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土木工程结构健康监测研究进展

文字:[大][中][小] 2018-09-11    浏览次数:    
   很多大型土木工程结构在受到各种灾害时,其结构的可靠性会下降;即使没有经历大型灾害,很多结构因为经历了长时间的运行,受到环境侵蚀、材料老化、荷载效应等影响,其结构也会受到一定损伤,使抵抗自然灾害、正常荷载以及环境作用的能力下降。一旦结构关键构件的损伤积累到一定程度,可能导致整个结构的突然毁坏,从而引发灾难性的突发事故。因此,及时监测结构的健康状况,对结构早期损伤进行维修,保证结构性能从而延长结构寿命,是保证人民生命财产安全的重要途径。所以,结构健康监测成为了当前国内外研究的热点。
  1、结构健康监测概述
  1.1 结构健康监测的含义 结构健康监测(Structure Health Monitoring,简称SHM)技术是根据探测到的响应,结合系统的特性分析,通常在判断结构损伤的严重性和损伤的位置时会使用到这项技术。结构健康监测的基本思想是通过测量结构在超常荷载前后响应的变化来推断结构特性的变化,进而探测和评价结构的损伤和位置,或者通过持续监测来发现结构的长期退化。
  未导入结构健康监测系统的结构会随着结构使用年限的增加而下降它的可靠性,同时它的维护成本也会加大;但是已经导入结构健康监测系统的结构的可靠性一直很稳定,其维护管理的成本也基本不变或涨幅不大。所以,研究有效的健康监测、损伤识别、安全评定、损伤控制及修复技术,具有重要意义。
  1.2 结构健康监测系统的组成 结构健康监测是从实测的结构动力响应信号中提取结构的参数和/或与结构参数有关的指标并由此推断结构的损伤,是传统结构动力学的反问题,是传感器技术、信号处理技术、结构动力学、概率统计、自动控制和数据库等技术的交叉领域。
  结构健康监测系统可以划分为在线测试、实时分析、损伤诊断、状态评估以及维护决策等5个部分,其中,结构健康监测的基础是损伤识别,结构健康监测的核心是损伤定位与定量,在结构健康监测中,损伤识别和损伤定位是最困难也是最关键的。
  2、损伤识别和定位的研究现状
  因为基于结构动态特性的损伤诊断方法具有信号易于提取、传感器可以安装在人们不易接近的结构部位,操作简单、快捷、经济等优点,所以得到了广泛应用,主要检测方法可以归为三大类:第一类是基于有限元模型修正和系统识别方法;第二类是基于神经网络的方法;第三类是基于应力波理论的方法,这三类方法中又以第一类方法为主。
  模型修正是利用直接或间接测知的模态参数、加速度时程记录、频率响应函数“(FRF)等构造方程误差,通过条件优化约束,不断地修正模型中的刚度分布,从而得到结构刚度变化的信息,实现结构损伤判别与定位。基于有限元模型修正基础上的结构损伤识别方法主要有以下三种:①优化矩阵法;②灵敏度分析法;③控制基础上的损伤识别方法。
  目前神经网络技术得到了广泛的应用,也给结构损伤识别带来了新的发展机会。因为神经网络技术反映的是一种网络输入与输出的非线性映射关系,可以避免一般有限元模型修正基础上的损伤识别方法要求必须建立结构物理参数与结构响应之间的函数关系以及因此可能带来的一些问题,因此能被广泛地应用于有限元模型修正及基于有限元模型修正基础上的损伤识别当中。除此之外,一种无模型的损伤识别方法也获得了相应的进展。这类方法一般不采用结构有限元模型,希望只通过结构响应变化进行结构损伤识别,并相应提出一些损伤指标。在基于结构动态特性的损伤诊断方法中常用的损伤指标有:MAC(模态保证标准)、COMAC(坐标模态保证标准)、频率等。
  3、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。
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