土木工程結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)系統(tǒng)的研究狀況及進(jìn)展

摘 要：本文闡述了在土木工程中對(duì)其結(jié)構(gòu)健康進(jìn)行檢測(cè)的必要性，對(duì)土木結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè)系統(tǒng)的組成、內(nèi)涵、檢測(cè)系統(tǒng)等進(jìn)行介紹，而且討論了運(yùn)用于結(jié)構(gòu)檢測(cè)的方法，然后對(duì)于損傷識(shí)別中的一些方法進(jìn)行了仔細(xì)的分析以及比較，治愈后闡明了對(duì)于土木結(jié)構(gòu)檢測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展以及研究方向。

關(guān)鍵詞：健康檢測(cè)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；損傷識(shí)別

中圖分類(lèi)號(hào)：TU31112 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-3362（2013）10-0229-01

前言

對(duì)于一些重大工程的土木結(jié)構(gòu)，例如橋梁、水壩、電廠(chǎng)或軍事設(shè)施、高層建筑等，在遭受一些自然災(zāi)害，例如地震、山洪、海嘯、風(fēng)暴或者一些人為的一些災(zāi)害時(shí)候，將會(huì)對(duì)人民的生命以及財(cái)產(chǎn)的安全造成嚴(yán)重的威脅。因此，這一問(wèn)題逐漸引起很多人的關(guān)注。對(duì)于上述的土木結(jié)構(gòu)在遭受自然或者人為損害之后，或多或少會(huì)有些損傷，因此對(duì)其立刻進(jìn)行健康的檢測(cè)是非常有必要性的。對(duì)于土木結(jié)構(gòu)的建筑進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，并且能夠快速及時(shí)的發(fā)現(xiàn)以及土木結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生損傷的具體位置以及損傷的程度，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)性能的變化以及剩余的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)做出維護(hù)的方案。發(fā)生危險(xiǎn)情況下，能夠及時(shí)的疏散周?chē)木用?。以上的種種做法對(duì)于保護(hù)人民的生命、財(cái)產(chǎn)的安全，以及極大提高土木工程機(jī)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)的效率有著非常重大的意義。因此、現(xiàn)在對(duì)于土木結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè)的技術(shù)的研究成為國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者研究的重點(diǎn)課題。

1 健康檢測(cè)的簡(jiǎn)述

對(duì)于結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè)就是使用一些無(wú)線(xiàn)傳感的技術(shù)，通過(guò)對(duì)于一些結(jié)構(gòu)的響應(yīng)對(duì)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析，這樣能夠達(dá)到檢測(cè)到組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷以及退化。

對(duì)于結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè)的目的就是通過(guò)土木結(jié)構(gòu)中的傳感器網(wǎng)絡(luò)用來(lái)實(shí)時(shí)的對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)結(jié)構(gòu)對(duì)于環(huán)境的反映，從而提取出結(jié)構(gòu)受到損傷以及老化等信息。這樣可以對(duì)土木結(jié)構(gòu)使用以及維護(hù)等工作作出參考，因此，進(jìn)行必要的健康檢測(cè)能夠降低機(jī)構(gòu)的維護(hù)費(fèi)用，并且能夠預(yù)測(cè)嚴(yán)重的事情發(fā)生，能夠?qū)⒏鞣N損失降低到最低。

對(duì)于一個(gè)健康檢測(cè)系統(tǒng)分為以下幾個(gè)部分：

1.1 傳感系統(tǒng)

一個(gè)傳感系統(tǒng)由傳感器，為此儀表以及可靠性很高的工程控制機(jī)器等組件組成，這可以將待測(cè)的物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。

1.2 信號(hào)的采集以及處理系統(tǒng)

一般將信號(hào)的收集以及處理器安裝到待測(cè)的結(jié)構(gòu)之中，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于不同種類(lèi)的信號(hào)源，以及不同的物理信號(hào)的采集以及信息的預(yù)處理。并且能夠依據(jù)系統(tǒng)的功能要求對(duì)于數(shù)據(jù)進(jìn)行分解、變化，從而獲得需要的數(shù)據(jù)，然后采用一定的形式 的方式儲(chǔ)存起來(lái)。

1.3 通信系統(tǒng)

將處理過(guò)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。

1.4 監(jiān)控中心和警報(bào)設(shè)施

利用其可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于各種硬軟件的各種功能進(jìn)行診斷、分析。這些包括結(jié)構(gòu)是否受到了損傷以及損傷發(fā)生的具體位置以及程度等。對(duì)于傳感器來(lái)說(shuō)，還能夠?qū)τ跈z測(cè)到的信息，通過(guò)一定方式的采集與處理。將其傳輸?shù)奖O(jiān)控中心進(jìn)行分析，然后判斷損傷發(fā)生的位置，損傷發(fā)生的程度等，這樣對(duì)結(jié)構(gòu)的具體的健康狀況進(jìn)行評(píng)估，如果發(fā)生異常情況，進(jìn)行警報(bào)。

2 損傷檢測(cè)

