淺談工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)
2015-03-24
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，許多大型結(jié)構(gòu)工程得以興建，但它們?cè)诜圻^(guò)程中不可避免的會(huì)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(cè)的方法帶有很大的主觀性，檢查時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，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(cè)技術(shù)越來(lái)越受到社會(huì)各界的廣泛重視，對(duì)災(zāi)害的提前預(yù)警或在災(zāi)害發(fā)生后評(píng)估結(jié)構(gòu)的損傷程度及其剩余壽命已成為當(dāng)前各國(guó)學(xué)者們研究的熱點(diǎn)問題。
1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的概念
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)指利用現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)損傳感技術(shù)，通過(guò)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(dá)到檢測(cè)結(jié)構(gòu)損傷或退化的目的[1]。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的過(guò)程包括：通過(guò)一系列傳感器得到系統(tǒng)定時(shí)取樣的動(dòng)力響應(yīng)測(cè)量值，然后從這些測(cè)量值中抽取對(duì)損傷敏感的特征因子，并對(duì)這些特征因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(cè)的內(nèi)容包括（1）荷載監(jiān)測(cè)：包括風(fēng)、地震、溫度和交通荷載等；（2）幾何監(jiān)測(cè)：監(jiān)測(cè)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(dòng)力反應(yīng)：如應(yīng)變、加速度、頻率和模態(tài)信息等[2]。
對(duì)重大工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)、及時(shí)識(shí)別結(jié)構(gòu)的損傷累積并評(píng)估其使用性能和壽命，建立相應(yīng)的安全預(yù)警機(jī)制，對(duì)可能出現(xiàn)的災(zāi)害進(jìn)行提前預(yù)警，不僅對(duì)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(yùn)行和維護(hù)費(fèi)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(cè)系統(tǒng)的組成
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(shí)別、模型修正和安全評(píng)定及預(yù)警子系統(tǒng)組成[3]。
?。?）傳感器子系統(tǒng)，主要包括各智能傳感元件，通過(guò)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(cè)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(duì)傳感器數(shù)據(jù)的收集和信號(hào)的初步處理。
（3）數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)，主要對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)、經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理的數(shù)據(jù)及后續(xù)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)管理。
?。?）損傷識(shí)別、模型修正和安全評(píng)定及預(yù)警子系統(tǒng)，由損傷識(shí)別軟件、模型修正軟件、結(jié)構(gòu)安全評(píng)定軟件和預(yù)警設(shè)備組成。
3 傳感器
3.1 傳感器簡(jiǎn)介
傳感器能感受到被測(cè)量的信息，并能將這些信息按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出。傳統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)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(shí)測(cè)中[4]。
3.2 傳感器的優(yōu)化布置
傳感器的布置對(duì)于參數(shù)識(shí)別和損傷監(jiān)測(cè)具有重要的意義。一般來(lái)講，傳感器的優(yōu)化布設(shè)應(yīng)遵循以下幾個(gè)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(fèi)用最小。
?。?）從含有噪聲的測(cè)量數(shù)據(jù)中得出較好的結(jié)構(gòu)模型參數(shù)的估計(jì)。
（3）通過(guò)對(duì)大型結(jié)構(gòu)模型的試驗(yàn)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(jìn)結(jié)構(gòu)整體性能評(píng)估系統(tǒng)。
?。?）對(duì)于大型結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)早期損傷識(shí)別的能力。
4 結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別
損傷識(shí)別是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(jìn)而引起所測(cè)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征或響應(yīng)的改變。通過(guò)從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中提取不同部位的信息，并比對(duì)結(jié)構(gòu)無(wú)損狀態(tài)下的相應(yīng)信息，來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè)與評(píng)估，從而判斷損傷的出現(xiàn)、位置和程度。
損傷識(shí)別技術(shù)可分為整體法和局部法兩種。整體法試圖評(píng)價(jià)整體結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，而局部法則依靠成熟的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)某個(gè)特定的結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行檢測(cè)。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(duì)這些部位的構(gòu)件進(jìn)行詳細(xì)具體的損傷檢測(cè)，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷情況進(jìn)行精確評(píng)估。
4.1 整體檢測(cè)法
結(jié)構(gòu)整體檢測(cè)法主要有：動(dòng)力指紋分析法 、模型修正與系統(tǒng)識(shí)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(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致相應(yīng)的動(dòng)力指紋的變化，這是動(dòng)力指紋分析法所依據(jù)的原理。模型修正與系統(tǒng)識(shí)別法的基本思想是使用動(dòng)力測(cè)試資料，通過(guò)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(cè)數(shù)據(jù)比較。當(dāng)兩者基本吻合時(shí)，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(jiǎn)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(dá)爾文進(jìn)化論中適者生存、優(yōu)勝劣汰的進(jìn)化原則來(lái)搜索下一代的最優(yōu)個(gè)體，以得到滿足要求的最優(yōu)解。
4.2 局部檢測(cè)法
傳統(tǒng)的局部檢測(cè)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(lái)又出現(xiàn)了一些新的專門針對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)的局部損傷檢測(cè)方法，如聲發(fā)射法、Lamb法、頻域ARX法、超聲光譜法、幾何時(shí)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(cè)系統(tǒng)應(yīng)用的一個(gè)重要對(duì)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(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用及功能驗(yàn)證是研究的一個(gè)熱點(diǎn)。英國(guó)在總長(zhǎng)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(cè)橋梁運(yùn)營(yíng)階段在車輛與風(fēng)荷載作用下主梁的振動(dòng)、擾度和應(yīng)變等響應(yīng)，同時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境風(fēng)和結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)[5]。我國(guó)的江陰長(zhǎng)江公路大橋也采用了結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為了對(duì)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(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和研究，全面了解橋梁的運(yùn)營(yíng)條件及質(zhì)量退化狀況，為橋梁的運(yùn)營(yíng)管理、養(yǎng)護(hù)維修、可靠性評(píng)估以及科學(xué)研究提供依據(jù)，在原有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改造和升級(jí)，建立江陰大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。新的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)增加了光纖應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)測(cè)主梁內(nèi)力以及GPS位移測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)測(cè)主梁線型和橋塔位移，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)，包括內(nèi)力、位移、振動(dòng)、溫度等信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)期在線采集與管理，并進(jìn)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(duì)大橋的安全可靠性作出評(píng)價(jià)。
6 存在的問題及展望
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究目前尚處于基礎(chǔ)性的探索階段，距離實(shí)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(lái)主要有這幾個(gè)：缺乏統(tǒng)一的有效的損傷量化指標(biāo)、信號(hào)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(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的敏感性會(huì)造成不利的影響。因此，未來(lái)的發(fā)展方向表面在以下幾個(gè)方面：第一，結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理的研究。第二，識(shí)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(shí)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(wú)疑將會(huì)在很大程度上推動(dòng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展。
