土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法探析

1、<p>　　土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法探析</p><p>　　【摘要】 介紹了土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的重要性及其概念設(shè)計(jì),并對(duì)各種結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法進(jìn)行了評(píng)述,最后對(duì)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的幾個(gè)重要問題作了展望。 </p><p>　　【關(guān)鍵詞】 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè);損傷檢測(cè);振動(dòng)參數(shù);智能傳感技術(shù) </p><p>　　中圖分類號(hào)： TU71 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A </p&g

2、t;<p>　　工程結(jié)構(gòu)自建成后,隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng),不斷受環(huán)境侵蝕和各種荷載以及自然災(zāi)害等的作用,若沒有適當(dāng)?shù)木S護(hù),將使十木工程基礎(chǔ)設(shè)施的狀態(tài)逐漸趨于劣化而變得不可靠。檢測(cè)已有建筑物或橋梁等結(jié)構(gòu)在一些災(zāi)害性事件(如地震、臺(tái)風(fēng)、爆炸等)后的健康狀況,通常是很費(fèi)時(shí)的,因?yàn)殛P(guān)鍵性的結(jié)構(gòu)構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)一般都在外覆物或建筑裝飾物的下面。 </p><p>　　一、土木工程結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì) <

3、/p><p>　　結(jié)健康監(jiān)測(cè)指利用現(xiàn)場(chǎng)的無損傳感技術(shù)和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的特性分析包括結(jié)構(gòu)的響應(yīng),以達(dá)到檢測(cè)結(jié)構(gòu)損傷或退化的一些變化圖。土木工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為土木工程學(xué)科研究和發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域。 </p><p>　　結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)Y(jié)構(gòu)從設(shè)計(jì)施工、竣工投入使用一直到結(jié)構(gòu)的整個(gè)服役期的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)估。施工階段是否是嚴(yán)格按照原始的設(shè)計(jì)來完成的、投人使用后是否是在正常荷載情況下

4、工作的、在一次偶然事件如地震、臺(tái)風(fēng)或爆炸等作用后結(jié)構(gòu)是否有損傷、整體的工作狀態(tài)如何等,這些都是需要回答的問題。 </p><p>　　理想的健康監(jiān)測(cè)與損傷識(shí)別技術(shù)應(yīng)能在結(jié)構(gòu)損傷出現(xiàn)的較早時(shí)期發(fā)現(xiàn)損傷,在傳感器精度允許的情況下確定損傷的位置,估計(jì)損傷的程度,并預(yù)測(cè)出結(jié)構(gòu)的剩余有效壽命。理想的損傷識(shí)別方法應(yīng)該具備的另一重要性能是,能夠區(qū)分結(jié)構(gòu)建模誤差引起的偏差與結(jié)構(gòu)損傷引起的偏差間的區(qū)別。盡管近幾年出現(xiàn)了一些運(yùn)用較為

5、成功的整體監(jiān)測(cè)技術(shù),但對(duì)于如何從量測(cè)得到的信息來解釋結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)及損傷情況,卻遠(yuǎn)未建立起完善的科學(xué)理論。對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體監(jiān)測(cè)仍然是土木工程領(lǐng)域面臨的一大挑戰(zhàn)。 </p><p>　　二、結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)基本方法 </p><p>　　1.基于頻率觀測(cè)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別 </p><p>　　結(jié)構(gòu)的固有頻率是表示結(jié)構(gòu)固有特性的整體量,當(dāng)結(jié)構(gòu)的局部出現(xiàn)損傷時(shí),結(jié)構(gòu)的固有頻率將

6、發(fā)生變化,隨著剛度的降低,結(jié)構(gòu)的固有頻率將會(huì)增大。正是由于這一特性加上結(jié)構(gòu)固有頻率易于測(cè)量和測(cè)量誤差小,很多研究者將結(jié)構(gòu)的固有頻率作為結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的損傷標(biāo)示量。但是,利用頻率作為損傷診斷的標(biāo)示量也存在一定的局限性: </p><p>　　(1)對(duì)損傷位置的不敏感性。不同形式的結(jié)構(gòu)損傷可能引起相同的頻率改變,在對(duì)稱結(jié)構(gòu)中,兩個(gè)對(duì)稱位置上結(jié)構(gòu)相同程度的損傷將引起結(jié)構(gòu)固有頻率相同的改變。 </p><

