淺談工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測
2015-03-24
隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和科技的進步，許多大型結(jié)構(gòu)工程得以興建，但它們在服役過程中不可避免的會受到荷載作用、環(huán)境腐蝕、材料老化、疲勞破壞等因素的耦合作用而產(chǎn)生損傷累積，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的抗力衰減，容易引發(fā)突發(fā)事故。
常規(guī)的人工檢測的方法帶有很大的主觀性，檢查時間過長，不能在突發(fā)事件后迅速查明結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。因此，工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)越來越受到社會各界的廣泛重視，對災(zāi)害的提前預(yù)警或在災(zāi)害發(fā)生后評估結(jié)構(gòu)的損傷程度及其剩余壽命已成為當(dāng)前各國學(xué)者們研究的熱點問題。
1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的概念
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測指利用現(xiàn)場的無損傳感技術(shù)，通過包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性分析，達到檢測結(jié)構(gòu)損傷或退化的目的[1]。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的過程包括：通過一系列傳感器得到系統(tǒng)定時取樣的動力響應(yīng)測量值，然后從這些測量值中抽取對損傷敏感的特征因子，并對這些特征因子進行統(tǒng)計分析，從而獲得結(jié)構(gòu)當(dāng)前的健康狀況。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的內(nèi)容包括（1）荷載監(jiān)測：包括風(fēng)、地震、溫度和交通荷載等；（2）幾何監(jiān)測：監(jiān)測結(jié)構(gòu)各部位的靜態(tài)位移（如橋塔和錨錠的沉降和傾斜等）；（3）結(jié)構(gòu)的靜、動力反應(yīng)：如應(yīng)變、加速度、頻率和模態(tài)信息等[2]。
對重大工程結(jié)構(gòu)進行實時健康監(jiān)測、及時識別結(jié)構(gòu)的損傷累積并評估其使用性能和壽命，建立相應(yīng)的安全預(yù)警機制，對可能出現(xiàn)的災(zāi)害進行提前預(yù)警，不僅對于提高結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性具有重大的科學(xué)意義，而且可以降低結(jié)構(gòu)的運行和維護費用，因此已成為21世紀(jì)人類亟待解決的重要課題。
2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器子系統(tǒng)、信息采集與處理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、損傷識別、模型修正和安全評定及預(yù)警子系統(tǒng)組成[3]。
（1）傳感器子系統(tǒng)，主要包括各智能傳感元件，通過各智能傳感元件感知結(jié)構(gòu)的荷載和響應(yīng)信息，并以光、電、聲、熱等物理量的形式輸出，該系統(tǒng)是健康監(jiān)測系統(tǒng)最基礎(chǔ)的子系統(tǒng)。
?。?）信息采集與處理子系統(tǒng)，完成對傳感器數(shù)據(jù)的收集和信號的初步處理。
（3）數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)，主要對傳感器采集的數(shù)據(jù)、經(jīng)數(shù)字信號處理的數(shù)據(jù)及后續(xù)分析數(shù)據(jù)進行存儲管理。
?。?）損傷識別、模型修正和安全評定及預(yù)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(yù)警設(shè)備組成。
3 傳感器
3.1 傳感器簡介
傳感器能感受到被測量的信息，并能將這些信息按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出。傳統(tǒng)的振動測量采用的傳感器有壓電式力傳感器、加速度傳感器、阻抗傳感器、應(yīng)變片等，它們已廣泛應(yīng)用于各類工程結(jié)構(gòu)的實測中[4]。
3.2 傳感器的優(yōu)化布置
傳感器的布置對于參數(shù)識別和損傷監(jiān)測具有重要的意義。一般來講，傳感器的優(yōu)化布設(shè)應(yīng)遵循以下幾個原則[4]：
?。?）使傳感器系統(tǒng)的設(shè)備、數(shù)據(jù)處理、傳輸和數(shù)據(jù)通道等費用最小。
?。?）從含有噪聲的測量數(shù)據(jù)中得出較好的結(jié)構(gòu)模型參數(shù)的估計。
?。?）通過對大型結(jié)構(gòu)模型的試驗研究，改善結(jié)構(gòu)控制。
?。?）有效確定結(jié)構(gòu)特性及其變化，改進結(jié)構(gòu)整體性能評估系統(tǒng)。
?。?）對于大型結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)早期損傷識別的能力。
4 結(jié)構(gòu)損傷識別
損傷識別是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的核心。它的基本思想是認(rèn)為損傷將顯著改變結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量或耗能能力，進而引起所測結(jié)構(gòu)動力特征或響應(yīng)的改變。通過從監(jiān)測數(shù)據(jù)中提取不同部位的信息，并比對結(jié)構(gòu)無損狀態(tài)下的相應(yīng)信息，來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的健康檢測與評估，從而判斷損傷的出現(xiàn)、位置和程度。
