土木工程結構健康監測系統的研究狀況與進展

吳天俊

深圳中建院建筑科技有限公司，廣東 深圳 518063

1 使用土木工程結構健康監測系統的必要性

國家社會建設離不開土木工程，在土木工程建設過程中如果發生事故，可能會對施工人員造成威脅以及對經濟造成極大的損失，因此要對其結構的健康情況進行監測，防止結構出現問題，造成安全隱患的存在，威脅人們的生命安全。

具體結構存在問題的方面不僅包括人為因素引起的一些損害，還包括自然因素引起的一些損害，因此在社會的不斷發展過程中需要對這些因素進行監測。最直接的監測方式就是對土木工程的結構進行監測，如果數據出現異常，則表示內部結構出現問題，施工人員應給予高度的重視，并對問題進行排查與解決，做到未雨綢繆，提前做好布防措施，將損失降到最低。這不僅有利于保障人們的生命安全，而且對企業的經濟效益也有一定的保障作用。因此，在土木工程中應用健康監測系統十分必要。

應用該監測系統主要是將結構信息傳輸到計算機系統內，判斷是否出現異常數據，如果出現異常數據，計算機會及時警報，提醒施工人員注意。如果問題較嚴重，則應立即停止施工，派專業人員檢查，防止問題進一步擴大而造成事故的發生。因此，在具體的監測系統使用過程中，應實時關注異常數據，并對整個監測系統的運行情況進行控制，防止系統運行出現故障，避免無法對問題進行及時上報而導致其他系統無法正常工作。

2 土木工程結構健康監測系統構成及原理

（1）構成。工程結構健康檢測系統是一種無損檢測系統，通過對結構等建筑特性的分析，并對整體工程進行檢測，找到其中退化勞損的部分。該系統主要利用傳感器技術對工程結構進行特性分析，檢驗工程結構上可能存在的損傷或故障，并且利用該系統可以提高土木工程結構建設質量，同時可以對其質量進行細節處的修補，使其質量水平進一步提升，發揮土木工程結構的實際作用。合理的健康監測系統可以結合多個技術進行綜合應用，例如，將傳感器系統、信號轉換系統以及計算機數據傳輸系統這些分散的系統通過終端連接起來，利用計算機的數據分析能力分析傳感器系統所獲取的信息；利用信號轉換系統將傳感器系統獲取的信號轉化為數字信號傳輸到計算機終端進行分析；利用數據傳輸系統保證數據傳輸的真實性和有效性。根據計算機終端分析的結果做出相關反應，并對各個系統進行組裝，實現自動化一體化建設，使計算機終端可以直接控制機械系統進行工作，并對問題進行排查，減少人工操作的失誤，這對整個系統的安全評估和實用性也有著充分的保障作用，可以使土木工程結構健康監測系統順利完成工作，并且對生產安全也有一定的保障效果。

（2）原理。該系統的具體工作原理主要是通過數據測量系統對工程結構的狀況進行監測，并分析可能引發故障發生的誘因，判斷結構的損傷程度，進一步測量損傷部位，派出人員進行維修。識別和安全評估方面是該系統的工作重點，在損傷識別方面主要根據來源進行分析，判斷是人為因素還是自然因素。人為造成的損傷可能是人為操作不當或設備使用不當而造成的結構損傷；在自然因素方面，地震、山體滑坡等多種自然災害而造成的外來損傷在施工階段沒有發現，但經過長期的施工時間的沉淀，損傷進一步擴大可能會導致事故的發生，因此在其損傷初期就要進行實時監測以獲得結構數據的異常變化，并根據異常變化找到具體的位置進行修補，這樣可以減少土木工程的安全隱患。在安全性評估方面是通過監測系統對結構安全性進行評估，利用各種測試方式來對安全狀態進行測試，并根據測試結果得出具體的數據來評估，因此其評估是具有數據基礎的，并且可以根據等級劃分確定工程結構。在其安全性方面不僅有評估作用，而且具有可靠性，可以進一步提高工程建設的穩定性，利用一體化建設來達到機械修筑和鞏固建設的目的，使建筑的安全性進一步提升。在具體的土木工程建設中，可以以某地橋梁建設為例，在橋梁建設時檢測其橋梁下部的荷載，防止其荷載無法達到要求而導致橋梁基礎不穩。此外，還要分析局部應力狀況，確保能夠得到精確的應力分析結果，并建立監測傳感器，對應力情況進行實時監控，以動態與靜態相結合的多角度觀察方式準確地對數據進行測量。

