土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展
2015-07-27
1 引言
目前我國(guó)土木工程事故頻繁發(fā)生，如橋梁的突然折斷、房屋驟然倒塌等，造成了重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，已經(jīng)引起人們對(duì)于重大工程安全性的關(guān)心及重視。另外，我國(guó)有一大部分橋梁和基礎(chǔ)設(shè)施都是在20世紀(jì)五六十年代建造的，經(jīng)過(guò)這么多年的使用，它們的安全性能如何？是否對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成威脅？這些都是亟待回答的問(wèn)題。近些年，地震，洪水、暴風(fēng)等自然災(zāi)害也對(duì)這些建筑物和結(jié)構(gòu)造成不同程度的損傷；還有一些人為的爆炸等破壞性行為，如美國(guó)世貿(mào)大樓倒塌對(duì)周?chē)ㄖ锏挠绊?。這些越來(lái)越引起人們的密切關(guān)注。
對(duì)重大工程結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷，并評(píng)估其安全性，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的性能變化和剩余壽命并做出維護(hù)決定，對(duì)提高工程結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)效率，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全有極其重大的意義，已經(jīng)成為現(xiàn)代工程越來(lái)越迫切的要求，也是土木工程學(xué)科發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集反結(jié)構(gòu)服役狀況的相關(guān)數(shù)據(jù)，采用一定的損傷識(shí)別算法判斷損傷的位置與程度，及時(shí)有效地評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全性，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的性能變化并對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行預(yù)警，因而可以較全面地把握結(jié)構(gòu)建造與服役全過(guò)程的受力與損傷演化規(guī)律，土木是保障大型工程結(jié)構(gòu)隱建造和服役安全的有效手段之一。
2 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本概念
結(jié)構(gòu)健康簽測(cè)（structural health monitoring，SHM）是指利用現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)損傳感技術(shù)，分析通過(guò)包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性，達(dá)到檢測(cè)結(jié)構(gòu)損傷或退化的一些變化。
損傷識(shí)別：工程結(jié)構(gòu)一般會(huì)受到兩種損傷，即突然損傷和積累損傷。突然損傷由遭地震、洪水、颶風(fēng)、爆炸等嚴(yán)重的自然或人為災(zāi)害等突發(fā)事件引起，而積累損傷則一般是結(jié)構(gòu)在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)期使用后緩慢累積的損傷，具有緩慢積累的性質(zhì)。對(duì)于損傷識(shí)別的目標(biāo)，有工程師提出了損傷檢測(cè)的5個(gè)層次：判斷結(jié)構(gòu)中是否有損傷產(chǎn)生，損傷定位，識(shí)別損傷類(lèi)型，量化損傷的嚴(yán)重程度，評(píng)估結(jié)構(gòu)的剩余壽命。理想的損傷識(shí)別方法應(yīng)該具備的另一重要性能是，能夠區(qū)分結(jié)構(gòu)建模誤差引起的偏差與結(jié)構(gòu)損傷引起的偏差間的區(qū)別。
安全性評(píng)佑：結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估是基于健康監(jiān)測(cè)和損傷識(shí)別的基礎(chǔ)上，通過(guò)各種可能的、結(jié)構(gòu)允許的測(cè)試手段，測(cè)試其當(dāng)前的工作狀態(tài)，并與其臨界失效狀態(tài)進(jìn)行比較，評(píng)價(jià)其安全等級(jí)。對(duì)予不同的結(jié)構(gòu)，其重要程度不同，安全等級(jí)也應(yīng)該有所差別。安全性評(píng)估與可靠性不同，可靠性為一種概率，一種可能性；而安全性評(píng)估旨在給出確定的安全等級(jí)。
3 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成及其功能分析
結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)是一種實(shí)時(shí)的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。一般健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分：
(1)傳感器子系統(tǒng)。傳感器子系統(tǒng)為硬件系統(tǒng)，功能為感知結(jié)構(gòu)的荷載和效應(yīng)信息，并以電、光、聲、熱等物理量形式輸出。該子系統(tǒng)是健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最前端和最基礎(chǔ)的子系統(tǒng)。
(2)數(shù)據(jù)采集與處理及傳輸子系統(tǒng)。包括硬件和軟件兩部分，硬件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)傳輸電纜/光纜、數(shù)模轉(zhuǎn)換(A/D)卡等；軟件系統(tǒng)將數(shù)字信號(hào)以一定方式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，數(shù)據(jù)采集通用軟件平臺(tái)有Visual Basic，VC++，Delphi，Lab Windows或Lab View等。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)是聯(lián)系傳感器子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)的橋梁。
(3)損傷識(shí)別、模型修正和安全評(píng)定與安全預(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。在該系統(tǒng)中，一般首先運(yùn)行損傷識(shí)別軟件，一旦識(shí)別結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷，即運(yùn)行模型修正軟件和安全評(píng)定軟件。若出現(xiàn)異常，則由預(yù)警設(shè)備發(fā)出報(bào)警信息。損傷識(shí)別軟件通常由計(jì)算分析軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)，如MATLAB等；模型修正和安全評(píng)定軟件一般是結(jié)構(gòu)分析軟件，如ANSYS和結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)軟件等。損傷識(shí)別是在結(jié)構(gòu)反應(yīng)信息基礎(chǔ)上進(jìn)行的，結(jié)構(gòu)反應(yīng)信息由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集后存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)中。因此，損傷識(shí)別軟件運(yùn)行時(shí)，首先能夠從數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)中自動(dòng)讀取結(jié)構(gòu)反應(yīng)信息數(shù)據(jù)。損傷識(shí)別和模型修正以及安全評(píng)定的結(jié)果將作為結(jié)構(gòu)的歷史檔案數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)中。因此，損傷識(shí)別和模型修正以及安全評(píng)定的結(jié)果將能夠自動(dòng)存入數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)中。
