土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究狀況與進(jìn)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(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的必要性

國(guó)家社會(huì)建設(shè)離不開土木工程，在土木工程建設(shè)過程中如果發(fā)生事故，可能會(huì)對(duì)施工人員造成威脅以及對(duì)經(jīng)濟(jì)造成極大的損失，因此要對(duì)其結(jié)構(gòu)的健康情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題，造成安全隱患的存在，威脅人們的生命安全。

具體結(jié)構(gòu)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(huì)的不斷發(fā)展過程中需要對(duì)這些因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)。最直接的監(jiān)測(cè)方式就是對(duì)土木工程的結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，則表示內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題，施工人員應(yīng)給予高度的重視，并對(duì)問題進(jìn)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(duì)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益也有一定的保障作用。因此，在土木工程中應(yīng)用健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)十分必要。

應(yīng)用該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是將結(jié)構(gòu)信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，判斷是否出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，如果出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)會(huì)及時(shí)警報(bào)，提醒施工人員注意。如果問題較嚴(yán)重，則應(yīng)立即停止施工，派專業(yè)人員檢查，防止問題進(jìn)一步擴(kuò)大而造成事故的發(fā)生。因此，在具體的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用過程中，應(yīng)實(shí)時(shí)關(guān)注異常數(shù)據(jù)，并對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行控制，防止系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)故障，避免無法對(duì)問題進(jìn)行及時(shí)上報(bào)而導(dǎo)致其他系統(tǒng)無法正常工作。

2 土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成及原理

（1）構(gòu)成。工程結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)系統(tǒng)是一種無損檢測(cè)系統(tǒng)，通過對(duì)結(jié)構(gòu)等建筑特性的分析，并對(duì)整體工程進(jìn)行檢測(cè)，找到其中退化勞損的部分。該系統(tǒng)主要利用傳感器技術(shù)對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行特性分析，檢驗(yàn)工程結(jié)構(gòu)上可能存在的損傷或故障，并且利用該系統(tǒng)可以提高土木工程結(jié)構(gòu)建設(shè)質(zhì)量，同時(shí)可以對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行細(xì)節(jié)處的修補(bǔ)，使其質(zhì)量水平進(jìn)一步提升，發(fā)揮土木工程結(jié)構(gòu)的實(shí)際作用。合理的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以結(jié)合多個(gè)技術(shù)進(jìn)行綜合應(yīng)用，例如，將傳感器系統(tǒng)、信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)這些分散的系統(tǒng)通過終端連接起來，利用計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)分析能力分析傳感器系統(tǒng)所獲取的信息；利用信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將傳感器系統(tǒng)獲取的信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)終端進(jìn)行分析；利用數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼鎸?shí)性和有效性。根據(jù)計(jì)算機(jī)終端分析的結(jié)果做出相關(guān)反應(yīng)，并對(duì)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行組裝，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化一體化建設(shè)，使計(jì)算機(jī)終端可以直接控制機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行工作，并對(duì)問題進(jìn)行排查，減少人工操作的失誤，這對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全評(píng)估和實(shí)用性也有著充分的保障作用，可以使土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)順利完成工作，并且對(duì)生產(chǎn)安全也有一定的保障效果。

（2）原理。該系統(tǒng)的具體工作原理主要是通過數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)工程結(jié)構(gòu)的狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并分析可能引發(fā)故障發(fā)生的誘因，判斷結(jié)構(gòu)的損傷程度，進(jìn)一步測(cè)量損傷部位，派出人員進(jìn)行維修。識(shí)別和安全評(píng)估方面是該系統(tǒng)的工作重點(diǎn)，在損傷識(shí)別方面主要根據(jù)來源進(jìn)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(dāng)或設(shè)備使用不當(dāng)而造成的結(jié)構(gòu)損傷；在自然因素方面，地震、山體滑坡等多種自然災(zāi)害而造成的外來損傷在施工階段沒有發(fā)現(xiàn)，但經(jīng)過長(zhǎng)期的施工時(shí)間的沉淀，損傷進(jìn)一步擴(kuò)大可能會(huì)導(dǎo)致事故的發(fā)生，因此在其損傷初期就要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以獲得結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的異常變化，并根據(jù)異常變化找到具體的位置進(jìn)行修補(bǔ)，這樣可以減少土木工程的安全隱患。在安全性評(píng)估方面是通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行評(píng)估，利用各種測(cè)試方式來對(duì)安全狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果得出具體的數(shù)據(jù)來評(píng)估，因此其評(píng)估是具有數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的，并且可以根據(jù)等級(jí)劃分確定工程結(jié)構(gòu)。在其安全性方面不僅有評(píng)估作用，而且具有可靠性，可以進(jìn)一步提高工程建設(shè)的穩(wěn)定性，利用一體化建設(shè)來達(dá)到機(jī)械修筑和鞏固建設(shè)的目的，使建筑的安全性進(jìn)一步提升。在具體的土木工程建設(shè)中，可以以某地橋梁建設(shè)為例，在橋梁建設(shè)時(shí)檢測(cè)其橋梁下部的荷載，防止其荷載無法達(dá)到要求而導(dǎo)致橋梁基礎(chǔ)不穩(wěn)。此外，還要分析局部應(yīng)力狀況，確保能夠得到精確的應(yīng)力分析結(jié)果，并建立監(jiān)測(cè)傳感器，對(duì)應(yīng)力情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以動(dòng)態(tài)與靜態(tài)相結(jié)合的多角度觀察方式準(zhǔn)確地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量。

