土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用及展望

杜建剛

摘要：結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是通過測試設(shè)備獲取構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變和結(jié)構(gòu)的整體變形及振動(dòng)響應(yīng)，通過數(shù)據(jù)分析獲得結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有性能，并評估結(jié)構(gòu)未來的健康狀態(tài)。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。一方面監(jiān)測結(jié)構(gòu)在突發(fā)荷載作用下的承載能力極限，另一方面監(jiān)測結(jié)構(gòu)在長期累積損傷作用下的正常使用極限，從而完成監(jiān)測結(jié)構(gòu)在整個(gè)生命周期內(nèi)安全性能的任務(wù)。

關(guān)鍵詞：土木工程結(jié)構(gòu);健康監(jiān)測技術(shù);應(yīng)用期待分析研究

1結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)

結(jié)構(gòu)健康檢測技術(shù)是通過對土木工程結(jié)構(gòu)整體特征的健全基礎(chǔ)和綜合分析，判斷土木工程結(jié)構(gòu)損傷的具體位置和程度。結(jié)構(gòu)健康檢測技術(shù)適用于各類結(jié)構(gòu)的監(jiān)測，尤其是土木工程。對于土木工程結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)可以實(shí)時(shí)檢測結(jié)構(gòu)在嚴(yán)重?fù)p傷或?yàn)?zāi)害下的損傷，并監(jiān)測結(jié)構(gòu)在長期損傷或整個(gè)環(huán)境變化下的損傷。最后，結(jié)構(gòu)監(jiān)測的具體信息可以作為未來結(jié)構(gòu)監(jiān)測程度標(biāo)準(zhǔn)的參考。更重要的是，可以獲得結(jié)構(gòu)的殘值。

2結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用

2.1紅外熱像監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用

紅外熱成像監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用是一個(gè)利用紅外熱成像原理的系統(tǒng)，應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)檢測工程結(jié)構(gòu)物的整體情況是自由熱線或物體，從而形成一個(gè)熱狀圖形，不僅可以直接反映材料的含量，也可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)監(jiān)測結(jié)構(gòu)的許多缺陷和問題。紅外熱像監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用的最大優(yōu)點(diǎn)是不需要與被測物體直接接觸，在整體技術(shù)上具有更大的隨機(jī)性。它可以任意應(yīng)用，無論是上下還是左右，并且可以隨時(shí)隨地掃描檢測到的對象。紅外熱圖像監(jiān)測技術(shù)適用于非接觸、寬范圍的無損檢測，還有一個(gè)重要特點(diǎn)是不拾取時(shí)間，晝夜均可監(jiān)測，現(xiàn)有的無損檢測技術(shù)在功能和效果上有很好的互補(bǔ)性，相對自由的是廣泛的，該技術(shù)在國外取得了很大的成就。

2.2電阻應(yīng)變片法的應(yīng)用

電阻應(yīng)變片法的應(yīng)用也是近年來出現(xiàn)的一種監(jiān)測方法。與紅外熱像監(jiān)測技術(shù)相比，該方法有一定的局限性，但也有很大的優(yōu)勢。例如，電阻應(yīng)變片法適合于短期監(jiān)測，價(jià)格非常低廉，可以在很大程度上節(jié)約成本，保證財(cái)務(wù)預(yù)算，使用方法相對簡單，易于操作。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷更新，這種電阻應(yīng)變片方法的持續(xù)應(yīng)用越來越廣泛，其優(yōu)勢和優(yōu)勢可以得到更好的發(fā)揮。相信未來的應(yīng)用會(huì)更加扎實(shí)，應(yīng)用策略的使用會(huì)更加方便。

2.3超聲波檢測方法的應(yīng)用

早在20世紀(jì)60年代，國外科學(xué)家就已經(jīng)能夠?qū)⑦@種超聲波檢測方法應(yīng)用于混凝土中，它也是超聲波檢測方法的先驅(qū)。其工作原理是通過超聲波監(jiān)視器的波形來顯示25Hz聲轉(zhuǎn)換器的形狀和頻率。檢測并分析超聲波在結(jié)構(gòu)中傳播的具體情況，如傳播速度、頻率、接收信號的程度，并將這些檢測數(shù)據(jù)有機(jī)地結(jié)合在一起，觀察其規(guī)律和變化，最后形成判斷，即混凝土缺陷。

