浅谈工程结构健康监测
2015-03-24
随着我国经济的发展和科技的进步，许多大型结构工程得以兴建，但它们在服役过程中不可避免的会受到荷载作用、环境腐蚀、材料老化、疲劳破坏等因素的耦合作用而产生损伤累积，导致结构的抗力衰减，容易引发突发事故。
常规的人工检测的方法带有很大的主观性，检查时间过长，不能在突发事件后迅速查明结构的健康状态。因此，工程结构健康监测技术越来越受到社会各界的广泛重视，对灾害的提前预警或在灾害发生后评估结构的损伤程度及其剩余寿命已成为当前各国学者们研究的热点问题。
1 结构健康监测的概念
结构健康监测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[1]。结构健康监测的过程包括：通过一系列传感器得到系统定时取样的动力响应测量值，然后从这些测量值中抽取对损伤敏感的特征因子，并对这些特征因子进行统计分析，从而获得结构当前的健康状况。
结构健康监测的内容包括（1）荷载监测：包括风、地震、温度和交通荷载等；（2）几何监测：监测结构各部位的静态位移（如桥塔和锚锭的沉降和倾斜等）；（3）结构的静、动力反应：如应变、加速度、频率和模态信息等[2]。
对重大工程结构进行实时健康监测、及时识别结构的损伤累积并评估其使用性能和寿命，建立相应的安全预警机制，对可能出现的灾害进行提前预警，不仅对于提高结构的安全性和可靠性具有重大的科学意义，而且可以降低结构的运行和维护费用，因此已成为21世纪人类亟待解决的重要课题。
2 结构健康监测系统的组成
结构健康监测系统主要由传感器子系统、信息采集与处理子系统、数据管理子系统、损伤识别、模型修正和安全评定及预警子系统组成[3]。
（1）传感器子系统，主要包括各智能传感元件，通过各智能传感元件感知结构的荷载和响应信息，并以光、电、声、热等物理量的形式输出，该系统是健康监测系统最基础的子系统。
（2）信息采集与处理子系统，完成对传感器数据的收集和信号的初步处理。
（3）数据管理子系统，主要对传感器采集的数据、经数字信号处理的数据及后续分析数据进行存储管理。
（4）损伤识别、模型修正和安全评定及预警子系统，由损伤识别软件、模型修正软件、结构安全评定软件和预警设备组成。
3 传感器
3.1 传感器简介
传感器能感受到被测量的信息，并能将这些信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出。传统的振动测量采用的传感器有压电式力传感器、加速度传感器、阻抗传感器、应变片等，它们已广泛应用于各类工程结构的实测中[4]。
3.2 传感器的优化布置
传感器的布置对于参数识别和损伤监测具有重要的意义。一般来讲，传感器的优化布设应遵循以下几个原则[4]：
（1）使传感器系统的设备、数据处理、传输和数据通道等费用最小。
（2）从含有噪声的测量数据中得出较好的结构模型参数的估计。
（3）通过对大型结构模型的试验研究，改善结构控制。
（4）有效确定结构特性及其变化，改进结构整体性能评估系统。
（5）对于大型结构，提高结构早期损伤识别的能力。
4 结构损伤识别
损伤识别是结构健康监测的核心。它的基本思想是认为损伤将显著改变结构的刚度、质量或耗能能力，进而引起所测结构动力特征或响应的改变。通过从监测数据中提取不同部位的信息，并比对结构无损状态下的相应信息，来实现结构的健康检测与评估，从而判断损伤的出现、位置和程度。
损伤识别技术可分为整体法和局部法两种。整体法试图评价整体结构的状态，而局部法则依靠成熟的无损检测技术对某个特定的结构部件进行检测。通常先用整体法确定一些可能的损伤部位，然后再结合局部法对这些部位的构件进行详细具体的损伤检测，进而对结构的损伤情况进行精确评估。
4.1 整体检测法
结构整体检测法主要有：动力指纹分析法 、模型修正与系统识别法、神经网络法、遗传算法等几种。
如果结构发生损伤，质量和刚度等结构参数会发生变化，从而导致相应的动力指纹的变化，这是动力指纹分析法所依据的原理。模型修正与系统识别法的基本思想是使用动力测试资料，通过条件优化约束，不断修正模型中的刚度分布，然后与修正刚度后模型的反应所测数据比较。当两者基本吻合时，则认为此组参数为结构当前参数。
神经网络以生物神经系统为基础，模拟人脑的功能，是一种由简单神经元连接成的具有高度非线性的超大规模的网络系统。遗传算法是根据达尔文进化论中适者生存、优胜劣汰的进化原则来搜索下一代的最优个体，以得到满足要求的最优解。
4.2 局部检测法
传统的局部检测方法有染色法、目检法、压痕法、回弹法、超声脉冲法、射线法等。近年来又出现了一些新的专门针对土木工程结构的局部损伤检测方法，如声发射法、Lamb法、频域ARX法、超声光谱法、几何时域法等。
5 工程应用
土木工程结构是结构健康监测系统应用的一个重要对象，目前在大型桥梁、大坝、高层建筑等土木工程结构中，健康监测系统的应用及功能验证是研究的一个热点。英国在总长522m的三跨变高度连续箱梁的Foyle桥上布设传感器，监测桥梁运营阶段在车辆与风荷载作用下主梁的振动、扰度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场[5]。我国的江阴长江公路大桥也采用了结构的健康监测系统。为了对桥梁的工作环境、桥梁的结构状态、桥梁在车载等各类外部荷载因素作用下的响应进行实时监测和研究，全面了解桥梁的运营条件及质量退化状况，为桥梁的运营管理、养护维修、可靠性评估以及科学研究提供依据，在原有监测系统的基础上进行了改造和升级，建立江阴大桥结构健康监测系统。新的健康监测系统增加了光纤应变测试系统监测主梁内力以及GPS位移测试系统监测主梁线型和桥塔位移，从而实现对桥梁结构响应，包括内力、位移、振动、温度等信号进行长期在线采集与管理，并进行有效的数据积累和分析，获取反映桥梁健康状况的特征信息，对大桥的安全可靠性作出评价。
6 存在的问题及展望
结构健康监测系统的研究目前尚处于基础性的探索阶段，距离实用性的系统目标还有很大的差距。目前需要解决的问题还有很多，归纳起来主要有这几个：缺乏统一的有效的损伤量化指标、信号处理的不准确性、高成本、传感器优化布局存在困难、土木工程结构的不确定因素和复杂的工作环境对结构模态参数的敏感性会造成不利的影响。因此，未来的发展方向表面在以下几个方面：第一，结构损伤机理的研究。第二，识别小损伤的研究。第三，非线性损伤诊断技术的研究。第四，智能传感元件的研究。第五，传感器优化布置。第六，参数识别研究。第七，专家系统研究。第八，结构体系可靠度研究。如果能很好的解决好上述问题，无疑将会在很大程度上推动结构健康监测技术的发展。