3 土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)診斷方法與優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）診斷方法。研究土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的具體診斷方法，可以判斷是否存在問題，明確優(yōu)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(shè)中，利用傳感器對(duì)土木結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)土木結(jié)構(gòu)的頻率變化進(jìn)行數(shù)據(jù)回收，如果頻率變化出現(xiàn)問題，表明該地區(qū)土木結(jié)構(gòu)存在異常狀況，需要對(duì)其進(jìn)行深入分析，并且通過多種頻率的不斷刺激可獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，如果比較分析的結(jié)果差異較大，證明該地區(qū)的土木工程結(jié)構(gòu)存在損傷狀況，需要對(duì)其進(jìn)行維修以保障土木工程的正常質(zhì)量。此外，還可以利用振型變化來診斷損傷，結(jié)合曲率法和圖形法進(jìn)行綜合運(yùn)用。一般在損傷的土木結(jié)構(gòu)中，其剛性會(huì)下降，故振型曲率會(huì)進(jìn)一步增大，因此在檢測(cè)過程中可以利用傳感器系統(tǒng)對(duì)其振型曲率進(jìn)行數(shù)據(jù)回收，如果振型曲率出現(xiàn)明顯增大的現(xiàn)象，表明該處土木結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了損傷。另外，還可以利用變化圖形法，根據(jù)振型變化圖確定損傷的位置，找到其變化的位置，并針對(duì)該位置進(jìn)行修補(bǔ)，這樣可以達(dá)到高效修復(fù)損傷的效果。

（2）優(yōu)化設(shè)計(jì)。在具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，需要合理布置傳感器位置，可以利用BIM 技術(shù)固定傳感器位置。在某處工地建設(shè)中，引進(jìn)了BIM 技術(shù)，在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)師可以利用BIM 技術(shù)對(duì)每個(gè)可以安裝傳感器的位置進(jìn)行模擬，根據(jù)動(dòng)態(tài)變化對(duì)其監(jiān)測(cè)效果進(jìn)行分析，保留監(jiān)測(cè)效果良好的位置，去除監(jiān)測(cè)效果不佳的位置，以此給出完善的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)，使傳感器布置更加優(yōu)化，感受更加靈敏、更加豐富，所獲取的信息更加準(zhǔn)確，方便工作人員獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)分析，在土木工程建設(shè)中可以給出明確的指導(dǎo)意義，防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題而造成極大的損失。

4 土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)未來發(fā)展

目前土木工程建設(shè)發(fā)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(jìn)行發(fā)展，提高土木工程的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，同時(shí)提高建設(shè)效率與質(zhì)量，這樣才能夠滿足目前城市化不斷發(fā)展的需求。在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方面，要增加對(duì)土木工程具體形態(tài)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)量，以保證在建設(shè)之前就可以得到準(zhǔn)確的模型建設(shè)，并對(duì)具體的質(zhì)量問題進(jìn)行提前標(biāo)注，減少其內(nèi)部存在的結(jié)構(gòu)問題。同時(shí)，要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的耐久性和實(shí)用性，主要是提升監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的能源供應(yīng)以及能源消耗方面，以保證充足的能源供應(yīng)，利用可持續(xù)發(fā)展能源，提高能源利用率，在監(jiān)測(cè)方面可以達(dá)到長(zhǎng)久的使用效果。明確監(jiān)測(cè)意義，找到具體的監(jiān)測(cè)目標(biāo)，并根據(jù)目標(biāo)制訂監(jiān)測(cè)方案，如果對(duì)全局信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，則會(huì)導(dǎo)致大量的資源浪費(fèi)在無用信息上，而無法真正發(fā)揮專有目標(biāo)監(jiān)測(cè)效果，可能會(huì)由于疏忽而導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)出現(xiàn)異常而未被發(fā)現(xiàn)，最終造成損失。加強(qiáng)各種技術(shù)的結(jié)合運(yùn)用，以保障技術(shù)使用的穩(wěn)定性和實(shí)用性，由于各技術(shù)發(fā)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(shí)利用成熟的技術(shù)帶動(dòng)其他技術(shù)的發(fā)展，也為技術(shù)的融合提供了可能。技術(shù)的融合有利于技術(shù)自身的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，使技術(shù)的發(fā)展方向更加明確，使技術(shù)的使用效果更加良好。因此，在監(jiān)測(cè)時(shí)要加強(qiáng)現(xiàn)代化技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、信息化技術(shù)等多方面技術(shù)的綜合使用，能對(duì)系統(tǒng)的建設(shè)起到一定的幫助作用，使其系統(tǒng)建設(shè)得更加完善化，并且使數(shù)據(jù)的計(jì)算更加高效，可以明確給出數(shù)據(jù)分析結(jié)果，以保障建設(shè)施工不會(huì)出現(xiàn)偏離。

5 結(jié)束語

綜上所述，在土木工程結(jié)構(gòu)建設(shè)過程中，需要監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行糾正，如果缺少監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，則可能造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和出現(xiàn)質(zhì)量不過關(guān)的情況。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠建設(shè)合理的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的具體職能、特殊工作性能進(jìn)行優(yōu)化，使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)工作更加完善，可以在土木工程中發(fā)揮更大的作用，以保障其結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。同時(shí)，利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有利于促進(jìn)土木工程在我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中的進(jìn)一步發(fā)展，產(chǎn)生更多的經(jīng)濟(jì)效益。