土木工程結(jié)構(gòu)的智能檢測與檢測系統(tǒng)

李馬力

【摘 要】土木工程結(jié)構(gòu)的智能檢測與健康診斷系統(tǒng)是由傳感元件和信號采集再經(jīng)傳輸和處理以及健康診斷等部分組成的。本文對該系統(tǒng)引進的智能傳感器、信息的融合以及對故障的診斷等影響工程結(jié)構(gòu)的智能檢測與診斷系統(tǒng)采取了探究和討論。

【關(guān)鍵詞】土木工程智能監(jiān)測；診斷系統(tǒng)

一、土木工程智能監(jiān)測與檢測系統(tǒng)

（一）智能傳感元件

土木工程的健康監(jiān)測就是利用性能穩(wěn)定、耐久性好的傳感元件，埋入或粘貼于結(jié)構(gòu)中，對最能反映土木工程安全狀況的參數(shù)進行監(jiān)測，評價結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性，為維修、報廢、報警決策提供可靠的依據(jù)。土木工程結(jié)構(gòu)與設(shè)施往往處于較惡劣的環(huán)境中，要求傳感器必需滿足耐久性、穩(wěn)定性、與結(jié)構(gòu)相容性等，傳統(tǒng)的傳感器很難滿足工程實際的需要。智能傳感材料的出現(xiàn)，如光纖、壓電材料、形狀記憶合金、碳纖維、電阻應(yīng)變絲、疲勞壽命絲、半導(dǎo)體材料等，為土木工程長期智能監(jiān)測打下了堅實的基礎(chǔ)。

（二）信號智能處理

土木工程健康監(jiān)測的結(jié)構(gòu)參數(shù)較多，如應(yīng)變、加速度、速度、位移、溫度、旋轉(zhuǎn)等，再則，大型結(jié)構(gòu)的多自由度特性要求的監(jiān)測布點盡可能多，從而就要求采用盡可能多的傳感器，而且不同的參數(shù)測量采用的原理也大多不一樣，尤其智能傳感器的出現(xiàn)使得測量的信號差異很大。多傳感器的使用會帶來以下4個方面的問題：（1）多傳感器形成了不同通道的信號；（2）同一信號形成了不同的特征信息；（3）不同的診斷途徑和方法會得出有偏差的診斷結(jié)論；（4）來自多傳感器的監(jiān)測信息和診斷決策信息具有強烈的不確定性。如何綜合利用來自多傳感器的多源不確定性信息以提高確診率成為土木工程健康監(jiān)測系統(tǒng)亟需解決的問題。

（三）健康診斷與安全評定

健康診斷與安全評定可分為局部診斷與評定和整體診斷與評定兩種。局部診斷與評定針對的對象是具體可疑的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，即通常的無損檢測與無損評價，其技術(shù)已比較成熟，幾乎涉及現(xiàn)代科學的每一分支，如射線檢測、聲與超聲檢測、電學與電磁檢測、熱力學與化學檢測等，具體而言，如X射線法、超聲回彈法、硬度測試法、渦流法、磁粉法、同位素法等。但是，這些方法的費用高，有些部位難以接近，對大型結(jié)構(gòu)在事先無法預(yù)測損傷位置的情況下無法進行。正因為如此，人們設(shè)想能不能通過對結(jié)構(gòu)整體特性，如動力特性和狀態(tài)反應(yīng)等的測量來診斷與評價損傷，實際證明這種方法是可行的[1]。整體診斷與評價是對結(jié)構(gòu)的特性參數(shù)如頻率、相位、振型、阻尼及狀態(tài)量等進行測量，通過分析這些量的變化對結(jié)構(gòu)進行診斷與評價。

二、目前需要解決的問題

（一）對智能的傳感元件進行研究

參照所需要進行的監(jiān)測量，來對智能材料各項性能進行改造，從而能夠研究出一種耐久性好并且可以埋入或者附著的傳感器。一些傳感器的原件等智能材料在很多領(lǐng)域如航空航天和機械行業(yè)獲得的成效相當顯著。但是要將其引入到重大土木工程中就必須做一些工作，如耐久性的問題和相容問題等。

