土木工程结构的性能监测系统与损伤识别方法研究

赵素艳（内蒙古交通职业技术学院，内蒙古赤峰，024005）



土木工程结构的性能监测系统与损伤识别方法研究

赵素艳
（内蒙古交通职业技术学院，内蒙古赤峰，024005）

摘 要：为提升土木工程结构的稳定性能，土木工程结构的损伤识别及性能监测系统尤为重要，我国土木工程结构的性能监测系统和损伤识别方法亟需提高。为此本文阐述了土木工程结构性能特点及其监测系统需求，研究了土木工程结构损伤识别的问题，分析了土木工程结构的性能监测系统与损伤识别方法，并提出了对应的解决建议。

关键词：土木工程；结构性能监测；损伤识别方法

引言

近年来，土木工程结构的性能监测系统在计算机、信息、通信及智能等技术支持下，不断进行自我更新和完善。当前的土木工程结构的性能监测系统中，采用的监测设备和监测技术主要是传感器、信息处理系统以及人工智能技术等。

土木工程结构的性能监测系统和损伤识别方法还比较欠缺，需要监测技术人员提出及研发工作者创新研究，这对于我国大量土木工程意义很大。

1 土木工程结构性能监测实验分析

1.1 案例背景

压电材料是当下土木工程结构中广受好评的一项智能材料。其本质是利用过电偶极子在电场中的自然排列次序，来改变智能材料的尺寸。采用压电材料制成的床拿起具有灵敏度高、结构简单以及频带宽的特点。随着配套二次仪表以及绝缘性高、噪声低的电缆应用，使得压电传感器的应用更加便利快捷［1］。此种新型水泥基压电传感器被广泛的应用于土木工程结构的性能监测中。

1.2 正压电效应与逆压电效应

若是对智能材料朝着其某一固定方向施加外力，一旦这个外力超过材料的承受极限就会发生形变，这种智能材料的表面将产生等量且符号相反的电荷。通常情况下，人们将机械能转换为电能的现象定义为正压电效应，反之则称为逆压电效应。常见的力-电转换方式有三种，分别称为压电性的纵向效应、横向效应、剪切效应，如图1所示。

图1 常见的力-电三种转换方式

1.3 水泥基压电传感系统在土木工程结构的性能监测系统中的应用优势

（1）良好的兼容性

随着配套二次仪表以及绝缘性高、噪声低的电缆应用，使得压电传感器的应用更加的便利快捷，新形势下的水泥基压电传感器的传感单元不同于以往传感器是采用金属外壳包装，而是采用水泥块包裹。因此施工人员可将这种水泥基压电传感器像骨料一样埋入混凝土结构中。

（2）良好的耐久性

水泥基压电传感器本身结构比较稳定结实，不易出现质量问题，即便土木工程的施工环境比较恶劣，它的稳定性能依然良好，可以确保水泥基压电传感器的应用时间。

（3）成本低

水泥基压电传感器是由水泥材质或是陶瓷片材质的材料组成，这两种材料成本较低而且购买方便，可节约施工人员大量的时间和资金成本。不会给施工单位造成资金压力。

2 水泥基压电传感器实验设计及其实验结果分析

2.1 水泥基压电传感器实验设计

为了检验水泥基压电传感器在土木工程结构的性能监测系统中应用的可靠性，还需要对其进行实验。首先将标定好的水泥基压电传感器埋入混凝土短柱中，具体如图2所示。混凝土短柱截面为100mm×100mm，高度为500mm。水泥基压电传感器埋在短柱的中间位置，其高度方向和短柱的高度方向平行。

图2 混凝土短柱模型及水泥基压电传感器位置

2.2 水泥基压电传感器实验结果分析

将水泥基压电传感器的短柱放入数字式电液自动式实验机进行测试通过水泥基压电传感器的实验设计可以得知，水泥基压电传感器在土木工程结构的性能监测系统中的应用，对土木工程结构的稳定性能是十分有帮助的。此外，水泥基压电传感器在土木工程结构的性能监测中的应用可以减少或避免传统传感器的弊端，而且其造价成本低且耐久性强，适用于各种规模的土木工程施工。

3 土木工程结构损伤识别中存在的问题

近些年，随着我国土木工程的大量修建，土木工程结构的损伤识别也逐渐受到施工人员的重视。当前我国在土木工程结构的性能监测中投入了大量的研究资金，但苦于损伤识别技术和研究人员专业水准的限制，使得土木工程结构的性能损伤识别不能达到预期效果，本文中对土木工程结构损伤识别技术不足作以总结。