(4)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)，它的核心為數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)管理結(jié)構(gòu)建造信息、幾何信息、監(jiān)測(cè)信息和分析結(jié)果等全部數(shù)據(jù)，它是結(jié)構(gòu)健康鑒測(cè)系統(tǒng)的核心，承擔(dān)著健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理功能。
4 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用情況
在國(guó)外，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已有較多的應(yīng)用，除應(yīng)用于大跨橋梁外，已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用到高層復(fù)雜建筑的監(jiān)測(cè)。日本的明石海峽大橋?yàn)橹骺?991 m的3跨雙鉸懸索橋，于1998年4月5日通車(chē)，是本州一四國(guó)聯(lián)絡(luò)線橋。該橋抗震設(shè)計(jì)要求可以抵抗距震中150km的里氏8．5級(jí)地震，抗風(fēng)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)風(fēng)速在橋面處為60m/s。明石海峽大橋的建造采用了最新的抗風(fēng)、抗震設(shè)計(jì)法，所以不僅必須檢驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)的假定，而且還要檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)震中的一些相關(guān)常數(shù)。另外需要監(jiān)控其基本結(jié)構(gòu)特性，即在正常狀態(tài)中溫度和其它條件發(fā)生變化時(shí)橋梁的行為。為調(diào)查這些項(xiàng)目，安裝了一套監(jiān)控系統(tǒng)。在觀測(cè)中，采用GPS來(lái)監(jiān)測(cè)梁和塔的變形。
在國(guó)內(nèi)，近幾年結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用逐漸增多，但由于健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成技術(shù)復(fù)雜，成本昂貴，我國(guó)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多應(yīng)用于大跨橋梁。虎門(mén)大橋位于珠江入?？?，是連接珠江三角洲東西兩翼的交通樞紐工程?；㈤T(mén)大橋全長(zhǎng)4 606m，主橋是跨徑888m的懸索橋，主梁采用扁平閉口流線型截面鋼箱梁。由于虎門(mén)大橋位于熱帶風(fēng)暴多發(fā)地區(qū)，所以對(duì)橋梁的安全問(wèn)題需要特別考慮和重視。廣東虎門(mén)大橋有限公司、清華大學(xué)土木工程系和廣州大地興科技儀器有限公司研究開(kāi)發(fā)了虎門(mén)大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括虎門(mén)大橋三維位移GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和虎門(mén)大橋應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
5 存在的問(wèn)題及發(fā)展方向
本文闡述了土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的基本概念、健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成和功能、以及目前的研究應(yīng)用現(xiàn)狀，重點(diǎn)討論了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成中的一些關(guān)鍵問(wèn)題。就現(xiàn)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)及診斷的研究發(fā)展水平來(lái)看，仍然存在以下幾個(gè)尚待解決的問(wèn)題：
(1)對(duì)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的評(píng)價(jià)缺乏通用有效的損傷量化指標(biāo)。在基于振動(dòng)的損傷診斷中，要求測(cè)得的損傷狀態(tài)的信號(hào)應(yīng)與原始的健康狀態(tài)的信號(hào)有明顯的差異，能夠準(zhǔn)確地區(qū)分出結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)和健康狀態(tài)。當(dāng)前存在的一個(gè)矛盾是，結(jié)構(gòu)的自振頻率可準(zhǔn)確測(cè)量，但自振頻率對(duì)局部損傷不敏感；振型(尤其是高階振型)變化對(duì)局部損傷敏感，但卻難以精確測(cè)量。因此，應(yīng)該提出一種通用有效的損傷量化指標(biāo)(或是針對(duì)某一類(lèi)結(jié)構(gòu)比較有效的動(dòng)力指紋)，把結(jié)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行簡(jiǎn)單的分級(jí)量化。
(2)由于大型土木工程結(jié)構(gòu)都是復(fù)雜非線性系統(tǒng)，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法具有不需要知道系統(tǒng)的精確模型就可進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算的特點(diǎn)，因此在結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)和診斷方面具有廣闊的應(yīng)用前景。小波分析由于有刻畫(huà)細(xì)節(jié)的能力，在數(shù)據(jù)的處理方面也具有一定的優(yōu)勢(shì)。但各個(gè)方法均有其缺陷和局限性，綜合使用幾種方法有時(shí)會(huì)獲得更好的分析效果。
(3)傳感器的優(yōu)化布設(shè)是土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和診斷中的一個(gè)重要問(wèn)題，出于對(duì)經(jīng)濟(jì)和結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)等因素的考慮，應(yīng)該做到使用盡量少的傳感器獲取盡可能多的結(jié)構(gòu)信息。
(4)微波等無(wú)線通訊技術(shù)將是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的重要發(fā)展方向，無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以大大減少結(jié)構(gòu)上信號(hào)線的安裝數(shù)量，節(jié)約成本，不必?fù)?dān)心信號(hào)線的老化對(duì)信號(hào)采集的影響，具有廣闊的應(yīng)用前景。
(5)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究是近年來(lái)土木工程領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)課題，但目前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)還缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)程。
