浅析土木工程结构健康监测系统的研究状况与进展

刘有栋

摘 要：对于一些土木工程结构进行健康检测，了解其在台风、地震、爆炸等一些灾害性事件发生之后的健康状况，需要花费大量的时间和人力，对于这些土木工程建筑来说，其关键性节点或者结构构件一般都位于建筑装饰物或者外覆盖物下面，在关键性的土木工程结构如军事指挥中心、发电厂、医院、水厂等，经历灾害性事件后需要立即进行健康评估，将结构健康状况的有关信息向政府部门上报，可以为营救人民生命和财产起到至关重要的帮助作用。本文将就土木工程结构健康监测系统的研究现状和具体应用展开探讨。

关键词：土木工程结构；健康监测系统；应用

土木工程结构的健康监测，一般是指在现场使用结构系统特性分析技术和无损传感器技术，检测土木工程结构的结构退化或者损伤等问题。1994年美国加州发生大地震，虽然一些建筑物没有倒塌但是建筑物结构已经被损伤，由于没有进行结构健康检测因此未发现，在经历了若干次余震后倒塌了。可以看出进行结构健康检测是至关重要的，土木工程结构的健康监测也是目前土木工程领域专家学者研究的重点课题。

1土木工程结构长期健康监测系统概念分析

土木工程结构长期健康监测系统能够针对结构从设计、施工到竣工使用进行全过程健康状态监测和评估，实际施工是否严格按照设计方案进行、土木工程结构投入使用后荷载是否正常、经历灾害性事件后结构是否有损伤等，都可以通过结构长期监测系统得到相关结论。较为先进的健康监测和损伤识别技术能够在损伤早期发现损伤的位置和程度，如果传感器精度允许，还能通过得到的数据预测结构的使用寿命。理想的结构损伤识别技术应该具备一项能力，就是将结构损伤造成的偏差和结构建模造成的区别开来。虽然近年来我国的科学技术水平不断提高，出现了一些整体比较成功的结构健康监测技术，但是并没有建立具体的制度和标准，让我们能够通过监测得到的数据分析结构的健康状况和安全状态，因此，如果土木工程结构较为复杂，针对其进行结构健康监测仍是一大难题。

土木工程结构长期健康检测系统是一种在线监测技术，这个系统主要包括了传感器、处理器、数据采集器、通信设备、监控设备和报警设备等，传感器的主要作用是将检测到的信号转化为设备可以识别的电信号，数据采集和数据处理设备则是采集这些电信号并进行处理，将处理过后的数据传送到监控中心，监控中心对这些信息进行最终处理，通过得到的数据进行结构健康状况评估。一般系统要配备独立的电源供给设备，防止外界因素造成断电，造成设备无法正常和持续工作，通信设备应该包括有线通信设备和无线通信设备两种。

2土木工程结构损伤检测的研究现状

2.1土木工程结构损伤检测的基本方法

①动力指纹分析法，土木工程结构可以看做是一套动力学系统，这套动力学系统中包括了质量、阻尼矩阵和刚度等结构参数，结构的损坏将会对这些结构参数造成影响，系统的模态参数和频响函数也会因此发生变化，其中发生结构损伤的标志就是系统模态参数的变化，因此可以将其作为指纹来检测结构损伤。要准确发现损伤所在的位置，应该先对损伤的状况进行一系列假设，将这些假设作为实际损伤情况建立损伤数据库，检测结构发生损伤其动力指纹发生的变化并将其与数据库中的指纹对比，将数据库中最接近的指纹的损伤状况作为结构的实际损伤状况；②系统识别法和模型修正法，在理论层面，模型修正法就是先通过分析建立有限元模型，将实验中得到的加速度时程记录、模态参数等数据等作为条件来优化约束，不断修正刚度分布，最终实现对结构损伤的定位和判别。在理论层面这项技术比较直观，但是实际应用中存在诸多问题，如建模存在误差、噪声测量存在误差等，都限制了这种方法的广泛应用，实际使用中很难得到完备的模态信息，求解特征方程可能得不到唯一解，虽然近几十年模型修正法不断完善，但是并没有得到一个被领域专家学者都认可的标准方案；③神经网络法，非参数模型具备很多方面的优势，尤其是在参数模型难以选择的情况下，这其中受到技术人员青睐的方法是神经网络法，不论研究的是非线性结构还是线性结构，使用神经网络法都能得到结论，因此对于一些需要考虑非线性的土木工程结构，吸引力较大，国内外都针对神经网络法开展了深入研究并取得了一定的成绩。

2.2研究存在的若干问题

近年来基于振动的土木工程结构损伤检测技术在学术研究上取得了优异成绩，并且得到了广泛的应用，但是对于桥梁和高层建筑等较为复杂的土木工程结构，其损伤检测仍然存在一定的问题，现在应用较多的土木工程结构损伤检测技术，有很多都是从航空航天领域拿过来的，因此存在一定的适用性问题，这些问题主要体现在以下几个方面：①模型误差，相对于航空航天和机械结构，土木工程结构允许有较大的模型误差，但是对于结构的损伤检测，如果误差较大可能造成损伤检测的结构存在较大偏差；②测量噪声，在土木工程结构损伤检测中，不可避免的会产生噪声，因此长期的检测必须确保传感器的耐久度符合使用要求，这样才能保证数据的准确性和稳定性；③测量数据不完整，我们一般无法测得土木工程结构的完成模态信息，只能得到一部分模态信息，而一些损伤检测方法必须使用完整模态，虽然有具体的解决办法但是会产生较大的误差。

3传感器优化布置技术

参数识别和损伤检测都受到传感器布置因素的影响，假定给出了n个传感器，我们需要解决的问题就是如何优化布置这些传感器以获得关于土木工程结构最多的健康信息；假设已经安装了传感器p个，还需要增加g个，如何布置才能得到损伤检测的最优结果，这是传感器优化布置需要解决的问题。完善的传感器布置系统应该是：费用最低、得到的结构模型参数较好、实现整体性能评估、实现损伤的早期识别。很多专家学者都针对传感器的优化布置进行了深入研究和探讨，近年来人们普遍关注的一种方法就是“有效独立法”。

4结束语

综上，土木工程结构损伤监测系统和损伤检测技术是近年来新兴的技术，发展前景广阔，在土木工程领域将会得到广泛应用，为早期预测结构损伤做出重要贡献。

参考文献：

[1]胡明文.数据挖掘与土木工程的健康监测及诊断[J].振动工程学报.2004，（01）：37

[2]李宏男.土木工程结构健康监测研究进展[J].防灾减灾工程学报.2003，（03）：125

[3]崔连忠.探究光纤传感技术在土木工程健康监测中的应用[J].城市建设理论研究.2013，（12）：62