土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究綜合測評
2015-07-23
一 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的概念及系統(tǒng)組成
1 概念
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測 ( Structure Health Monitoring ，簡稱 SHM) 技術(shù)是用探測到的響應(yīng)，結(jié)合系統(tǒng)的特性分析，來評價(jià)結(jié)構(gòu)損傷的嚴(yán)重性以及定位損傷位置。其基本思想是通過測量結(jié)構(gòu)在超常荷載前后的響應(yīng)來推斷結(jié)構(gòu)特性的變化，進(jìn)而探測和評價(jià)結(jié)構(gòu)的損傷；或者通過持續(xù)監(jiān)測來發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的長期退化。有人將結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測定義為“用最少的人力來實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)自動 、連續(xù)的監(jiān)測和觀察。”結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測可適用于所有種類的結(jié)構(gòu)。對于土木工程結(jié)構(gòu) ，SHM 系統(tǒng)可監(jiān)測結(jié)構(gòu)在地震或者爆炸下的損傷，或者監(jiān)測結(jié)構(gòu)在周圍環(huán)境以及人的活動下的長期損傷。
2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)組成
(1)傳感系統(tǒng)：主要通過傳感器將待測的物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?br />
(2)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)：一般安裝于待測結(jié)構(gòu)中，采集傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行初步處理。
(3)通汛系統(tǒng)：將采集并處理過的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心
(4)監(jiān)控中心和報(bào)警設(shè)備：利用具備診斷功能的軟硬件對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷，判斷損傷的發(fā)生 、位置、程度，對結(jié)構(gòu)健康狀況做出評估 ，如發(fā)現(xiàn)異常，發(fā)出報(bào)警信息。
二 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的目前研究現(xiàn)狀
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)最早起源于航空航天領(lǐng)域 ，最初的目的主要是進(jìn)行結(jié)構(gòu)的載荷監(jiān)測 。隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的日益大型化 、復(fù)雜化和智能化的發(fā)展，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的內(nèi)容逐漸豐富起來，不再是單純的載荷監(jiān)測，而是向結(jié)構(gòu)損傷檢測 、損傷定位、結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測等方面發(fā)展。在土木工程領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測20世紀(jì)80年代提出，最初主要在橋梁健康監(jiān)測方面發(fā)展得比較快。從20世紀(jì)90 年代中后期至今 ，世界各國的土木工程師針對建筑結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測開展了大量的研究。
1 信號的采集與處理
信號的采集和處理是結(jié)構(gòu)損傷識別技術(shù)中特征因子的提取技術(shù)。傳感器采集的信號，如頻率、振型、位移、溫度等可以直接利用，但大部分信號需經(jīng)過放大 、去噪聲后 ，才能得到對損傷敏感的特征因子。近年來，數(shù)據(jù)融合技術(shù)開始用于數(shù)據(jù)處理和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的整體評價(jià)上。數(shù)據(jù)處理技術(shù)基于得到的信息對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以減小誤差而加強(qiáng)分析結(jié)果的可靠性。在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，模糊綜合評價(jià)的應(yīng)用最為廣泛，它的思想是將模糊數(shù)學(xué)理論與可靠度診斷標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合進(jìn)而給出整體評價(jià)等級。
2 損傷檢測
損傷檢測則是進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的基礎(chǔ) ，這是健康監(jiān)測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一直以來都是非?；钴S的研究領(lǐng)域。從技術(shù)上，損傷檢測可以分為基于模態(tài)分析( 整體探測)和基于試驗(yàn)信號處理( 局部探測)的方法。也即是整體和局部的探測方法。
?。?）基于模態(tài)分析方法的結(jié)構(gòu)損傷檢測
結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的動力特性，如同有頻率、固有振型、和模態(tài)阻尼等發(fā)生變化。結(jié)構(gòu)的固有頻率和固有振型可以通過試驗(yàn)直接測得或由有限元模型計(jì)算得到，模態(tài)阻尼主要由試驗(yàn)直接測得。由固有頻率和固有振型可以推出結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣和剛度矩陣，于是可以根據(jù)未損傷結(jié)構(gòu)和損傷結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣和剛度矩陣來確定損傷位置和程度。固有頻率和模態(tài)阻尼可直接進(jìn)行比較，固有振型的比較通常使用 Ewins提出的模態(tài)置信度( modal assurance criterion，MAC ) 判斷。
