土木工程结构健康监测系统的研究现状及进展
2015-07-27
1 引言
目前我国土木工程事故频繁发生，如桥梁的突然折断、房屋骤然倒塌等，造成了重大的人员伤亡和财产损失，已经引起人们对于重大工程安全性的关心及重视。另外，我国有一大部分桥梁和基础设施都是在20世纪五六十年代建造的，经过这么多年的使用，它们的安全性能如何？是否对人民的生命财产构成威胁？这些都是亟待回答的问题。近些年，地震，洪水、暴风等自然灾害也对这些建筑物和结构造成不同程度的损伤；还有一些人为的爆炸等破坏性行为，如美国世贸大楼倒塌对周围建筑物的影响。这些越来越引起人们的密切关注。
对重大工程结构的结构性能进行实时的监测和诊断，及时发现结构的损伤，并评估其安全性，预测结构的性能变化和剩余寿命并做出维护决定，对提高工程结构的运营效率，保障人民生命财产安全有极其重大的意义，已经成为现代工程越来越迫切的要求，也是土木工程学科发展的一个重要领域。结构健康监测系统可以实时采集反结构服役状况的相关数据，采用一定的损伤识别算法判断损伤的位置与程度，及时有效地评估结构的安全性，预测结构的性能变化并对突发事件进行预警，因而可以较全面地把握结构建造与服役全过程的受力与损伤演化规律，土木是保障大型工程结构隐建造和服役安全的有效手段之一。
2 健康监测系统的基本概念
结构健康签测（structural health monitoring，SHM）是指利用现场的无损传感技术，分析通过包括结构响应在内的结构系统特性，达到检测结构损伤或退化的一些变化。
损伤识别：工程结构一般会受到两种损伤，即突然损伤和积累损伤。突然损伤由遭地震、洪水、飓风、爆炸等严重的自然或人为灾害等突发事件引起，而积累损伤则一般是结构在经过长时期使用后缓慢累积的损伤，具有缓慢积累的性质。对于损伤识别的目标，有工程师提出了损伤检测的5个层次：判断结构中是否有损伤产生，损伤定位，识别损伤类型，量化损伤的严重程度，评估结构的剩余寿命。理想的损伤识别方法应该具备的另一重要性能是，能够区分结构建模误差引起的偏差与结构损伤引起的偏差间的区别。
安全性评佑：结构安全性评估是基于健康监测和损伤识别的基础上，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。对予不同的结构，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，一种可能性；而安全性评估旨在给出确定的安全等级。
3 结构健康监测系统组成及其功能分析
结构的健康监测是一种实时的在线监测技术。一般健康监测系统包括以下几个部分：
(1)传感器子系统。传感器子系统为硬件系统，功能为感知结构的荷载和效应信息，并以电、光、声、热等物理量形式输出。该子系统是健康监测系统最前端和最基础的子系统。
(2)数据采集与处理及传输子系统。包括硬件和软件两部分，硬件系统包括数据传输电缆/光缆、数模转换(A/D)卡等；软件系统将数字信号以一定方式存储在计算机中，数据采集通用软件平台有Visual Basic，VC++，Delphi，Lab Windows或Lab View等。采集的数据经预处理后存储在数据管理子系统中，数据采集子系统是联系传感器子系统与数据管理子系统的桥梁。
(3)损伤识别、模型修正和安全评定与安全预警子系统，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。在该系统中，一般首先运行损伤识别软件，一旦识别结构发生损伤，即运行模型修正软件和安全评定软件。若出现异常，则由预警设备发出报警信息。损伤识别软件通常由计算分析软件平台开发，如MATLAB等；模型修正和安全评定软件一般是结构分析软件，如ANSYS和结构分析设计专门软件等。损伤识别是在结构反应信息基础上进行的，结构反应信息由数据采集子系统采集后存储在数据管理子系统中。因此，损伤识别软件运行时，首先能够从数据管理子系统中自动读取结构反应信息数据。损伤识别和模型修正以及安全评定的结果将作为结构的历史档案数据存储在数据管理子系统中。因此，损伤识别和模型修正以及安全评定的结果将能够自动存入数据管理子系统中。