損傷識別技術(shù)可分為整體法和局部法兩種。整體法試圖評價整體結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，而局部法則依靠成熟的無損檢測技術(shù)對某個特定的結(jié)構(gòu)部件進行檢測。通常先用整體法確定一些可能的損傷部位，然后再結(jié)合局部法對這些部位的構(gòu)件進行詳細具體的損傷檢測，進而對結(jié)構(gòu)的損傷情況進行精確評估。
4.1 整體檢測法
結(jié)構(gòu)整體檢測法主要有：動力指紋分析法 、模型修正與系統(tǒng)識別法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、遺傳算法等幾種。
如果結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷，質(zhì)量和剛度等結(jié)構(gòu)參數(shù)會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致相應(yīng)的動力指紋的變化，這是動力指紋分析法所依據(jù)的原理。模型修正與系統(tǒng)識別法的基本思想是使用動力測試資料，通過條件優(yōu)化約束，不斷修正模型中的剛度分布，然后與修正剛度后模型的反應(yīng)所測數(shù)據(jù)比較。當(dāng)兩者基本吻合時，則認(rèn)為此組參數(shù)為結(jié)構(gòu)當(dāng)前參數(shù)。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以生物神經(jīng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，模擬人腦的功能，是一種由簡單神經(jīng)元連接成的具有高度非線性的超大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。遺傳算法是根據(jù)達爾文進化論中適者生存、優(yōu)勝劣汰的進化原則來搜索下一代的最優(yōu)個體，以得到滿足要求的最優(yōu)解。
4.2 局部檢測法
傳統(tǒng)的局部檢測方法有染色法、目檢法、壓痕法、回彈法、超聲脈沖法、射線法等。近年來又出現(xiàn)了一些新的專門針對土木工程結(jié)構(gòu)的局部損傷檢測方法，如聲發(fā)射法、Lamb法、頻域ARX法、超聲光譜法、幾何時域法等。
5 工程應(yīng)用
土木工程結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用的一個重要對象，目前在大型橋梁、大壩、高層建筑等土木工程結(jié)構(gòu)中，健康監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用及功能驗證是研究的一個熱點。英國在總長522m的三跨變高度連續(xù)箱梁的Foyle橋上布設(shè)傳感器，監(jiān)測橋梁運營階段在車輛與風(fēng)荷載作用下主梁的振動、擾度和應(yīng)變等響應(yīng)，同時監(jiān)測環(huán)境風(fēng)和結(jié)構(gòu)溫度場[5]。我國的江陰長江公路大橋也采用了結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)。為了對橋梁的工作環(huán)境、橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)、橋梁在車載等各類外部荷載因素作用下的響應(yīng)進行實時監(jiān)測和研究，全面了解橋梁的運營條件及質(zhì)量退化狀況，為橋梁的運營管理、養(yǎng)護維修、可靠性評估以及科學(xué)研究提供依據(jù)，在原有監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行了改造和升級，建立江陰大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。新的健康監(jiān)測系統(tǒng)增加了光纖應(yīng)變測試系統(tǒng)監(jiān)測主梁內(nèi)力以及GPS位移測試系統(tǒng)監(jiān)測主梁線型和橋塔位移，從而實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)，包括內(nèi)力、位移、振動、溫度等信號進行長期在線采集與管理，并進行有效的數(shù)據(jù)積累和分析，獲取反映橋梁健康狀況的特征信息，對大橋的安全可靠性作出評價。
6 存在的問題及展望
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究目前尚處于基礎(chǔ)性的探索階段，距離實用性的系統(tǒng)目標(biāo)還有很大的差距。目前需要解決的問題還有很多，歸納起來主要有這幾個：缺乏統(tǒng)一的有效的損傷量化指標(biāo)、信號處理的不準(zhǔn)確性、高成本、傳感器優(yōu)化布局存在困難、土木工程結(jié)構(gòu)的不確定因素和復(fù)雜的工作環(huán)境對結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的敏感性會造成不利的影響。因此，未來的發(fā)展方向表面在以下幾個方面：第一，結(jié)構(gòu)損傷機理的研究。第二，識別小損傷的研究。第三，非線性損傷診斷技術(shù)的研究。第四，智能傳感元件的研究。第五，傳感器優(yōu)化布置。第六，參數(shù)識別研究。第七，專家系統(tǒng)研究。第八，結(jié)構(gòu)體系可靠度研究。如果能很好的解決好上述問題，無疑將會在很大程度上推動結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。
