土木工程結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與損傷識(shí)別方法研究

趙素艷（內(nèi)蒙古交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古赤峰，024005）

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土木工程結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與損傷識(shí)別方法研究

趙素艷
（內(nèi)蒙古交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古赤峰，024005）

摘 要：為提升土木工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能，土木工程結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別及性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)尤為重要，我國(guó)土木工程結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和損傷識(shí)別方法亟需提高。為此本文闡述了土木工程結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需求，研究了土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的問題，分析了土木工程結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與損傷識(shí)別方法，并提出了對(duì)應(yīng)的解決建議。

關(guān)鍵詞：土木工程；結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測(cè)；損傷識(shí)別方法

引言

近年來，土木工程結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)、信息、通信及智能等技術(shù)支持下，不斷進(jìn)行自我更新和完善。當(dāng)前的土木工程結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，采用的監(jiān)測(cè)設(shè)備和監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是傳感器、信息處理系統(tǒng)以及人工智能技術(shù)等。

土木工程結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和損傷識(shí)別方法還比較欠缺，需要監(jiān)測(cè)技術(shù)人員提出及研發(fā)工作者創(chuàng)新研究，這對(duì)于我國(guó)大量土木工程意義很大。

1 土木工程結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)分析

1.1 案例背景

壓電材料是當(dāng)下土木工程結(jié)構(gòu)中廣受好評(píng)的一項(xiàng)智能材料。其本質(zhì)是利用過電偶極子在電場(chǎng)中的自然排列次序，來改變智能材料的尺寸。采用壓電材料制成的床拿起具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及頻帶寬的特點(diǎn)。隨著配套二次儀表以及絕緣性高、噪聲低的電纜應(yīng)用，使得壓電傳感器的應(yīng)用更加便利快捷［1］。此種新型水泥基壓電傳感器被廣泛的應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測(cè)中。

1.2 正壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)

若是對(duì)智能材料朝著其某一固定方向施加外力，一旦這個(gè)外力超過材料的承受極限就會(huì)發(fā)生形變，這種智能材料的表面將產(chǎn)生等量且符號(hào)相反的電荷。通常情況下，人們將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象定義為正壓電效應(yīng)，反之則稱為逆壓電效應(yīng)。常見的力-電轉(zhuǎn)換方式有三種，分別稱為壓電性的縱向效應(yīng)、橫向效應(yīng)、剪切效應(yīng)，如圖1所示。

圖1 常見的力-電三種轉(zhuǎn)換方式

1.3 水泥基壓電傳感系統(tǒng)在土木工程結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

（1）良好的兼容性

隨著配套二次儀表以及絕緣性高、噪聲低的電纜應(yīng)用，使得壓電傳感器的應(yīng)用更加的便利快捷，新形勢(shì)下的水泥基壓電傳感器的傳感單元不同于以往傳感器是采用金屬外殼包裝，而是采用水泥塊包裹。因此施工人員可將這種水泥基壓電傳感器像骨料一樣埋入混凝土結(jié)構(gòu)中。

（2）良好的耐久性

水泥基壓電傳感器本身結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定結(jié)實(shí)，不易出現(xiàn)質(zhì)量問題，即便土木工程的施工環(huán)境比較惡劣，它的穩(wěn)定性能依然良好，可以確保水泥基壓電傳感器的應(yīng)用時(shí)間。

（3）成本低

水泥基壓電傳感器是由水泥材質(zhì)或是陶瓷片材質(zhì)的材料組成，這兩種材料成本較低而且購(gòu)買方便，可節(jié)約施工人員大量的時(shí)間和資金成本。不會(huì)給施工單位造成資金壓力。

2 水泥基壓電傳感器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 水泥基壓電傳感器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了檢驗(yàn)水泥基壓電傳感器在土木工程結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用的可靠性，還需要對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。首先將標(biāo)定好的水泥基壓電傳感器埋入混凝土短柱中，具體如圖2所示。混凝土短柱截面為100mm×100mm，高度為500mm。水泥基壓電傳感器埋在短柱的中間位置，其高度方向和短柱的高度方向平行。

圖2 混凝土短柱模型及水泥基壓電傳感器位置

2.2 水泥基壓電傳感器實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將水泥基壓電傳感器的短柱放入數(shù)字式電液自動(dòng)式實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試通過水泥基壓電傳感器的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以得知，水泥基壓電傳感器在土木工程結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用，對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能是十分有幫助的。此外，水泥基壓電傳感器在土木工程結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用可以減少或避免傳統(tǒng)傳感器的弊端，而且其造價(jià)成本低且耐久性強(qiáng)，適用于各種規(guī)模的土木工程施工。

3 土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別中存在的問題

近些年，隨著我國(guó)土木工程的大量修建，土木工程結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別也逐漸受到施工人員的重視。當(dāng)前我國(guó)在土木工程結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測(cè)中投入了大量的研究資金，但苦于損傷識(shí)別技術(shù)和研究人員專業(yè)水準(zhǔn)的限制，使得土木工程結(jié)構(gòu)的性能損傷識(shí)別不能達(dá)到預(yù)期效果，本文中對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)不足作以總結(jié)。

