土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及進展
2015-07-27
1 引言
目前我國土木工程事故頻繁發(fā)生，如橋梁的突然折斷、房屋驟然倒塌等，造成了重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，已經(jīng)引起人們對于重大工程安全性的關(guān)心及重視。另外，我國有一大部分橋梁和基礎設施都是在20世紀五六十年代建造的，經(jīng)過這么多年的使用，它們的安全性能如何？是否對人民的生命財產(chǎn)構(gòu)成威脅？這些都是亟待回答的問題。近些年，地震，洪水、暴風等自然災害也對這些建筑物和結(jié)構(gòu)造成不同程度的損傷；還有一些人為的爆炸等破壞性行為，如美國世貿(mào)大樓倒塌對周圍建筑物的影響。這些越來越引起人們的密切關(guān)注。
對重大工程結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能進行實時的監(jiān)測和診斷，及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷，并評估其安全性，預測結(jié)構(gòu)的性能變化和剩余壽命并做出維護決定，對提高工程結(jié)構(gòu)的運營效率，保障人民生命財產(chǎn)安全有極其重大的意義，已經(jīng)成為現(xiàn)代工程越來越迫切的要求，也是土木工程學科發(fā)展的一個重要領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)可以實時采集反結(jié)構(gòu)服役狀況的相關(guān)數(shù)據(jù)，采用一定的損傷識別算法判斷損傷的位置與程度，及時有效地評估結(jié)構(gòu)的安全性，預測結(jié)構(gòu)的性能變化并對突發(fā)事件進行預警，因而可以較全面地把握結(jié)構(gòu)建造與服役全過程的受力與損傷演化規(guī)律，土木是保障大型工程結(jié)構(gòu)隱建造和服役安全的有效手段之一。
2 健康監(jiān)測系統(tǒng)的基本概念
結(jié)構(gòu)健康簽測（structural health monitoring，SHM）是指利用現(xiàn)場的無損傳感技術(shù)，分析通過包括結(jié)構(gòu)響應在內(nèi)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性，達到檢測結(jié)構(gòu)損傷或退化的一些變化。
損傷識別：工程結(jié)構(gòu)一般會受到兩種損傷，即突然損傷和積累損傷。突然損傷由遭地震、洪水、颶風、爆炸等嚴重的自然或人為災害等突發(fā)事件引起，而積累損傷則一般是結(jié)構(gòu)在經(jīng)過長時期使用后緩慢累積的損傷，具有緩慢積累的性質(zhì)。對于損傷識別的目標，有工程師提出了損傷檢測的5個層次：判斷結(jié)構(gòu)中是否有損傷產(chǎn)生，損傷定位，識別損傷類型，量化損傷的嚴重程度，評估結(jié)構(gòu)的剩余壽命。理想的損傷識別方法應該具備的另一重要性能是，能夠區(qū)分結(jié)構(gòu)建模誤差引起的偏差與結(jié)構(gòu)損傷引起的偏差間的區(qū)別。
安全性評佑：結(jié)構(gòu)安全性評估是基于健康監(jiān)測和損傷識別的基礎上，通過各種可能的、結(jié)構(gòu)允許的測試手段，測試其當前的工作狀態(tài)，并與其臨界失效狀態(tài)進行比較，評價其安全等級。對予不同的結(jié)構(gòu)，其重要程度不同，安全等級也應該有所差別。安全性評估與可靠性不同，可靠性為一種概率，一種可能性；而安全性評估旨在給出確定的安全等級。
3 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)組成及其功能分析
結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測是一種實時的在線監(jiān)測技術(shù)。一般健康監(jiān)測系統(tǒng)包括以下幾個部分：
(1)傳感器子系統(tǒng)。傳感器子系統(tǒng)為硬件系統(tǒng)，功能為感知結(jié)構(gòu)的荷載和效應信息，并以電、光、聲、熱等物理量形式輸出。該子系統(tǒng)是健康監(jiān)測系統(tǒng)最前端和最基礎的子系統(tǒng)。
(2)數(shù)據(jù)采集與處理及傳輸子系統(tǒng)。包括硬件和軟件兩部分，硬件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)傳輸電纜/光纜、數(shù)模轉(zhuǎn)換(A/D)卡等；軟件系統(tǒng)將數(shù)字信號以一定方式存儲在計算機中，數(shù)據(jù)采集通用軟件平臺有Visual Basic，VC++，Delphi，Lab Windows或Lab View等。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)預處理后存儲在數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)是聯(lián)系傳感器子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)的橋梁。
(3)損傷識別、模型修正和安全評定與安全預警子系統(tǒng)，由損傷識別軟件、模型修正軟件、結(jié)構(gòu)安全評定軟件和預警設備組成。在該系統(tǒng)中，一般首先運行損傷識別軟件，一旦識別結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷，即運行模型修正軟件和安全評定軟件。若出現(xiàn)異常，則由預警設備發(fā)出報警信息。損傷識別軟件通常由計算分析軟件平臺開發(fā)，如MATLAB等；模型修正和安全評定軟件一般是結(jié)構(gòu)分析軟件，如ANSYS和結(jié)構(gòu)分析設計專門軟件等。損傷識別是在結(jié)構(gòu)反應信息基礎上進行的，結(jié)構(gòu)反應信息由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集后存儲在數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)中。因此，損傷識別軟件運行時，首先能夠從數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)中自動讀取結(jié)構(gòu)反應信息數(shù)據(jù)。損傷識別和模型修正以及安全評定的結(jié)果將作為結(jié)構(gòu)的歷史檔案數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)中。因此，損傷識別和模型修正以及安全評定的結(jié)果將能夠自動存入數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)中。