3.1 土木工程结构模型存在误差

如今，人们对土木工程结构的性能的损伤识别，都是建立在一定基础条件之上，在规定的情境下，必须将土木工程结构客观的抽象事物运用数学模型进行替代，当前针对具体的土木工程结构系统，考虑到该系统比较复杂，会引发多种随机现象，对此，施工人员应提前做好各种随机事件的模型预设［2］。不可否认的是在真正的模型应用中，总会出现这样或那样的问题，致使土木工程结构模型出现误差。随着现代化信息技术的发展，对土木工程结构模型不断进行自我更新和完善。

3.2 土木工程结构损伤性能的实测数据的缺失

土木工程结构损伤识别中存在的一大问题是实测数据的不完整。造成这种现象的主要原因是，土木工程结构损伤识别都是假定土木工程结构模型具有相同的自由度和实测自由度，然而在实际的土木工程结构损伤识别中，会存在多种条件的限制，进而造成土木工程结构损伤识别实测数据的不完整。尤其是一些复杂的土木工程结构，损伤识别的影响因素较多，加之传感器的安装较为稀疏，这就更加拉大了土木工程结构损伤实测数据的不完整。

4 土木工程结构的性能监测系统与损伤识别方法的修正

（1）强化土木工程结构的性能监测系统的数据采集和处理

土木工程结构的性能监测系统中的数据采集和处理，主要涉及硬件系统和软件系统两种，硬件系统为数据传输电缆、数模转换卡［3］。软件系统则是将土木工程结构数字信号，采用一种特殊的方式存在计算机当中，之后便有专业技术人员对计算机中的数据信息进行整合和优化，为土木工程结构损伤识别鉴定提供有效依据。

（2）强化土木工程结构损伤识别、模型修正

在土木工程结构损伤识别中，模型修正是缩小实测数据误差和增加实测数据准确性的关键。为保证损伤识别的有效性，在进行土木工程结构损伤识别前期，需要对损伤识别软件、模型修正软件进行检验，确保其应用功能正常后方可予以使用。在土木工程结构损伤识别中，若是识别结构发生损伤，则应该安排预警设备发出报警信息。此外，损伤识别软件和模型修正软件的研究人员应该加强对以上两款软件的测验，使其始终保持在高水平运行状态。

5 结束语

综上所述，土木工程结构的性能监测系统是针对特定结构专门设计的一种监测系统，这对增强我国土木工程结构的稳定性非常有用，然而，我国土木工程结构的性能监测系统和损伤识别方法仍存在很大的漏洞，致使我国土木工程的质量难以提升。因此，还需不断强化土木工程结构的性能监测系统的软件应用技术，并研发新的损伤识别方法，提升土木工程结构的性能实测数据的准确性，使其为土木工程结构的建设提供更多可靠的数据参考，进而提升土木工程质量的安全性和稳定性。

参考文献

［1］ 李晓明.浅谈土木工程结构的性能监测系统与损伤识别方法［J］.安徽建筑，2014，21（3）：203-204.DOI：10.3969/j.issn.1007-7359.2014.03.096.

［2］ 高毅敏.试析土木工程结构的性能监测系统［J］.华章，2013，（35）：369-369.朱健，谭平，周福霖等.土木工程结构全寿命期地震损失成本进

［3］ 展研究［J］.振动与冲击，2015，（17）：111-119.

E-mail： m8118_2000@sina.com.cn

Research of the Performance Monitoring System and Damage Identification Method

Suyan Zhao
（Inner Mongolia Transportation Vocational Technical College， Chifeng， Neimenggu， 024005， China）

Abstract：It is a key point that the performance of civil engineering structure monitoring system and damage identification to improve the stability of civil engineering structure.The performance of the the civil engineering structure monitoring system and damage identification methods need being improved in our country.The solution of the corresponding Suggestions were put forward in this paper， through the analysis of the problems of civil engineering structure damage identification，the performance of civil engineering structure monitoring system and damage identification method， performance characteristics and structure of civil engineering monitoring system.

Key words：Civil Engineering； Structural Performance Monitoring； Damage Identification

中图分类号：TU317

文献标识码：A

文章编号：2095-8412 （2016） 02-266-03

DOI：工业技术创新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.038

作者简介：赵素艳（1979-），女，本科，讲师，土木工程。