（二）對傳感器的優(yōu)化配置

因為結(jié)構(gòu)的損傷模態(tài)本身具有的復(fù)雜性，所以對傳感器優(yōu)化布置進行研究的時候，就要全面并且經(jīng)濟的將結(jié)構(gòu)信號提取出來。

（三）對參數(shù)的識別研究

雖然機械領(lǐng)域中對參數(shù)的識別已經(jīng)相對成熟，然而在土木工程的識別中就有了瓶頸。在機械領(lǐng)域中，對參數(shù)進行測量通常較為恒定。因為土木工程的環(huán)境因素影響相對較大，甚至還存在某些非結(jié)構(gòu)的構(gòu)件如內(nèi)墻和梯子以及存放物和周邊的建筑物等發(fā)生了變化，則完全有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的參數(shù)發(fā)生變化，進而致使監(jiān)測得到的量發(fā)生變化，這必然會對智能檢測和健康評估引進一些錯誤信息。

（四）利用專家系統(tǒng)進行研究

現(xiàn)今對土木工程結(jié)構(gòu)的研究設(shè)計還只是停留在對構(gòu)件的處理上，所以至今還沒有一個統(tǒng)一起來的結(jié)構(gòu)標準。這就說明了健康監(jiān)測和對損傷進行定位和評價還沒有具體的統(tǒng)一標準，且具有較強的個性。

（五）利用結(jié)構(gòu)模型給予修正

現(xiàn)今結(jié)構(gòu)建模以及對模型的修正還沒能夠較好的將損傷到結(jié)構(gòu)中的靜和動態(tài)的特點反映出來，所以利用此模塊作為參考和設(shè)計參照標準時還需謹慎因為，它的可靠性程度還需要更深入地研究。

（六）利用相關(guān)領(lǐng)域范圍內(nèi)的高新技術(shù)

其它領(lǐng)域有許多技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)相當?shù)某墒?，如果能將這些先進的技術(shù)類似于應(yīng)力的波理論和聲的發(fā)射技術(shù)應(yīng)用到重大土木工程的研究去，則會取得比較好的研究成果。

三、目前亟需解決的問題

1.智能傳感元件的研究。根據(jù)需要的監(jiān)測量，改善智能材料的性能，研究耐久性好、可埋入或附著、大規(guī)模分布式的傳感元件。雖然目前的所謂智能材料在航空、航天、機械等行業(yè)已取得較好的成效，但應(yīng)用到土木工程還需做一些工作，如耐久性問題、相容問題、大應(yīng)變問題等。

2.傳感器優(yōu)化布置。由于結(jié)構(gòu)損傷模態(tài)的復(fù)雜性，研究傳感器的優(yōu)化布置，以便全面而經(jīng)濟地提取結(jié)構(gòu)信號。

3.結(jié)構(gòu)體系可靠度研究。結(jié)構(gòu)體系可靠度研究尚處于初步階段，對結(jié)構(gòu)的安全狀況定量地描述尚有一段距離，但它是安全評定的必需工具。

4.結(jié)構(gòu)模型修正。結(jié)構(gòu)建模與模型修正尚不能很好地反映損傷結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)特征，用它來作為參考、設(shè)計的標準的可靠性有待研究。

結(jié) 語

土術(shù)工程的結(jié)構(gòu)在應(yīng)用服役的過程中，必定會受到環(huán)境因素等多方面的影響，必定會導(dǎo)致?lián)p傷的累積，最終發(fā)生抗力的衰減。如果沒能及時給予維修或者報廢，這其中隱藏的隱患將難以預(yù)測，特別是重大土木工程結(jié)構(gòu)。所以，我們必須要對結(jié)構(gòu)的安全狀況進行評價和評定，就要借助于智能檢測與檢測系統(tǒng)，獲取結(jié)構(gòu)的各種重要參數(shù)并推斷其合理性以及對結(jié)構(gòu)進行健康監(jiān)鋇帕勺意義重大因此，土木工程的智能檢測系統(tǒng)在未來具有十分廣闊的前景。

參考文獻：

[1]Housner G W.Structure control：past，present and future[J].Journal of EngineeringMechanics，1997，123（9）：897-899.

[2]歐進萍，關(guān)新春.土木工程智能結(jié)構(gòu)體系的研究與發(fā)展[J].地震工程與工程振動，1999，19（2）：21-28.