大型結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測
2015-05-12
隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科學技術(shù)的進步，許多大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)得以興建，如超大跨橋梁、用于大型體育賽事的超大跨空間結(jié)構(gòu)、超高層建筑、大型水利工程、海洋平臺結(jié)構(gòu)以及核電站建筑等，它們的使用期長達幾十年、甚至上百年，環(huán)境侵蝕、材料老化和荷載的長期效應(yīng)、疲勞與突變等災(zāi)害因素的耦合作用將不可避免地導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的損傷積累和抗力衰減，從而在極端情況下引發(fā)災(zāi)難性的突發(fā)事故。為了保障結(jié)構(gòu)的安全、可靠，許多在役重大工程結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施急需采用有效的手段監(jiān)測和評定其安全狀況；新建的大型結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施在總結(jié)過去經(jīng)驗的基礎(chǔ)上增設(shè)了長期健康監(jiān)測系統(tǒng)，以監(jiān)測結(jié)構(gòu)的服役安全狀況。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測已成為國際土木工程領(lǐng)域的前沿研究方向。
1 健康監(jiān)測概述
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（Structural Health Monitoring，簡稱SHM ）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。其基本思想是通過測量結(jié)構(gòu)在超常荷載前后的響應(yīng)來推斷結(jié)構(gòu)特性的變化，進而探測和評價結(jié)構(gòu)的損傷；或者通過持續(xù)監(jiān)測來發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的長期退化 。
大型結(jié)構(gòu)工程健康監(jiān)測是一個實時的，又是一個長期的過程，貫穿了施工階段、服役階段。包括了健康監(jiān)測計劃的制定、監(jiān)測測點的布置、監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、損傷識別、損傷部位的加固、修復(fù)。
損傷識別技術(shù)是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的核心技術(shù)，依靠成熟的數(shù)據(jù)采集及分析方法，以正確的損傷識別理論作指導(dǎo)，對工程結(jié)構(gòu)的健康狀況做出正確評估。
2 結(jié)構(gòu)損傷識別技術(shù)
結(jié)構(gòu)損傷識別是健康監(jiān)測的核心技術(shù)，也是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)研究的難點之一，是當前國內(nèi)外研究的熱點問題。主要目的就是根據(jù)實際測量的數(shù)據(jù)，通過一定的技術(shù)手段，對結(jié)構(gòu)是否存在損傷、位置、程度等問題作出準確合理的判斷。
結(jié)構(gòu)損傷識別主要包括四方面的內(nèi)容:
(1)結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)現(xiàn)；
(2)結(jié)構(gòu)損傷的定位；
(3)結(jié)構(gòu)損傷程度的判定；
(4)結(jié)構(gòu)剩余壽命的預(yù)測。
結(jié)構(gòu)的損傷檢測技術(shù)分為局部損傷檢測法(Local Damage Detectio)和整體檢測法(Global Damage Detection)兩大類。
2.1 局部損傷檢測法
局部損傷檢測法，是指利用無損檢測技術(shù)對結(jié)構(gòu)的某個構(gòu)件或部位進行檢測，以判斷這個被檢測構(gòu)件或部位的損傷狀況。對結(jié)構(gòu)局部進行檢測，例如焊縫的質(zhì)量、裂縫的位置等。
局部損傷檢測法，包括超聲波法、聲學法、紅外檢測、強度檢測法等。
超聲波檢測法是將發(fā)射探頭和接收探頭接觸結(jié)構(gòu)的表面，接收探頭可以探測到超聲波的傳播速度、頻率、振幅等聲學參數(shù)，當超聲波在介質(zhì)的傳播中受到干擾，那么就可以通過這些參數(shù)對結(jié)構(gòu)進行損傷檢測。
聲發(fā)射損傷檢測法采用聲發(fā)射探頭將聲發(fā)射源發(fā)射的彈性波轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺缓筮M行放大和處理，從而得到一些聲發(fā)射特征參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)即可判斷材料內(nèi)部特征或狀態(tài)。
