作中發(fā)現(xiàn)工程某些部位受到了損傷，那么就要在此處部位安裝一定的預(yù)警設(shè)備，由預(yù)警設(shè)備向相關(guān)工作人員發(fā)出警報(bào)。對(duì)于損傷識(shí)別和模型修正過程而言，要加強(qiáng)相關(guān)軟件監(jiān)測(cè)工作的力度，這樣才能提高損傷識(shí)別和模型修正軟件系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

5? 結(jié)束語

綜上所述，就目前而言，在土木工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中應(yīng)用性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與損傷識(shí)別技術(shù)還存在一定的問題，對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)模型的識(shí)別存在一定的誤差，數(shù)據(jù)不夠完整也缺乏一定的準(zhǔn)確性，那么土木工程行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員要結(jié)合先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)對(duì)性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與損傷識(shí)別技術(shù)進(jìn)行不斷的改進(jìn)與創(chuàng)新，只有創(chuàng)造出符合土木工程領(lǐng)域行業(yè)發(fā)展的先進(jìn)系統(tǒng)和識(shí)別技術(shù)，才能促進(jìn)行業(yè)的健康發(fā)展，進(jìn)而才能創(chuàng)造巨大的價(jià)值。

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作者簡介：

陳慶敏（1985—）男，湖北武漢，研究生，工程師，主要從事建筑結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別與健康監(jiān)測(cè)。