(4)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)，它的核心為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫管理結(jié)構(gòu)建造信息、幾何信息、監(jiān)測信息和分析結(jié)果等全部數(shù)據(jù)，它是結(jié)構(gòu)健康鑒測系統(tǒng)的核心，承擔著健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理功能。
4 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)在國內(nèi)外的應用情況
在國外，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)已有較多的應用，除應用于大跨橋梁外，已經(jīng)開始應用到高層復雜建筑的監(jiān)測。日本的明石海峽大橋為主跨1991 m的3跨雙鉸懸索橋，于1998年4月5日通車，是本州一四國聯(lián)絡線橋。該橋抗震設計要求可以抵抗距震中150km的里氏8．5級地震，抗風設計的設計風速在橋面處為60m/s。明石海峽大橋的建造采用了最新的抗風、抗震設計法，所以不僅必須檢驗設計時的假定，而且還要檢驗結(jié)構(gòu)在強風和強震中的一些相關(guān)常數(shù)。另外需要監(jiān)控其基本結(jié)構(gòu)特性，即在正常狀態(tài)中溫度和其它條件發(fā)生變化時橋梁的行為。為調(diào)查這些項目，安裝了一套監(jiān)控系統(tǒng)。在觀測中，采用GPS來監(jiān)測梁和塔的變形。
在國內(nèi)，近幾年結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的應用逐漸增多，但由于健康監(jiān)測系統(tǒng)集成技術(shù)復雜，成本昂貴，我國的健康監(jiān)測系統(tǒng)多應用于大跨橋梁?；㈤T大橋位于珠江入海口，是連接珠江三角洲東西兩翼的交通樞紐工程。虎門大橋全長4 606m，主橋是跨徑888m的懸索橋，主梁采用扁平閉口流線型截面鋼箱梁。由于虎門大橋位于熱帶風暴多發(fā)地區(qū)，所以對橋梁的安全問題需要特別考慮和重視。廣東虎門大橋有限公司、清華大學土木工程系和廣州大地興科技儀器有限公司研究開發(fā)了虎門大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括虎門大橋三維位移GPS實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和虎門大橋應變監(jiān)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
5 存在的問題及發(fā)展方向
本文闡述了土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的基本概念、健康監(jiān)測系統(tǒng)組成和功能、以及目前的研究應用現(xiàn)狀，重點討論了健康監(jiān)測系統(tǒng)組成中的一些關(guān)鍵問題。就現(xiàn)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及診斷的研究發(fā)展水平來看，仍然存在以下幾個尚待解決的問題：
(1)對結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的評價缺乏通用有效的損傷量化指標。在基于振動的損傷診斷中，要求測得的損傷狀態(tài)的信號應與原始的健康狀態(tài)的信號有明顯的差異，能夠準確地區(qū)分出結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)和健康狀態(tài)。當前存在的一個矛盾是，結(jié)構(gòu)的自振頻率可準確測量，但自振頻率對局部損傷不敏感；振型(尤其是高階振型)變化對局部損傷敏感，但卻難以精確測量。因此，應該提出一種通用有效的損傷量化指標(或是針對某一類結(jié)構(gòu)比較有效的動力指紋)，把結(jié)構(gòu)的健康狀況進行簡單的分級量化。
(2)由于大型土木工程結(jié)構(gòu)都是復雜非線性系統(tǒng)，而神經(jīng)網(wǎng)絡和遺傳算法具有不需要知道系統(tǒng)的精確模型就可進行相應運算的特點，因此在結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測和診斷方面具有廣闊的應用前景。小波分析由于有刻畫細節(jié)的能力，在數(shù)據(jù)的處理方面也具有一定的優(yōu)勢。但各個方法均有其缺陷和局限性，綜合使用幾種方法有時會獲得更好的分析效果。
(3)傳感器的優(yōu)化布設是土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和診斷中的一個重要問題，出于對經(jīng)濟和結(jié)構(gòu)運行狀態(tài)等因素的考慮，應該做到使用盡量少的傳感器獲取盡可能多的結(jié)構(gòu)信息。
(4)微波等無線通訊技術(shù)將是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重要發(fā)展方向，無線監(jiān)測系統(tǒng)可以大大減少結(jié)構(gòu)上信號線的安裝數(shù)量，節(jié)約成本，不必擔心信號線的老化對信號采集的影響，具有廣闊的應用前景。
(5)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究是近年來土木工程領(lǐng)域發(fā)展的重點課題，但目前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計與開發(fā)還缺乏統(tǒng)一的標準或規(guī)程。