(4)数据管理子系统，它的核心为数据库系统。数据库管理结构建造信息、几何信息、监测信息和分析结果等全部数据，它是结构健康鉴测系统的核心，承担着健康监测系统的数据管理功能。
4 结构健康监测系统在国内外的应用情况
在国外，结构健康监测系统已有较多的应用，除应用于大跨桥梁外，已经开始应用到高层复杂建筑的监测。日本的明石海峡大桥为主跨1991 m的3跨双铰悬索桥，于1998年4月5日通车，是本州一四国联络线桥。该桥抗震设计要求可以抵抗距震中150km的里氏8．5级地震，抗风设计的设计风速在桥面处为60m/s。明石海峡大桥的建造采用了最新的抗风、抗震设计法，所以不仅必须检验设计时的假定，而且还要检验结构在强风和强震中的一些相关常数。另外需要监控其基本结构特性，即在正常状态中温度和其它条件发生变化时桥梁的行为。为调查这些项目，安装了一套监控系统。在观测中，采用GPS来监测梁和塔的变形。
在国内，近几年结构健康监测系统的应用逐渐增多，但由于健康监测系统集成技术复杂，成本昂贵，我国的健康监测系统多应用于大跨桥梁。虎门大桥位于珠江入海口，是连接珠江三角洲东西两翼的交通枢纽工程。虎门大桥全长4 606m，主桥是跨径888m的悬索桥，主梁采用扁平闭口流线型截面钢箱梁。由于虎门大桥位于热带风暴多发地区，所以对桥梁的安全问题需要特别考虑和重视。广东虎门大桥有限公司、清华大学土木工程系和广州大地兴科技仪器有限公司研究开发了虎门大桥健康监测系统。该系统主要包括虎门大桥三维位移GPS实时动态监测系统和虎门大桥应变监测数据处理系统。
5 存在的问题及发展方向
本文阐述了土木工程结构健康监测的基本概念、健康监测系统组成和功能、以及目前的研究应用现状，重点讨论了健康监测系统组成中的一些关键问题。就现在结构健康监测及诊断的研究发展水平来看，仍然存在以下几个尚待解决的问题：
(1)对结构健康状态的评价缺乏通用有效的损伤量化指标。在基于振动的损伤诊断中，要求测得的损伤状态的信号应与原始的健康状态的信号有明显的差异，能够准确地区分出结构的损伤状态和健康状态。当前存在的一个矛盾是，结构的自振频率可准确测量，但自振频率对局部损伤不敏感；振型(尤其是高阶振型)变化对局部损伤敏感，但却难以精确测量。因此，应该提出一种通用有效的损伤量化指标(或是针对某一类结构比较有效的动力指纹)，把结构的健康状况进行简单的分级量化。
(2)由于大型土木工程结构都是复杂非线性系统，而神经网络和遗传算法具有不需要知道系统的精确模型就可进行相应运算的特点，因此在结构的健康监测和诊断方面具有广阔的应用前景。小波分析由于有刻画细节的能力，在数据的处理方面也具有一定的优势。但各个方法均有其缺陷和局限性，综合使用几种方法有时会获得更好的分析效果。
(3)传感器的优化布设是土木工程结构健康监测和诊断中的一个重要问题，出于对经济和结构运行状态等因素的考虑，应该做到使用尽量少的传感器获取尽可能多的结构信息。
(4)微波等无线通讯技术将是结构健康监测的重要发展方向，无线监测系统可以大大减少结构上信号线的安装数量，节约成本，不必担心信号线的老化对信号采集的影响，具有广阔的应用前景。
(5)结构健康监测系统的研究是近年来土木工程领域发展的重点课题，但目前结构健康监测系统的设计与开发还缺乏统一的标准或规程。
