簡述土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

秦 樂

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

簡述土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

秦 樂

(山西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院工程設(shè)計中心，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)測的必要性，分別從健康監(jiān)測的定義、診斷方法、監(jiān)測目標(biāo)和發(fā)展歷程等方面進(jìn)行了論述，并結(jié)合國內(nèi)外應(yīng)用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的工程案例進(jìn)行了研究，最后對土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測未來的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

土木工程，結(jié)構(gòu)，健康監(jiān)測，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)計壽命。

對于重大的土木結(jié)構(gòu)在遭受地震、爆炸和洪水等自然或人為災(zāi)害時的安全問題，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測顯得尤其必要。都江堰在5·12汶川地震后，必須馬上對其的安全狀況進(jìn)行監(jiān)測評估，實時檢驗結(jié)構(gòu)的性能，合理并準(zhǔn)確地評估其的損傷位置和程度、維修方案，以及是否能夠正常運營做出準(zhǔn)確的決斷，這對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)測系統(tǒng)是目前國內(nèi)外土木工程領(lǐng)域的一大研究熱點。

1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測概述

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測主要用于現(xiàn)場無損檢測技術(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))，實現(xiàn)檢測結(jié)構(gòu)損傷、退化的目的?；舅枷胧峭ㄟ^監(jiān)測建筑結(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，以此實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷評估等級，或者對結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期監(jiān)測，及時發(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：主要監(jiān)測結(jié)構(gòu)在靜態(tài)下的位移；3)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動態(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)測技術(shù)的發(fā)展主要分為三個階段：1)以結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域?qū)＜业母泄俸蛯I(yè)經(jīng)驗為中心，只能對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行簡單的診斷處理；2)采用傳感器和動態(tài)測試技術(shù)為基本手段，對信號建模分析，近年來這種方法廣泛地應(yīng)用在工程實踐中；3)計算機(jī)計算的廣泛應(yīng)用和發(fā)展,極大地推動了信號處理的智能化發(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)的損傷劃分為四個等級：

等級一:判定是否有損傷；等級二:基于等級一，確定損傷的位置；等級三:基于等級二，判定損傷的程度；等級四:基于等級三，對結(jié)構(gòu)的剩余壽命評估預(yù)測。

2 健康監(jiān)測系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)的安全評估是在結(jié)構(gòu)監(jiān)測的前提下。對于已經(jīng)安裝監(jiān)測裝置的工程,結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測只是監(jiān)測系統(tǒng)的一部分，而對于未安裝監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)，則需要在建筑物的相關(guān)部位臨時設(shè)置傳感器。一個完整的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(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.主要涉及采集信號的精度，降低外界的影響和干擾，信號精度應(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，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)信號傳送到智能診斷中心。

4)監(jiān)控中心和報警設(shè)備。使用各種軟硬件，對接收到的數(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，從而對所測建筑物的健康狀況作出評估，如發(fā)現(xiàn)異常，發(fā)出報警信號。

3 結(jié)構(gòu)監(jiān)測方法及優(yōu)缺點

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

3.1 局部檢測

局部法是使用無損檢測技術(shù)的方法，對結(jié)構(gòu)的某個特定組件進(jìn)行檢測，查找缺陷的位置。主要采用目測法，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)通常是幾個聯(lián)合起來使用,去檢測結(jié)構(gòu)是否存在裂縫、聯(lián)結(jié)松動、銹蝕等工程隱患。

但是,局部無損檢測同時也存在不足之處：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，尤其是對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷檢測是不太現(xiàn)實的；3)這種方法主要借助人工檢測,這就要求在進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢測的過程中,中止生產(chǎn)經(jīng)營活動,必然造成一定的經(jīng)濟(jì)損失；4)不能實現(xiàn)實時連續(xù)監(jiān)控。

3.2 整體檢測

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

動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，對結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的預(yù)測，與實測值相比，最相似的，也是破壞最可能的位置。再識別不同程度的損傷，多發(fā)傷，往往只有最大程度的損傷位置識別。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法集自動控制，統(tǒng)計，計算機(jī)技術(shù)和相應(yīng)的識別方法于一體，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的系統(tǒng)識別理論，充分利用自反饋，自適應(yīng)，自學(xué)習(xí)能力，以實驗?zāi)B(tài)測試為手段，輸入模態(tài)參數(shù)，運算處理得到損傷的程度、位置，并進(jìn)行評價結(jié)構(gòu)。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的容錯性，請求的輸入?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，將其引入損傷評估的優(yōu)化方法，在測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)化能力也不會受到任何影響。遺傳算法只需計算目標(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，因此目前我國的監(jiān)測系統(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、振動等子項均配置了監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)測。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，應(yīng)變計，位移傳感器，風(fēng)速儀和溫度傳感器等各種傳感器共計774個,統(tǒng)稱為“風(fēng)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)”。湛江灣大橋，采用監(jiān)測應(yīng)變和撓度值來估算交通負(fù)荷量。

在國際上，特別是在日本、美國和德國，健康監(jiān)測系統(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，超高層建筑。在國內(nèi)，結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測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)測和檢測技術(shù)無論是在學(xué)術(shù)上還是在工程實踐中都取得了一定的成果。同時,對于超高層結(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