紅外損傷檢測法的主要應(yīng)用是對工程結(jié)構(gòu)因損傷而導(dǎo)致的溫度變化進行檢測。當物體內(nèi)部存在缺陷時，物體的熱傳導(dǎo)將改變，使物體表面溫度分布發(fā)生變化。
局部損傷檢測法在土木工程領(lǐng)域的實際應(yīng)用中存在很多問題：
（1）適用于局部構(gòu)件的檢測，對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體檢測受到限制，對于操作人員無法接近或隱蔽的部位，無法進行檢測。
?。?）儀器操作者需要具備專業(yè)的技術(shù)知識，儀器設(shè)備價格昂貴，造成了人力物力成本高。
?。?）檢測時間長，不適用于結(jié)構(gòu)的實時在線健康監(jiān)測。
2.2整體損傷檢測法
整體損傷檢測法是通過結(jié)構(gòu)的靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)的改變對結(jié)構(gòu)進行損傷識別。任何結(jié)構(gòu)都可以看作是由剛度、質(zhì)量、阻尼矩陣等組成的力學系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)損傷，結(jié)構(gòu)參數(shù)也隨之發(fā)生改變，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù)（靜態(tài)位移、靜態(tài)應(yīng)變等）及動態(tài)參數(shù)(頻率、柔度、振型等)發(fā)生改變，因此可以利用結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變來進行損傷識別。
整體損傷檢測法又分為基于靜態(tài)測量數(shù)據(jù)的損傷識別法和基于動態(tài)測量數(shù)據(jù)的損傷識別法。
結(jié)構(gòu)的靜態(tài)參數(shù)主要有剛度、位移、應(yīng)變、材料的彈性模量、截面面積等。結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時會引起結(jié)構(gòu)剛度的變化，從而引起結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)變等參數(shù)變化?；陟o態(tài)測量數(shù)據(jù)的損傷識別方法是通過對結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)變等的測量，直接或間接地判斷結(jié)構(gòu)的損傷識別。
基于動態(tài)測量數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)損傷識別方法是運用動態(tài)測量數(shù)據(jù)（如固有頻率、模態(tài)振型、柔度等）得到結(jié)構(gòu)動力特性的變化來對損傷進行識別。
基于動態(tài)測量數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)損傷識別利用環(huán)境激勵引起的結(jié)構(gòu)振動來對結(jié)構(gòu)進行檢測。模態(tài)參數(shù)（頻率、模態(tài)振型、模態(tài)阻尼等）是結(jié)構(gòu)物理特征（質(zhì)量、剛度等）的函數(shù)，只要結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的物理特性發(fā)生改變，必然會導(dǎo)致模態(tài)特性的改變，將結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的實測模態(tài)特征與健康結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性進行比較，來判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷。
3 發(fā)展與展望
健康監(jiān)測技術(shù)由于其廣泛的應(yīng)用潛力近年來引起了極大的關(guān)注。
需要進一步研究的問題有：
?。?）實測數(shù)據(jù)海量、部分重要信息不完整：土木工程結(jié)構(gòu)通常體積巨大、型式復(fù)雜，受現(xiàn)場條件和測試儀器的限制，一般只對有限關(guān)鍵性的反映結(jié)構(gòu)狀態(tài)的特征參量進行監(jiān)測，并且測點數(shù)量有限使得信息不完整。
?。?）加大研究各種智能信息處理方法的技術(shù)集成，將現(xiàn)代信號處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論、數(shù)據(jù)融合、分形理論、粗糙集、進化計算等方法綜合與集成，充分發(fā)揮它們在處理海量數(shù)據(jù)、不精確數(shù)據(jù)、不確定數(shù)據(jù)與并行計算等方面優(yōu)越的能力，來解決實際工程中存在的各種難題。
