簡(jiǎn)述土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)

秦 樂

(山西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院工程設(shè)計(jì)中心，山西 太原 030001)

簡(jiǎn)述土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)

秦 樂

(山西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院工程設(shè)計(jì)中心，山西 太原 030001)

從分析土木工程的現(xiàn)狀著手，講述了建筑物健康監(jiān)測(cè)的必要性，分別從健康監(jiān)測(cè)的定義、診斷方法、監(jiān)測(cè)目標(biāo)和發(fā)展歷程等方面進(jìn)行了論述，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外應(yīng)用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的工程案例進(jìn)行了研究，最后對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)未來的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

土木工程，結(jié)構(gòu)，健康監(jiān)測(cè)，損傷診斷

大型土木工程和基礎(chǔ)設(shè)施，如超高層建筑、橋梁、大跨度空間結(jié)構(gòu)、核電站、大型水壩，在它們的服務(wù)期限中，由于環(huán)境載荷、疲勞、腐蝕和材料老化等不利因素的影響，無法避免地，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生損傷并累積，結(jié)構(gòu)的抵抗力降低，甚至遭受意外事故，導(dǎo)致越來越多的建筑物達(dá)不到其設(shè)計(jì)壽命。

對(duì)于重大的土木結(jié)構(gòu)在遭受地震、爆炸和洪水等自然或人為災(zāi)害時(shí)的安全問題，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)顯得尤其必要。都江堰在5·12汶川地震后，必須馬上對(duì)其的安全狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)評(píng)估，實(shí)時(shí)檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的性能，合理并準(zhǔn)確地評(píng)估其的損傷位置和程度、維修方案，以及是否能夠正常運(yùn)營(yíng)做出準(zhǔn)確的決斷，這對(duì)于合理疏散附近的居民，保障其服務(wù)區(qū)的正常生活具有十分重要的意義。

因此，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)外土木工程領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。

1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)概述

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)主要用于現(xiàn)場(chǎng)無損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，它通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特征分析(如結(jié)構(gòu)響應(yīng))，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)構(gòu)損傷、退化的目的。基本思想是通過監(jiān)測(cè)建筑結(jié)構(gòu)在荷載作用前后的變化，推斷結(jié)構(gòu)響應(yīng)的變化，以此實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷評(píng)估等級(jí)，或者對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)物的微小變化。

主要內(nèi)容包括：1)載荷識(shí)別：主要是風(fēng)荷載，地震作用，溫度作用和車輛荷載；2)幾何監(jiān)測(cè)：主要監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)在靜態(tài)下的位移；3)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)反應(yīng)，如應(yīng)力應(yīng)變，加速度，頻率等。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展主要分為三個(gè)階段：1)以結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域?qū)＜业母泄俸蛯I(yè)經(jīng)驗(yàn)為中心，只能對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行簡(jiǎn)單的診斷處理；2)采用傳感器和動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)為基本手段，對(duì)信號(hào)建模分析，近年來這種方法廣泛地應(yīng)用在工程實(shí)踐中；3)計(jì)算機(jī)計(jì)算的廣泛應(yīng)用和發(fā)展,極大地推動(dòng)了信號(hào)處理的智能化發(fā)展,這種技術(shù)可以滿足大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的需要。

目前，結(jié)構(gòu)的損傷劃分為四個(gè)等級(jí)：

等級(jí)一:判定是否有損傷；等級(jí)二:基于等級(jí)一，確定損傷的位置；等級(jí)三:基于等級(jí)二，判定損傷的程度；等級(jí)四:基于等級(jí)三，對(duì)結(jié)構(gòu)的剩余壽命評(píng)估預(yù)測(cè)。

2 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估是在結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的前提下。對(duì)于已經(jīng)安裝監(jiān)測(cè)裝置的工程,結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)只是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一部分，而對(duì)于未安裝監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)，則需要在建筑物的相關(guān)部位臨時(shí)設(shè)置傳感器。一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括以下部分：

1)傳感系統(tǒng)。通過布置一定數(shù)量的傳感器進(jìn)行測(cè)量，如何布置傳感器主要考慮兩方面的因素：a.在覆蓋所有待測(cè)物理量的基礎(chǔ)上，盡可能減少傳感器的數(shù)量；b.主要涉及采集信號(hào)的精度，降低外界的影響和干擾，信號(hào)精度應(yīng)能滿足后續(xù)數(shù)據(jù)分析的需要。

2)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。在待測(cè)結(jié)構(gòu)中安裝數(shù)據(jù)的采集和處理設(shè)備，利用傳感器采集信號(hào)，如頻率、振型、位移、溫度等，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理(去噪、放大等)。

3)通訊系統(tǒng)。將采集到并經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)信號(hào)傳送到智能診斷中心。

4)監(jiān)控中心和報(bào)警設(shè)備。使用各種軟硬件，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括結(jié)構(gòu)是否損傷，損傷程度以及位置等，從而對(duì)所測(cè)建筑物的健康狀況作出評(píng)估，如發(fā)現(xiàn)異常，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

