土木工程结构健康监测方法之见解

土木工程结构健康监测方法之见解

王亮

王亮

承德市中良房地产开发有限公司河北省承德市067000

【摘要】土木工程中的安全事故发生机率呈逐年上升的趋势，对于土木工程结构健康监测的研究已经越来越受到国内外专家学者的关注。土木工程结构健康监测系统涉及不同的专业和领域，对于技术和能力的要求特别高，为了减少土木工程建设施工的安全事故发生频率，提高土木工程建设的质量，必须对土木工程结构健康进行监测。

【关键词】土木工程；结构检测

前言

混凝土建筑的一般使用周期为50年。目前为止我国很多建筑都已进入了这一年限。为了及时清除安全隐患，更好、更安全的使建筑物发挥其功能，就要采用安全评估和健康检测相互结合的方式。

一、土木工程结构健康监测的必要性?

重大的土木工程结构，如桥梁、房屋等，与人民群众的生命财产安全息息相关，一旦发生安全事故，将会带来巨大的人员伤亡和经济财产的损失。但是近些年来，我国土木工程的事故发生频率不断升高，对人民群众的生命财产安全造成极大的威胁。对土木工程结构造成损害的原因有很多，比如洪水、地震等自然灾害，或者爆炸等人为性的破坏性行为，都会对土木工程的结构造成不同程度的损害，这些损害所带来的危害使人们对土木工程的结构安全问题越来越重视，怎样对土木工程结构的健康状况进行有效的监测，成为目前迫在眉睫的工作之一。

二、结构健康监测的概述

2.1结构的健康监测

结构的健康监测指利用现场的无损伤的监测方式获得结构内部信息，通过包括对结构响应在内的结构系统特性分析，达到检测结构损伤或退化的目的。健康监测的一个目标就是在这个临界点到来之前提早检测出结构的损伤，这是个实时在线监测过程。结构的长期健康监测是一种在线监测技术。

2.2健康诊断

健康诊断是指结构在受到自然的（如地震，强风等）、人为的破坏，或者经过长时期使用后，通过测定其关键性能指标，检查其是否受到损伤，如果受到损伤，损伤位置、程度如何，可否继续使用及其剩余寿命等。

2.3安全性评估

安全性评估是指通过各种可能的、结构允许的测试手段，测试其当前的工作状态，并与其临界失效状态进行比较，评价其安全等级。对于不同的结构，其重要程度不同，安全等级也应该有所差别。安全性评估与可靠性不同，可靠性为一种概率，为一种可能性；而安全性评估旨在给出确定的安全等级。

二、结构损伤检测基本方法

2.1基于频率观测的结构损伤识别

结构的固有频率是表示结构固有特性的整体量,当结构的局部出现损伤时,结构的固有频率将发生变化,随着刚度的降低,结构的固有频率将会增大。正是由于这一特性加上结构固有频率易于测量和测量误差小,很多研究者将结构的固有频率作为结构损伤识别的损伤标示量。但是,利用频率作为损伤诊断的标示量也存在一定的局限性:

(1)对损伤位置的不敏感性。不同形式的结构损伤可能引起相同的频率改变,在对称结构中,两个对称位置上结构相同程度的损伤将引起结构固有频率相同的改变。

(2)结构不同位置损伤对结构各阶固有频率的影响不相同。有的位置的损伤对低阶频率影响较敏感,对高阶频率则不敏感;有的位置损伤则对高阶频率影响敏感,对低阶不敏感。在实践中容易测得的结构固有频率是前几阶低阶频率,高阶频率则不易测出。用频率作为结构损伤标示量对结构某些位置的损伤不易探测到。

2.2基于结构固有振型变化的损伤识别方法

相对结构固有频率而言,结构的固有振型包含了更多的损伤信息,特别是对结构损伤进行定位,利用结构固有振型要更加准确。国内外众多研究者运用结构固有振型作为损伤标示量对结构的损伤问题进行了研究。大量试验表明,基于结构固有振型变化的损伤识别方法可以得出以下基本结论:结构振型对结构的局部变化较为敏感,可以用来确定结构模型误差和损伤的可能位置。然而其缺点是模态振型的测量由于系统噪声和观测噪声的影响存在较大的测量误差,使得特征振型的变化常常被测量误差所掩盖,给基于振型的结构损伤识别方法在实际应用中造成很大的困难;由于现场条件的限制,实际的观测振型数据是不完整的,而基于自由度不完整振型数据的结构识别方法研究得还很不充分。

2.3基于结构柔度变化的结构损伤识别方法

结构一旦发生损伤则意味着结构刚度的降低,即结构的柔度将增大。正是基于柔度的这一特性,中外较多研究者以结构的柔度作为结构的损伤标示量对结构的损伤问题进行了研究。通过对比结构损伤前后柔度阵的变化或对比实测柔度阵与FEM分析柔度阵的差异,可以探测结构的损伤或确定结构模型误差,由于观测柔度阵正比于观测频率的逆矩阵,观测柔度阵对结构低阶模态的变化更加敏感,适用于使用低阶模态数据进行结构识别。基于柔度阵的结构识别研究表明,结构柔度矩阵在低阶模态条件下包含了有关结构特性的丰富信息,为低阶模态条件下的结构识别提供了一种新的有效途径。对数据不完整、不精确条件下结构识别柔度法的研究目前进行得仍然比较少。为了充分利用柔度矩阵的低阶模态敏感特性,仍需进一步深入开展基于柔度矩阵的结构识别研究。

三、结构健康监测的工程应用与展望

从20世纪80年代中后期开始，美国开始在多座梁上布设监测传感器，为了验证设计假定、监视施工质量和实时评定服役安全状态监测，他们监测了桥梁的环境荷载、结构振动和局部应力状态。1995年，美国投资1.44亿美元，在90座大坝配备了安全监测设备。香港青马大桥安装了500个加速度传感器、粘贴了大量的应变片和安装了一套GPS系统，用以监测桥梁的服役安全性。虎门大桥安装了一套GPS系统、在箱形桥面梁内粘贴了应变片，用以监测整体变形和局部应变。

结构健康监测在土木工程领域还只能算刚起步，能用于实际工程的成果较少。目前来看以下几个方面的研究比较重要：①探索适合土木工程结构的模态识别方法具有重要意义。由于结构健康监测的很多理论是从机械行业移植过来，但毕竟土木和机械学科不同，有许多理论可能并不适用，因此，需要研究适合土木工程结构的模态识别方法。

②加强整个监测系统的耐久性。目前的大部分工作集中在提高损伤识别和定位的准确性上，但监测是长期工作，监测系统（包括传感器、数据传输系统、数据处理系统）在长期使用中如果出现错误，将导致整个监测的失败。

③研究更加合理的算法，使实时监控所得的数据通过算法能得到有用的结论以评估结果的安全性。

④建立结构健康监测的安全性标准，只有形成明确的标准，才能根据监测结果明确判断结构的安全性。

四、结语

土木工程结构健康监测系统对于土木工程的安全性能评估以及今后的发展具有重要作用，虽然结构健康监测和损伤识别的技术是新兴的科技，在应用过程中还存在一定的局限性，但要加大对结构健康监测领域的研究力度，将来会具有非常广阔的发展空间。

参考文献

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[2]张志奇，李华刚，谭登祥?土木工程结构损伤诊断方法[A]?土木建筑教育改革理论与实践[C]，2009年.

[3]冯新，李国强，周晶；土木工程结构健康诊断中的统计识别方法综述[J]；地震工程与工程振动；2005年02期