關(guān)于根據(jù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)來反推結(jié)構(gòu)有限元模型的質(zhì)量矩陣和剛度矩陣的方法，也就是參數(shù)識別問題，主要涉及試驗(yàn)測試技術(shù)、結(jié)構(gòu)動力修改和模態(tài)比較以及損傷位置確定的方法。其中，結(jié)構(gòu)動力修改是基于模態(tài)分析方法的損傷檢測過程 中的一個關(guān)鍵問題，其原因是有限元模型和實(shí)際結(jié)構(gòu)之間的差異，這可能造成模型的誤差而產(chǎn)生的偏差和損傷產(chǎn)生的效果相當(dāng),于是很難識別損傷。
除了模型和實(shí)際結(jié)構(gòu)的差異外，基于模態(tài)分析的方法還將受到傳感器獲取數(shù)據(jù)的不完整性以及測量信號中噪聲的影響。這些都可能使方法在探測損傷時失效 。
?。?）基于試驗(yàn)信號處理 的損傷檢測方法
基于試驗(yàn)信號處理的損傷檢測方法不需要識別結(jié)構(gòu)的動力參數(shù)，而是通過對比所檢測結(jié)構(gòu)與無損傷結(jié)構(gòu)的響應(yīng)信號或信號的某種特征參數(shù)來識別損傷。通常是針對結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件的檢測。一般來說，直接測試得到的動態(tài)響應(yīng)信號要經(jīng)過處理才能提取出其特征參數(shù)，在基于試驗(yàn)信號處理的損傷檢測方法中，用于信號處理的方法是多種多樣的，但其根本 目的都是要提取出足夠多的響應(yīng)信息和追求足夠高的信號損傷敏感度?？偟膩碚f，該方法可分為兩種：一種是在時間域上進(jìn)行結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號的分析；一種是求得信號的某些非時域特征值，如信號峰值、能量積分，然后再比較這些值來識別結(jié)構(gòu)的損傷。
三 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的工程應(yīng)用
目前，SHM 系統(tǒng)在國內(nèi)主要用于大型橋梁。例如，從1997年年底開始，香港青馬大橋的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，通過設(shè)在大橋不同位置的各類傳感器系統(tǒng)收集大橋結(jié)構(gòu)反應(yīng)和大橋工作環(huán)境變化的信息。信息首先從所在的傳感器傳送到三臺分別位于大橋兩側(cè)由微電腦控制的信息收集站作信息收集及初步處理，經(jīng)過數(shù)位／類別轉(zhuǎn)換，再透過光纖網(wǎng)絡(luò)，將信息轉(zhuǎn)送至一臺信息處理和分析系統(tǒng)上，作信息收集、處理、分析及儲存。獲取的數(shù)據(jù)可以作為以后大橋結(jié)構(gòu)評估、運(yùn)營和維護(hù)的參考。在南京長江大橋上安裝的健康監(jiān)測系統(tǒng)，主要進(jìn)行溫度、風(fēng)向、地震及船舶撞擊、墩位沉降，以及恒載幾何線形 、結(jié)構(gòu)振動、主桁桿件應(yīng)力、支座位移等方面的監(jiān)測 。采用健康監(jiān)測系統(tǒng)的還有江陰長江大橋、上海徐浦大橋等。
五 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的展望
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是最近十幾年才發(fā)展起來的一門新興科學(xué)，目前正處在蓬勃的發(fā)展之中。這種技術(shù)在航空航天、機(jī)械等領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，但在土木工程領(lǐng)域，尤其是在建筑結(jié)構(gòu)方面，還處于起步階段 ，絕大多數(shù)研究還僅僅局限于試驗(yàn)階段。1996 年國際結(jié)構(gòu)控制研討會形成了關(guān)于創(chuàng)建工作組來研究建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測問題的計(jì)劃，并成立了亞洲、美國、歐洲的工作組。國內(nèi)外的研究人員在傳感器技術(shù)、損傷檢測、模式識別 、數(shù)據(jù)處理等方面進(jìn)行了大量的研究，取得了一系列的成果。但這些研究成果大多還停留在理論與試驗(yàn)階段 ，能實(shí)際應(yīng)用的成果還只是小部分。
從近年來研究 的發(fā)展來看 ，以下幾個方面的研究在該技術(shù)的發(fā)展中有重要意義：
(1)結(jié)合土木工程結(jié)構(gòu) 自身的特點(diǎn)，利用振動模態(tài)分析技術(shù)和系統(tǒng)識別理論，探索適合土木工程結(jié)構(gòu)的模態(tài)識別方法。由于土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測大部分技術(shù)都是從航空航天及機(jī)械領(lǐng)域移植過來的，這些技術(shù)中的很大一部分并不適合土木工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測，因此，探索適合土木工程結(jié)構(gòu)的模態(tài)識別方法具有重要意義。
(2)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的耐久性，包括傳感器的耐久性和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的耐久性。由于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是一項(xiàng)長期的工作，需要傳感器和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)有較好的耐久性，而 目前的健康監(jiān)測系統(tǒng)的耐久性還不夠 ，能研究出具有更好的耐久性的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)具有很大意義。
(3)量化損傷程度 、估計(jì)結(jié)構(gòu)剩余壽命的損傷檢測研究。目前的健康 監(jiān)測還很難實(shí)現(xiàn)對損傷的量化，也不能較好地估計(jì)結(jié)構(gòu)剩余壽命。
(4) 數(shù)據(jù)處理技術(shù)，尤其關(guān)鍵的是處理所獲得的豐富數(shù)據(jù)以獲取對結(jié)構(gòu)簡潔有用的評估的核心算法。目前的傳感器技術(shù)的進(jìn)步使得獲取大量的結(jié)構(gòu)信息已經(jīng)不是問題，迫切需要處理所獲取的數(shù)據(jù) 以形成對結(jié)構(gòu)的正確評價(jià)的算法。
(5)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的設(shè)計(jì)指南和標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。設(shè)汁指南和標(biāo)準(zhǔn)健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究是試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用的紐帶 ，待這方面的研究成果比較成熟后，工程應(yīng)用的水平會有更大的提高。