3.1 土木工程結(jié)構(gòu)模型存在誤差

如今，人們對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)的性能的損傷識(shí)別，都是建立在一定基礎(chǔ)條件之上，在規(guī)定的情境下，必須將土木工程結(jié)構(gòu)客觀的抽象事物運(yùn)用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行替代，當(dāng)前針對(duì)具體的土木工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，考慮到該系統(tǒng)比較復(fù)雜，會(huì)引發(fā)多種隨機(jī)現(xiàn)象，對(duì)此，施工人員應(yīng)提前做好各種隨機(jī)事件的模型預(yù)設(shè)［2］。不可否認(rèn)的是在真正的模型應(yīng)用中，總會(huì)出現(xiàn)這樣或那樣的問題，致使土木工程結(jié)構(gòu)模型出現(xiàn)誤差。隨著現(xiàn)代化信息技術(shù)的發(fā)展，對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)模型不斷進(jìn)行自我更新和完善。

3.2 土木工程結(jié)構(gòu)損傷性能的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的缺失

土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別中存在的一大問題是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的不完整。造成這種現(xiàn)象的主要原因是，土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別都是假定土木工程結(jié)構(gòu)模型具有相同的自由度和實(shí)測(cè)自由度，然而在實(shí)際的土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別中，會(huì)存在多種條件的限制，進(jìn)而造成土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的不完整。尤其是一些復(fù)雜的土木工程結(jié)構(gòu)，損傷識(shí)別的影響因素較多，加之傳感器的安裝較為稀疏，這就更加拉大了土木工程結(jié)構(gòu)損傷實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的不完整。

4 土木工程結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與損傷識(shí)別方法的修正

（1）強(qiáng)化土木工程結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理

土木工程結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集和處理，主要涉及硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩種，硬件系統(tǒng)為數(shù)據(jù)傳輸電纜、數(shù)模轉(zhuǎn)換卡［3］。軟件系統(tǒng)則是將土木工程結(jié)構(gòu)數(shù)字信號(hào)，采用一種特殊的方式存在計(jì)算機(jī)當(dāng)中，之后便有專業(yè)技術(shù)人員對(duì)計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整合和優(yōu)化，為土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別鑒定提供有效依據(jù)。

（2）強(qiáng)化土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別、模型修正

在土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別中，模型修正是縮小實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)誤差和增加實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。為保證損傷識(shí)別的有效性，在進(jìn)行土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別前期，需要對(duì)損傷識(shí)別軟件、模型修正軟件進(jìn)行檢驗(yàn)，確保其應(yīng)用功能正常后方可予以使用。在土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別中，若是識(shí)別結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷，則應(yīng)該安排預(yù)警設(shè)備發(fā)出報(bào)警信息。此外，損傷識(shí)別軟件和模型修正軟件的研究人員應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)以上兩款軟件的測(cè)驗(yàn)，使其始終保持在高水平運(yùn)行狀態(tài)。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，土木工程結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是針對(duì)特定結(jié)構(gòu)專門設(shè)計(jì)的一種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這對(duì)增強(qiáng)我國(guó)土木工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性非常有用，然而，我國(guó)土木工程結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和損傷識(shí)別方法仍存在很大的漏洞，致使我國(guó)土木工程的質(zhì)量難以提升。因此，還需不斷強(qiáng)化土木工程結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件應(yīng)用技術(shù)，并研發(fā)新的損傷識(shí)別方法，提升土木工程結(jié)構(gòu)的性能實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，使其為土木工程結(jié)構(gòu)的建設(shè)提供更多可靠的數(shù)據(jù)參考，進(jìn)而提升土木工程質(zhì)量的安全性和穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

［1］ 李曉明.淺談土木工程結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與損傷識(shí)別方法［J］.安徽建筑，2014，21（3）：203-204.DOI：10.3969/j.issn.1007-7359.2014.03.096.

［2］ 高毅敏.試析土木工程結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.華章，2013，（35）：369-369.朱健，譚平，周福霖等.土木工程結(jié)構(gòu)全壽命期地震損失成本進(jìn)

［3］ 展研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2015，（17）：111-119.

E-mail： m8118_2000@sina.com.cn

Research of the Performance Monitoring System and Damage Identification Method

Suyan Zhao
（Inner Mongolia Transportation Vocational Technical College， Chifeng， Neimenggu， 024005， China）

Abstract：It is a key point that the performance of civil engineering structure monitoring system and damage identification to improve the stability of civil engineering structure.The performance of the the civil engineering structure monitoring system and damage identification methods need being improved in our country.The solution of the corresponding Suggestions were put forward in this paper， through the analysis of the problems of civil engineering structure damage identification，the performance of civil engineering structure monitoring system and damage identification method， performance characteristics and structure of civil engineering monitoring system.

Key words：Civil Engineering； Structural Performance Monitoring； Damage Identification

中圖分類號(hào)：TU317

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8412 （2016） 02-266-03

DOI：工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.038

作者簡(jiǎn)介：趙素艷（1979-），女，本科，講師，土木工程。