3 結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)方法及優(yōu)缺點(diǎn)

按檢測(cè)目標(biāo)劃分，結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)技術(shù)主要為兩大類：整體和局部檢測(cè)。

3.1 局部檢測(cè)

局部法是使用無損檢測(cè)技術(shù)的方法，對(duì)結(jié)構(gòu)的某個(gè)特定組件進(jìn)行檢測(cè)，查找缺陷的位置。主要采用目測(cè)法，回彈法，超聲波，光學(xué)干涉法，聲發(fā)射等技術(shù)，這些技術(shù)通常是幾個(gè)聯(lián)合起來使用,去檢測(cè)結(jié)構(gòu)是否存在裂縫、聯(lián)結(jié)松動(dòng)、銹蝕等工程隱患。

但是,局部無損檢測(cè)同時(shí)也存在不足之處：1)需要提前預(yù)知結(jié)構(gòu)損傷的大概位置和損傷的程度；2)結(jié)構(gòu)的某些部分是難以達(dá)到的，尤其是對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷檢測(cè)是不太現(xiàn)實(shí)的；3)這種方法主要借助人工檢測(cè),這就要求在進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢測(cè)的過程中,中止生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng),必然造成一定的經(jīng)濟(jì)損失；4)不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)控。

3.2 整體檢測(cè)

整體檢測(cè)是基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的損傷識(shí)別，它致力于評(píng)估整體結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，間歇或連續(xù)，確定損傷可能存在的部位。整體檢測(cè)方法主要采用動(dòng)力指紋法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，遺傳算法等。

動(dòng)力指紋的基本思想是假定有一系列的損傷，包括損傷機(jī)理和損傷位置，對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的預(yù)測(cè)，與實(shí)測(cè)值相比，最相似的，也是破壞最可能的位置。再識(shí)別不同程度的損傷，多發(fā)傷，往往只有最大程度的損傷位置識(shí)別。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法集自動(dòng)控制，統(tǒng)計(jì)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和相應(yīng)的識(shí)別方法于一體，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的系統(tǒng)識(shí)別理論，充分利用自反饋，自適應(yīng)，自學(xué)習(xí)能力，以實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試為手段，輸入模態(tài)參數(shù)，運(yùn)算處理得到損傷的程度、位置，并進(jìn)行評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性，請(qǐng)求的輸入?yún)?shù)的精度不高，因此前景更加樂觀。

遺傳算法是一種基于自然選擇和自然遺傳機(jī)制的優(yōu)化方法，將其引入損傷評(píng)估的優(yōu)化方法，在測(cè)試中不多信息的情況下獲得，可以迅速確定損傷的程度和位置，即使模態(tài)信息的部分損失，遺傳算法的優(yōu)化能力也不會(huì)受到任何影響。遺傳算法只需計(jì)算目標(biāo)值的可行解和不要求目標(biāo)函數(shù)的連續(xù)性，不需要梯度信息，使用非常方便。

工程中,多將局部法和整體法綜合使用。

4 健康檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用和展望

監(jiān)控系統(tǒng)的成本比較高，因此目前我國(guó)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)僅安裝在一些大跨度橋梁上。上海徐浦大橋中車輛荷載、溫度、應(yīng)變、撓度、振動(dòng)等子項(xiàng)均配置了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。香港青馬大橋設(shè)置了一系列監(jiān)控系統(tǒng)，包括加速度計(jì)，應(yīng)變計(jì)，位移傳感器，風(fēng)速儀和溫度傳感器等各種傳感器共計(jì)774個(gè),統(tǒng)稱為“風(fēng)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”。湛江灣大橋，采用監(jiān)測(cè)應(yīng)變和撓度值來估算交通負(fù)荷量。

在國(guó)際上，特別是在日本、美國(guó)和德國(guó)，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在土木工程中的應(yīng)用，已經(jīng)擴(kuò)展到大型混凝土工程的監(jiān)測(cè)，超高層建筑。在國(guó)內(nèi)，結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)還主要停留在施工階段，如1995年9月開始建設(shè)的金茂大廈。

近幾年，結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)和檢測(cè)技術(shù)無論是在學(xué)術(shù)上還是在工程實(shí)踐中都取得了一定的成果。同時(shí),對(duì)于超高層結(jié)構(gòu)、大跨結(jié)構(gòu)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的損傷診斷，還有許多問題亟待解決。

Structural health monitoring in civil engineering

Qin Le

(EngineeringDesignCenter,ShanxiUrbanandRuralPlanningandDesignInstitute,Taiyuan030001,China)

From the analysis of the civil engineering, the paper indicates the necessity for the health supervision of buildings, indicates from the definition of the health supervision, diagnosis methods, inspection aims and development, researches the engineering cases for the health inspection of structures at home and abroad, and has the prospect for the inspection’s development in future at civil engineering structures.

civil engineering, structure, health inspection, damage diagnosis

2015-01-17

秦 樂(1988- )，女，助理工程師

1009-6825(2015)09-0046-02

TU317

A