7、;p>　　(2)結(jié)構(gòu)不同位置損傷對(duì)結(jié)構(gòu)各階固有頻率的影響不相同。有的位置的損傷對(duì)低階頻率影響較敏感,對(duì)高階頻率則不敏感;有的位置損傷則對(duì)高階頻率影響敏感,對(duì)低階不敏感。在實(shí)踐中容易測(cè)得的結(jié)構(gòu)固有頻率是前幾階低階頻率,高階頻率則不易測(cè)出。用頻率作為結(jié)構(gòu)損傷標(biāo)示量對(duì)結(jié)構(gòu)某些位置的損傷不易探測(cè)到。 </p><p>　　2.基于結(jié)構(gòu)固有振型變化的損傷識(shí)別方法 </p><p>　　相對(duì)結(jié)構(gòu)

8、固有頻率而言,結(jié)構(gòu)的固有振型包含了更多的損傷信息,特別是對(duì)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行定位,利用結(jié)構(gòu)固有振型要更加準(zhǔn)確。國(guó)內(nèi)外眾多研究者運(yùn)用結(jié)構(gòu)固有振型作為損傷標(biāo)示量對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷問題進(jìn)行了研究。大量試驗(yàn)表明,基于結(jié)構(gòu)固有振型變化的損傷識(shí)別方法可以得出以下基本結(jié)論:結(jié)構(gòu)振型對(duì)結(jié)構(gòu)的局部變化較為敏感,可以用來確定結(jié)構(gòu)模型誤差和損傷的可能位置。然而其缺點(diǎn)是模態(tài)振型的測(cè)量由于系統(tǒng)噪聲和觀測(cè)噪聲的影響存在較大的測(cè)量誤差,使得特征振型的變化常常被測(cè)量誤差所掩蓋,給

9、基于振型的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法在實(shí)際應(yīng)用中造成很大的困難;由于現(xiàn)場(chǎng)條件的限制,實(shí)際的觀測(cè)振型數(shù)據(jù)是不完整的,而基于自由度不完整振型數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)識(shí)別方法研究得還很不充分。 </p><p>　　3.基于結(jié)構(gòu)柔度變化的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法 </p><p>　　結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生損傷則意味著結(jié)構(gòu)剛度的降低,即結(jié)構(gòu)的柔度將增大。正是基于柔度的這一特性,中外較多研究者以結(jié)構(gòu)的柔度作為結(jié)構(gòu)的損傷標(biāo)示量對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷問

10、題進(jìn)行了研究。通過對(duì)比結(jié)構(gòu)損傷前后柔度陣的變化或?qū)Ρ葘?shí)測(cè)柔度陣與FEM分析柔度陣的差異,可以探測(cè)結(jié)構(gòu)的損傷或確定結(jié)構(gòu)模型誤差,由于觀測(cè)柔度陣正比于觀測(cè)頻率的逆矩陣,觀測(cè)柔度陣對(duì)結(jié)構(gòu)低階模態(tài)的變化更加敏感,適用于使用低階模態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)識(shí)別?；谌岫汝嚨慕Y(jié)構(gòu)識(shí)別研究表明,結(jié)構(gòu)柔度矩陣在低階模態(tài)條件下包含了有關(guān)結(jié)構(gòu)特性的豐富信息,為低階模態(tài)條件下的結(jié)構(gòu)識(shí)別提供了一種新的有效途徑。對(duì)數(shù)據(jù)不完整、不精確條件下結(jié)構(gòu)識(shí)別柔度法的研究目前進(jìn)行得仍然比