2.4云紋法的應(yīng)用

云紋法也是一種新的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法，在整個(gè)運(yùn)行過程中較為復(fù)雜，但可以得到更完整的結(jié)論。云紋法和陰影云紋法是可以應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)中的兩種主要方法，應(yīng)用條件苛刻，但應(yīng)從技術(shù)角度加以完善，找到更好的方向和內(nèi)涵，讓云紋法的應(yīng)用條件得到改善，確保其對未來的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測具有價(jià)值。

2.5振動(dòng)法的應(yīng)用

振動(dòng)法使用振動(dòng)測量傳感器陣列獲取信號，然后測量和分析收集的信息進(jìn)行比較，比較受損參數(shù)和未受損參數(shù)之間的差異，并評估結(jié)構(gòu)的當(dāng)前狀態(tài)。振動(dòng)法的內(nèi)容非常廣泛，相信在未來的應(yīng)用過程中會(huì)得到更多的理論和實(shí)踐結(jié)果。

3結(jié)果健康監(jiān)測技術(shù)存在的問題及展望

（1） 如何從整個(gè)測量點(diǎn)中選擇最重要的測量點(diǎn)是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用中需要解決的基本問題。測量點(diǎn)應(yīng)能獲得結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)和關(guān)鍵部件局部響應(yīng)的完整信息。在此基礎(chǔ)上，盡量減少測量點(diǎn)的數(shù)量，以減少投資，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，研究人員和工程師需要繼續(xù)對具有不同結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性的監(jiān)測傳感器的布置進(jìn)行優(yōu)化研究。

（2） 傳感器物理力學(xué)值的測量精度、外部環(huán)境的抗干擾能力和信號的無線傳輸能力有待提高。目前，傳感器組件的安裝要求很高。傳感器組件抗自然環(huán)境腐蝕能力差，正常使用壽命遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)使用壽命，更換成本高。此外，傳感器組件抵抗外部干擾的能力較低，信號中混合了大量噪聲組件。尤其是在無線傳輸過程中，外部環(huán)境對信號質(zhì)量的影響更為嚴(yán)重，給數(shù)據(jù)處理帶來了很大的困難。因此，研究人員和工程師需要進(jìn)一步研究傳感器組件的性能。

（3） 健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理技術(shù)有待進(jìn)一步研究。健康監(jiān)測是一個(gè)長期的過程，從施工階段到建筑物的使用，監(jiān)測設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。一方面，工人需要通過清理原始數(shù)據(jù)來獲取有效數(shù)據(jù);另一方面，為了應(yīng)對數(shù)據(jù)缺失的情況，工作人員需要對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，通過可靠的推理理論和算法，獲得結(jié)構(gòu)的性能狀態(tài)。因此，數(shù)據(jù)簡化和挖掘技術(shù)仍然是后續(xù)研究的重點(diǎn)之一。

（4） 健康監(jiān)測系統(tǒng)的智能評估水平有待提高。健康監(jiān)測是一個(gè)全球性項(xiàng)目。從整個(gè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)機(jī)理和溫度效應(yīng)到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷，有必要對結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性進(jìn)行評估。未來，隨著監(jiān)測參數(shù)的進(jìn)一步增加，一些參數(shù)的分析已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足復(fù)雜建筑健康狀況評價(jià)的要求。因此，集成大數(shù)據(jù)的智能評估系統(tǒng)是未來的研究方向之一。

（5） 可視化技術(shù)在健康監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用不足。可視化技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域發(fā)展迅速。可視化技術(shù)可以高度集成建筑信息，直觀地表達(dá)健康監(jiān)測系統(tǒng)的分析結(jié)果。它為健康監(jiān)測系統(tǒng)、操作員和監(jiān)測人員之間的信息交互提供了有效的媒介。因此，可視化技術(shù)與健康監(jiān)測技術(shù)的高度集成是未來土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展方向之一。

4結(jié)論

土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，我國的研究和發(fā)展還處于起步階段，許多研究方法還存在問題。因此，在未來的發(fā)展過程中，土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)應(yīng)更加完善，與時(shí)俱進(jìn)，針對不同的問題提出不同的解決方案，并選擇最佳方案，以確保土木工程的穩(wěn)固穩(wěn)定。土木工程對人類的生存和發(fā)展起著重要作用。確保土木工程安全就是確保人民生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用對于保證土木工程的長期穩(wěn)定發(fā)展更為重要。

參考文獻(xiàn)

[1]張澤宇.基于監(jiān)測的空間鋼結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評價(jià)體系研究[D].浙江大學(xué)，2017.