結(jié)構(gòu)損傷的識(shí)別就是通過(guò)對(duì)于結(jié)構(gòu)中相關(guān)的關(guān)鍵的性能指標(biāo)的測(cè)試以及分析，用來(lái)判斷結(jié)構(gòu)是否受到了損傷。如果結(jié)構(gòu)受到損傷，那么結(jié)構(gòu)損傷的位置、損傷的大小等對(duì)于判定結(jié)構(gòu)是否能夠繼續(xù)使用以及剩下的使用壽命的估計(jì)提供了依據(jù)。

對(duì)于損傷的識(shí)別主要包括4個(gè)層次：結(jié)構(gòu)是否發(fā)生了損傷；針對(duì)損傷大小進(jìn)行評(píng)價(jià)；對(duì)損傷的具體位置進(jìn)行定位；對(duì)結(jié)構(gòu)剩余的壽命進(jìn)行預(yù)計(jì)、估測(cè)。對(duì)于現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別來(lái)講，判斷是否發(fā)生損傷的相關(guān)研究已經(jīng)發(fā)展的非常成熟。針對(duì)有關(guān)定位以及識(shí)別大小方面的研究是核心也是難點(diǎn)。

結(jié)構(gòu)損傷的檢測(cè)技術(shù)按照檢測(cè)的目標(biāo)可以分為局部的檢測(cè)，以及整體的檢測(cè)兩個(gè)類(lèi)別。采用局部檢測(cè)的方法可以依靠無(wú)損的檢測(cè)技術(shù)，來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的檢測(cè)，查找以及缺陷的描述。而整體檢測(cè)的方式可以評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的整體狀態(tài)，并且能夠或者連續(xù)的評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的健康以及損傷存在的可能區(qū)域確定。在大型的土木結(jié)構(gòu)工程中健康檢測(cè)活動(dòng)中經(jīng)常綜合局部法和整體法。

對(duì)于局部檢測(cè)的方法有：染色法、回彈法、光干涉法、聲音反射法、超聲波技術(shù)等方法。對(duì)于局部檢測(cè)的方法，首先要知道結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷的大概位置，并且要求檢測(cè)儀器能夠到達(dá)損傷的位置，然后對(duì)于大型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，無(wú)法得出整體結(jié)構(gòu)的損傷信息。

整體檢測(cè)的方法分為動(dòng)力指紋法、模型修正法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、遺傳算法等。

動(dòng)力指紋法就是通過(guò)分析與結(jié)構(gòu)的特性相關(guān)的動(dòng)力指紋的變化來(lái)判斷結(jié)構(gòu)的真實(shí)情況。其他的方法例如遺傳算法，是一種基于自然遺傳和自然選擇機(jī)理尋優(yōu)方法，其優(yōu)點(diǎn)具有使用方便、性能強(qiáng)。

3 對(duì)于大型橋梁結(jié)構(gòu)需要注意的一些情況

針對(duì)一些比較大型的橋梁結(jié)構(gòu)需要做健康檢測(cè)，需要研究的問(wèn)題如下：

3.1 探究大型土木結(jié)構(gòu)

使用一些振動(dòng)測(cè)試的分析理論以及系統(tǒng)識(shí)別的理論技術(shù)，然后再結(jié)合上大型橋梁的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，試驗(yàn)、探究出對(duì)于大型土木結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)最為適用的模型修正的方法。

3.2 針對(duì)新興傳感器以及激振器的開(kāi)發(fā)以及研制

對(duì)于新興傳感器的使用，使得原先沒(méi)有自我檢測(cè)能力的橋梁建筑獲得了自我感知以及自我診斷毛病的能力。這其中相關(guān)的技術(shù)包括的有壓電型的傳感器，使用光纖傳輸?shù)膫鞲衅?，以及使用有關(guān)記憶合金的傳感器還有那些小，微型的激振器等。

3.3 探究出一種適用于所有損傷的量化指標(biāo)

在對(duì)于受損的橋梁進(jìn)行檢測(cè)以及診斷的時(shí)候，對(duì)于所有來(lái)源的信號(hào)或者是頻率段，都要將信息進(jìn)行處理之后，然后通過(guò)處理后的信息對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的損傷程度進(jìn)行一系列的認(rèn)定、判斷。因此，應(yīng)該設(shè)計(jì)出一些判定損傷的認(rèn)定指標(biāo)，對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的受到的損傷進(jìn)行分級(jí)量化。

3.4 傳感器的最優(yōu)化的布置的技術(shù)

對(duì)于傳感器的最優(yōu)化的布置技術(shù)可以通過(guò)結(jié)構(gòu)的模型試驗(yàn)以及在線(xiàn)的檢測(cè)技術(shù)。

大型的土木結(jié)構(gòu)存在很多的非線(xiàn)性的因素，從而使得遺傳的算法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)的檢測(cè)以及診斷等方面具有相當(dāng)良好的發(fā)展前途，對(duì)于小波分析來(lái)說(shuō)，它對(duì)于刻畫(huà)信號(hào)方面有局部放大的特征，被譽(yù)為“數(shù)字的顯微鏡”，這在數(shù)據(jù)的處理方面有著非常明顯的優(yōu)勢(shì)。

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作者簡(jiǎn)介：李強(qiáng)（1982-），男，吉林長(zhǎng)春人，本科，土木工程專(zhuān)業(yè)。