土木工程結構健康監測系統的研究狀況與進展

陳鑫 占興超

【摘要】土木工程結構健康監測成為了最近建筑行業的熱點問題之一，因為它涉及的不是單一的領域和學科，而是一個龐大的復雜的系統，包括了數據采集、力學分析等等學科。而在現實生活中，對土木工程結構進行健康監測也是非常必要的。本文由土木工程結構健康監測的相關概念引出話題，分析其最近的研究狀況，對健康監測系統的未來發展進行一些合理的展望。

【關鍵詞】健康監測；土木工程；損傷診斷。

近些年來，土木工程因為其健康問題導致的事故頻發，造成了巨大的經濟損失和人員傷亡，已經成為整個社會關心的重要話題。隨著經濟發展，人民生活水平提高，越來越多的機動車出現在道路橋梁上，越來越多的高層建筑拔地而起，因為疲勞而造成事故不斷發生。再加上相當多的道路橋梁等基礎設施建造年代已久，給人們的財產和生命安全造成了巨大的威脅，亟需一種科學的健康監測系統去對其穩定性進行監測。

一、土木工程結構健康監測概述

土木工程結構上的損傷一般有兩種，一種是突發的，一種是積累的。突發的結構損傷排除土木工程本身質量問題，大多數情況下是由于各種自然災害或者是像爆破等人為因素造成的，而積累性的損傷和退化與工程質量本身和長時間的使用受力相關。結構健康監測是指利用一些先進的技術，對土木工程的物理結構進行科學的監測和分析，能夠及時地監測出道路橋梁的受力狀況、疲勞程度和結構損傷等問題，為其修補或者重建提供相關依據。我們不能僅僅進行瞬時的監測，檢測出某一時間道路或者橋梁是否有結構損傷，這樣就失去了監測的意義，我們需要對其進行長期的監測，從結構設計到具體的施工，再到竣工驗收、投入使用，我們都要對其結構進行必要的監測和評估。但是由于土木工程往往都比較龐大，沒有辦法理想地迅速找出某一處或者某幾處損傷點，所以還需要綜合各項數據進行統籌分析。

二、現階段土木工程結構健康監測的發展狀況

目前的結構健康監測主要分為三個類型。第一是神經網絡法，這種方法不需要結構模型的相關信息，適合于無法確定參數模型的情形下使用。這種方法的靈感來源是人的大腦與神經系統，它關注的重點不是結構的外在表現，而是其內在神經網絡，所以它更為科學和準確，所以近些年來受到越來越多的關注。第二是動力分析法，它的原理是根據土木工程的物理特性。因為任何一個建筑我們都可以將其看作是一個由各種力學要素組成的動力系統，結構出現損傷或者是退化時，各項力學指標必然會發生變化，這些指標類似于人的指紋，指紋發生變化，說明發生了一定的損傷，所以這種分析方法也叫動力指紋分析法。第三是模型修正法，這種方法理論上較為直觀，但是現實中受到的影響要素太多，實際應用并不多。這種方法需要先根據理論構建模型，然后將相關檢測數據來不斷對模型進行修正，根據其模型剛度分布情況來確定結構損傷的部位和程度。但是現實中，噪聲、外部振動、建模的失誤都會造成結論的偏差，所以至今仍沒有一個完善的成熟的方案。

三、未來土木工程結構健康監測系統的發展展望

盡管土木工程結構健康監測已經誕生許久，但是由于對其重視程度不夠和當前現實客觀條件所限，至今在建筑領域仍然屬于新興技術。但是因為現在建筑的結構性破壞越來越多，所以結構健康監測系統擁有非常廣闊的發展前景。未來的結構健康監測系統發展應當注重下面的幾個方向：首先是信息處理技術的研究。對于土木工程健康監測來說，信息處理有著特別的意義，只進行監測，對其監測信息不能進行合理的處理，監測就失去了效用。近些年來

發展較為迅速也比較成熟的是小波分析技術。小波分析能夠識別正常信號中夾帶的瞬時反?，F象，在結構健康監測領域能夠發揮重要作用。其次也是非常重要的就是傳感器的優化布置技術。要想對土木工程進行健康監測，無論采用什么樣的方法，傳感器都是不可或缺的。傳感器的布置需要進行優化，研究設置幾個傳感器，分別設置到什么位置才能讓監測取得最有效果。具體來說，傳感器的布置應當符合下面的一些條件：控制成本，使傳感器設置費用盡可能較少；能夠排除噪聲等外部的干擾，獲得的數據更為科學；對于沒有出現損傷，但是出現的疲勞狀況也應當能夠監測出，對可能損傷的威脅進行合理的評估。當前傳感器的適用和優化布置廣泛應用于航空航天領域，土木工程領域并不成熟，我們可以充分借鑒航空航天中傳感器的應用，開發出傳感器在土木工程健康監測系統中的最佳布置方案和技術。

四、結語

土木工程結構健康監測系統對于土木工程的安全性能評價是十分科學和客觀的，在未來，人們對各種土木工程的安全性和穩定性要求越來越高，在未來會有非常廣闊的發展空間。當前土木工程健康監測系統還并不完善，也沒有大范圍地普及使用，并且其應用還受到很多因素的制約，但是這種系統的發展已經成為趨勢，我們必須要對其進行深刻的研究，尋求出符合社會經濟發展和進步的監測系統的應用措施，逐步將結構健康監測系統進行普及，保證土木工程的穩定，提升土木工程的壽命，維護人們的生命安全和財產安全。

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