土木工程智能結(jié)構(gòu)控制體系的相關(guān)探討

陳勃彤

大連理工大學(xué)，遼寧大連 116000

1 智能結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)構(gòu)成

信號(hào)的處理器、傳導(dǎo)器和控制器共同組成了智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，源自仿生學(xué)的工作原理是指類似生物會(huì)對(duì)外界環(huán)境的變化產(chǎn)生不同反應(yīng)一樣，信號(hào)也會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部完成傳輸任務(wù)。在智能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)用到穩(wěn)定性較高的傳感器和信號(hào)驅(qū)動(dòng)元件進(jìn)行集成處理工作，結(jié)構(gòu)內(nèi)部一旦存在安全隱患，傳感器會(huì)立刻啟動(dòng)外部傳輸系統(tǒng)，將危險(xiǎn)信息傳輸?shù)娇刂破髦校俳?jīng)控制器決定如何處理，以達(dá)到結(jié)構(gòu)減震的目的。

建筑結(jié)構(gòu)具有傳導(dǎo)性，一旦其受到外界環(huán)境的影響必然會(huì)導(dǎo)致土木工程結(jié)構(gòu)特性發(fā)生改變，而配有適應(yīng)裝置的智能結(jié)構(gòu)則可根據(jù)外部環(huán)境自行調(diào)整整體結(jié)構(gòu)狀態(tài)以保證建筑結(jié)構(gòu)安全，尤其當(dāng)遭遇強(qiáng)風(fēng)或地震這種自然災(zāi)害時(shí)。不僅如此，智能結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)有助于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)控制一體化的優(yōu)勢(shì)在地震強(qiáng)度不明確時(shí)便可發(fā)揮得淋漓盡致；智能結(jié)構(gòu)控制體系有助于提高建筑結(jié)構(gòu)抗震性也是智能材料在工程結(jié)構(gòu)和振動(dòng)控制中實(shí)現(xiàn)智能化的關(guān)鍵之一。因此可以說(shuō)，智能結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)對(duì)建筑設(shè)計(jì)、施工及檢測(cè)而言都是一次革新。

2 智能材料的研發(fā)應(yīng)用

應(yīng)用于土木工程的智能結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)主要集中在三個(gè)方面：其一，使結(jié)構(gòu)與形狀相適應(yīng)；其二，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康診斷與評(píng)定；其三，強(qiáng)化建筑結(jié)構(gòu)的抗震性及抗風(fēng)降噪等能力。而智能材料主要有兩類，一類用于制造傳感元件，另一類用于制造驅(qū)動(dòng)元件。用于制造傳感元件的智能材料可以感知到材料內(nèi)外結(jié)構(gòu)的刺激強(qiáng)度和應(yīng)變能力，因而又被稱為感知材料，主要適用于光導(dǎo)纖維、亞高分子合金及壓電陶瓷等；用于制造傳感元件的智能材料主要有變體材料、形狀記憶材料及磁流變體材料等，它們能夠根據(jù)外界環(huán)境的變化來(lái)調(diào)節(jié)自身結(jié)構(gòu)，以形成一定的自適應(yīng)功能與機(jī)械性。

3 智能檢測(cè)與健康診斷

3.1 智能傳感元件

土木工程中常將傳感元件粘貼或埋入在建筑結(jié)構(gòu)中進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，這樣不僅得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確，還能夠更好地評(píng)價(jià)建筑結(jié)構(gòu)的安全性與你耐久性，有利于為工作人員提供合理依據(jù)和良好建議，決定該建筑結(jié)構(gòu)是需要維修還是宣布報(bào)廢。重大土木工程建筑結(jié)構(gòu)中，設(shè)備一般處于陳舊老化的不良狀態(tài)，傳統(tǒng)的傳感器因不能適應(yīng)其實(shí)際使用需求而被有耐久性和穩(wěn)定性較高的傳感器所替代。尤其是在智能傳感材料出現(xiàn)后，類似光纖和具有形狀記憶的合金及電阻應(yīng)變絲等先進(jìn)材料的應(yīng)用為土木工程智能檢測(cè)大開(kāi)方便之門(mén)。

3.2 健康診斷評(píng)定

根據(jù)覆蓋范圍不同，健康診斷評(píng)定分為局部和整體兩種，局部診斷評(píng)定的對(duì)象一般是比較具體且可以的建筑結(jié)構(gòu)，即當(dāng)前技術(shù)發(fā)展較為成熟且涉及眾多現(xiàn)代科學(xué)的無(wú)損檢測(cè)，例如目測(cè)法、X 射線檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、硬度測(cè)試法及磁粉法等等。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相當(dāng)昂貴，且僅局限于建筑結(jié)構(gòu)的局部診斷評(píng)定，應(yīng)用范圍較小不說(shuō)，有些檢測(cè)部位甚至檢測(cè)不到，這就導(dǎo)致對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的整體診斷評(píng)定檢測(cè)不及時(shí)，影響到建筑在正式投入使用后的安全性。