11、較少。為了充分利用柔度矩陣的低階模態(tài)敏感特性,仍需進(jìn)一步深入開展基于柔度矩陣的結(jié)構(gòu)識(shí)別研究。 </p><p>　　4.基于模態(tài)應(yīng)變能量變化的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法 </p><p>　　該方法首先定義了每個(gè)單元的模態(tài)應(yīng)變能及其計(jì)算方法,然后利用結(jié)構(gòu)損傷前后每個(gè)單元模態(tài)應(yīng)變能的改變來檢測(cè)結(jié)構(gòu)損傷的位置和大小。利用模態(tài)應(yīng)變能方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)時(shí),主要步驟如下:(1)對(duì)未損傷結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模與

12、分析,得到結(jié)構(gòu)的頻率、模態(tài)振型以及各單元的剛度矩陣;(2)由振動(dòng)試驗(yàn)和模態(tài)分析,獲取損傷結(jié)構(gòu)的頻率和振型。測(cè)量振型不完整時(shí),用振型擴(kuò)充法擴(kuò)充;(3)由單元模態(tài)應(yīng)變能變化比方法確定結(jié)構(gòu)可能的損傷單元;(4)求得損傷單元的損傷系數(shù),得到結(jié)構(gòu)損傷的大小。 </p><p>　　試驗(yàn)證明模態(tài)應(yīng)變能方法具有以下優(yōu)缺點(diǎn): (1)基于單元模態(tài)應(yīng)變能變化的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法簡(jiǎn)便有效,便于實(shí)際應(yīng)用; (2)振型的不完整性和測(cè)試振型的

13、隨即噪聲都對(duì)結(jié)構(gòu)損傷定位和損傷大小的確定有較大影響,采用多階模態(tài)疊加的方法,能較好地改善結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的結(jié)果;(3)在實(shí)際應(yīng)用中,結(jié)構(gòu)剛度的破損多種多樣,如何模擬剛度的各種破損情況將直接影響損傷大小的確定,有待進(jìn)一步的研究。 </p><p><b>　　5.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法 </b></p><p>　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量神經(jīng)元廣泛互連而成的。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中,信息處理是通過神經(jīng)

14、元之間的相互作用來實(shí)現(xiàn)的,只是信息的存儲(chǔ)表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)元件互連間分布式的物理聯(lián)系。學(xué)習(xí)與識(shí)別取決于神經(jīng)元與連接權(quán)系的動(dòng)態(tài)演化過程,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的容錯(cuò)性,較強(qiáng)的非線性性能,因而在控制、優(yōu)化、識(shí)別等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法不僅適用于線性系統(tǒng),尤其適用于非線性系統(tǒng),它比模態(tài)修正法及信號(hào)處理法的適應(yīng)性更強(qiáng),其另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是處理環(huán)境振動(dòng)的能力很強(qiáng),省略了激振設(shè)備,更容易應(yīng)用于工程實(shí)際中。 </p><p>　　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

15、技術(shù)用于結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)中其檢測(cè)的準(zhǔn)確性,對(duì)多位置損傷的同時(shí)檢測(cè)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的確定等方面的研究還處于初級(jí)階段,這些因素限制了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用,如何確定一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使其對(duì)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行精確的檢測(cè)是有待研究的課題。 </p><p>　　土木工程結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)技術(shù)是一門新興的科學(xué)技術(shù),目前正處于蓬勃發(fā)展之中。雖然這種技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于航空、航天、精密機(jī)械等領(lǐng)域之中,但是在土木工程領(lǐng)域的研究還處于起步階段,絕大多數(shù)研究

16、還僅僅局限于試驗(yàn)階段。從目前土木工程損傷檢測(cè)的研究動(dòng)態(tài)來看,以下幾個(gè)方面問題的研究在該技術(shù)的未來發(fā)展方向上有比較重要的意義和迫切性:(1)發(fā)展更可靠的損傷判別指標(biāo),該指標(biāo)不會(huì)誤判及漏判;(2)研究試驗(yàn)參數(shù)變化、環(huán)境參數(shù)變化對(duì)結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的影響;(3)不依賴外部激勵(lì)源的損傷檢測(cè)研究。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1]曹暉.Mi

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