3 土木工程結構健康監測系統診斷方法與優化設計

（1）診斷方法。研究土木工程結構健康監測系統的具體診斷方法，可以判斷是否存在問題，明確優化方向。診斷方法是利用固有頻率變化損傷診斷方法，例如在某地的工程建設中，利用傳感器對土木結構進行實時監測，并對土木結構的頻率變化進行數據回收，如果頻率變化出現問題，表明該地區土木結構存在異常狀況，需要對其進行深入分析，并且通過多種頻率的不斷刺激可獲得相關數據，如果比較分析的結果差異較大，證明該地區的土木工程結構存在損傷狀況，需要對其進行維修以保障土木工程的正常質量。此外，還可以利用振型變化來診斷損傷，結合曲率法和圖形法進行綜合運用。一般在損傷的土木結構中，其剛性會下降，故振型曲率會進一步增大，因此在檢測過程中可以利用傳感器系統對其振型曲率進行數據回收，如果振型曲率出現明顯增大的現象，表明該處土木結構出現了損傷。另外，還可以利用變化圖形法，根據振型變化圖確定損傷的位置，找到其變化的位置，并針對該位置進行修補，這樣可以達到高效修復損傷的效果。

（2）優化設計。在具體的優化設計方面，需要合理布置傳感器位置，可以利用BIM 技術固定傳感器位置。在某處工地建設中，引進了BIM 技術，在設計時設計師可以利用BIM 技術對每個可以安裝傳感器的位置進行模擬，根據動態變化對其監測效果進行分析，保留監測效果良好的位置，去除監測效果不佳的位置，以此給出完善的設計方案，同時，使傳感器布置更加優化，感受更加靈敏、更加豐富，所獲取的信息更加準確，方便工作人員獲取準確的數據用于數據分析，在土木工程建設中可以給出明確的指導意義，防止結構出現問題而造成極大的損失。

4 土木工程結構健康監測系統未來發展

目前土木工程建設發展前景較為廣闊，為了提升土木工程的具體工作效能，要從其特性方面進行發展，提高土木工程的結構質量，同時提高建設效率與質量，這樣才能夠滿足目前城市化不斷發展的需求。在結構健康監測系統方面，要增加對土木工程具體形態的監測系統數量，以保證在建設之前就可以得到準確的模型建設，并對具體的質量問題進行提前標注，減少其內部存在的結構問題。同時，要加強監測系統的耐久性和實用性，主要是提升監測系統的能源供應以及能源消耗方面，以保證充足的能源供應，利用可持續發展能源，提高能源利用率，在監測方面可以達到長久的使用效果。明確監測意義，找到具體的監測目標，并根據目標制訂監測方案，如果對全局信息進行監測，則會導致大量的資源浪費在無用信息上，而無法真正發揮專有目標監測效果，可能會由于疏忽而導致部分數據出現異常而未被發現，最終造成損失。加強各種技術的結合運用，以保障技術使用的穩定性和實用性，由于各技術發展已較為成熟，因此在使用過程中配合起來更加默契化，同時利用成熟的技術帶動其他技術的發展，也為技術的融合提供了可能。技術的融合有利于技術自身的不斷發展和創新，使技術的發展方向更加明確，使技術的使用效果更加良好。因此，在監測時要加強現代化技術、數字化技術、信息化技術等多方面技術的綜合使用，能對系統的建設起到一定的幫助作用，使其系統建設得更加完善化，并且使數據的計算更加高效，可以明確給出數據分析結果，以保障建設施工不會出現偏離。

5 結束語

綜上所述，在土木工程結構建設過程中，需要監測系統對其進行糾正，如果缺少監測系統，則可能造成重大的經濟損失和出現質量不過關的情況。監測系統能夠建設合理的監測系統，通過監測系統的具體職能、特殊工作性能進行優化，使監測系統的監測工作更加完善，可以在土木工程中發揮更大的作用，以保障其結構的質量。同時，利用監測系統有利于促進土木工程在我國市場經濟中的進一步發展，產生更多的經濟效益。