是否有一種方法可以針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)本身的整體性進(jìn)行診斷評(píng)定呢？經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，智能結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)可以通過(guò)自感知、自診斷的智能傳感元件完成這一任務(wù)。例如應(yīng)用光纖技術(shù)和半導(dǎo)體材料設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，不僅能夠靈敏測(cè)出結(jié)構(gòu)損傷，還能對(duì)損傷程度進(jìn)行有效監(jiān)控，可謂一舉兩得。智能結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)檢測(cè)到的常見(jiàn)問(wèn)題有發(fā)生裂縫破損問(wèn)題和應(yīng)力作用下裂縫會(huì)愈演愈烈，通過(guò)只能結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)可以最大限度地控制結(jié)構(gòu)裂縫，避免發(fā)生超過(guò)限度后的災(zāi)難性建筑安全事故。

4 智能結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵問(wèn)題

4.1 提高信息處理技術(shù)

智能結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)中主要的結(jié)構(gòu)元件有傳感元件、驅(qū)動(dòng)元件和乙級(jí)控制元件，它們?cè)诮M合的過(guò)程中若要成功定位則要求進(jìn)行一個(gè)完整的計(jì)算過(guò)程，在這個(gè)計(jì)算過(guò)程中常用小波分析技術(shù)、時(shí)間有限元模型理論及光時(shí)域反射計(jì)檢測(cè)技術(shù)等對(duì)數(shù)據(jù)總線、連接網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定位，并將傳感器的信息處理與數(shù)據(jù)傳輸融為一體。

4.2 發(fā)展控制集成技術(shù)

各部件的運(yùn)行全部由與控制運(yùn)動(dòng)、產(chǎn)生感覺(jué)及實(shí)現(xiàn)高級(jí)腦功能的高級(jí)神經(jīng)中樞大腦類似的智能結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)全權(quán)主導(dǎo)，眾多元件經(jīng)集成化處理后被連到控制系統(tǒng)當(dāng)中，結(jié)構(gòu)內(nèi)部處于半閉合的狀態(tài)。土木工程結(jié)構(gòu)一旦不幸遭遇火災(zāi)、地震、洪水等惡劣的自然災(zāi)害而發(fā)生形狀改變時(shí)，智能結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的可變性難度加大，因此在技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，只有解決了結(jié)構(gòu)與形狀穩(wěn)定的問(wèn)題才能獲得預(yù)期效果。

4.3 提高智能傳感技術(shù)

智能傳感技術(shù)的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)崿F(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)在線、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，而這一優(yōu)勢(shì)又需要依賴傳感元件來(lái)完成。理論上傳感元件的使用具有一定的特殊性，主要表現(xiàn)在以下三點(diǎn)：其一，尺寸大小與薄厚程度不會(huì)影響結(jié)構(gòu)外形；其二，主體結(jié)構(gòu)的材料會(huì)與混凝土材料相容，并使強(qiáng)度影響到最低；其三，傳感材料強(qiáng)大的物理性能在信號(hào)、電磁干擾方面發(fā)揮得淋漓盡致，因此研究智能傳感技術(shù)要結(jié)合多家學(xué)科知識(shí)，實(shí)現(xiàn)傳感材料物理性能的優(yōu)化升級(jí)。

4.4 發(fā)展智能驅(qū)動(dòng)技術(shù)

作為能夠改變智能結(jié)構(gòu)形狀和力學(xué)的智能驅(qū)動(dòng)技術(shù)還是有效解決智能結(jié)構(gòu)自身缺陷修補(bǔ)的關(guān)鍵性技術(shù)之一。驅(qū)動(dòng)元件在結(jié)構(gòu)內(nèi)部中應(yīng)用后會(huì)和自適應(yīng)結(jié)構(gòu)組成一個(gè)統(tǒng)一的功能性元件，該元件會(huì)隨之外部環(huán)境的變化而改變結(jié)構(gòu)的性能參數(shù)，自適應(yīng)結(jié)構(gòu)既是智能建筑與眾不同的標(biāo)志性構(gòu)成，又是智能建筑向高級(jí)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵所在。智能驅(qū)動(dòng)技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容有以下三點(diǎn)：其一，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)材料本身的機(jī)械性能要好，例如加大彈性模具量、提高抗沖擊性等；其二，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)材料與主體材料結(jié)合時(shí)，其兼容性與結(jié)合度要高；其三，加強(qiáng)頻率響應(yīng)寬，提高相應(yīng)的速度，保證結(jié)構(gòu)易被控制。

5 結(jié)論

土木工程智能建筑結(jié)構(gòu)作為一門(mén)新興學(xué)科，其涵蓋范圍廣、應(yīng)用潛力大，尤其在加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)安全性方面。目前土木工程智能結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)雖然已取得了令人可喜可賀的成績(jī)，而且現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)受其影響也有了一定發(fā)展，但隨著新材料、新技術(shù)的問(wèn)世，未來(lái)土木工程智能建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)一定是多元化的，這就要求我們要必須實(shí)事求是、與時(shí)俱進(jìn)，不斷創(chuàng)新。