大型结构的健康监测
2015-05-12
随着经济的发展和科学技术的进步，许多大型复杂工程结构得以兴建，如超大跨桥梁、用于大型体育赛事的超大跨空间结构、超高层建筑、大型水利工程、海洋平台结构以及核电站建筑等，它们的使用期长达几十年、甚至上百年，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳与突变等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从而在极端情况下引发灾难性的突发事故。为了保障结构的安全、可靠，许多在役重大工程结构和基础设施急需采用有效的手段监测和评定其安全状况；新建的大型结构和基础设施在总结过去经验的基础上增设了长期健康监测系统，以监测结构的服役安全状况。结构健康监测已成为国际土木工程领域的前沿研究方向。
1 健康监测概述
结构健康监测（Structural Health Monitoring，简称SHM ）指利用现场的无损传感技术，通过包括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。其基本思想是通过测量结构在超常荷载前后的响应来推断结构特性的变化，进而探测和评价结构的损伤；或者通过持续监测来发现结构的长期退化 。
大型结构工程健康监测是一个实时的，又是一个长期的过程，贯穿了施工阶段、服役阶段。包括了健康监测计划的制定、监测测点的布置、监测数据的采集、损伤识别、损伤部位的加固、修复。
损伤识别技术是结构健康监测的核心技术，依靠成熟的数据采集及分析方法，以正确的损伤识别理论作指导，对工程结构的健康状况做出正确评估。
2 结构损伤识别技术
结构损伤识别是健康监测的核心技术，也是结构健康监测系统研究的难点之一，是当前国内外研究的热点问题。主要目的就是根据实际测量的数据，通过一定的技术手段，对结构是否存在损伤、位置、程度等问题作出准确合理的判断。
结构损伤识别主要包括四方面的内容:
(1)结构损伤的发现；
(2)结构损伤的定位；
(3)结构损伤程度的判定；
(4)结构剩余寿命的预测。
结构的损伤检测技术分为局部损伤检测法(Local Damage Detectio)和整体检测法(Global Damage Detection)两大类。
2.1 局部损伤检测法
局部损伤检测法，是指利用无损检测技术对结构的某个构件或部位进行检测，以判断这个被检测构件或部位的损伤状况。对结构局部进行检测，例如焊缝的质量、裂缝的位置等。
局部损伤检测法，包括超声波法、声学法、红外检测、强度检测法等。
超声波检测法是将发射探头和接收探头接触结构的表面，接收探头可以探测到超声波的传播速度、频率、振幅等声学参数，当超声波在介质的传播中受到干扰，那么就可以通过这些参数对结构进行损伤检测。
声发射损伤检测法采用声发射探头将声发射源发射的弹性波转变为电信号，然后进行放大和处理，从而得到一些声发射特征参数，根据这些参数即可判断材料内部特征或状态。
红外损伤检测法的主要应用是对工程结构因损伤而导致的温度变化进行检测。当物体内部存在缺陷时，物体的热传导将改变，使物体表面温度分布发生变化。
局部损伤检测法在土木工程领域的实际应用中存在很多问题：
（1）适用于局部构件的检测，对大型复杂结构的整体检测受到限制，对于操作人员无法接近或隐蔽的部位，无法进行检测。
（2）仪器操作者需要具备专业的技术知识，仪器设备价格昂贵，造成了人力物力成本高。
（3）检测时间长，不适用于结构的实时在线健康监测。
2.2整体损伤检测法
整体损伤检测法是通过结构的静态参数和动态参数的改变对结构进行损伤识别。任何结构都可以看作是由刚度、质量、阻尼矩阵等组成的力学系统，结构一旦出现损伤，结构参数也随之发生改变，从而导致系统的静态参数（静态位移、静态应变等）及动态参数(频率、柔度、振型等)发生改变，因此可以利用结构参数的改变来进行损伤识别。
整体损伤检测法又分为基于静态测量数据的损伤识别法和基于动态测量数据的损伤识别法。
结构的静态参数主要有刚度、位移、应变、材料的弹性模量、截面面积等。结构发生损伤时会引起结构刚度的变化，从而引起结构的位移、应变等参数变化。基于静态测量数据的损伤识别方法是通过对结构的位移、应变等的测量，直接或间接地判断结构的损伤识别。
基于动态测量数据的结构损伤识别方法是运用动态测量数据（如固有频率、模态振型、柔度等）得到结构动力特性的变化来对损伤进行识别。
基于动态测量数据的结构损伤识别利用环境激励引起的结构振动来对结构进行检测。模态参数（频率、模态振型、模态阻尼等）是结构物理特征（质量、刚度等）的函数，只要结构系统的物理特性发生改变，必然会导致模态特性的改变，将结构系统的实测模态特征与健康结构的模态特性进行比较，来判断结构是否发生损伤。
3 发展与展望
健康监测技术由于其广泛的应用潜力近年来引起了极大的关注。
需要进一步研究的问题有：
（1）实测数据海量、部分重要信息不完整：土木工程结构通常体积巨大、型式复杂，受现场条件和测试仪器的限制，一般只对有限关键性的反映结构状态的特征参量进行监测，并且测点数量有限使得信息不完整。
（2）加大研究各种智能信息处理方法的技术集成，将现代信号处理、神经网络、模糊理论、数据融合、分形理论、粗糙集、进化计算等方法综合与集成，充分发挥它们在处理海量数据、不精确数据、不确定数据与并行计算等方面优越的能力，来解决实际工程中存在的各种难题。
